基于PLC在信息家电中的应用

　　摘   要： 从配电网的分析着手，阐述了电力线通信的网络体系结构、系统组成、应用及电磁兼容问题以及各国对电力线通信的管制情况，分析了电力线现状与前景。

　　信息家电应该是一种价格低廉、操作简便、 实用性强、带有PC主要功能的家电产品。利用电脑、电信和电子技术与传统家电（包括白色家电：电冰箱、洗衣机、微波炉等和黑色家电：电视机、录像机、音响、VCD、DVD等）相结合的创新产品， 是为数字化与网络技术更广泛地深入家庭生活而设计的新型家用电器，信息家电包括PC、机顶盒、HPC、DVD、超级VCD、无线数据通信设备、视频游戏设备、WEBTV、INTERNE电话等等，所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，都可以称之为信息家电。目前，音频、视频和通信设备是信息家电的主要组成部分。

　　电力线通信技术（Power Line Communication）简称PLC,是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频信号加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话，以实现信息传递。目前在多种场合使用的低速（1200bps以下）电力载波已很普遍。利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高，可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。

　　电力线上网的优点：不再需要任何新的线路铺设，随意接入；共享互联网络连接；可以让任何客户进行网络连接；移动计算机至任意位置，简单使用；高通讯速率，可达14Mbps（将来通过升级设备可达100Mbps），可使用VOD点播；数据加密，提供高安全性和高可靠性能，满足酒店住户网上交易的需求；简单方便的安装设备以及使用方式；利用现有的电力线资源，节省费用。

　　PLC技术是由瑞士Ascom公司提出的。它利用类似cable modem的方式，通过电力线提供宽带数据业务，通过直接与插座相连的现有电力线进行通信[1].

　　1  电力线通信网网络体系结构

　　为了桥接变电站至用户住宅电气插座的1km,必须把低压配电网分成室外PLC和室内PLC二部分。这是因为整条通路的衰耗通常非常高，在满足电磁兼容（EMC）要求的情况下，只有大约10%的用户可以直接由单跳链路来服务。PLC系统的体系结构和系统组成示例[2]如图1所示。室外部分包括从变电站到住家接入点（HAP）的公共区域，室内部分系指从HAP到用户家中电气插座的私人区域。图1所示的PLC系统是一个集中式的主/从体系结构。这种结构反映了电力线网络拓扑和点到多点网络流向的特性。室外主控器（OM）通常安装在变电站，它控制用户住宅的室外接入点（OAP）。为了覆盖远地的建筑，还包括一个室外中继器（OR）。IC的控制对象是室内适配器（IA）。室内PLC和室外PLC通过OAP与IC之间的以太网链路进行连接。OM为主干连接提供以太网接口，主干连接普遍使用光纤和数字用户线（DSL）。对于不具备电信基础设施的变电站，可以使用中等电压PLC作为替代方案。

　　室外PLC使用1M~10MHz的低频段，而室内PLC使用15M~30MHz的高频段。每个频段能容纳3个载波，每个载波带宽约为2MHz.载波频率的分配基于以下考虑：

　　（1）与原有重要的广播与业余无线电业务共存。

　　（2）频率低意味着线路衰耗小，适宜于室外使用，可以覆盖较大距离。

　　（3）室外与室内系统的使用频率要有足够隔离，使室内、外系统在非常靠近时（例如OAP与IC）不用协调即能同时工作。

　　（4）室内距离一般小于室外距离，故室内可以使用较高的频率。此外，电气设备在较高频率时产生的信道噪声比低频时小得多。

　　（5）由于在高频时不同相之间的串话特性较好，每一相的信号质量几乎相同，故室内系统的性能较少受服务于IA的其他相或网络分支的影响。

　　2  电力线通信在信息家电中的应用

　　用电力线作为网络基础设施相对于其他技术的优点：（1）由于信息家电可以通过电力线进行通信，故不需另外布线。（2）在一户住家内通常有多个接入点，PLC技术可以为用户建一个家庭局域网，把他们的PC机、打印机、扫描器以及任何设备连接起来。按HomePlug 1.0标准的规定，电力线通信可以提供14Mbps的数据速率，足够信息家电日常使用。将来的PLC还可能提供100Mbps的速率来支持高质量数字多媒体应用。

　　北美住家的电力线通信网拓扑图如图2所示。本文将以该实例说明电力线通信的应用[2].由图可见，它是一种类似树状的拓扑。一般有2条电力线干线，分别为110 V和220 V.每条干线分为若干支线。电力线通信的目的是在这些支线和干线上传输数据分组。

　　PLC的应用形式有多种。还可以通过计算机向供货商发送订购信息或者去浏览产品网页，以获得更详细的信息。通过电力线还可以把音乐或视像节目录制下来，当在电视上或在一个音乐频道上播放音乐时，可以通过电力线直接把音乐录到MP3播放器上。还有一种可能的应用是把数字视像直接录入PC机或数字录像机（VCR）内。

　　利用电力线通信网还可以方便地完成信息家电的一些其他应用。例如，电冰箱可以根据冰箱内的库存情况通过电力线订购食品；微波炉能向空调发送预计的环境温度将变化的信息，使空调重新调节温度，保持室温舒适。

