大部分理工科的朋友都知道PLC是什么意思，"可編程邏輯控制器"英文全稱(chēng)(Programmable Logic Controller)。當(dāng)華為推出PLC電站監(jiān)控時(shí)，我曾經(jīng)也一度認(rèn)為，這里的PLC就是可編程邏輯控制器。其實(shí)不然，此“PLC”非彼“PLC”。這里的PLC是電力線通信(Power Line Communication，英文簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)技術(shù)是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻加載于電流然后用電線傳輸接受信息的適配器再把高頻從電流中分離出來(lái)并傳送到計(jì)算機(jī)或電話以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

電力線載波(PLC)通信，是利用高壓電力線(在電力載波領(lǐng)域通常指35kV及以上電壓等級(jí))、中壓電力線(指10kV電壓等級(jí))或低壓配電線(380/220V用戶線)作為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。

其實(shí)電力線載波(PLC)通信技術(shù)已經(jīng)在我們生活中有了應(yīng)用，比如電力貓。電力貓就是“電力線通訊調(diào)制解調(diào)器”，是通過(guò)電力線進(jìn)行寬帶上網(wǎng)的Modem的俗稱(chēng)。使用家庭或辦公室原來(lái)就有電力線和插座組建成網(wǎng)絡(luò)，來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，語(yǔ)音和視頻。

同樣 “智能電網(wǎng)”的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)(AMR)也用了PLC技術(shù)，這種遠(yuǎn)程抄表技術(shù)，和光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)如出一轍。下面我們就聊聊電力線載波(PLC)通信技術(shù)。

1.發(fā)展歷史

國(guó)外利用電力線傳輸信號(hào)已經(jīng)有一百多年的歷史。如早在1838年，埃德華戴維就提出了用遙控電表來(lái)監(jiān)測(cè)倫敦利物浦無(wú)人地點(diǎn)的電壓等級(jí)。直到20世紀(jì)20年代，國(guó)外一些著名的公司和研究機(jī)構(gòu)才開(kāi)始對(duì)低壓電力載波通信技術(shù)進(jìn)行研究。1930年西門(mén)子公司在德國(guó)波茨坦建立了用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)和傳輸媒介的波紋載波系統(tǒng)(RCS系統(tǒng))。該系統(tǒng)能夠以最小的損耗通過(guò)低壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的管理。1958至1959年間，美國(guó)德克薩斯元件公司的JackKilby Fairchild半導(dǎo)體公司的Robert Noyce最早發(fā)明了電力線載波通信集成電路。1971年Intel公司的Ted Hoff發(fā)明了低功耗的電力線通信微處理器。Intellon公司在2000年2月7日召開(kāi)的DEM200會(huì)議上展示了其高速達(dá)1Mbps的Power PacketⅢ住宅網(wǎng)絡(luò)技術(shù)芯片。德國(guó)RWE Plug公司于2001年春季推出了RWE PowerNet(電力線通訊上網(wǎng))、RWEPowerSchool(電力線通訊學(xué)校上網(wǎng))、RWEeHome(智能家庭自動(dòng)化)三項(xiàng)業(yè)務(wù)及相應(yīng)產(chǎn)品。

2.智能電網(wǎng)的與PLC

電網(wǎng)智能化，首先要建立在對(duì)電網(wǎng)自身以及終端用戶情況充分了解的基礎(chǔ)之上，這就需要電網(wǎng)具備雙向通信功能。在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)通信的各種技術(shù)中，因利用現(xiàn)有電力線網(wǎng)絡(luò)而無(wú)需重新布線，以及不存在微波傳輸同有的視距限制和其他無(wú)線傳輸方式受建筑物阻礙所帶來(lái)的傳輸距離有限等問(wèn)題，加之電力線本身就屬于電力公司管轄，電力線載波(PLC)成為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)通信的首選技術(shù)。目前在實(shí)現(xiàn)各種PLC的調(diào)制方式中，正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)最受關(guān)注，而FSK等單載波方式在實(shí)際應(yīng)用中已有大規(guī)模使用案例。具體選擇何種技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)PLC應(yīng)用，需要衡量各種方案的成本、抗干擾能力、整體方案成熟度等各個(gè)方面。

智能電網(wǎng)通信可以分成以下三部分：廣域網(wǎng)(WAN)、鄰域M(NAN)和個(gè)域網(wǎng)(HAN)。廣域網(wǎng)負(fù)責(zé)從電力公司的控制中心到下

游集中器之間的長(zhǎng)距離連接，這部分的通信可以由現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)比如GPRS或者3G無(wú)線通信來(lái)滿足，PLC也可成功用于WAN的中壓部分。鄰域網(wǎng)解決廣域網(wǎng)和個(gè)域網(wǎng)之間的通信，在鄰域網(wǎng)

中，數(shù)據(jù)從多個(gè)個(gè)域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)被采集，然后通過(guò)低壓線路傳到集中器，集中器再進(jìn)一步把這些累積起來(lái)的數(shù)據(jù)傳給電力公司控制中心。個(gè)域網(wǎng)提供安裝在普通消費(fèi)者家中或商業(yè)用戶處的終端問(wèn)的

