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電力線通信技術在國內外的應用現狀及前景分析

電力線通信技術(PowerLineCommunicationTechnology簡稱PLT),是指利用高壓電力線、中壓電力線(10kV電壓等級)或低壓電力線(380/220V用戶線)作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種有線通信方式。

  常規的電力線通信技術是在已有的電力線路上,加載經過調制的高頻載波信號進行通信。因此,電力線通信通常稱之為電力線載波通信(PowerLineCarrier-PLC)。其原理與普通無線電通信的原理類似,只是載波信號傳輸的通道是電力線路,如下圖所示:

電力線通信技術在國內外的應用現狀及前景分析

  以電力線作為信號傳輸媒介實現通信是各國電力、通信、網絡等研究與產業部門一直致力研究開發的技術。電力線通信通常以電網的電壓等級劃分,可以分為高壓電力線通信(35kV以上)、中壓電力線通信(1kV~35kV)和低壓電力線通信(1kV以下,380V/220V)。從所使用的載波信號頻率、頻帶寬度和數據傳輸速率角度劃分,低壓電力線通信技術分為窄帶電力線通信技術與寬帶電力線通信技術。

  電力線窄帶通信(NPLC)技術

  頻率范圍:一般采用9k~500kHz,美國FCC規定為100k~

  450kHz,歐洲電氣標準委員會(CENELEC)的EN50065-1規定為3k~148.5kHz;

  通信速率:一般為幾百bps~幾十Kbps;

  調制技術:FSK、BPSK、擴頻、OFDM調制、工頻過零調制等。

  電力線寬帶(BPLC)通信技術

  使用頻率:2MHz~30MHz之間。

  通信速率:1Mbit/s以上,物理層速率最大為200Mbit/s,TCP/IP層速率可達80Mbit/s以上;調制

  解調技術:各種擴頻通信技術、OFDM技術等。

  國內外應用現狀及技術特點

  國內應用現狀

  低壓電力線載波通信在國內的應用現狀如下:

  1、低壓電力線窄帶載波通信技術

  低壓電力線窄帶載波通信技術用于采集系統,應用時間較早,規模最大。近年來,隨著低壓電力線載波通信技術逐步完善,國內有十余家(東軟、鼎信、曉程、彌亞微、瑞斯康、力合微等)企業專注于技術開發和應用,采用的技術主要有擴頻加窄帶頻移鍵控(FSK)、擴頻加窄帶相移鍵控(PSK)、正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)等,在用電信息采集、智能家居能源管理、樓宇監視和路燈控制等領域均有大規模的應用。

  2、低壓電力線寬帶載波通信技術

  最近幾年,低壓電力線寬帶通信技術得到了迅速的發展,在用電信息采集方面也有了大量的應用。我國多家公司的產品(深國電、中電華瑞、東軟、中信等)在電力線寬帶接入和基于電力線寬帶的用電信息采集等方面都有了較為成熟的應用。

  為解決低壓電力線寬帶載波通信核心芯片一直以來依賴進口的問題,降低電力線寬帶載波相關設備的造價,實現電力線寬帶通信技術的自主發展,2010年1月國家電網公司正式立項研制具有自主知識產權的電力線寬帶通信芯片及其實用化解決方案。

  國內低壓電力線寬帶載波通信技術標準制定較晚,2010年,我國發布了電力行業標準《DL/T395-2010低壓電力線通信寬帶接入系統技術要求》和郵電行業標準《YDB055.1-2010寬帶客戶網絡聯網技術要求第1部分:電力線(PLC)聯網》,全國電力系統管理及其信息交換標委會目前正在制定電力行業標準《智能用電電力線寬帶通信技術要求》。

國外應用現狀

  1、低壓電力線窄帶載波通信技術

  國外低壓電力線窄帶載波通信應用在電力部門的自動負載控制和自動抄表領域起步較早,歐洲,英國SWAB公司1993年就實現了地區范圍內遠方抄表、自動收費、系統能源管理的功能。歐洲、美國以及國際上相關組織聯盟先后推出多種窄帶PLC標準,并規定了技術類型,典型技術有:擴頻型頻移鍵控(S-FSK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、多載波調制(multi-carriermodulationMCM,例如正交頻分復用OFDM或離散多音頻DMT)等。

