[ 導讀 ] 電力線通信(PLC)半導體器件可以將普通電網轉換為通信網絡，進而實現智能電網。這種網絡將電力公司與他們的客戶連接在一起，使家庭具有能量意識(“智能家庭”)，并能夠對電網上的狀態作出反應。

　　電力線通信(PLC)半導體器件可以將普通電網轉換為通信網絡，進而實現智能電網。這種網絡將電力公司與他們的客戶連接在一起，使家庭具有能量意識(“智能家庭”)，并能夠對電網上的狀態作出反應。這包括了連接智能電表、智能電網監視器和街燈。
　　由于存在強烈的噪聲、不斷變化的狀態以及設備與標準的差異，在電網上實現通信非常困難。在這種極具挑戰的環境中實現可靠的操作，以及與前期安裝設備成功實現互操作都需要采用新的PLC技術。

　　定義PLC

　　電力線通信(PLC)也被稱為電力線載波，涵蓋所有使用電力線運載信息的系統。所有PLC系統工作時都會在配線系統上傳送經過調制的載波信號。不同類型的PLC使用不同的頻段，具體取決于電力配線的信號傳輸特性。由于電力配線系統的原始作用是傳輸交流(或直流)電力，因此電力線電路在配線系統上傳播更高頻率方面的性能非常有限。

　　PLC系統中的數據速率變化范圍很大。較高的數據速率通常意味著較短的距離。工作速率為每秒幾兆位的局域網(LAN)也許只能覆蓋幾米范圍。

　　窄帶電力線通信(NB PLC)是專門用于頻率在500kHz以下的電力線通信傳輸的一個術語。特別是歐洲的CENELEC已將148.5kHz及以下的頻率授權給了廣為部署的PLC系統。

　　在這個頻率范圍內，高壓傳輸線可以將數據傳輸數百米至幾公里的距離。這時的數據速率比較適中，在1kbit/s至200kbit/s范圍之內。這些速率非常適合遙感遙測、數據采集和控制應用。

　　窄帶PLC應用
　　窄帶PLC可以應用于需要與連接著電力線的設備雙向通信的任何地方。由于不懈的節能努力在電力分配和管理方面形成了新的投資領域，現在的窄帶PLC比以往任何時候都要流行。這種現象就是所謂的智能電網。

　　窄帶PLC不是新生事物。但恰恰是最近技術的發展、對機器到機器(M2M)連接不斷增長的需求以及對更好的資源管理的認識才使得窄帶PLC最終獲得了巨大的發展動力。

　　今天，窄帶PLC最常見的用途是將消費者連接到電力公司實現自動抄表(AMR)和負荷控制。這些系統一直是許多電力公司的首選，因為電力公司允許在他們控制的基礎設施上傳送數據。其它快速興起的應用包括街燈控制(SLC)和智能電器等。

　　窄帶PLC還開始在使用需要監視和控制的電氣連接設備的許多其它應用中尋找用武之地。許多潛在性的應用案例包括自動販賣機、太陽能電池、電動汽車充電等。
　　電力線通信(PLC)半導體器件可以將普通電網轉換為通信網絡，進而實現智能電網。這種網絡將電力公司與他們的客戶連[FS:PAGE]接在一起，使家庭具有能量意識(“智能家庭”)，并能夠對電網上的狀態作出反應。這包括了連接智能電表、智能電網監視器和街燈。
　　由于存在強烈的噪聲、不斷變化的狀態以及設備與標準的差異，在電網上實現通信非常困難。在這種極具挑戰的環境中實現可靠的操作，以及與前期安裝設備成功實現互操作都需要采用新的PLC技術。

　　定義PLC

　　電力線通信(PLC)也被稱為電力線載波，涵蓋所有使用電力線運載信息的系統。所有PLC系統工作時都會在配線系統上傳送經過調制的載波信號。不同類型的PLC使用不同的頻段，具體取決于電力配線的信號傳輸特性。由于電力配線系統的原始作用是傳輸交流(或直流)電力，因此電力線電路在配線系統上傳播更高頻率方面的性能非常有限。

