摘   要： 從配電網(wǎng)的分析著手，闡述了電力線通信的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成、應(yīng)用及電磁兼容問(wèn)題以及各國(guó)對(duì)電力線通信的管制情況，分析了電力線現(xiàn)狀與前景。
關(guān)鍵詞： 電力線通信  網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)  電磁兼容  管制

　　電力線通信技術(shù)(PLC)是利用電力線傳輸高頻數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)利用電力線傳送高頻信號(hào)，在不需要重新布線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)、打電話和有線電視等多種應(yīng)用。用戶可以通過(guò)房間里的任意一個(gè)電源插座上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家庭的移動(dòng)辦公。利用PLC技術(shù)可將電腦、電話、音響、電冰箱等家用電器連成一體，實(shí)現(xiàn)集中控制，也可以連接多臺(tái)電腦，組建、實(shí)現(xiàn)家庭局域網(wǎng)。作為一種新的家庭聯(lián)網(wǎng)和寬帶接入技術(shù)，電力線通信引起了人們極大的關(guān)注。
　　PLC技術(shù)最先是由瑞士Ascom公司提出的。它利用類似cable modem的方式，通過(guò)電力線提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過(guò)直接與插座相連的現(xiàn)有電力線進(jìn)行通信[1]。
1  電力線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
　　為了橋接變電站至用戶住宅電氣插座的最后1km，必須把低壓配電網(wǎng)分成室外PLC和室內(nèi)PLC二部分。這是因?yàn)檎麠l通路的衰耗通常非常高，在滿足電磁兼容(EMC)要求的情況下，只有大約10%的用戶可以直接由單跳鏈路來(lái)服務(wù)。PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成示例[2]如圖1所示。室外部分包括從變電站到住家接入點(diǎn)(HAP)的公共區(qū)域，室內(nèi)部分系指從HAP到用戶家中電氣插座的私人區(qū)域。圖1所示的PLC系統(tǒng)是一個(gè)集中式的主/從體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)反映了電力線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜忘c(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流向的特性。室外主控器(OM)通常安裝在變電站，它控制用戶住宅的室外接入點(diǎn)(OAP)。為了覆蓋遠(yuǎn)地的建筑，還包括一個(gè)室外中繼器(OR)。在每處住宅內(nèi)，都有1個(gè)獨(dú)立的室內(nèi)PLC部分，它由室內(nèi)控制器(IC)進(jìn)行控制。IC的控制對(duì)象是室內(nèi)適配器(IA)。IA給最終用戶提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口(如以太網(wǎng)、UBS和模擬電話線等接口)。室內(nèi)PLC和室外PLC通過(guò)OAP與IC之間的以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行連接。OM為主干連接提供以太網(wǎng)接口，主干連接普遍使用光纖和數(shù)字用戶線(DSL)。對(duì)于不具備電信基礎(chǔ)設(shè)施的變電站，可以使用中等電壓PLC作為替代方案。

　　室外PLC使用1M~10MHz的低頻段，而室內(nèi)PLC使用15M~30MHz的高頻段。每個(gè)頻段能容納3個(gè)載波，每個(gè)載波帶寬約為2MHz。載波頻率的分配基于以下考慮：
　　(1)與原有重要的廣播與業(yè)余無(wú)線電業(yè)務(wù)共存。
　　(2)頻率低意味著線路衰耗小，適宜于室外使用，可以覆蓋較大距離。
　　(3)室外與室內(nèi)系統(tǒng)的使用頻率要有足夠隔離，使室內(nèi)、外系統(tǒng)在非?？拷鼤r(shí)(例如OAP與IC)不用協(xié)調(diào)即能同時(shí)工作。
　　(4)室內(nèi)距離一般小于室外距離，故室內(nèi)可以使用較高的頻率。此外，電氣設(shè)備在較高頻率時(shí)產(chǎn)生的信道噪聲比低頻時(shí)小得多。