　　PLC的应用并不局限于新式信息家电。作为家庭网络，电力线通信网非常便于在传统数据处理设备与计算机外设之间交换数据。此外，信息家电也可与计算机进行对话，电力线通信网还可以用于住户安全方面，可以把门口监控摄像机获得的图像送至电视机。

　　为了通过DSL或cable modem之类的宽带连接实现高速上网，可以在电力线通信网中添加一个PLC互联网路由器。此外，可以利用外部配电线让PLC家庭网络直接与其他住家、电厂对话。由于不需要额外的支出，这种用于互联网接入的网络基础设施，对于发展我国家电特别有吸引力。

　　3  电力线通信的电磁兼容问题

　　电力电缆是为50Hz或60Hz低损耗输电设计的，当把它们用于PLC时，意味着必须传送频率9kHz~30MHz之间的信号。当PLC系统得到广泛使用时，除了使用相同频率的相邻PLC系统之间会相互干扰（即小区间干扰）以及会产生保密问题之外，PLC系统还会对其他无线电通信造成干扰。因此，PLC系统除了要克服自身信道的缺陷外，EMC是PLC能否得到推广应用的关键的问题。

　　由于PLC系统使用的是9kHz~30MHz的频段，因此受其辐射影响较大的主要是短波无线电通信，包括业余无线电和军用无线电。

　　为了把PLC辐射减至，可采取以下2个措施：

　　（1）充分利用或改善用于PLC的电力线的对称性。

　　（2）减小PLC信号的功率谱密度（PSD）。

　　4  对电力线通信的管制

　　PLC的辐射必须符合相关的EMC限制。EMC标准基本上有2种：

　　（1）国际无线电干扰专门委员会（CISPR）等机构制定，国际电工委员会（IEC）发布的标准，通常被采纳为国家法规。

　　（2）在CISPR标准没被采纳为国家法规的情况下，由有关国家的管制当局制定相应法规，填补空白。

　　现存的传统PLC标准都是针对用于控制、监视和开关的简单系统而制定的，所占频谱为525kHz.一般通过限制馈入电源网的输出电压来限制不希望的辐射。CISPR中有关PLC标准的版本是CISPR22.它规定了对IT设备的限制，并明确区分电源端口和电信端口。但是在PLC中，电源与通信用的是同一端口，故CISPR22在PLC的测试应用方面还存在较大问题，现正努力在CISPR22中定义多用途端口，以形成实际可行的方案。

　　欧洲比较关注CISPR的活动，现在欧盟成员国都把CISPR发布的文件作为重要法规。美国对PLC的管制由 FCC Part15制定。在日本，PLC只允许工作在10k~450kHz频率范围内，并对发送电平和使用场合作了详细规定。

　　5  发展现状与应用前景

　　PLC作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历程，PLC中的--电力线载波机历经了模拟电力线载波机、准数字电力线载波机、全数字电力线载波机三个阶段。

　　目前，PLC技术正准备走向商用。2002年8月，香港PowerCom Network公司成立，与Hutchison Global Crossing公司合作开发专有的PLC服务。中国国家电力通信中心自2001年12月开始进行电力线上网的小规模试验工作，其中部分设备由福建省电力试验研究院提供[3].

　　PLC网络除了完成家庭联网外，还能实现高速上网。各住家网络被接至变电站，并通过电力线modem终端把各家PLC网络连接到互联网的骨干网。各家的PLC网关可以安装在各家的熔丝盒里。当然，目前在网络安全和网络性能等方面还有不少问题有待解决，特别是当把电力线网络应用于办公室和公寓大楼时节点数量会急剧增加，解决这些问题就尤为重要。

　　电压不稳定对于电力线上网的安全性和稳定性等因素有很大的影响，主要是用电负荷高峰期影响稳定性。每到晚上家庭用电高峰期，通过电力线上网速度就比较慢。由于电力网使用的大多是非屏蔽线，用它来传输数据不可避免地会形成电磁辐射，影响数据的保密性，同时会对其他无线通信，如公安、军事部门的通信造成干扰。中国还没有制订出自己的电磁辐射标准，因此现在难以给PLC以合法身份。

　　电力线上网作为一种新出现的上网方式，目前在我国还处在试验阶段，信息产业部允许它在一定范围内做试点，如电力小区、电力家属院。而在电力线上网经营者没有取得许可证之前，不允许进行大规模商业运作。

　　2004年3月，国家电力通信中心的下级企业中电飞华作为宽带市场的新兴力量，已进入了北京100多个社区，开始提供宽带试运营业务，运行良好。

　　在今后5年内，如果电力公司采取行动，大力推动电力线上网，PLC的地位就有可能上升到目前DSL和cable modem所处的地位，可见它的潜在市场是巨大的。据Yankee Group公司市场调查后估计，在美国至少有2 100万户住家对家庭联网感兴趣。按照Parks Associates公司预测，到2004年底美国将有3 000万户住家具有快速互联网连接，其中1 700万户住家计划安装家庭网络。一些分析家称，PLC市场到2006年可能达到6亿美元。

  

参考文献:

[1]. PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[2]. EMC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EMC_2342312.html.
[3]. 60Hz datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/60Hz_2517196.html.