低压电力线载波通信1.引言：电力线载波通信（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式。
早在20世纪20年代，电力载波通信就开始应用到10 kV配电网络线路通信中，并形成了相关的国际标准和国家标准。
对于低压配电网来说，利用电力线来传输用户用电数据，实现及时有效收集和统计，是国内外公认的最佳方案。
但在早期的实际应用中，由于我国电网环境恶劣，电力线信道高衰减、强干扰和波动范围大等特点，导致数据采集的成功率和实时性不能完全满足实际通信的需求。
近年来，随着许多新兴的数字技术，例如扩频通信、数字信号处理和网络中继拓扑等技术的大力发展，提高和改善低压配电网电力载波通信的可用性和可靠性成为可能，电力载波通信技术的应用前景变得更为广阔。
2.国内外现状：2.1国外现状：国外低压电力线载波通信开展较早，美国联邦通信委员会FCC规定了电力线频带宽度为100~450 kHz；欧洲电气标准委员会的EN 50065-1规定电力载波频带为3.0~148.5 kHz。
这些标准的建立为电力载波技术的发展做出了显著的贡献。
20世纪90年代，一些欧洲公司进行涉及电力线数据传输的试验，实验结果好坏参半，但随着通信技术的不断进步与互联网业务的蓬勃发展，电力线载波通信技术也得到了显著增长。
在美国，弗吉尼亚州马纳萨斯市首次开始大范围部署PLC的服务，提供抄表、上网等业务，速率达到了10Mbit/s。
国外利用电力线传输信号已经有一百多年的历史。
如早在1838年，埃德华戴维就提出了用遥控电表来监测伦敦利物浦无人地点的电压等级。
直到20世纪20年代，国外一些著名的公司和研究机构才开始对低压电力载波通信技术进行研究。
1930年西门子公司在德国波茨坦建立了用于低压配电网络和传输媒介的波纹载波系统（RCS系统）。
该系统能够以最小的损耗通过低压配电网实现对终端设备的管理。
1958至1959年间，美国德克萨斯元件公司的Jack Kilby和Fairchild半导体公司的Robert Noyce最早发明了电力线载波通信集成电路。
1971年Intel公司的Ted Hoff发明了低功耗的电力线通信微处理器。
Intellon公司在2000年2月7日召开的DEM200会议上展示了其高速达1Mbps的Power PacketTM 住宅网络技术芯片。
德国RWE Plug公司于2001年春季推出了RWE PowerNet（电力线通讯上网)、RWEPowerSchool ( 电力线通讯学校上网) 、RWEeHome(智能家庭自动化)三项业务及相应产品。
国外各大公司及研究机构的研究工作主要包括：电力载波通信原理、电力通信信道特性分析和建模、电力载波调制技术、通信协议的研究和创新、电力载波通信芯片的研制、现场试验和测试、电力载波通信技术的推广和商业化以及相关组织和标准的建立等。
目前在电力载波通信领域比较有影响力的公司有美国的Intellon、Thomson、Atmel、TI公司、以色列的ITRAN、公司、韩国的Xeline公司、瑞士的ASCOM 公司、德国的Polytrax公司和西班牙的Ds2公司等。
这些公司和机构在低压电力载波通信技术的研究和设备的研制上取得了丰硕的成果，产品的传输速率从1 Mbps发展到45 Mbps。
包括这些公司在内的90多家公司组成的HomePlug电力线联盟已经参与并制定了第一个标准草(HomePlug 1.0 Spec),这个组织正在研究PLC 技术标准、市场推进和政府管制政策等问题。
