低压电力线载波通信的应用与发展_魏春娟

扩频通信系统与常规的通信系统相比，具有 很强的抗干扰能力。假设一个带宽为 fs 的原始 信号，功率谱如图 2（ a） 所示。经过频谱扩展后带 宽扩展为 W，功率谱密度下降。若信道上存在着 窄带干扰，此时干扰信号的功率谱密度大于扩展 信号的功率谱密度，它们和有用信号同时进入接 收机，如图 2（ b） 所示。由于窄带噪声与本地扩频 信号不相关，故在相关处理中被削弱（ 干扰信号 与本地扩频码卷积积分其频带被扩展，谱密度降 低） ，也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频 带 W 内，降低了干扰电平；而有用信号的带宽恢 复到 fs，功率谱密度变大。这样，经过滤波器输出 后，大 大 改 善 了 系 统 的 输 出 信 噪 比，如 图 2 （ c） 所示。
Abstract： With the distinctive feature of wide-range coverage，convenient connections and great potential of applications，low voltage power line communication（ PLC） had become a major concern and hot topic for research． Based on the introduction of characteristics of communication channel of low voltage power line communication，two kinds of new technology———orthogonal frequency division multiplexing（ OFDM） and spread spectrum communication（ SSC） applied widely in PLC were analyzed． Then the application of low voltage PLC in remote meter reading and accessing Internet was discussed．
Key words：power line communication（ PLC） ； orthogonal frequency division multiplexing（ OFDM） ； spread spectrum； remote meter reading； power line accessing network
* 基金项目： 上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（09160501700，10110502200） ； 上海市教育委员会科 研创新项目（09ZZ185，09Y337） ； 上海市浦江人才计划项目（10PJ1404500） ； 上海市教育委员会重点学科建设项目资助 （ J51303）
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关键词： 电力线载波通信； 正交频分复用； 扩频； 远程抄表； 电力线上网 中图分类号： TN 916． 52 文献标志码： B 文章编号： 1001-5531（2011）09-0045-05
Application and Development of Low Voltage Power Line Communication
（3） 噪声干扰强而信号衰减大。电力线中的 噪声干扰主要包括由传输电流发生的电磁场引起 的背景噪声干扰，以及由于某些电磁波产生的脉 冲噪声干扰两部分［2］。
上述特点使得电力线载波通信在实际应用过 程中一直面临着可用性与可靠性的考验。
2 低压电力线载波通信的调制技术
由以上分析可知，电力线具有恶劣的信道特
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低压电器（2011No． 9）
低压电力线载波通信的应用与发展*
魏春娟 （ 上海电力学院 计算机与信息工程学院，上海 200090）
摘 要： 低压电力线载波通信以其覆盖范围广、连接方便、应用潜力巨大的显著特 点，而被日益关注，成为近年来研究的热点。在介绍低压电力线载波通信特征的基础 上，分析了正交频分复用和扩频技术在低压电力线载波通信中的应用，探讨了低压电力 线载波通信在远程抄表和接入 Internet 的应用。
等服务［1］。 近年来，高中压 PLC 技术突破了仅限于单片
机应用的限制，已经进入了数字化时代，其应用和 技术相对成熟。低压 PLC 作为通信技术的一个 新兴应用领域，以其诱人的前景及潜在的巨大市 场而为全世界所关注。由于低压电力线的传输特 性不同于中高压电力线，其工作环境恶劣、信号衰 减大、干扰种类多且具有很强的时变性。为此，中 高压电力线上的载波通信技术不能应用于低压配 电网络。本文对低压电力线载波通信的特点及关 键技术进行了分析，并对其在远程抄表和接入 Internet 的应用进行了探讨。
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图 3 远程抄表系统总体结构图