通信，這兩部分通信完全可以采用PLC實(shí)現(xiàn)。三個(gè)部分問(wèn)通過(guò)不同形式的網(wǎng)關(guān)連接，舉例來(lái)說(shuō)，WAN和NAN之間有集中器，NAN和HAN之間有電子式電表或采集器。集中器匯總電表數(shù)據(jù)并且

將這些信息傳給電力公司，電表收集家庭和企業(yè)的用電量并實(shí)現(xiàn)和采集器之間的通信或者本身就擔(dān)任采集器的角色。

3.PLC的技術(shù)難點(diǎn)

電力線是一種非均勻分布的傳輸線，起初只是用來(lái)傳輸電能的，不同于傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì)如雙絞線、同軸電纜、光纖等。電力網(wǎng)絡(luò)的信道特性十分復(fù)雜，通信環(huán)境也相當(dāng)惡劣。主要體現(xiàn)在：

(1)該信道是時(shí)變系統(tǒng)，而且存在多徑效應(yīng)。由于信道是時(shí)變系統(tǒng)，信道的傳輸函數(shù)隨時(shí)間變化而變化，會(huì)引起接收端信道的頻率彌散性和時(shí)間選擇性衰落。而多徑效應(yīng)的存在將導(dǎo)致信道的時(shí)間彌散性和頻率選擇性衰落。

(2)存在各種干擾和噪聲。電力線信道的噪聲多干擾強(qiáng)不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為加性高斯白噪聲。下面表是各種噪聲的比較。

(3)電力線路的阻抗小而且阻抗隨著信號(hào)頻率和時(shí)間的變化而變化，這對(duì)載波信號(hào)的衰減非常嚴(yán)重。

(4)信號(hào)的衰減與傳輸距離和信號(hào)的頻率有關(guān)。信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，信號(hào)的頻率越高，則信號(hào)的衰減就越大，但具體關(guān)系也無(wú)法確定。為了克服各種噪聲和干擾、降低信號(hào)的衰減，對(duì)電力通信信道的分析和建模就顯得尤為重要。但由于其頻率、時(shí)間和地理位置等的不確定性，很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。如何解決

PLC的抗干擾和抗噪能力，成為一個(gè)巨大的課題。

上面的文字如果太枯燥了，下面用家庭環(huán)境舉例。因?yàn)殡?/p>

力線有各種不同的電器，這些電器具有以下特性：a.電器的接入和斷開(kāi)隨時(shí)問(wèn)不斷變化;b.電器阻抗是頻率的函數(shù);c.電器本身在用電過(guò)程中產(chǎn)生各種干擾，包括脈沖干擾、連續(xù)干擾、寬帶干擾及窄帶干擾，尤其在500kHz以下的頻段。這些負(fù)載特性的綜合效應(yīng)，再加上電力線本身對(duì)信號(hào)的衰減，以及終阻抗不匹配產(chǎn)生的信號(hào)反射，使得低壓電力線載波信道呈現(xiàn)極不平坦的頻率響應(yīng)特性，且隨時(shí)間而變化，同時(shí)受頻率選擇性、時(shí)變性干擾。此外，由于用電負(fù)載及負(fù)荷的不同，在不同的地區(qū)、不同的地點(diǎn)，這種頻率響應(yīng)特性及干擾特性也會(huì)不同。

實(shí)際上，調(diào)光器、開(kāi)關(guān)電源、電力線內(nèi)部通話設(shè)備、通用串

聯(lián)線圈電動(dòng)機(jī)如豆?jié){機(jī)這樣的食物處理設(shè)備，都是電力線通信的噪聲源?！斑@些噪聲可以被歸為兩類(lèi)，一類(lèi)是脈沖噪聲，另一類(lèi)是持續(xù)性噪聲。這兩種噪聲都會(huì)使PLC信號(hào)失真并導(dǎo)致丟包。

“電磁兼容規(guī)范限制了PLC信號(hào)的發(fā)射電平，使得不能通過(guò)單純提高發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度來(lái)提升通信效果。

4.PLC的組成

4.1 電力寬帶

電力寬帶上網(wǎng)系統(tǒng)就是家居智能化的一個(gè)典型應(yīng)用。從下圖可以看出，電力寬帶上網(wǎng)系統(tǒng)由電力調(diào)制解調(diào)器(電力貓)、PLC設(shè)備、PC機(jī)、交換機(jī)及路由設(shè)備等組成。利用低壓電力線上網(wǎng)時(shí)，

先通過(guò)專(zhuān)業(yè)的電力調(diào)制解調(diào)器，采用正交頻分復(fù)用(OFDM)或高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)調(diào)將該電力信號(hào)通過(guò)電力線傳送到PLC設(shè)備中，利用該設(shè)備將電力信號(hào)轉(zhuǎn)換(解調(diào)等處理)成原來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，然后通過(guò)交換機(jī)、路由器等設(shè)備直接進(jìn)入Intemet，從而實(shí)現(xiàn)電力上網(wǎng)的功能。同樣，從網(wǎng)上下載資料就是一個(gè)逆向的過(guò)程。目前電力寬帶上網(wǎng)的速度在5～45 Mbps之間。