2.2 国内现状：国内的低压电力线载波通信经历了以下4个阶段的发展。
第一阶段：20世纪80年代末至90年代中，国内部分科研单位和生产厂商进行了大量的集中抄表系统组网方式、电力线载波通信技术的研究和试验工作。
这一阶段电力线载波通信质量较差,抄表成功率较低，能连贯传输数据的系统很少。
并且，因为电能表以机械电能表为主, 采样方式主要采用脉冲采样和机械采样,存在一定误差,系统所采集的电能数据准确度较低，应用效果不够理想。
第二阶段：从20世纪90年代中到2001年，市场和技术创新相互推动了电子式电能表的快速发展。
电子式电能表的出现为集中抄表系统抄表数据的准确性提供了可靠的保证，但电力线载波传输的可靠性问题仍是本阶段的技术难点。
第三阶段：自2003年开始，电力线载波抄表的应用进入到快速增长的阶段。
随着电力线载波通信物理层调制/解调与纠错技术的不断发展以及半导体集成规模的不断扩大，采用复杂数字信号处理技术的超大规模电力线载波通信集成电路所能达到的抗干扰能力与前几代产品相比，有了极大提高。
通过信道频带自适应技术，维持相邻通信节点间的可靠传输在技术上已经可以达到。
但由于通信还是基于物理层的技术改进，针对复杂多变的电力线网络，还是存在一定缺陷。
第四阶段：从2005年开始，国内几家大的供应商开始了以网络神经元芯片为核心技术的第三代载波通信产品的研发。
第三代芯片从物理层、网络层、链路层等各个方面都有了较为突破性的提高，本阶段应主要解决的关键问题是，任意相邻节点的物理层通信保障能力与具有帧中继控制的网络传输协议。
部分企业开始采用先进的数字信号处理与信道编码技术，对通信频带做自适应选择的窄带调制/解调方式，芯片内部嵌入微处理器来进行网络传输与信息安全控制等方式提高电力线载波通信芯片的质量，应用效果有待现场验证。
3.低压电力线载波通信的原理和特点电力线载波通信是利用传输工频电能的线路作为传输媒介的通信方式, 是电力线特有的一种通信方式。
PLC 通常利用1M到30M频率范围传输信号。
发送时, 利用调制技术将用户数据进行调制, 然后在电力线上进行传输。
在接收端, 先经过滤波将调制信号滤出, 再经过解调, 就可以得到原始通信信号。
通信速率依据调制方法和具体设备不同而不同, 目前的传输速率在4.5M到45M之间。
PLC 设备分局端和调制解调器, 局端负责与内部PLC 调制解调器的通信和与外部网络的连接。
在通信时, 来自用户的数据进入调制解调器调制后, 通过用户的配电线路传输到局端设备,局端设备将信号解调出来, 再传到外部的Internet。
如图1所示。
低压电力线作为通信媒介不同于其它的通信媒介, 它有自身的特点。
1.低压电力载波通道的噪声干扰大, 其噪声由背景噪声、脉冲噪声、同步和非同步噪声干扰等构成。
2.低压电力线载波通道的阻抗变化大, 远远超过高压电力线的阻抗变化。
在负荷很重时, 线路阻抗可能低于1Ω, 这使得载波装置不能采用固定的阻抗输出。
3.低压电力载波通道的衰减大, 且时变性强。
电压越低线路衰减越大, 时变性越强, 建立通道越困难。
这些特点给实现准可靠高速的低压电力线通信造成了困难。
低压电力线通信的应用关键在于研究抗干扰技术、解决干扰问题, 实现足够可靠的数据传输。
目前研究的方向是采用高效的数据传输方式( 如OFDM技术) 和自适应滤波和自适应均衡技术。
另外, 低压电力线通信对外界的干扰不容忽视。
据国外媒体报道, 当电力线数据通信使用2~30MHz 的频带传输数据时, 将会对该频段的短波无线电广播、业余爱好者无线电台等产生影响。