　　(5)由于在高頻時(shí)不同相之間的串話特性較好，每一相的信號(hào)質(zhì)量幾乎相同，故室內(nèi)系統(tǒng)的性能較少受服務(wù)于IA的其他相或網(wǎng)絡(luò)分支的影響。
2  電力線通信在信息家電中的應(yīng)用
　　用電力線作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)于其他技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于信息家電可以通過(guò)電力線進(jìn)行通信，故不需另外布線。(2)在一戶住家內(nèi)通常有多個(gè)接入點(diǎn)(電源插座)，PLC技術(shù)可以為用戶建一個(gè)家庭局域網(wǎng)，把他們的PC機(jī)、打印機(jī)、掃描器以及任何設(shè)備連接起來(lái)。按HomePlug 1.0標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，電力線通信可以提供14Mbps的數(shù)據(jù)速率，足夠信息家電日常使用。將來(lái)的PLC還可能提供100Mbps的速率來(lái)支持高質(zhì)量數(shù)字多媒體應(yīng)用。
　　北美住家的電力線通信網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖2所示。本文將以該實(shí)例說(shuō)明電力線通信的應(yīng)用[2]。由圖可見(jiàn)，它是一種類似樹(shù)狀的拓?fù)?。一般?條電力線干線，分別為110 V和220 V。每條干線分為若干支線。電力線通信的目的是在這些支線和干線上傳輸數(shù)據(jù)分組。

　　PLC的應(yīng)用形式有多種。例如，當(dāng)數(shù)字電視上出現(xiàn)商業(yè)廣告時(shí)，可以通過(guò)電力線把產(chǎn)品信息下載到計(jì)算機(jī)上。此后，還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)向供貨商發(fā)送訂購(gòu)信息或者去瀏覽產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)，以獲得更詳細(xì)的信息。通過(guò)電力線還可以把音樂(lè)或視像節(jié)目錄制下來(lái)，當(dāng)在電視上或在一個(gè)音樂(lè)頻道上播放音樂(lè)時(shí)，可以通過(guò)電力線直接把音樂(lè)錄到MP3播放器上。還有一種可能的應(yīng)用是把數(shù)字視像直接錄入PC機(jī)或數(shù)字錄像機(jī)(VCR)內(nèi)。
　　利用電力線通信網(wǎng)還可以方便地完成信息家電的一些其他應(yīng)用。例如，電冰箱可以根據(jù)冰箱內(nèi)的庫(kù)存情況通過(guò)電力線訂購(gòu)食品；微波爐能向空調(diào)發(fā)送預(yù)計(jì)的環(huán)境溫度將變化的信息，使空調(diào)重新調(diào)節(jié)溫度，保持室溫舒適。
　　PLC的應(yīng)用并不局限于新式信息家電。作為家庭網(wǎng)絡(luò)，電力線通信網(wǎng)非常便于在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備(如PC機(jī)等)與計(jì)算機(jī)外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)。此外，信息家電也可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)話，例如，利用電力線通信網(wǎng)可以很方便地從電視機(jī)或VCR向PC機(jī)發(fā)送多媒體數(shù)據(jù)。電力線通信網(wǎng)還可以用于住戶安全方面，可以把門(mén)口監(jiān)控?cái)z像機(jī)獲得的圖像送至電視機(jī)。
　　為了通過(guò)DSL或cable modem之類的寬帶連接實(shí)現(xiàn)高速上網(wǎng)，可以在電力線通信網(wǎng)中添加一個(gè)PLC互聯(lián)網(wǎng)路由器。當(dāng)某設(shè)備需要與互聯(lián)網(wǎng)上其他設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，通過(guò)電力線向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后由計(jì)算機(jī)決定是否向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，可以利用外部配電線讓PLC家庭網(wǎng)絡(luò)直接與其他住家、電廠對(duì)話。由于不需要額外的支出，這種用于互聯(lián)網(wǎng)接入的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于發(fā)展我國(guó)家電特別有吸引力。
