PLC鋪路“四網(wǎng)合一”
中國電力科學研究院 趙丙鎮(zhèn) 李祥珍 2003/02/28
電力線上網(wǎng)是電力線通信(Power Line Communication，簡稱PLC)技術的俗稱，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式。電力線通信并不是新技術，已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，在中高壓輸電網(wǎng)(35kV以上)上通過電力載波機利用較低的頻率(9～490kHz)以較低速率傳送遠動數(shù)據(jù)或話音，就是電力線通信技術應用的主要形式之一。在低壓(220V)領域，PLC技術首先用于負荷控制、遠程抄表和家居自動化，其傳輸速率一般為1200bps或更低，稱為低速PLC。近幾年國內(nèi)外開展的利用低壓電力線傳輸速率在1Mbps以上的電力線通信技術稱之為高速PLC，由于該技術目前主要應用于互聯(lián)網(wǎng)訪問領域，又稱為電力線上網(wǎng)。
工作原理與系統(tǒng)設備
在電力線上網(wǎng)系統(tǒng)中，一般在配電變壓器低壓出線端安裝PLC主站，將PLC高頻信號和傳統(tǒng)的寬帶通信信號進行互相轉換。PLC主站的一側通過電容或電感耦合器連接電力電纜，注入和提取高頻PLC信號；另一側通過傳統(tǒng)通信方式，如光纖、CATV、xDSL等連接至Internet。在用戶側，用戶的計算機通過以太網(wǎng)接口或USB接口與PLC調(diào)制解調(diào)器相連，普通話機通過RJ-11接口連至PLC調(diào)制解調(diào)器，而PLC調(diào)制解調(diào)器直接插入墻上插座。如果PLC高頻信號衰減較大或干擾較大，可以在適當?shù)牡攸c加裝中繼器以放大信號。
電力線上網(wǎng)設備主要由接口、調(diào)制解調(diào)和耦合等三部分組成。電力線上網(wǎng)設備也需要供電，它的電力線接口除了為設備供電的功能以外，還承載著用于高速數(shù)據(jù)通信的高頻信號，但信號與供電電路之間已經(jīng)利用耦合單元進行了安全隔離，用戶不必擔心使用電力線上網(wǎng)設備會有觸電的危險。
電力線上網(wǎng)設備采用的調(diào)制技術有OFDM（正交頻分復用）、DMT（多載波調(diào)制）、擴頻及常規(guī)的QPSK，F(xiàn)SK等。目前傳輸速率較高的電力線上網(wǎng)技術均采用OFDM調(diào)制，這是由于OFDM的頻譜利用率極高的緣故。OFDM調(diào)制在電力線上網(wǎng)中的成功應用是近年來電力線上網(wǎng)技術取得突破性進展的重要原因之一。
高速PLC應用模式
當前高速PLC技術主要有兩種應用模式：其一為以美國為代表的家庭聯(lián)網(wǎng)模式。這種模式的高速PLC只提供家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，戶外訪問使用其他傳統(tǒng)的通信方式。這一方面是由于美國ADSL、HFC等技術和產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟和普及，更重要的是由于美國的低壓配電變壓器一般為單相，平均只為5～6個用戶提供供電服務，推廣電力線上網(wǎng)成本過高的緣故。
另一種模式是面向歐洲和亞太市場的電力線上網(wǎng)，因為這些地區(qū)的低壓配電網(wǎng)結構比較類似，一般一臺配電變壓器為200～300個住宅用戶提供供電服務，推廣電力線上網(wǎng)服務平均成本較低。
優(yōu)越性
同其他通信方式相比，高速PLC具有如下優(yōu)越性。
1) 電力線是最基礎的網(wǎng)絡，它的規(guī)模之大，是其他任何網(wǎng)絡所無法比擬的。它充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡基礎設施，無需任何布線，無需挖溝和穿墻打洞，避免了對建筑物和公用設施的破壞。
2) 可以為用戶提供價格低廉的高速互聯(lián)網(wǎng)訪問服務、IP話音服務，從而使用戶上網(wǎng)和打電話增加了新的選擇，有利于同其他電信服務商的競爭。
3) 對家庭聯(lián)網(wǎng)提供支持，使人們可以方便地盡享由PLC技術帶來的家庭音、視頻網(wǎng)絡及多人對抗游戲等娛樂。
