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关于电力线通信(PLC)技术的介绍

浏览:9436  来源:通信人在线  日期:2019-05-10

一、概述

1、概念

电力线通信PLCPower Line Communication)技术,依据GB/T 31983.31中的定义:是指将信息数据调制到合适的载波频率上,以电力线作为物理介质进行传输,实现在数据终端之间的通信或控制的一种技术。其实利用电力线进行通信业务信号的传输很早就有了,当时称之为电力载波系统,它使用的是高压或中压电力线,主要是为变、配电站间提供数据(包括监控信号)及话音信号的传输。而最近所指的PLC技术则主要是指的一种接入技术,即充分利用最为普及的电力线网络资源,室内无需布线,建设速度快、投资少,用户通过遍布各个房间的电源插座就能进行高速上网,且实现“有线移动”,具备了其他接入方式不可比拟的优势。因此,成为国内外广泛关注的一个热点技术。

2、特点

对于电力线通信(PLC)技术,其最中心的思想是为公众用户提供通信业务的接入,即解决的是我们常说的最后“一公里”的问题。而解决这个问题,PLC具有的最大优势就是用户接入零布线,同时可以实现“有线移动”接入。因此,电力线通信(PLC)技术是利用电力线作为通信信号的传输媒介,而电力线作为传输媒介,与专用的通信线相比,有着独特的特性与特点。而这些特性,正是PLC要研究解决的内容,从而实现其通信业务的通信与传输。另外,为了适应电力线媒介,PLC往往采用正交频分复用(OFDM)调制技术。

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3、分类

一是从电力线应用范围分,可分为利用高/中压配电网的通信系统和通常仅利用其中/低压配电网的通信系统。前者重点应用于电力系统内部的通信系统(它可以提供长距离通信,如电力载波系统),后者多应用于公众用户的通信业务的接入系统。

二是从通信业务应用范围分,这种分类方法通常是对利用中/低压配电网的通信系统,它分为窄带通信应用和宽带通信应用。窄带通信应用主要是利用3kHz~500kHz频段,典型的低压窄带电力线通信应用情形包括智能电能表集中抄表(AMR)、AMI/AMM(高级量测体系/自动抄表)、家居智能控制、路灯控制、智能楼宇、四表集抄以及智能电网(Smart Grid)的其他应用,例如:电动车辆充电控制等。宽带通信应用是可以实现为公众用户提供数据、话音、图像等综合业务的接入。宽带PLC按应用的配电网电压等级可划分为低压PLC和中压PLC。低压PLC利用低压(220V/380V)电力线作为传输媒介,为用户提供Internet接入、家庭局域网、远程抄表、智能家居等应用。中压PLC利用中压(10kV)电力线作为通信链路,为接入骨干网、配电网自动化、用户需求侧管理及农村电话等应用提供传输通道。

二、典型的电力MODEM接入系统

下图2为典型的一种低压宽带PLC系统应用示意图,它是一种通过Modem(俗称“电力猫”)的接入方式。在配电变压器(10kV/380V)低压出线端安装PLC主站,它的主要功能是将电力线上的高频信号调制或解调成为数据信号。PLC主站的一侧通过电容或电感藕合器连接电力电缆,注入或提取PLC高频信号;另一侧通过传统通信方式,如光纤、CATVADSL等连接至Internet。在用户侧,用户的计算机通过RJ-45USB接口与PLC Modem相连,普通话机则通过RJ-11接口连接PLC ModemPLC Modem可直接插入户室内电源插座,通过电力线实现高速数据传输。如果PLC高频信号在传输过程中发生较大衰减,可以在适当的位置加装中继器以放大信号。下附录2是利用“电力猫”方式并结合我国的配电网,对于高层建筑、低层建筑以及商业建筑的详细接入方案介绍,以供了解。

1-3:通过Modem接入的典型宽带PLC系统

附录2:“电力猫”方式对不同建筑的接入方案

三、窄带PLC系统

1、引述

窄带PLC系统通常不向公众用户开放通信业务,主要是用电力系统的数据集采、监控和传输。在我国,这类窄带PLC系统是由我国国家标准GB/T31983.31《低压窄带电力线通信系统 31部分:窄带正交频分复用电力线通信的物理层规范》所规范的。它适用于 3kHz~500kHz频段通过室内或室外低压交流配电线或直流输电线进行数据传输和通信。窄带PLC系统将在智能电网及电力物联网中大有用处。根据GB/T31983.31规定,该技术是基于正交频分复用(OFDM)技术。

