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电力线通信技术在国内外的应用现状及前景分析

电力线通信技术(PowerLineCommunicationTechnology简称PLT),是指利用高压电力线、中压电力线(10kV电压等级)或低压电力线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种有线通信方式。

  常规的电力线通信技术是在已有的电力线路上,加载经过调制的高频载波信号进行通信。因此,电力线通信通常称之为电力线载波通信(PowerLineCarrier-PLC)。其原理与普通无线电通信的原理类似,只是载波信号传输的通道是电力线路,如下图所示:

电力线通信技术在国内外的应用现状及前景分析

  以电力线作为信号传输媒介实现通信是各国电力、通信、网络等研究与产业部门一直致力研究开发的技术。电力线通信通常以电网的电压等级划分,可以分为高压电力线通信(35kV以上)、中压电力线通信(1kV~35kV)和低压电力线通信(1kV以下,380V/220V)。从所使用的载波信号频率、频带宽度和数据传输速率角度划分,低压电力线通信技术分为窄带电力线通信技术与宽带电力线通信技术。

  电力线窄带通信(NPLC)技术

  频率范围:一般采用9k~500kHz,美国FCC规定为100k~

  450kHz,欧洲电气标准委员会(CENELEC)的EN50065-1规定为3k~148.5kHz;

  通信速率:一般为几百bps~几十Kbps;

  调制技术:FSK、BPSK、扩频、OFDM调制、工频过零调制等。

  电力线宽带(BPLC)通信技术

  使用频率:2MHz~30MHz之间。

  通信速率:1Mbit/s以上,物理层速率最大为200Mbit/s,TCP/IP层速率可达80Mbit/s以上;调制

  解调技术:各种扩频通信技术、OFDM技术等。

  国内外应用现状及技术特点

  国内应用现状

  低压电力线载波通信在国内的应用现状如下:

  1、低压电力线窄带载波通信技术

  低压电力线窄带载波通信技术用于采集系统,应用时间较早,规模最大。近年来,随着低压电力线载波通信技术逐步完善,国内有十余家(东软、鼎信、晓程、弥亚微、瑞斯康、力合微等)企业专注于技术开发和应用,采用的技术主要有扩频加窄带频移键控(FSK)、扩频加窄带相移键控(PSK)、正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)等,在用电信息采集、智能家居能源管理、楼宇监视和路灯控制等领域均有大规模的应用。

  2、低压电力线宽带载波通信技术

  最近几年,低压电力线宽带通信技术得到了迅速的发展,在用电信息采集方面也有了大量的应用。我国多家公司的产品(深国电、中电华瑞、东软、中信等)在电力线宽带接入和基于电力线宽带的用电信息采集等方面都有了较为成熟的应用。

  为解决低压电力线宽带载波通信核心芯片一直以来依赖进口的问题,降低电力线宽带载波相关设备的造价,实现电力线宽带通信技术的自主发展,2010年1月国家电网公司正式立项研制具有自主知识产权的电力线宽带通信芯片及其实用化解决方案。

  国内低压电力线宽带载波通信技术标准制定较晚,2010年,我国发布了电力行业标准《DL/T395-2010低压电力线通信宽带接入系统技术要求》和邮电行业标准《YDB055.1-2010宽带客户网络联网技术要求第1部分:电力线(PLC)联网》,全国电力系统管理及其信息交换标委会目前正在制定电力行业标准《智能用电电力线宽带通信技术要求》。

国外应用现状

  1、低压电力线窄带载波通信技术

  国外低压电力线窄带载波通信应用在电力部门的自动负载控制和自动抄表领域起步较早,欧洲,英国SWAB公司1993年就实现了地区范围内远方抄表、自动收费、系统能源管理的功能。欧洲、美国以及国际上相关组织联盟先后推出多种窄带PLC标准,并规定了技术类型,典型技术有:扩频型频移键控(S-FSK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、多载波调制(multi-carriermodulationMCM,例如正交频分复用OFDM或离散多音频DMT)等。