4) 是家居自動化的生力軍，通過遍布各個房間的墻上插座將智能家電聯(lián)網(wǎng)，提前享用數(shù)字化家庭的舒適和便利。
5) 利用PLC的永久在線連接構建的防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監(jiān)控系統(tǒng)，讓上班族高枕無憂；構建的醫(yī)療急救系統(tǒng)，讓家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。
6) 遠程自動讀出水、電、氣表數(shù)據(jù)，為公用事業(yè)公司節(jié)省大量的抄表費用，也方便了用戶。
7) 為電力公司提供負荷控制、需求側管理的新手段，提高電力公司管理水平。
8) 電力公司以極低的投資就可以進入ISP、ICP和話音等電信服務市場，成為新的利潤增長點。
9) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)、話音、視頻、電力“四網(wǎng)合一”，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟和社會效益。
不足
電力線上網(wǎng)的難點和不足體現(xiàn)在如下幾個方面。
噪聲問題。低壓配電網(wǎng)上存在著頻譜范圍很寬的噪聲源，對電力線通信的傳輸效果影響較大，必須采取相應的措施加以解決。
(1) 對于家用電器，尤其是計算機、電視機開關電源產(chǎn)生的噪聲，以及利用可控硅制成的調(diào)節(jié)燈、節(jié)能燈及其相關產(chǎn)品所產(chǎn)生的噪聲，可以通過加裝濾波裝置加以濾除，凈化電力線通信環(huán)境。
(2) 開、關設備在電力線上所產(chǎn)生的噪聲，電動馬達所產(chǎn)生的強噪聲，以及其他高頻信號在空間傳播過程中耦合到電力線上所產(chǎn)生的噪聲，可以通過信道檢測技術加以避讓。
阻抗匹配問題。低壓配電網(wǎng)線路阻抗低且波動很大，開關一盞電燈都將引起線路阻抗的變化，使電力線上網(wǎng)裝置的輸出阻抗和輸入阻抗很難與線路阻抗完全匹配。這一點可以通過相應的AGC電路加以改善。
多徑反射問題。低壓配電網(wǎng)復雜的拓撲結構導致多徑反射，引起信號的選擇性衰減和碼間串擾。采用OFDM調(diào)制方式可以有效改善這一狀況。
電磁兼容性問題。由于高速PLC與短波收音機和業(yè)余無線電共用頻段，而電力線相當于發(fā)射天線，如果發(fā)送功率過高，將產(chǎn)生電磁污染，干擾其他設備的正常運行。必須制定相應的規(guī)范加以避免，例如德國的NB30、美國的FCC15等。
信號衰減問題。線路阻抗和容性負載引起的信號衰減使接收端信噪比達不到要求�？梢栽陔娏�的相應位置加設中繼以放大信號。
電力公司的助推器
隨著電信和電力市場的逐漸開放，電力公司正在尋找支持其在市場上競爭優(yōu)勢的新方法。電力線上網(wǎng)提供了一種無需額外布線、低價高效、從配變抵達每個家庭的“最后三百米”解決方案，這對電力公司是一個極具誘惑的網(wǎng)絡接入解決方案。利用已經(jīng)存在的電力網(wǎng)設施，電力公司僅需投入較低的電力線上網(wǎng)設備費用，就可以迅速進入通信和網(wǎng)絡市場，為其創(chuàng)造新的利潤增長點，今天的電力公司完全可能成為明天的電信公司。此外，高速PLC提供的電力增值服務為電力公司節(jié)省了大筆的費用，這些服務包括遠方自動抄表、需求側管理、負荷控制、實時計費等。
電力公司提供電信服務，具有十分明顯的優(yōu)越性。首先其擁有比電信和有線電視多得多的電力用戶、詳盡的客戶信息和費單系統(tǒng)；其次很多電力公司已經(jīng)建立了深入各中高壓變電站的高速光纖網(wǎng)絡，用于電網(wǎng)監(jiān)控和用電量信息的內(nèi)部傳輸，有的電力公司甚至已將光纖架設到低壓配電變壓器。利用這些基礎設施，加上高速PLC解決“最后三百米”、家庭網(wǎng)絡方案，電力公司投入的費用是極少的，但產(chǎn)生的利潤卻是極為可觀的。
對于不打算自己提供電力線上網(wǎng)服務的電力公司，可以向一個或多個獨立的網(wǎng)絡運營商(如電信、網(wǎng)通、聯(lián)通、長城寬帶等)頒發(fā)利用電力公司網(wǎng)絡的許可證，并從中收取一定的網(wǎng)絡租用費。
國內(nèi)外商用化進程