  基于IEC61334-5-1標準的S-FSK技術以及基于IEC14908-2標準的BPSK技術方案,在歐洲及美洲各地已經有大規模的應用?;贠FDM的電力線窄帶高速載波通信技術正在興起。歐洲PRIME、法電G3-PLC、電氣與電子工程師協會IEEE、國際電信聯盟ITU等聯盟組織針對OFDM窄帶高速PLC技術制定出相關標準,由于各技術標準的物理層參數例如頻段、編解碼方式、OFDM實現技術沒有完全統一,難以實現之間的互聯互通。

  目前窄帶OFDM技術在歐洲部分地區已經開始推廣。國外的電力線載波通信芯片根據北美、歐洲等地區頻率、標準、電網特性開發,在國內也有一些推廣,但實際測試及運行結果并不理想,性能大多不如國內的PLC產品。

  2、低壓電力線寬帶載波通信技術

  從1997年起,隨著高速PLC調制解調技術和芯片技術的突破,電力線寬帶載波技術取得了快速發展。經過10余年的發展,電力線寬帶通信技術已日趨成熟,在電網側,電力線寬帶通信技術主要用于用電信息采集或高級計量系統(AMI);在民用側,電力線寬帶通信技術主要用于家庭局域網(HAN)或室內網絡(In-HomeNetwork)。

國際電力線寬帶載波標準表

電力線通信技術在國內外的應用現狀及前景分析

  技術特點

  低壓電力線載波通信是目前采集系統應用在本地信道的主流技術,具有廣泛的適用性,主要特點包括:

  1)可利用的電力線網絡覆蓋面大,直接接入計量裝置,不用重新敷設專

  用通信線路,無需額外施工,節約相應投資;

  2)不用進行專門的線路維護,節約維護費用和使用費用;

  3)由于借助供電線路作為通信介質,在保證供電正常的情況下同時也保

  證了通信鏈路的連接;

  4)配電變壓器的供電范圍與載波通信網絡域相同,有利于臺區線損統計

  計算和臺區用戶檔案管理。

工程應用

  低壓電力線載波通信技術已經廣泛應用于國外AMI的各個場合,在國內自動抄表領域也已經基本走上實用階段。目前低壓載波通信是國家電網公司采集系統中最主要的本地通信方式,所占比例高達70%以上。

  目前除了采集系統,電力線載波通信技術涉及到的其他應用領域還有:

  (1)路燈控制系統:實現實時控制、故障監測、節能控制等;

  (2)智能家居:家用電器只需接上電源就可以實現網上控制和互聯;

  (3)樓宇控制和智能化小區:通過電力線載波通信方式對高層樓宇用電、小區公共照明等進行遠程智能化管理;

  (4)光伏能源接入:利用電力線載波通信進行分布式光伏發電逆變控制和管理等;

  (5)停車場管理系統、公共信息顯示系統、安全防盜及消防報警系統等應用。

  本次主要介紹在用電信息采集領域的工程應用,包括應用方式、應用情況等內容。

  1.應用方式

  按照在采集系統中的應用方式主要劃分為全載波方式、半載波方式和混合方式等3種方式。

  (1)全載波方式由集中器、載波電能表組成。

  這種方式下,在臺區變壓器供電范圍內,集中器與電能表之間直接通過電力線載波方式進行通信。無需采集終端,不需要再敷設專用通信線路,不需要勘測、調整網絡拓撲結構。

  一般工作流程:集中器通過自動組網方式(包括主從式和分布式)與此集中器范圍內的載波電能表建立完整的路由關系。每日集中器定時發出抄收數據命令,通過低壓電力線按照當前的路由表與此集中器范圍內的載波電能表通信,獲取電能表的各項數據。當有點抄任務時,集中器根據主站點抄命令與指定電能表按照當前路由表進行通信,獲取電能表的相應數據。