  基于IEC61334-5-1标准的S-FSK技术以及基于IEC14908-2标准的BPSK技术方案,在欧洲及美洲各地已经有大规模的应用。基于OFDM的电力线窄带高速载波通信技术正在兴起。欧洲PRIME、法电G3-PLC、电气与电子工程师协会IEEE、国际电信联盟ITU等联盟组织针对OFDM窄带高速PLC技术制定出相关标准,由于各技术标准的物理层参数例如频段、编解码方式、OFDM实现技术没有完全统一,难以实现之间的互联互通。

  目前窄带OFDM技术在欧洲部分地区已经开始推广。国外的电力线载波通信芯片根据北美、欧洲等地区频率、标准、电网特性开发,在国内也有一些推广,但实际测试及运行结果并不理想,性能大多不如国内的PLC产品。

  2、低压电力线宽带载波通信技术

  从1997年起,随着高速PLC调制解调技术和芯片技术的突破,电力线宽带载波技术取得了快速发展。经过10余年的发展,电力线宽带通信技术已日趋成熟,在电网侧,电力线宽带通信技术主要用于用电信息采集或高级计量系统(AMI);在民用侧,电力线宽带通信技术主要用于家庭局域网(HAN)或室内网络(In-HomeNetwork)。

国际电力线宽带载波标准表

电力线通信技术在国内外的应用现状及前景分析

  技术特点

  低压电力线载波通信是目前采集系统应用在本地信道的主流技术,具有广泛的适用性,主要特点包括:

  1)可利用的电力线网络覆盖面大,直接接入计量装置,不用重新敷设专

  用通信线路,无需额外施工,节约相应投资;

  2)不用进行专门的线路维护,节约维护费用和使用费用;

  3)由于借助供电线路作为通信介质,在保证供电正常的情况下同时也保

  证了通信链路的连接;

  4)配电变压器的供电范围与载波通信网络域相同,有利于台区线损统计

  计算和台区用户档案管理。

工程应用

  低压电力线载波通信技术已经广泛应用于国外AMI的各个场合,在国内自动抄表领域也已经基本走上实用阶段。目前低压载波通信是国家电网公司采集系统中最主要的本地通信方式,所占比例高达70%以上。

  目前除了采集系统,电力线载波通信技术涉及到的其他应用领域还有:

  (1)路灯控制系统:实现实时控制、故障监测、节能控制等;

  (2)智能家居:家用电器只需接上电源就可以实现网上控制和互联;

  (3)楼宇控制和智能化小区:通过电力线载波通信方式对高层楼宇用电、小区公共照明等进行远程智能化管理;

  (4)光伏能源接入:利用电力线载波通信进行分布式光伏发电逆变控制和管理等;

  (5)停车场管理系统、公共信息显示系统、安全防盗及消防报警系统等应用。

  本次主要介绍在用电信息采集领域的工程应用,包括应用方式、应用情况等内容。

  1.应用方式

  按照在采集系统中的应用方式主要划分为全载波方式、半载波方式和混合方式等3种方式。

  (1)全载波方式由集中器、载波电能表组成。

  这种方式下,在台区变压器供电范围内,集中器与电能表之间直接通过电力线载波方式进行通信。无需采集终端,不需要再敷设专用通信线路,不需要勘测、调整网络拓扑结构。

  一般工作流程:集中器通过自动组网方式(包括主从式和分布式)与此集中器范围内的载波电能表建立完整的路由关系。每日集中器定时发出抄收数据命令,通过低压电力线按照当前的路由表与此集中器范围内的载波电能表通信,获取电能表的各项数据。当有点抄任务时,集中器根据主站点抄命令与指定电能表按照当前路由表进行通信,获取电能表的相应数据。

