摘   要： 從配電網的分析著手，闡述了電力線通信的網絡體系結構、系統組成、應用及電磁兼容問題以及各國對電力線通信的管制情況，分析了電力線現狀與前景。
關鍵詞： 電力線通信  網絡體系結構  電磁兼容  管制

　　電力線通信技術(PLC)是利用電力線傳輸高頻數據和話音信號的一種通信方式。該技術利用電力線傳送高頻信號，在不需要重新布線的基礎上實現上網、打電話和有線電視等多種應用。用戶可以通過房間里的任意一個電源插座上網，實現家庭的移動辦公。利用PLC技術可將電腦、電話、音響、電冰箱等家用電器連成一體，實現集中控制，也可以連接多臺電腦，組建、實現家庭局域網。作為一種新的家庭聯網和寬帶接入技術，電力線通信引起了人們極大的關注。
　　PLC技術最先是由瑞士Ascom公司提出的。它利用類似cable modem的方式，通過電力線提供寬帶數據業務，通過直接與插座相連的現有電力線進行通信[1]。
1  電力線通信網網絡體系結構
　　為了橋接變電站至用戶住宅電氣插座的最后1km，必須把低壓配電網分成室外PLC和室內PLC二部分。這是因為整條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。PLC系統的體系結構和系統組成示例[2]如圖1所示。室外部分包括從變電站到住家接入點(HAP)的公共區域，室內部分系指從HAP到用戶家中電氣插座的私人區域。圖1所示的PLC系統是一個集中式的主/從體系結構。這種結構反映了電力線網絡拓撲和點到多點網絡流向的特性。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(OAP)。為了覆蓋遠地的建筑，還包括一個室外中繼器(OR)。在每處住宅內，都有1個獨立的室內PLC部分，它由室內控制器(IC)進行控制。IC的控制對象是室內適配器(IA)。IA給最終用戶提供標準網絡接口(如以太網、UBS和模擬電話線等接口)。室內PLC和室外PLC通過OAP與IC之間的以太網鏈路進行連接。OM為主干連接提供以太網接口，主干連接普遍使用光纖和數字用戶線(DSL)。對于不具備電信基礎設施的變電站，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PLC使用15M~30MHz的高頻段。每個頻段能容納3個載波，每個載波帶寬約為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余無線電業務共存。
　　(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)室外與室內系統的使用頻率要有足夠隔離，使室內、外系統在非常靠近時(例如OAP與IC)不用協調即能同時工作。
　　(4)室內距離一般小于室外距離，故室內可以使用較高的頻率。此外，電氣設備在較高頻率時產生的信道噪聲比低頻時小得多。
　　(5)由于在高頻時不同相之間的串話特性較好，每一相的信號質量幾乎相同，故室內系統的性能較少受服務于IA的其他相或網絡分支的影響。
2  電力線通信在信息家電中的應用
　　用電力線作為網絡基礎設施相對于其他技術的優點：(1)由于信息家電可以通過電力線進行通信，故不需另外布線。(2)在一戶住家內通常有多個接入點(電源插座)，PLC技術可以為用戶建一個家庭局域網，把他們的PC機、打印機、掃描器以及任何設備連接起來。按HomePlug 1.0標準的規定，電力線通信可以提供14Mbps的數據速率，足夠信息家電日常使用。將來的PLC還可能提供100Mbps的速率來支持高質量數字多媒體應用。
　　北美住家的電力線通信網拓撲圖如圖2所示。本文將以該實例說明電力線通信的應用[2]。由圖可見，它是一種類似樹狀的拓撲。一般有2條電力線干線，分別為110 V和220 V。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據分組。

　　PLC的應用形式有多種。例如，當數字電視上出現商業廣告時，可以通過電力線把產品信息下載到計算機上。此后，還可以通過計算機向供貨商發送訂購信息或者去瀏覽產品網頁，以獲得更詳細的信息。通過電力線還可以把音樂或視像節目錄制下來，當在電視上或在一個音樂頻道上播放音樂時，可以通過電力線直接把音樂錄到MP3播放器上。還有一種可能的應用是把數字視像直接錄入PC機或數字錄像機(VCR)內。
　　利用電力線通信網還可以方便地完成信息家電的一些其他應用。例如，電冰箱可以根據冰箱內的庫存情況通過電力線訂購食品；微波爐能向空調發送預計的環境溫度將變化的信息，使空調重新調節溫度，保持室溫舒適。
　　PLC的應用并不局限于新式信息家電。作為家庭網絡，電力線通信網非常便于在傳統數據處理設備(如PC機等)與計算機外設之間交換數據。此外，信息家電也可與計算機進行對話，例如，利用電力線通信網可以很方便地從電視機或VCR向PC機發送多媒體數據。電力線通信網還可以用于住戶安全方面，可以把門口監控攝像機獲得的圖像送至電視機。
　　為了通過DSL或cable modem之類的寬帶連接實現高速上網，可以在電力線通信網中添加一個PLC互聯網路由器。當某設備需要與互聯網上其他設備進行通信時，通過電力線向計算機發送數據，然后由計算機決定是否向互聯網發送數據。此外，可以利用外部配電線讓PLC家庭網絡直接與其他住家、電廠對話。由于不需要額外的支出，這種用于互聯網接入的網絡基礎設施，對于發展我國家電特別有吸引力。
3  電力線通信的電磁兼容問題