4.2 PLC遠(yuǎn)程抄表

下圖是基于電力線調(diào)制解調(diào)器的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)以供電局的計(jì)算機(jī)抄表中心為主站，以電力變壓器10KV/380V供電的每個(gè)小區(qū)為相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，在這些子系統(tǒng)中，集中器又相當(dāng)于主站，電能表以及數(shù)據(jù)采集器為從站。采集器的作用是采集多個(gè)用戶的電表數(shù)據(jù)，通過(guò)電力Modem的調(diào)制解調(diào)，并經(jīng)22OV低壓電力網(wǎng)用載波方式送到集中器，集中器再通過(guò)公用電話網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)(如光纖或無(wú)線電通信等)把數(shù)據(jù)傳送到供電局的計(jì)算機(jī)抄表中心。

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖可知，自動(dòng)抄表系統(tǒng)是將電表數(shù)據(jù)從下而上逐級(jí)傳送完成，也可以根據(jù)實(shí)際情況的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，該系統(tǒng)可分為五個(gè)主要組成部分： (1) 電能用戶表; (2) 數(shù)據(jù)采集器; (3) 電力線Modem; (4) 集中器; (5) 計(jì)算機(jī)抄表中心。

抄表系統(tǒng)各組成部分的功能是: (1) 電能用戶表 對(duì)于電磁式電能表，需在表內(nèi)加裝一只傳感器或光電模塊，將電能表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出;對(duì)于電子式電能表，則可以直接利用表的電脈沖輸出。 (2) 數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)采集器實(shí)際上是計(jì)一費(fèi)終端和數(shù)據(jù)集中器中間的一個(gè)橋梁，它的主要功能在于同時(shí)采集多個(gè)用戶電能表的電量脈沖信息，并經(jīng)過(guò)處理和存儲(chǔ)，通過(guò)電力線Modem沿低壓電網(wǎng)送到集中器上。并且當(dāng)接收到上層的命令時(shí)，數(shù)據(jù)采集器能夠向計(jì)費(fèi)終端發(fā)出抄表或者斷電的命令。

(3) 電力線Modem 主要是對(duì)采集器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，增強(qiáng)對(duì)低壓電網(wǎng)的抗干擾性和減低信道傳輸?shù)恼`碼率。

(4) 數(shù)據(jù)集中器 數(shù)據(jù)集中器是安裝在小區(qū)的配電站區(qū)的，它的功能是向采集器發(fā)出命令，抄收計(jì)費(fèi)終端的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)公用電話網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)中心;數(shù)據(jù)集中器能夠接收的數(shù)據(jù)中心的命令，并把相關(guān)命令再轉(zhuǎn)發(fā)給轄區(qū)內(nèi)的指定的數(shù)據(jù)采集器。此外，數(shù)據(jù)集中器還可以定時(shí)抄收計(jì)費(fèi)終端的數(shù)據(jù)，并把抄收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

(5) 計(jì)算機(jī)抄表中心 通過(guò)通信網(wǎng)對(duì)集中器送來(lái)的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和儲(chǔ)存、校對(duì)抄錄時(shí)間、設(shè)置用戶編號(hào)和抄表時(shí)間、發(fā)布抄錄命令以及統(tǒng)計(jì)和計(jì)價(jià)、為收取電費(fèi)、線損計(jì)算、負(fù)荷控制提供服務(wù)。

(6) 集中器與數(shù)據(jù)中心之間的通信 數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)中心之間的通訊采用公用電話網(wǎng)絡(luò)作為通訊媒介，自動(dòng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)集中器之間的通訊主要是電話線Modem模塊之間的通訊。

PLC智能抄表系統(tǒng),或者說(shuō)PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在未來(lái)的分布式光伏電站中將廣泛的應(yīng)用。 首先，抄表和光伏電站監(jiān)控的數(shù)據(jù)都是供電部門(mén)需要的，而目前供電部門(mén)只有電表數(shù)據(jù)，而沒(méi)有逆變器等光伏電站數(shù)據(jù)，由于逆變器的數(shù)據(jù)目前無(wú)法直接被供電局直接讀取，也就是目前無(wú)法調(diào)度。未來(lái)分布式電站必定大行其道，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)有一定的影響，那么供電部門(mén)勢(shì)必會(huì)對(duì)逆變器直接控制.現(xiàn)在的大型地面電站逆變器已經(jīng)做到了AGC。未來(lái)分布式也會(huì)有要求。

【1】潘超群等.低壓電力線載波通信技術(shù)及應(yīng)用

【2】萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)

【3】易小龍.電力載波通信技術(shù)在遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用科技,2001, 28

文章來(lái)源：古瑞瓦特 張喆