  适用范围:适用于大部分情况。

  (2)半载波方式由集中器、采集器和485电能表组成。

  半载波方式下,集中器和采集器(载波型采集终端)通过载波方式通信,采集器和电能表之间通过RS485连接,需要额外敷设RS485专用通信线路。

  一般工作流程:集中器通过自动组网方式(包括主从式和分布式)与此集中器范围内的采集器(采集终端)建立完整的路由关系。每日集中器定时发出抄收数据命令,通过低压电力线按照当前的路由表与此集中器范围内采集器通信,然后采集器通过RS485总线与485电能表进行通信,获取线上电能表的各项数据。当有点抄任务时,集中器根据主站点抄命令按照当前路由表与指定采集器进行通信,然后采集器与指定电能表通过RS485专线进行通信,获取电能表的相应数据。

  适用范围:由于系统需要敷设RS485通讯线路,所以适用于那些电能表集中安装、容易或允许敷设RS485的新建或规范的住宅小区。

  (3)混合方式一部分电能表通过全载波方式与集中器进行通信,另有一部分电能表通过半载波方式与集中器进行通信。

  混合方式根据现场实际情况不同,对于集中安装的电能表,表箱旁边安装载波型采集器(采集终端),采集器与电能表之间通过RS485总线方式进行连接;对于用户电能表分散安装,或因楼宇之间不允许安装RS485通信线等情况的电能表,直接安装载波电能表;组网后的一般工作流程与上述两种基本方式类似。

  (4)三种方式的比较:

  1)全载波方式的优势是无需布线、易安装、易维护,但成本相对高一些;

  2)半载波方式的优势是安装设备量少,成本相对较低,但需专门布线,安装施工难度和维护工作量多一些;

  3)混合方式的优势是应用灵活,能够解决全载和半载混合模式的台区,但施工难度相对较大,管理起来复杂得多。

2.应用情况

  (1)当前应用情况

  载波通信方式成为低压集抄系统建设的首选,在国网采集系统中得到了广泛应用。在实际应用中还有如下总体特点:

  1)不受金属箱体屏蔽的影响;

  2)不受钢混建筑物的影响;

  3)不同变压器供电范围之间基本不受影响;

  4)不需要人工干预,例如具备自动路由、自恢复等功能;

  5)系统运维量少。

  (2)影响抄收成功率的主要因素

  按照统计情况分析,载波通信方式在部分地区日抄表成功率未达到95%,总体归纳起来,影响因素主要包括:施工、地区差异、管理模式、产品质量等问题,具体如下:

  1、施工问题:

  a)未安装载波电能表;

  b)安装的不是载波电能表;

  c)载波电能表进线与入户线接反,欠费停电后载波电能表掉电;

  d)业务流程在途;

  e)拆迁影响:楼房正在拆迁过程中,部分已在线的载波电能表断电;

  f)载波电能表混装:包括多种载波方案的载波电能表混装和同一种载波方案不同版本的载波模块混装。

  半载波模式特有的施工问题:

  a)电能表侧的RS-485通信线极性接反;

  b)采集器与电能表的RS-485通信线接线松动、虚接。

  2、地域差异

  a)GPRS信号质量差;

  b)SIM卡不兼容;

  c)主站统计功能的差异;

  d)数据信息采集的数量不同。

  3、管理问题

  a)SIM卡欠费;

  b)集中器内部计量点的地址信息错误;

  c)采集器地址信息错误;

  d)故障电能表没有及时更换;

  e)用户电能表表前断电。

  4、产品质量问题:

  包括设计质量和生产质量

  a)电能表给载波模块提供的电源能力低于标准中的规定,造成载波模块发射功率降低,导致载波通信性能下降;

  b)集中器主板与载波模块之间抄表交互流程不合理,降低抄表效率;

  c)集中器死机、频繁掉线;

  d)载波模块生产过程存在的质量问题:各厂家使用的元器件质量、检测环境不严格造成通信能力下降;

  e)半载波方式的RS-485总线阻抗不匹配。


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