當前，電力線上網(wǎng)商用化運營方面走在前列的是德國公司。早在2000年5月，德國頂級電力公司RWE就開始采用瑞士ASCOM的產(chǎn)品為埃森的電力用戶提供電力線上網(wǎng)服務，速率達到2Mbps。在德國的曼海姆，當?shù)氐哪茉垂綧VV采用以色列Main.Net公司的產(chǎn)品進行了商用化運營實驗，并為此成立了合資公司PPC
(Power PLUS Communications AG)。PPC可以為每個終端用戶提供350Kbps ～1.2Mbps的帶寬，典型小區(qū)的用戶數(shù)為250到300戶，最大傳輸距離為500米，一般的典型傳輸距離為150～180米。目前在曼海姆已經(jīng)擁有4.5萬個用戶，2003年底有望達到12萬，而其2006年的目標定則為50萬戶。PPC推出的PLC服務品牌為“VYPE”，初裝費119歐元，用戶可得到一個用戶終端、5個郵件地址和5兆的網(wǎng)頁空間。普通家庭的月租費為14.90歐元，每兆字節(jié)的收費為3.3歐分。包月家庭用戶每月的費用為24.90歐元。
迄今為止，除德國在埃森和曼海姆的兩個電力線上網(wǎng)項目投入商用化運營外，其他國家均在試點之中。其主要原因首先是法律上的，德國在2001年4月通過了一個法令，允許在電力線上經(jīng)營Internet服務和電信服務，并制定了相應的規(guī)范NB30。從2001年12月起，我國的國電通信中心開始組織國內(nèi)外廠商在北京的一些小區(qū)開展電力線上網(wǎng)實驗。包括廣華軒小區(qū)、華景園小區(qū)、善果小區(qū)、岳峰園小區(qū)、椿樹園小區(qū)16號樓，以及華能平淵里小區(qū)等。
研發(fā)進展
自從Nor.Web公司取得了電力線載波技術的重大突破，實現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進行1Mbps的遠程通信以后，許多國家的研究機構相繼開展了類似的研究和開發(fā)，如美國的Intellon、Inari(Intelogis)公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韓國的Xeline公司，瑞士的ASCOM公司，德國的Polytrax公司，西班牙的DS2公司等，產(chǎn)品的傳輸速率也從1Mbps發(fā)展到2Mbps、14Mbps、24Mbps，甚至45Mbps。
在英國誕生高速PLC技術以后，我國的研究機構也進行了相應的研究，取得了一定的成果。中國電力科學研究院自1999年開始從事高速PLC的研究工作，開發(fā)了2Mbps、14Mbps、45Mbps等高速PLC系列產(chǎn)品。并于2001年8月起在沈陽電業(yè)新村小區(qū)建立了我國第一個高速PLC實驗網(wǎng)絡，開通了基于該網(wǎng)絡的數(shù)字化社區(qū)。福建電力試驗研究院基于家庭插電聯(lián)盟標準，研制了10Mbps電力線調(diào)制解調(diào)器。
隨著高速PLC研究的進一步深入，該技術也在不斷發(fā)展中。一方面，高速PLC技術正在向更高速率的方向發(fā)展，西班牙DS2公司繼推出45Mbps PLC芯片后，目前正在研制更高速率100Mbps，甚至200Mbps的芯片，預計將于2003年底前交付開發(fā)商使用。而Intellon公司也計劃于2003年推出速率為54Mbps的芯片。
另一方面，隨著技術的發(fā)展，利用位于中壓變電站和低壓配電變壓器之間的中壓(10kV)配電網(wǎng)傳輸高速(高于10Mbps)數(shù)據(jù)信號的設想也日益引起人們的重視，每條地埋中壓電纜都可以被用于高速骨干網(wǎng)。最近的研究表明，地埋中壓電纜的通道特性不亞于同軸電纜。如果能夠解決中壓配電網(wǎng)高頻傳輸中的一些特殊問題(如補償電容旁路，阻抗匹配等)，就可以充分利用現(xiàn)有資源，用中壓配電網(wǎng)部分取代光纖、同軸電纜或雙絞線作為(寬帶骨干)通信網(wǎng)，可以為電力公司提供一個新的、極富前景的經(jīng)濟增長點。
相關組織與標準
在國際組織方面，當前電力線高速通信的國際組織主要有家庭插電聯(lián)盟HPA(HomePlug Powerline Alliance)、電力線通信論壇PLC
Forum。