目前我国还没有建立这方面的标准, 应当将这种干扰限制在何种程度还需要进一步研究。
4.低压电力线载波通信信道的传输特性4.1 噪声干扰强已有的研究结果表明,噪声的大量存在是实现数据在低压电力线上优质传输的主要障碍之一。
一般来说,影响电力通信质量的噪声主要有以下3种:电力线通信信道噪声4.1.1背景噪声，分布在整个通信频带，背景噪声(包括有色背景噪声、窄带噪声和异步于工频的周期脉冲噪声)。
背景噪声背景噪声方面，由于其可视为一个平稳随机过程，因此模型可用一组白噪声通过AR 模型后得到，建模手段较为成熟。
在时间序列模型中，自回归滑动平均(Auto regressive Moving Average，ARMA)模型是最常用的参数模型之一。
由Wold 分解定理可知，任何一个具有有限方差的ARMA 或MA 过程都可以表示成一个AR 过程。
且背景噪声是典型离散高斯型的，可视为一个平稳随机过程，具有有限方差，其模型可简化为AR 模型。
4.1.2 周期性噪声，包括周期性的连续干扰和周期性的脉冲干扰。
脉冲噪声(包括同步于工频的周期脉冲噪声和异步脉冲噪声)两大类。
在脉冲噪声方面，由于其幅值、宽度、间隔和符号的统计特性时变性极强，不可视为平稳随机过程，因此建模方法研究较少。
提出了一种基于分群的马尔可夫链的脉冲噪声模型，得到了与实测结果重合度较好的脉冲宽度和间隔的概率分布曲线，但该方法忽略脉冲噪声幅值、宽度、间隔和符号之间的相互联系，故利用该模型仿真得到的脉冲噪声时域波形，与真实脉冲噪声波形存在一定差异。
针对脉冲噪声建模的不足，对分群的马尔可夫链进行了改进，构造了一种新型脉冲噪声模型。
将实测噪声去除背景噪声后，认为所得噪声中振幅大于背景噪声平均幅值大小10 dB 的即为脉冲噪声。
观察所测实践噪声，幅值的状态转移并非一个简单的马尔科夫链就可以描述，需进行一些改进。
发现一束脉冲群的幅值可能出现呈先上升后下降变化，且脉冲幅度加大，脉冲宽度和间隔呈减小趋势；反之，脉冲幅度减小，脉冲宽度和间隔呈增大趋势。
上述规律可进一步描述为：k+1 时刻的幅值不止和k 时刻的幅值有关，还和k-1 时刻的幅值有关：如果k 时刻幅值大于k-1 时刻幅值，那么k+1 时刻幅值大于k 时刻幅值的概率明显高于k+1 时刻幅值小于k 时刻幅值的概率；如果k 时刻幅值小于k-1时刻幅值，那么k+1 时刻幅值大于k 时刻幅值的概率明显小于k+1 时刻幅值小于k 时刻幅值的概率。
即k+1 时刻幅值不仅与k 时刻幅值有关，还和k 时刻与k-1 时刻的幅值大小关系有关，在进行马尔科夫链转移概率统计时必须将两者区分开来得到两组转移矩阵。
4.1.3突发性噪声，用电设备的随机接入或断开而产生。
研究表明,脉冲干扰对低压电力线载波通信的质量影响最大。
有文献统计出, 脉冲干扰的强度最大可达40dBm ,如此强的干扰将给通信带来致命的伤害,以致于在接收端根本无法识别出发送的信号。
3.2 信号衰减大信号在电力线上传输过程中的衰减是低压载波通信遇到的另一难点。
同时,由于低压配电网直接面向用户,负荷情况复杂,各节点阻抗不匹配,所以信号会产生反射、谐振等现象,使得信号的衰减变得极其复杂。
总的说来,信号的衰减随着传输距离的增加而增加,同时,有文献报导 ,信号的衰减与频率、工频电源的相位有关,一般来说,随着频率的增加,信号的衰减也将增加,而在某些特殊的频段,由于反射、谐振及传输线效应等的影响,衰减会出现突然剧增。
在100～400kHz 频带内,信号的平均衰减为40dB ,标准偏差为20dB。
低压电力线载波通信信号衰减包括耦合衰减和线路衰减2 部分。