的数据进行采集和存储，并将采集到的数据传送 至上层。具体应用时可根据实际情况来决定一个 采集终端所控制的用户电能表的数量。第 3 层是 集中器。它的功能是定时或实时向采集器下达抄 表命令，接收采集器传送的电量等数据，存储在非 易失性存储器中，以便让上层控制中心随时调用， 或者根据控制中心的命令完成各项操作。第 4 层 为数据中心，它是整个系统的最上层。功能很多， 主要通过整个系统层层相连的通信网络来实现对 系统各部分的控制与管理，可定时或实时抄收系 统中每个电表的用电数据，并通过与供电系统联 网实现电费计算、收缴等功能［7］。
0引言
电力线载波通信（ Power Line Communication， PLC） 是利用高压电力线（ 在电力载波领域通常指 35 kV 及以上电压等级） 、中压电力线（ 指 10 kV 电压等级） 或低压配电线（380 /220 V 用户线） 作 为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊 通信方式。高压 PLC 主要用于地、市级或以下供 电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通 信、远动及综合自动化；中压 PLC 为接入骨干网、 配电网自动化等应用提供传输通道；低压 PLC 为 用户提供 Internet 接入、远程自动抄表、智能家居
扩频技术主要是将基带信号的频谱扩展至很 宽的频带（ 成百上千倍） 进行传输，接收端采用相 关接收的原理，将扩展的频谱恢复到基带信号的 频谱，从而抑制传输过程中加进来的干扰。通常 的实现方式是将待扩频的信号与一个扩频函数 （一般是伪随机序列码） 在时域相乘来扩展信号 的频谱。扩频系统有两个显著特征：① 传输带宽 远远大于被传送的原始信息的带宽；② 传输带宽 主要由扩频函数决定［5］。
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图 1 采用 OFDM 技术的电力线通信系统
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在实际系统中，OFDM 通常采用时间抽取奇 偶分解 FFT 算法，实现简单且计算量较小。对于 N 点 FFT，只需要 N /2 lb N 次复乘、N（ N － 1） 次复 加运算。如果使用 C6000 系列 DSP，完成 1 024 点的 FFT 只需约 70 μs，能够在 DSP 上实现快速 调制和解调是 OFDM 技术获得广泛应用的主要 原因之一。
魏 春 娟 （ 1983—） ， 女，讲 师，博 士，主 要研究方向为电力 线通信和低功耗设 计。
WEI Chunjuan （ School of Computer and Information Engineering， Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）
性，要利用电力线进行较为理想的通信，即达到专 线通信的标准，必须从多方面（ 如频谱利用率、功 率利用率、载波频率、噪声抑制能力等） 考虑，选 择一种最佳通信方案。传统的窄带技术无法适应 电力线的特性，特别是更难适应我国的电网特点， 在工程中不宜选用。目前，低压电力线载波通信 中应用的调制技术主要是正交频分复用（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM） 和扩 频技术。 2． 1 OFDM 技术
采用 OFDM 技术的低压电力线通信系统如 图 1 所示，首先将发送端的串行数据经过串并转 换后变为 N 路并行信号，然后将各路信号分别进 行基带调制，调制 方 式 可 选 择 FSK、QAM、QPSK 等，各路选用的调制方式可以不同。然后经过快 速傅里叶反变换（ FFT） ，将基带信号调制到各个 子载波上，插入循环前缀后，将并行信号转为串行 信号。再经过 D / A 转换，利用射频电路将信号发 送到电力线信道上进行传输。在接收端，通过一 系列相反的过程即可恢复出原始数据。为进一步 提高实际系统抗干扰性能，通常还增加频域交织、 时域交织、均衡和信道编解码等功能模块。
OFDM 技术以其抗噪声和多径干扰能力强、 带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为实现 高速 PLC 提供了一个有效的解决方案，OFDM 技 术的应用是国内外高速 PLC 研究的 最 新 方 向。 但是，针对基于低压电力线的 OFDM 技术的基础 性研究还远远不够，而 OFDM 技术作为一种调制 技术本身仍存在固有的一些问题需要解决，比如 OFDM 的同步问题、峰均值比问题以及针对具体 的信道环境如何对 OFDM 的各子载波进行编码 调制等［4］。 2． 2 扩频技术
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1 低压电力线载波通信信道的传输 特性
由于电力网在设计初期主要是为了提供工频 电能，它不同于专用通信信道，其结构千差万别， 很难用一个通用的解析式或数学模型来精确描述 其信道传输特性，这给电力线载波通信系统设计 带来了困难。目前提出的电力线信道模型都是建 立在对实际电力系统测量结果基础上，针对具体 的电力网络进行的，通用性和实用性都较差。近 年来，很多研究成果主要集中在输入阻抗、信号衰 减和噪声特性。一般来讲，低压电力线的通信信 道具有以下特点。
3 低压电力线载波通信的应用领域
目前，对低压电力线载波通信的应用开发主 要集中在两个方面：① 以远程自动抄表技术（ 电 表或电、水、气三表） 等为主体的低速电力线载波 通信；② 接入 Internet，进行数据通信的高速电力 线载波通信。 3． 1 远程自动抄表系统