摘要：电力线遍布城市和乡村，其覆盖面是任何网络无法比拟的，是最适合实现配电网自动化系统分支部分的通信方式。在电力通信信道特性恶劣的条件下，利用LON双频电力载波技术实现可靠通信有利于信息资源共享，对建设经济节约型社会和实现配电网的智能化都具有非常重要的现实意义。本文对配电网电力载波通信关键技术进行了分析探讨，仅供参考。
关键词：配电网；电力载波通信；技术
一、我国电力载波通信技术的发展历程
50 年代在国外开始应用电力线载波通信技术在10kV 线路上，其主要是在控制负荷的方面进行应用，数据进行单向传输，速率也比较低，还没有大规模的进行投产应用在实际中。我国在 80 年代的时候只有个别地方使用调频载波机，大部分还是使用集成电路载波机进行点对点通信。随着我国电力事业的快速发展，至 90 年代的时候许多载波设备也随之涌现出来，扩频载波通信技术不断开始应用到实际当中。当前，我国 10kV 电力通信中应用比较广泛的还是窄带调制装置，扩频方式的装置也已经占领了不少市场份额，在技术不断成熟创新的驱动下，扩频载波装置在电力通信技术领域的前景将更加光明。
低压电网用户领域的电力线载波技术应用是在 90 年代兴起的，但仅仅是载波电话机进行短距离的通话，传输一些简单的数据信息。2000 年后才开始比较大范围的应用到配电网当中，像自动抄表系统中采用的载波通信方式，就具备窄带调频和扩频。由于窄带调制装置经济性好，成本较低，实际应用也比较多。但是对于速率要求较高的电线上网大多选择扩频通信的方式。正交频分多路复用技术是目前比较成熟的技术，高速率传输和抗干扰能力使其最明显的优势，所以在电力网络中这种通信方式应用最广。
二、配电网双频电力载波通信关键技术原理
基于LON的双频电力载波通信采用PL3120/3150收发器实现，PL3120/3150收发器可以工作在A波段和C波段。当工作在A波段时，第一载波频率是86kHz，第二载波频率为75kHz。当工作在C波段时，第一载波频率为132kHz，第二载波频率为115kHz。在每个载波频率上使用6kHz 的频率带宽。第一载波频率具有更好的畸变纠正能力和更强大的数据包分辨能力和抗噪声能力，第二载波频率比第一载波频率的误差校正能力强。两个载波频率被选择时，充分考虑了由于諧波而导致的两个载波同时被阻塞[2]。PL3120/3150收发器将一个Neuron处理器核心和一个电力线耦合器合在一起，更适合于配电网电力载波通信，作为一个单芯片系统，PL3120/3150收发器包括一个高可靠性的窄带电力线耦合器、一个用于运行应用程序和管理网络通信的8位神经元处理器核心、可选择的片内或片外存储器。
LON双频电力载波通信电力载波由信息源发出信号，通过编码器的编码，调制器的调制，将此信息转成可用于传送的数码序列，耦合到电力线上，然后将此数码序列通过解调，译码，来送到受信者。
三、配电网双频电力载波通信特性研究
该配电网络包括从配送变压开始的线路到与其相连的所有节点。如果该网络中存在其他的媒体，则需要使用路由器或网桥。配电网络包含很多电阻性或电抗性负载，通常被一个配电变压器隔离，配电变压器对于该部分所用的频率呈现高阻抗。家庭配电网络通常三相四线制较为普遍，由三个具有公共中线、彼此独立的220V交流单相电源线组成，并在供电断路器面板的独立之路上终结。220V交流单相耦合节点和380V交流三相耦合节点与电器通过L1、L2、L3和中线连接，配电网中的节点使用基于PL3120/3150电力收发器进行通信[3]。通过试验，配电网电力载波通信主要表现出衰减性、失真性和噪声干扰。
衰减性。电力线的非均匀分布以及各种性质的设备随机的接入，因此信号在电力线上的传输必然存在着信号衰减。不同相位的耦合也会引起衰耗，跨相传输比同相传输衰耗大10dB左右。此外，配电变压器阻碍信号的通过，在配电变压器原、副两边的信号衰耗可达到60dB-100dB，次级间也会有20dB-40dB的衰耗。电力载波信号衰耗随频率上升、距离增大而增加，信号衰耗绝大部分不超过55dB。
失真性。电力网上的各种用电设备的断切换，在信道上会表现出时变性，能引起信号的相位、幅值发生很大变化。而且在传输过程中信号很容易导致失真。