　　PLC系統中的數據速率變化范圍很大。較高的數據速率通常意味著較短的距離。工作速率為每秒幾兆位的局域網(LAN)也許只能覆蓋幾米范圍。

　　窄帶電力線通信(NB PLC)是專門用于頻率在500kHz以下的電力線通信傳輸的一個術語。特別是歐洲的CENELEC已將148.5kHz及以下的頻率授權給了廣為部署的PLC系統。

　　在這個頻率范圍內，高壓傳輸線可以將數據傳輸數百米至幾公里的距離。這時的數據速率比較適中，在1kbit/s至200kbit/s范圍之內。這些速率非常適合遙感遙測、數據采集和控制應用。

　　窄帶PLC應用
　　窄帶PLC可以應用于需要與連接著電力線的設備雙向通信的任何地方。由于不懈的節能努力在電力分配和管理方面形成了新的投資領域，現在的窄帶PLC比以往任何時候都要流行。這種現象就是所謂的智能電網。

　　窄帶PLC不是新生事物。但恰恰是最近技術的發展、對機器到機器(M2M)連接不斷增長的需求以及對更好的資源管理的認識才使得窄帶PLC最終獲得了巨大的發展動力。

　　今天，窄帶PLC最常見的用途是將消費者連接到電力公司實現自動抄表(AMR)和負荷控制。這些系統一直是許多電力公司的首選，因為電力公司允許在他們控制的基礎設施上傳送數據。其它快速興起的應用包括街燈控制(SLC)和智能電器等。

　　窄帶PLC還開始在使用需要監視和控制的電氣連接設備的許多其它應用中尋找用武之地。許多潛在性的應用案例包括自動販賣機、太陽能電池、電動汽車充電等。
　　智能電網：智能電網將采用電力線先進計量基礎設施/自動抄表(AMI/AMR)技術。電力數據經過電力線傳回到變電站，然后中繼到電力公司主要辦公室的中央計算機。這將被認為是一種固定的網絡系統——由電力公司建立和維護并用于提供電能的[FS:PAGE]配電網絡。這樣的系統主要用于電力抄表。一些提供商還連接煤氣表和水表并饋進PLC類系統。電力線AMI/AMR系統遠程實時讀取客戶電表，然后將數據傳輸到計費系統。AMI/ARM減少了抄表員每個月人工采集各種水電氣表數據的需求。

　　智能燈光控制：街燈是城市最重要的資產，可以提供安全道路、富有吸引力的公共區域，并增強家庭、商務和城市中心的安全。但街燈的運維成本一般都非常高，而且消耗大量的電能(幾乎占整個城市電能消耗的40%)。將街燈和PLC連接在一起可以減少現場操作的次數，降低電能消耗，提高總的發光效率，并延長燈泡壽命。

　　智能家庭和電器：家庭自動化包括集中控制燈光、HVAC(加熱、通風和空調)、電器和其它系統，從而提高便利性、舒適性、能效和安全性。由于家庭自動化系統的目標是將所有家庭電氣設備相互連接在一起，因此PLC是一種理想的方法。

　　太陽能：光伏電池板(太陽能電池板)必須加以仔細管理才能提供最佳性能，這涉及到利用通信實現遙控和實時監視。遙控用于控制電池板傾斜度以便最大限度地提高光照量，還用于控制單個電池板或整個電池場。實時監視方便維護監視、檢測硅劣化/電池替換需求、氣候條件、盜竊以及輸出功率和效率。

　　汽車至電網：隨著智能電網部署的展開，上升的燃油成本以及更高性價比的電動汽車對電動汽車充電站提出了更多的要求。這種汽車至電網(V2G)基礎設施的部署要求在充電站和計費與管理系統之間實現雙向通信。PLC是理想的解決方案，因為它使用已經安裝好的電力線，能夠提供強大的安全性，并具有很大的擴容能力。

　　智能電網的網絡特性

　　有許多變量影響智能電網網絡的通信特性，其中網絡拓撲和連接網絡的負荷也許是兩個最重要的變量。這種可變性意味著沒有哪兩個電力線網絡具有完全相同的傳輸特性。

　　通過電網通信信道實現增強的數據傳送可靠性要求采用先進的通信機制來解決噪聲問題。這樣的機制還需要應付通信過程中被暫時或永久閉塞的許多頻率。

　　為了適應噪聲可變性，PLC設備必須能夠估計帶內噪聲電平以及每個載頻點的接收信號強度，然后通過修改通信頻率和調制機制來確保可能最佳的數據傳輸效果。通過測量帶內噪聲和每個頻率點的接收信號強度可以為通信系統選出最佳頻率。
　　PLC技術