　　電力電纜是為50Hz或60Hz低損耗輸電設計的，當把它們用于PLC時，意味著必須傳送頻率9kHz～30MHz之間的信號。對在這些頻率上的信號，電力電纜會有泄漏，部分高頻信號功率會以電磁波的形式輻射出去。電力線信道好像一個開放的無線信道，要受噪聲、衰落、多徑和干擾的影響，同時也會干擾其他信號。當PLC系統得到廣泛使用時，除了使用相同頻率的相鄰PLC系統之間會相互干擾(即小區間干擾)以及會產生保密問題之外，PLC系統還會對其他無線電通信造成干擾。因此，PLC系統除了要克服自身信道的缺陷外，EMC是PLC能否得到推廣應用的最關鍵的問題。
　　由于PLC系統使用的是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，包括業余無線電和軍用無線電。
為了把PLC輻射減至最小，可采取以下2個措施：
　　(1)充分利用或改善用于PLC的電力線的對稱性。
　　(2)減小PLC信號的功率譜密度(PSD)。
4  對電力線通信的管制
　　PLC的輻射必須符合相關的EMC限制。EMC標準基本上有2種：
　　(1)國際無線電干擾專門委員會(CISPR)等機構制定，國際電工委員會(IEC)發布的標準，通常被采納為國家法規。
　　(2)在CISPR標準沒被采納為國家法規的情況下，由有關國家的管制當局制定相應法規，填補空白。
現存的傳統PLC標準都是針對用于控制、監視和開關的簡單系統而制定的，所占頻譜最高為525kHz。一般通過限制饋入電源網的最大輸出電壓來限制不希望的輻射。但用于數據傳輸的PLC接入系統的頻率范圍要大得多，目前尚無標準。CISPR中有關PLC標準的最新版本是CISPR22。它規定了對IT設備的限制，并明確區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的測試應用方面還存在較大問題，現正努力在CISPR22中定義多用途端口，以形成實際可行的方案。
　　歐洲比較關注CISPR的活動，現在歐盟成員國都把CISPR發布的文件作為重要法規。美國對PLC的管制由 FCC Part15制定。在日本，PLC只允許工作在10k～450kHz頻率范圍內，并對發送電平和使用場合作了詳細規定。
5  發展現狀與應用前景
　　目前，PLC技術正準備走向商用。全球有若干種PLC系統在進行現場試驗，尤其在歐洲，德國、西班牙、法國、奧地利和瑞士都開始了大規模的現場鋪設。2002年8月，香港PowerCom Network公司成立，與Hutchison Global Crossing公司合作開發專有的PLC服務。中國國家電力通信中心自2001年12月開始進行電力線上網的小規模試驗工作，其中部分設備（電力貓等）由福建省電力試驗研究院提供[3]。
　　PLC網絡除了完成家庭聯網外，還能實現高速上網。各住家網絡被接至變電站，并通過電力線modem終端把各家PLC網絡連接到互聯網的骨干網。各家的PLC網關可以安裝在各家的熔絲盒里。網關可能連接1個或幾個用來增強信號強度的中繼器。預計當調制技術得到進一步改進之后，未來的電力線網絡可以以更高的速率傳送數據。當然，目前在網絡安全和網絡性能等方面還有不少問題有待解決，特別是當把電力線網絡應用于辦公室和公寓大樓時節點數量會急劇增加，解決這些問題就尤為重要。
　　電壓不穩定對于電力線上網的安全性和穩定性等因素有很大的影響，主要是用電負荷高峰期影響穩定性。每到晚上家庭用電高峰期，通過電力線上網速度就比較慢。同時，國內該技術是通過單元樓共享帶寬技術，用戶上網時的速度，取決于在線的用戶數量。如果很多用戶同時上網，傳輸速度就相對較慢。此外，電力線上網在網絡管理維護上也較麻煩。由于電力網使用的大多是非屏蔽線，用它來傳輸數據不可避免地會形成電磁輻射，影響數據的保密性，同時會對其他無線通信，如公安、軍事部門的通信造成干擾。中國還沒有制訂出自己的電磁輻射標準，因此現在難以給PLC以合法身份。
　　電力線上網作為一種新出現的上網方式，目前在我國還處在試驗階段，信息產業部允許它在一定范圍內做試點，如電力小區、電力家屬院。而在電力線上網經營者沒有取得許可證之前，不允許進行大規模商業運作。
　　2004年3月，國家電力通信中心的下級企業中電飛華作為寬帶市場的新興力量，已進入了北京100多個社區，開始提供寬帶試運營業務，運行良好。
　　在今后5年內，如果電力公司采取行動，大力推動電力線上網，PLC的地位就有可能上升到目前DSL和cable modem所處的地位，可見它的潛在市場是巨大的。據Yankee Group公司市場調查后估計，在美國至少有2 100萬戶住家對家庭聯網感興趣。按照Parks Associates公司預測，到2004年底美國將有3 000萬戶住家具有快速互聯網連接，其中1 700萬戶住家計劃安裝家庭網絡。一些分析家稱，PLC市場到2006年可能達到6億美元。
參考文獻
1   Lin Y J，Latchman A H，Lee M et al.A Power Line Communication Network Infrastructure for the Smart   Home .IEEE Wireless Communications，2002；9（6）
2   Liu W L，Hanspeter W，Philippe R.Broadband PLC Access  Systems and Field Development in European Power Line  Networks.IEEE Communications Magazine，2003；41（5）
3   鄒志威，陳啟美，左雯.躋身未來的電力線通信(一)回顧與展望.電力系統自動化，2003；27（3）