2、频带的划分及应用

窄带PLC系统适用于3kHz~500kHz频段,为了保证不同应用之间的共存和防止相互之间的干扰,通过划分频带来构建各类应用,对于该频段,我国国家标准GB/T31983.11又从中划分了三个频段,并给出了相应的应用,具体详见下表3-2中。

3-2:窄带PLC的频段划分及相应的应用规定

3、物理层

其物理层协议规范的基础上,一个在低压配电网上建立起的由多个通信节点组成的完 PLC系统还包括数据链路层(DLL,由介质访问控制子层 MAC和逻辑链路控制子层 LLC组成),以及与具体应用情形相关的应用层。物理层基于覆盖 3kHz~500kHz频段的窄带OFDM技术,支持物理层信号帧以连续传 输方式或工频同步过零时隙方式传输方式。

物理层发射端框图见图 3-3所示。发射端完成从输入的数据比特到电力线传输信号的转换。输入的待发送数据比特经过比特加扰、 RS编码、卷积编码、打孔、比特重复、交织,然后进行比特到符号的星座映射,再将映射后的数据与导频数据一起进行 OFDM符号的调 制,并插入循环前缀和加窗重叠,至此形成数据的帧体部分。数据帧体部分与前导、帧头复接成发射信号帧,最终通过模拟前端注入到电力线进行传输。

3-3:窄带PLC系统物理层发射端框图

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四、宽带PLC系统

1、引述

宽带PLC系统技术方式有多种。我国国家标准GB/T 33854《基于公众电信网的宽带客户网络联网技术要求 电力线联网》,规定了基于HomePlug AV技术的宽带PLC系统。它规定了宽带PLC系统的结构、物理层、MAC层、汇聚层、中心控制器、组网、管理消息和服务接入点等的内部技术要求。它只是基于HomePlug AV技术,不含采用其他技术的电力线客户网络内部联网以及多种电力线共存的客户网络内部联网要求。若要具体了解HomePlug AV技术的请查阅下附件4-1-1;HomePlug AV的版本已演进为HomePlug AV2,若要具体了解的请查阅下附件4-1-2

附件4-1-1HomePlug AV技术白皮书

附件4-1-2HomePlug AV2技术白皮书

2、系统结构参考模型

宽带PLC系统由下图4-2所示的设备组成。系统中包含以下节点:中心控制器(CCo)、工作站(STA);系统中还可能有代理控制器(PCo)、代理工作站(PSTA)和隐藏工作站(HSTA)。一个网络中只能有一个CCo,其它的STACCo协同下工作。不能与CCo直接通信的STAHSTAHSTA通过代理控制器(PCo)或代理工作站(PSTA)同系统内的其他节点通信。

4-2:宽带PLC客户网络系统的结构模型

3、物理网络

工作站(STA)的物理网络(PhyNet)是能和该STA在物理层通信的一批STA,也就是说在物理层可见的一批STA。在一个物理网络中的所有STA都有相互影响的可能性,但它们也有能力通过协作将互不干扰降到最低。物理网络是与一个给定的STA相关的。下图4-3中给出了物理网络的3个示例,图中的线表明具备物理层通信的能力。图中AVLAN是指HomePlug AV家庭逻辑网络(HomePlug AV In-Home Logical Network)。

4-3PhyNetAVLAN示例

4、物理层

HomePlug AV的物理层采用OFDM调制技术,该技术能适应频率选择性信道,并有很好的抗窄带干扰和脉冲噪声的能力。通过对OFDM符号的时域脉冲整形,不需要带阻滤波器就可以达到深度频谱开槽的效果。HomcPlug AV 使用1.8 MHz~48 MHz1 893个子载波,对30MHz以上的载波支持是可选的。在低于30 MHz 的载波中,917个用于子载波模板的调制。子载波间隔大约24.414 kHz。子载波根据信道的状况可以采用PSKQPSK8-QAM16-QAM64-QAM256-QAM1024-QAM相干调制。收发器的物理层的功能模块详见下图4-4

4-4:宽带PLC客户网络系统的OFDM收发器

欲具体了解GB/T 33854标准具体内容的请进入

电力线通信(PLC)技术的应用重点是提供一种通信业务的接入方式。在众多接入方式中,PLC接入虽有其独特的优势,但也存在实现技术复杂、可运营性和可管理性差,为普及应用带来了一定影响。

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