　　低壓(LV)和中壓(MV)網絡主要采用以下三種窄帶通信技術中的一種：單載波調制，如二元相移鍵控(BPSK)和頻移鍵控(FSK)；正交頻分復用(OFDM)；直接序列擴頻(DSSS)，再加上碼分多址(CDMA)。

　[FS:PAGE]　應用最為廣泛的窄帶PLC解決方案使用相對簡單但具有特別高性價比的FSK和BPSK調制技術。這些技術組成了多種具有互操作性的標準的基礎，其中最著名的是Lon和DLMS標準。

　　Lon在ANSI/EIA框架下實現了標準化，針對介質訪問控制(MAC)層和物理層的標準號分別是EIA-709.1和EIA-702.2。DLMS在國際電子技術委員會(IEC)框架下實現了標準化，標準號是IEC 62056和IEC 61334。
　　為了確保在有噪聲的環境中可靠工作，FSK和BPSK器件必須測量帶內噪聲電平以及每個頻率點的接收信號強度，然后由軟件為可靠通信選擇最佳頻率。例如，Semitech公司的SM6401 PLC收發器就可以估計帶內噪聲電平和每個載頻點的接收信號強度，然后由軟件為數據傳輸選擇最優頻率。

　　通信技術的跨越式發展促進了更先進調制技術的開發和部署。例如，OFDM被證明特別高效，因為它能適應有噪聲的環境，可以在CENELEC工作頻段上實現更高魯棒性、更強功能的通信網絡。OFDM為PRIME聯盟和G3-PLC等新標準的制訂奠定了堅實基礎。

　　Semitech公司開發的SM2200是專門為支持低壓(<100V)和中壓(1kV至33kV)配電網絡上的應用開發的先進OFDM解決方案之一(圖1)。SM2200可以處理速率高達175kbit/s的數據，它將54個載波組成了18個獨立的信道。

　　OFDM及OFDMA提升智能電網通信質量

　　OFDM在有噪聲的信道(如電網)上發送大量數字化數據。OFDM將信號分成多個更小的子信號，然后用不同(正交)的頻率同時發送出去。每個更小的數據流再映射到各個數據子載波，并使用某種形式的相移鍵控(PSK)或正交幅度調制(QAM)(如BPSK或正交相移鍵控(QPSK))進行調制。

　　除了具有很高的頻譜效率外，OFDM系統還能減少信號傳輸中的串擾。另外，OFDM還能高效地克服由多徑效應造成的干擾和選頻衰落。

　　雖然OFDM可以解決有噪聲的智能電網環境中的通信問題，但與在這些非常惡劣的條件下實現可靠通信還有點距離。因此，為了提升可靠性，OFDM方法可以與多址機制結合起來實現正交頻分多址(OFDMA)。

　　在SM2200中，OFDMA的多址技術是通過將子載波的子集分配給各個數據流實現的(圖2)。這樣可以同時傳送多個單獨的數據流。

　　OFDMA進一步改善了OFDM在抗衰落與干擾方面的魯棒性。但更重要的是，單獨的數據流可以用來與多個節點(電表)同時通信，或者通過冗余特性顯著提高系統可靠性。

　　本文小結

　　惡劣的噪聲、設備的變化以及不同標準使得電網通信十分困難。可靠的通信機制可以通過增加帶寬和減少數據包重試次數[FS:PAGE]提高吞吐量。這對智能電網實現來說特別重要，因為集中裝置可以與更大數量的電表進行通信。這種吞吐量可以支持多種日常抄表，因而能對電網實現更好的控制。

　　像BPSK和FSK等傳統PLC技術在這些充滿噪聲的環境中是不夠用的，這促使人們對OFDM調制解調器產生了濃厚的興趣，因為它們能極大地改善通信帶寬和可靠性。多址信道(或眾所周知的OFDMA)可以將子載波的子集分配給單獨的數據流，進而提供更大的頻率靈活性。

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