由Cisco、英特爾、惠普、松下和夏普等13家公司組成的家庭插電聯(lián)盟成立于2000年4月，致力于創(chuàng)造共同的家用電力線網(wǎng)絡通信技術標準。HPA現(xiàn)已發(fā)展成為由90家公司組成的企業(yè)集團，并選用美國Intellon公司的技術作為統(tǒng)一技術標準的原型。2001年6月，HPA發(fā)布了其標準的第1個版本Home-Plug
Specfication1.0，將數(shù)據(jù)傳輸速率定為14Mbps，采用OFDM調(diào)制解調(diào)技術，MAC層協(xié)議為CSMA/CA。該標準定位于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡應用，對戶外高速電力線接入涉及較少。
PLC Forum于2000年3月23日在瑞士成立。它的72個成員包括著名的Alcatel Microelectronics、Ascom、Cisco、Enikia、Nortel
Networks、Polytrax等公司。論壇的目標是為所有對PLC感興趣的制造商、客戶、研究人員以及政府機構提供一個平臺，促進他們交流和豐富有關PLC的知識。該論壇的市場目標是提供包括戶外接入和戶內(nèi)聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的全面PLC解決方案。PLC
Forum不制定標準，但致力于將會員的提議提交給國際標準化組織，促使其成為標準。
HPA和PLC Forum的工作大約有40%是重疊的，HPA偏重于室內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，而PLC Forum則側重于接入部分，它們使用不同的頻段。另一個區(qū)別在于，PLC
Forum主要與電力公司打交道，因為室外部分是電力公司的財產(chǎn)；而家庭內(nèi)部的電力線不屬于電力公司，所以HPA主要針對家庭用戶進行工作。目前該組織正致力于放寬對PLC的電磁輻射限值，并納入國際標準。
由于電力線通信產(chǎn)生的電磁波同短波收音機共用頻段，它們之間會互相產(chǎn)生干擾，為了避免這種干擾，有必要制定一些標準和規(guī)范。目前世界上僅有英國的MPT1570、德國的NB30是專門針對高速PLC通信制定的法規(guī)。加上美國的通用電磁兼容標準FCC15，實際上高速PLC現(xiàn)有三個電磁兼容標準。三個標準中，F(xiàn)CC15最為寬松，NB30次之，MPT1570最為嚴格，
相比較而言，我國的電力線上網(wǎng)還處在試驗階段，沒有相應的電磁兼容標準、也沒有相應的產(chǎn)品檢驗準入機構。受原國家電力公司委托，中國電力科學研究院和國電通信中心正在對國際上有關高速PLC的標準、規(guī)范進行跟蹤研究，以期盡快制定出符合我國國情的電力線上網(wǎng)規(guī)范，引導該技術向健康的方向發(fā)展。
點擊一
幾種常用接入技術的比較
| 通信方式 |
速率（bps） |
可否同線傳輸話音 |
物理介質(zhì) |
評價 |
| 模擬調(diào)制解調(diào)器 |
56k |
否 |
電話線 |
應用廣泛、廉價但速度慢 |
| ISDN |
128k |
是 |
電話線 |
應用不廣，較普通電話線稍貴 |
| ADSL |
8M下行
1M上行 |
是 |
電話線 |
不干擾普通電話使用，頻帶專用不共享，頻寬受距離限制，不能組網(wǎng)，最長5公里，串擾嚴重，出線率僅30% |
| VDSL |
12M |
是 |
電話線 |
不干擾普通電話使用，頻帶專用不共享，頻寬受距離限制，不能組網(wǎng)，最遠1.2公里 |
| 有線電視網(wǎng) |
10M取決于用戶數(shù) |
否 |
同軸電纜 |
必須擁有現(xiàn)成的網(wǎng)絡接入，并改造為雙向傳輸；在新區(qū)域開辦服務和鋪設線路造價高昂；共享帶寬，可組網(wǎng) |
| WLAN |
11M |
是 |
空氣 |
易受建筑物阻擋，對天氣狀況敏感，受其他無線電波干擾 |
| 高速PLC |
2~45M |
是 |
電力線 |
無需新線，分布廣泛，接入方便 |
點擊二
當前國際上高速PLC廠商和產(chǎn)品狀況
| 公司 |
產(chǎn)品速率 |
應用范圍 |
產(chǎn)品 |
類別 |
| ASCOM |
4.5Mbps
1.5Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