  適用范圍:適用于大部分情況。

  (2)半載波方式由集中器、采集器和485電能表組成。

  半載波方式下,集中器和采集器(載波型采集終端)通過載波方式通信,采集器和電能表之間通過RS485連接,需要額外敷設RS485專用通信線路。

  一般工作流程:集中器通過自動組網方式(包括主從式和分布式)與此集中器范圍內的采集器(采集終端)建立完整的路由關系。每日集中器定時發出抄收數據命令,通過低壓電力線按照當前的路由表與此集中器范圍內采集器通信,然后采集器通過RS485總線與485電能表進行通信,獲取線上電能表的各項數據。當有點抄任務時,集中器根據主站點抄命令按照當前路由表與指定采集器進行通信,然后采集器與指定電能表通過RS485專線進行通信,獲取電能表的相應數據。

  適用范圍:由于系統需要敷設RS485通訊線路,所以適用于那些電能表集中安裝、容易或允許敷設RS485的新建或規范的住宅小區。

  (3)混合方式一部分電能表通過全載波方式與集中器進行通信,另有一部分電能表通過半載波方式與集中器進行通信。

  混合方式根據現場實際情況不同,對于集中安裝的電能表,表箱旁邊安裝載波型采集器(采集終端),采集器與電能表之間通過RS485總線方式進行連接;對于用戶電能表分散安裝,或因樓宇之間不允許安裝RS485通信線等情況的電能表,直接安裝載波電能表;組網后的一般工作流程與上述兩種基本方式類似。

  (4)三種方式的比較:

  1)全載波方式的優勢是無需布線、易安裝、易維護,但成本相對高一些;

  2)半載波方式的優勢是安裝設備量少,成本相對較低,但需專門布線,安裝施工難度和維護工作量多一些;

  3)混合方式的優勢是應用靈活,能夠解決全載和半載混合模式的臺區,但施工難度相對較大,管理起來復雜得多。

2.應用情況

  (1)當前應用情況

  載波通信方式成為低壓集抄系統建設的首選,在國網采集系統中得到了廣泛應用。在實際應用中還有如下總體特點:

  1)不受金屬箱體屏蔽的影響;

  2)不受鋼混建筑物的影響;

  3)不同變壓器供電范圍之間基本不受影響;

  4)不需要人工干預,例如具備自動路由、自恢復等功能;

  5)系統運維量少。

  (2)影響抄收成功率的主要因素

  按照統計情況分析,載波通信方式在部分地區日抄表成功率未達到95%,總體歸納起來,影響因素主要包括:施工、地區差異、管理模式、產品質量等問題,具體如下:

  1、施工問題:

  a)未安裝載波電能表;

  b)安裝的不是載波電能表;

  c)載波電能表進線與入戶線接反,欠費停電后載波電能表掉電;

  d)業務流程在途;

  e)拆遷影響:樓房正在拆遷過程中,部分已在線的載波電能表斷電;

  f)載波電能表混裝:包括多種載波方案的載波電能表混裝和同一種載波方案不同版本的載波模塊混裝。

  半載波模式特有的施工問題:

  a)電能表側的RS-485通信線極性接反;

  b)采集器與電能表的RS-485通信線接線松動、虛接。

  2、地域差異

  a)GPRS信號質量差;

  b)SIM卡不兼容;

  c)主站統計功能的差異;

  d)數據信息采集的數量不同。

  3、管理問題

  a)SIM卡欠費;

  b)集中器內部計量點的地址信息錯誤;

  c)采集器地址信息錯誤;

  d)故障電能表沒有及時更換;

  e)用戶電能表表前斷電。

  4、產品質量問題:

  包括設計質量和生產質量

  a)電能表給載波模塊提供的電源能力低于標準中的規定,造成載波模塊發射功率降低,導致載波通信性能下降;

  b)集中器主板與載波模塊之間抄表交互流程不合理,降低抄表效率;

  c)集中器死機、頻繁掉線;

  d)載波模塊生產過程存在的質量問題:各廠家使用的元器件質量、檢測環境不嚴格造成通信能力下降;

  e)半載波方式的RS-485總線阻抗不匹配。


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