基于PLC在信息家電中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于PLC在信息家電中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：從配電網(wǎng)的分析著手，闡述了電力線通信的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成、應(yīng)用及電磁兼容問題以及各國(guó)對(duì)電力線通信的管制情況，分析了電力線現(xiàn)狀與前景。

信息家電應(yīng)該是一種價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)、帶有PC主要功能的家電產(chǎn)品。利用電腦、電信和電子技術(shù)與傳統(tǒng)家電（包括白色家電：電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等和黑色家電：電視機(jī)、錄像機(jī)、音響、VCD、DVD等）相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)品，是為數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更廣泛地深入家庭生活而設(shè)計(jì)的新型家用電器，信息家電包括PC、機(jī)頂盒、HPC、DVD、超級(jí)VCD、無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備、視頻游戲設(shè)備、WEBTV、INTERNE電話等等，所有能夠通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的家電產(chǎn)品，都可以稱之為信息家電。目前，音頻、視頻和通信設(shè)備是信息家電的主要組成部分。

電力線通信技術(shù)（PowerLineCommunication）簡(jiǎn)稱PLC,是利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號(hào)加載于電流，然后用電線傳輸，接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計(jì)算機(jī)或電話，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。目前在多種場(chǎng)合使用的低速（1200bps以下）電力載波已很普遍。利用輸電線路作為信號(hào)的傳輸媒介，人們利用電力線可以傳輸電話、電報(bào)、遠(yuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護(hù)信號(hào)等。由于電力線機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，不需要線路的基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常的維護(hù)費(fèi)用，因此PLC具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信以及各種信息傳輸方面發(fā)揮了重要作用。

電力線上網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)：不再需要任何新的線路鋪設(shè)，隨意接入；共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接；可以讓任何客戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接；移動(dòng)計(jì)算機(jī)至任意位置，簡(jiǎn)單使用；高通訊速率，可達(dá)14Mbps（將來通過升級(jí)設(shè)備可達(dá)100Mbps），可使用VOD點(diǎn)播；數(shù)據(jù)加密，提供高安全性和高可靠性能，滿足酒店住戶網(wǎng)上交易的需求；簡(jiǎn)單方便的安裝設(shè)備以及使用方式；利用現(xiàn)有的電力線資源，節(jié)省費(fèi)用。

PLC技術(shù)是由瑞士Ascom公司提出的。它利用類似cablemodem的方式，通過電力線提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過直接與插座相連的現(xiàn)有電力線進(jìn)行通信[1].

1電力線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

為了橋接變電站至用戶住宅電氣插座的1km,必須把低壓配電網(wǎng)分成室外PLC和室內(nèi)PLC二部分。這是因?yàn)檎麠l通路的衰耗通常非常高，在滿足電磁兼容（EMC）要求的情況下，只有大約10%的用戶可以直接由單跳鏈路來服務(wù)。PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成示例[2]如圖1所示。室外部分包括從變電站到住家接入點(diǎn)（HAP）的公共區(qū)域，室內(nèi)部分系指從HAP到用戶家中電氣插座的私人區(qū)域。圖1所示的PLC系統(tǒng)是一個(gè)集中式的主/從體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)反映了電力線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜忘c(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流向的特性。室外主控器（OM）通常安裝在變電站，它控制用戶住宅的室外接入點(diǎn)（OAP）。為了覆蓋遠(yuǎn)地的建筑，還包括一個(gè)室外中繼器（OR）。IC的控制對(duì)象是室內(nèi)適配器（IA）。室內(nèi)PLC和室外PLC通過OAP與IC之間的以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行連接。OM為主干連接提供以太網(wǎng)接口，主干連接普遍使用光纖和數(shù)字用戶線（DSL）。對(duì)于不具備電信基礎(chǔ)設(shè)施的變電站，可以使用中等電壓PLC作為替代方案。

室外PLC使用1M~10MHz的低頻段，而室內(nèi)PLC使用15M~30MHz的高頻段。每個(gè)頻段能容納3個(gè)載波，每個(gè)載波帶寬約為2MHz.載波頻率的分配基于以下考慮：

（1）與原有重要的廣播與業(yè)余無線電業(yè)務(wù)共存。

（2）頻率低意味著線路衰耗小，適宜于室外使用，可以覆蓋較大距離。

（3）室外與室內(nèi)系統(tǒng)的使用頻率要有足夠隔離，使室內(nèi)、外系統(tǒng)在非?？拷鼤r(shí)（例如OAP與IC）不用協(xié)調(diào)即能同時(shí)工作。

（4）室內(nèi)距離一般小于室外距離，故室內(nèi)可以使用較高的頻率。此外，電氣設(shè)備在較高頻率時(shí)產(chǎn)生的信道噪聲比低頻時(shí)小得多。