3  電力線通信的電磁兼容問(wèn)題
　　電力電纜是為50Hz或60Hz低損耗輸電設(shè)計(jì)的，當(dāng)把它們用于PLC時(shí)，意味著必須傳送頻率9kHz～30MHz之間的信號(hào)。對(duì)在這些頻率上的信號(hào)，電力電纜會(huì)有泄漏，部分高頻信號(hào)功率會(huì)以電磁波的形式輻射出去。電力線信道好像一個(gè)開(kāi)放的無(wú)線信道，要受噪聲、衰落、多徑和干擾的影響，同時(shí)也會(huì)干擾其他信號(hào)。當(dāng)PLC系統(tǒng)得到廣泛使用時(shí)，除了使用相同頻率的相鄰PLC系統(tǒng)之間會(huì)相互干擾(即小區(qū)間干擾)以及會(huì)產(chǎn)生保密問(wèn)題之外，PLC系統(tǒng)還會(huì)對(duì)其他無(wú)線電通信造成干擾。因此，PLC系統(tǒng)除了要克服自身信道的缺陷外，EMC是PLC能否得到推廣應(yīng)用的最關(guān)鍵的問(wèn)題。
　　由于PLC系統(tǒng)使用的是9kHz～30MHz的頻段，因此受其輻射影響較大的主要是短波無(wú)線電通信，包括業(yè)余無(wú)線電和軍用無(wú)線電。
為了把PLC輻射減至最小，可采取以下2個(gè)措施：
　　(1)充分利用或改善用于PLC的電力線的對(duì)稱性。
　　(2)減小PLC信號(hào)的功率譜密度(PSD)。
4  對(duì)電力線通信的管制
　　PLC的輻射必須符合相關(guān)的EMC限制。EMC標(biāo)準(zhǔn)基本上有2種：
　　(1)國(guó)際無(wú)線電干擾專門(mén)委員會(huì)(CISPR)等機(jī)構(gòu)制定，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，通常被采納為國(guó)家法規(guī)。
　　(2)在CISPR標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)被采納為國(guó)家法規(guī)的情況下，由有關(guān)國(guó)家的管制當(dāng)局制定相應(yīng)法規(guī)，填補(bǔ)空白。
現(xiàn)存的傳統(tǒng)PLC標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)用于控制、監(jiān)視和開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)而制定的，所占頻譜最高為525kHz。一般通過(guò)限制饋入電源網(wǎng)的最大輸出電壓來(lái)限制不希望的輻射。但用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜LC接入系統(tǒng)的頻率范圍要大得多，目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。CISPR中有關(guān)PLC標(biāo)準(zhǔn)的最新版本是CISPR22。它規(guī)定了對(duì)IT設(shè)備的限制，并明確區(qū)分電源端口和電信端口。但是在PLC中，電源與通信用的是同一端口，故CISPR22在PLC的測(cè)試應(yīng)用方面還存在較大問(wèn)題，現(xiàn)正努力在CISPR22中定義多用途端口，以形成實(shí)際可行的方案。
　　歐洲比較關(guān)注CISPR的活動(dòng)，現(xiàn)在歐盟成員國(guó)都把CISPR發(fā)布的文件作為重要法規(guī)。美國(guó)對(duì)PLC的管制由 FCC Part15制定。在日本，PLC只允許工作在10k～450kHz頻率范圍內(nèi)，并對(duì)發(fā)送電平和使用場(chǎng)合作了詳細(xì)規(guī)定。
5  發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景
　　目前，PLC技術(shù)正準(zhǔn)備走向商用。全球有若干種PLC系統(tǒng)在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，尤其在歐洲，德國(guó)、西班牙、法國(guó)、奧地利和瑞士都開(kāi)始了大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)。2002年8月，香港PowerCom Network公司成立，與Hutchison Global Crossing公司合作開(kāi)發(fā)專有的PLC服務(wù)。中國(guó)國(guó)家電力通信中心自2001年12月開(kāi)始進(jìn)行電力線上網(wǎng)的小規(guī)模試驗(yàn)工作，其中部分設(shè)備（電力貓等）由福建省電力試驗(yàn)研究院提供[3]。