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噪声干扰。各式各样的电器和设备产生的噪声和干扰严重，电力线上的连接设备、雷电等自然现象都很容易在电力线上引起脉冲干扰。硅控整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突变。
为克服电力载波通信高噪音、高衰减、高失真的弊端，利用PL3120/3150收发器特有的双频调制特性在主频率被噪声阻塞后自动选择备用的第二个通信频率；利用高性能、获得专利的、低开销的前向纠错（FEC）算法可以克服由于噪声引起的错误；采用了最先进技术的数字信号处理、噪声消除以及失真校验算法，纠正信号传输受到的瞬间噪声、连续音频噪声和相位失真各种阻碍；同时高输出、低失真外部放大器的设计可以输送1A/2A峰-峰值到低阻抗负载，从而避免了在通常的配电应用中对昂贵的相位耦合器的需求。采用增强的LonTalk代理协议，在集中控制器中实现自学习报文路由功能；在PL3120/3150收发器固件中实现报文自动转发机制。实现上述自动中继功能后，当集中控制器无法和某个单灯控制器直接通讯时，可以借助中继节点来实现数据交互。
四、国产电力载波通信芯片技术发展（SC1128 扩频通信芯片）
1、载波扩频通信技术突破
近些年，很多研究机构都在对低压电力载波通信技术进行试验性的研究工作，针对民用电力载波装置超抄表率不足 100%的情况进行难点攻关。究其原因，主要是不规则的电力网路造成，使得各种干扰因素阻碍了电力信号的传输。目前许多进口的通信芯片虽然技术先进，质量很好，但是并不适合我国的电网实际应用，而我国自己研发的芯片SC1128 的问世，解决了这个难题。它运用直序扩频方式 63位随机码技术，进行研发制造出来，芯片达到 0.6μmCMOS 工业级封装技术，70μV 的灵敏度。实现民用载波抄表的 100%，准确而快速，满足我国的大量需求，是载波扩频通信的一次突破。
2、适应中国民用低压电力线载波
电力载波通信在通信领域是一项比较新的技术类型，在新技术的研发创新中，我们应该把握住先机，以此芯片为基础，争取走在世界的前列。我国的现实电网复杂程度是比较严重的，这种情况下的信号传输更加繁杂，载波通信技术的实现也因此增加了不少难度。同样在国外应用较好的载波技术在我国有可能很难立足，无法应用。所以说SC1128 芯片的研发生产，在国际上也具有一定的地位。
五、当今电力载波技术的研究发展方向
民用低压电网根据自身的特点是其通信技术的实现也产生了不少难度，像不规范的网络形式、干扰源比较多和其它一些问题，都导致低压电网的通信有许多不确定性的情况发生。在通信技术的实现上带来了很大的困难，也是许多研究人员重点关注的关键难题。近些年来，我国也引进了不少国外的专家对这方面的技术进行课题攻关，为的就是实现更加可靠的民用低压电力载波通信。虽然现在有些机构和企业已经有了一些研究成果，在超标率的提高上取得了比较好的效果，但是对技术成熟的应用阶段来说，还比较遥远。正像前文所说的国产芯片，其技术在世界上也具有一定的地位，但距离大范围的推广应用还尚有些时日。一些案例也说明，依靠国外的进口产品，也解决不了我国复杂的电力载波通信技术问题，必须依靠自己的技术创新，生产出适合自身的电力载波通信设备。
结束语
为实现配电网电力载波可靠通信，提出了一种利用LON双频电力载波通信的技术方案。采用PL3120/3150收发器，结合数字信号处理、噪声消除以及失真校验算法，克服电力载波通信高噪音、高衰减、高失真的弊端，实现了配电网电力双频载波模式的信息传输。配电网电力载波通信关键技术的研究对扩大电力网应用范围具有重要意义。
参考文献：
[1]王晓熙. 基于电力线载波通信的远程自动抄表系统的研究和应用[D].华北电力大学，2016.
[2]曹俊. 基于PL3170的电力载波通信模块的设计与实现[D].伊犁师范学院，2016.
[3]高旗.探究电力载波通信技术在低压配电网中的应用[J].数字技术与应用，2015（09）：31.
[4]张磊. 高速电力载波调制解调器的研究与设计[D].长安大学，2013.
论文作者:马冲1,王鑫2,董晓梅3,李阳4,马为真5
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/21
标签：载波论文; 电力论文; 通信论文; 电力线论文; 噪声论文; 双频论文; 频率论文; 《电力设备》2018年第13期论文;