（5）由于在高頻時(shí)不同相之間的串話特性較好，每一相的信號(hào)質(zhì)量幾乎相同，故室內(nèi)系統(tǒng)的性能較少受服務(wù)于IA的其他相或網(wǎng)絡(luò)分支的影響。

2電力線通信在信息家電中的應(yīng)用

用電力線作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)于其他技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）由于信息家電可以通過電力線進(jìn)行通信，故不需另外布線。（2）在一戶住家內(nèi)通常有多個(gè)接入點(diǎn)，PLC技術(shù)可以為用戶建一個(gè)家庭局域網(wǎng)，把他們的PC機(jī)、打印機(jī)、掃描器以及任何設(shè)備連接起來。按HomePlug1.0標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，電力線通信可以提供14Mbps的數(shù)據(jù)速率，足夠信息家電日常使用。將來的PLC還可能提供100Mbps的速率來支持高質(zhì)量數(shù)字多媒體應(yīng)用。

北美住家的電力線通信網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖2所示。本文將以該實(shí)例說明電力線通信的應(yīng)用[2].由圖可見，它是一種類似樹狀的拓?fù)洹Ｒ话阌?條電力線干線，分別為110V和220V.每條干線分為若干支線。電力線通信的目的是在這些支線和干線上傳輸數(shù)據(jù)分組。

PLC的應(yīng)用形式有多種。還可以通過計(jì)算機(jī)向供貨商發(fā)送訂購(gòu)信息或者去瀏覽產(chǎn)品網(wǎng)頁，以獲得更詳細(xì)的信息。通過電力線還可以把音樂或視像節(jié)目錄制下來，當(dāng)在電視上或在一個(gè)音樂頻道上播放音樂時(shí)，可以通過電力線直接把音樂錄到MP3播放器上。還有一種可能的應(yīng)用是把數(shù)字視像直接錄入PC機(jī)或數(shù)字錄像機(jī)（VCR）內(nèi)。

利用電力線通信網(wǎng)還可以方便地完成信息家電的一些其他應(yīng)用。例如，電冰箱可以根據(jù)冰箱內(nèi)的庫存情況通過電力線訂購(gòu)食品；微波爐能向空調(diào)發(fā)送預(yù)計(jì)的環(huán)境溫度將變化的信息，使空調(diào)重新調(diào)節(jié)溫度，保持室溫舒適。

PLC的應(yīng)用并不局限于新式信息家電。作為家庭網(wǎng)絡(luò)，電力線通信網(wǎng)非常便于在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備與計(jì)算機(jī)外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)。此外，信息家電也可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)話，電力線通信網(wǎng)還可以用于住戶安全方面，可以把門口監(jiān)控?cái)z像機(jī)獲得的圖像送至電視機(jī)。

為了通過DSL或cablemodem之類的寬帶連接實(shí)現(xiàn)高速上網(wǎng)，可以在電力線通信網(wǎng)中添加一個(gè)PLC互聯(lián)網(wǎng)路由器。此外，可以利用外部配電線讓PLC家庭網(wǎng)絡(luò)直接與其他住家、電廠對(duì)話。由于不需要額外的支出，這種用于互聯(lián)網(wǎng)接入的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于發(fā)展我國(guó)家電特別有吸引力。

3電力線通信的電磁兼容問題

電力電纜是為50Hz或60Hz低損耗輸電設(shè)計(jì)的，當(dāng)把它們用于PLC時(shí)，意味著必須傳送頻率9kHz~30MHz之間的信號(hào)。當(dāng)PLC系統(tǒng)得到廣泛使用時(shí)，除了使用相同頻率的相鄰PLC系統(tǒng)之間會(huì)相互干擾（即小區(qū)間干擾）以及會(huì)產(chǎn)生保密問題之外，PLC系統(tǒng)還會(huì)對(duì)其他無線電通信造成干擾。因此，PLC系統(tǒng)除了要克服自身信道的缺陷外，EMC是PLC能否得到推廣應(yīng)用的關(guān)鍵的問題。

由于PLC系統(tǒng)使用的是9kHz~30MHz的頻段，因此受其輻射影響較大的主要是短波無線電通信，包括業(yè)余無線電和軍用無線電。

為了把PLC輻射減至，可采取以下2個(gè)措施：

（1）充分利用或改善用于PLC的電力線的對(duì)稱性。

（2）減小PLC信號(hào)的功率譜密度（PSD）。

4對(duì)電力線通信的管制

PLC的輻射必須符合相關(guān)的EMC限制。EMC標(biāo)準(zhǔn)基本上有2種：

（1）國(guó)際無線電干擾專門委員會(huì)（CISPR）等機(jī)構(gòu)制定，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，通常被采納為國(guó)家法規(guī)。