在德國有商業(yè)化運營網(wǎng)絡，在北京有實驗網(wǎng)絡 |
系統(tǒng)廠商 |
| DS2 |
45Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
上下行速率18Mbps/27Mbps不同衡，在西班牙有試驗網(wǎng)絡運行，在北京和沈陽有實驗網(wǎng)絡 |
芯片廠商 |
| Inari |
2Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
被法國EasyPlug收購 |
芯片廠商 |
| Intellon |
14Mbps |
家庭網(wǎng)絡 |
HomePlug Specification 1.0的技術原型，在北京和沈陽有實驗網(wǎng)絡 |
芯片廠商 |
| ITRAN |
2.5Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
ITM1芯片，使用擴頻技術，Microsoft對其擁有股份 |
芯片廠商 |
| Main.net |
2.5Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
采用ITRAN公司芯片，在德國有商業(yè)化網(wǎng)絡運行 |
系統(tǒng)廠商 |
| Nor.Web |
1Mbps |
Internet |
DPL1000系列，率先在高速PLC領域取得突破的業(yè)界先驅，已停止研發(fā) |
系統(tǒng)廠商 |
| Siemens |
1.2Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
已停止研發(fā) |
系統(tǒng)廠商 |
| Xeline |
14Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
在北京有實驗網(wǎng)絡 |
系統(tǒng)廠商 |
| 中國電力科學研究院 |
2Mbps
14Mbps
45Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
在北京和沈陽有實驗網(wǎng)絡 |
系統(tǒng)廠商 |
| 福建電力試驗研究院 |
10Mbps |
家庭網(wǎng)絡Internet |
在北京建有實驗網(wǎng)絡 |
系統(tǒng)廠商 |
點擊三
PLC的典型應用領域
華旗資訊 譚斌
目前，電力線組網(wǎng)有如下幾個應用領域。
1、 寬帶接入
對于“最后一公里”的解決方式來說，無論是Cable、xDSL還是LAN，在線路建設方面的投入都會遠遠大于電力線通信方式的投入，并且由于需要協(xié)同局端設備的支持，使得電信運營商的基礎投資較大，而電力線通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡不需要大的改造，設備簡單、易于維護，不但為客戶帶來迅捷的聯(lián)網(wǎng)，而且為運營商帶來巨大的收益。
2、 證券、銀行的交易系統(tǒng)
遍布各處的電力線資源為證券、銀行等金融機構提供了簡單、便捷的聯(lián)網(wǎng)和工作方式，無論是海量的交易行情數(shù)據(jù)還是實時性要求嚴格的客戶交易數(shù)據(jù)，都可以通過電力線傳輸，不再需要傳統(tǒng)的網(wǎng)線和聯(lián)網(wǎng)設備，遍布各個角落的ATM也不再需要昂貴的DDN線路，這一切，使得聯(lián)網(wǎng)成本大大降低，從而降低運營成本。
3、 信息家電和多媒體服務
通過簡單的、基于Web的因特網(wǎng)家電，可以提供Web訪問，這一切不需要PC，不需要網(wǎng)卡，只要有電源插座就可以，另外PLC良好的移動性也為一些SoHo愛好者提供了應用環(huán)境。
4、 智能化小區(qū)和大廈
現(xiàn)在的智能化建筑已經(jīng)實現(xiàn)了5A，但是這些不同的系統(tǒng)自動化需要不同的網(wǎng)絡支持，給建設和維護網(wǎng)絡系統(tǒng)帶來了巨大的壓力，借助PLC技術，無論是監(jiān)控、消防、安防還是辦公、通信都可以利用電力線實現(xiàn)，便于管理和擴展。
在這里，為大家推薦一個典型的應用案例——PLC在酒店中的應用。
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