　　PLC網(wǎng)絡(luò)除了完成家庭聯(lián)網(wǎng)外，還能實(shí)現(xiàn)高速上網(wǎng)。各住家網(wǎng)絡(luò)被接至變電站，并通過(guò)電力線modem終端把各家PLC網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)。各家的PLC網(wǎng)關(guān)可以安裝在各家的熔絲盒里。網(wǎng)關(guān)可能連接1個(gè)或幾個(gè)用來(lái)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度的中繼器。預(yù)計(jì)當(dāng)調(diào)制技術(shù)得到進(jìn)一步改進(jìn)之后，未來(lái)的電力線網(wǎng)絡(luò)可以以更高的速率傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)然，目前在網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)性能等方面還有不少問(wèn)題有待解決，特別是當(dāng)把電力線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于辦公室和公寓大樓時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)急劇增加，解決這些問(wèn)題就尤為重要。
　　電壓不穩(wěn)定對(duì)于電力線上網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性等因素有很大的影響，主要是用電負(fù)荷高峰期影響穩(wěn)定性。每到晚上家庭用電高峰期，通過(guò)電力線上網(wǎng)速度就比較慢。同時(shí)，國(guó)內(nèi)該技術(shù)是通過(guò)單元樓共享帶寬技術(shù)，用戶上網(wǎng)時(shí)的速度，取決于在線的用戶數(shù)量。如果很多用戶同時(shí)上網(wǎng)，傳輸速度就相對(duì)較慢。此外，電力線上網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)上也較麻煩。由于電力網(wǎng)使用的大多是非屏蔽線，用它來(lái)傳輸數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)形成電磁輻射，影響數(shù)據(jù)的保密性，同時(shí)會(huì)對(duì)其他無(wú)線通信，如公安、軍事部門(mén)的通信造成干擾。中國(guó)還沒(méi)有制訂出自己的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，因此現(xiàn)在難以給PLC以合法身份。
　　電力線上網(wǎng)作為一種新出現(xiàn)的上網(wǎng)方式，目前在我國(guó)還處在試驗(yàn)階段，信息產(chǎn)業(yè)部允許它在一定范圍內(nèi)做試點(diǎn)，如電力小區(qū)、電力家屬院。而在電力線上網(wǎng)經(jīng)營(yíng)者沒(méi)有取得許可證之前，不允許進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)運(yùn)作。
　　2004年3月，國(guó)家電力通信中心的下級(jí)企業(yè)中電飛華作為寬帶市場(chǎng)的新興力量，已進(jìn)入了北京100多個(gè)社區(qū)，開(kāi)始提供寬帶試運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，運(yùn)行良好。
　　在今后5年內(nèi)，如果電力公司采取行動(dòng)，大力推動(dòng)電力線上網(wǎng)，PLC的地位就有可能上升到目前DSL和cable modem所處的地位，可見(jiàn)它的潛在市場(chǎng)是巨大的。據(jù)Yankee Group公司市場(chǎng)調(diào)查后估計(jì)，在美國(guó)至少有2 100萬(wàn)戶住家對(duì)家庭聯(lián)網(wǎng)感興趣。按照Parks Associates公司預(yù)測(cè)，到2004年底美國(guó)將有3 000萬(wàn)戶住家具有快速互聯(lián)網(wǎng)連接，其中1 700萬(wàn)戶住家計(jì)劃安裝家庭網(wǎng)絡(luò)。一些分析家稱，PLC市場(chǎng)到2006年可能達(dá)到6億美元。
參考文獻(xiàn)
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