（2）在CISPR標(biāo)準(zhǔn)沒被采納為國(guó)家法規(guī)的情況下，由有關(guān)國(guó)家的管制當(dāng)局制定相應(yīng)法規(guī)，填補(bǔ)空白。

現(xiàn)存的傳統(tǒng)PLC標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)用于控制、監(jiān)視和開關(guān)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)而制定的，所占頻譜為525kHz.一般通過限制饋入電源網(wǎng)的輸出電壓來限制不希望的輻射。CISPR中有關(guān)PLC標(biāo)準(zhǔn)的版本是CISPR22.它規(guī)定了對(duì)IT設(shè)備的限制，并明確區(qū)分電源端口和電信端口。但是在PLC中，電源與通信用的是同一端口，故CISPR22在PLC的測(cè)試應(yīng)用方面還存在較大問題，現(xiàn)正努力在CISPR22中定義多用途端口，以形成實(shí)際可行的方案。

歐洲比較關(guān)注CISPR的活動(dòng)，現(xiàn)在歐盟成員國(guó)都把CISPR發(fā)布的文件作為重要法規(guī)。美國(guó)對(duì)PLC的管制由FCCPart15制定。在日本，PLC只允許工作在10k~450kHz頻率范圍內(nèi)，并對(duì)發(fā)送電平和使用場(chǎng)合作了詳細(xì)規(guī)定。

5發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

PLC作為電力系統(tǒng)傳輸信息的一種基本手段，在電力系統(tǒng)通信和遠(yuǎn)動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了從分立到集成，從功能單一到微機(jī)自動(dòng)控制，從模擬到數(shù)字的發(fā)展歷程，PLC中的--電力線載波機(jī)歷經(jīng)了模擬電力線載波機(jī)、準(zhǔn)數(shù)字電力線載波機(jī)、全數(shù)字電力線載波機(jī)三個(gè)階段。

目前，PLC技術(shù)正準(zhǔn)備走向商用。2022年8月，香港PowerComNetwork公司成立，與HutchisonGlobalCrossing公司合作開發(fā)專有的PLC服務(wù)。中國(guó)國(guó)家電力通信中心自2022年12月開始進(jìn)行電力線上網(wǎng)的小規(guī)模試驗(yàn)工作，其中部分設(shè)備由福建省電力試驗(yàn)研究院提供[3].

PLC網(wǎng)絡(luò)除了完成家庭聯(lián)網(wǎng)外，還能實(shí)現(xiàn)高速上網(wǎng)。各住家網(wǎng)絡(luò)被接至變電站，并通過電力線modem終端把各家PLC網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)。各家的PLC網(wǎng)關(guān)可以安裝在各家的熔絲盒里。當(dāng)然，目前在網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)性能等方面還有不少問題有待解決，特別是當(dāng)把電力線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于辦公室和公寓大樓時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)急劇增加，解決這些問題就尤為重要。

電壓不穩(wěn)定對(duì)于電力線上網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性等因素有很大的影響，主要是用電負(fù)荷高峰期影響穩(wěn)定性。每到晚上家庭用電高峰期，通過電力線上網(wǎng)速度就比較慢。由于電力網(wǎng)使用的大多是非屏蔽線，用它來傳輸數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)形成電磁輻射，影響數(shù)據(jù)的保密性，同時(shí)會(huì)對(duì)其他無線通信，如公安、軍事部門的通信造成干擾。中國(guó)還沒有制訂出自己的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，因此現(xiàn)在難以給PLC以合法身份。

電力線上網(wǎng)作為一種新出現(xiàn)的上網(wǎng)方式，目前在我國(guó)還處在試驗(yàn)階段，信息產(chǎn)業(yè)部允許它在一定范圍內(nèi)做試點(diǎn)，如電力小區(qū)、電力家屬院。而在電力線上網(wǎng)經(jīng)營(yíng)者沒有取得許可證之前，不允許進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)運(yùn)作。

2022年3月，國(guó)家電力通信中心的下級(jí)企業(yè)中電飛華作為寬帶市場(chǎng)的新興力量，已進(jìn)入了北京100多個(gè)社區(qū)，開始提供寬帶試運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，運(yùn)行良好。

在今后5年內(nèi)，如果電力公司采取行動(dòng)，大力推動(dòng)電力線上網(wǎng)，PLC的地位就有可能上升到目前DSL和cablemodem所處的地位，可見它的潛在市場(chǎng)是巨大的。據(jù)YankeeGroup公司市場(chǎng)調(diào)查后估計(jì)，在美國(guó)至少有2100萬戶住家對(duì)家庭聯(lián)網(wǎng)感興趣。按照ParksAss