低压电力线载波通信的应用与发展_魏春娟

低压电力线载波通信的应用与发展

魏春娟

（上海电力学院计算机与信息工程学院，上海200090）

摘

*

要：低压电力线载波通信以其覆盖范围广、连接方便、应用潜力巨大的显著特

而被日益关注，成为近年来研究的热点。在介绍低压电力线载波通信特征的基础点，

上，分析了正交频分复用和扩频技术在低压电力线载波通信中的应用，探讨了低压电力线载波通信在远程抄表和接入Internet 的应用。

关键词：电力线载波通信；正交频分复用；扩频；远程抄表；电力线上网5531（2011）09-0045-05中图分类号：TN 916．52文献标志码：B 文章编号：1001-魏春娟（1983—），女，讲师，博士，主要研究方向为电力线通信和低功耗设计。

Application and Development of Low Voltage

Power Line Communication

WEI Chunjuan

（School of Computer and Information Engineering ，

Shanghai University of Electric Power ，Shanghai 200090，China ）

Abstract ：With the distinctive feature of wide-range coverage ，convenient connections and great potential of applications ，low voltage power line communication （PLC ）had become a major concern and hot topic for research．Based on the introduction of characteristics of communication channel of low voltage power line communication ，two kinds of new technology ———orthogonal frequency division multiplexing （OFDM ）and spread spectrum communica-tion （SSC ）applied widely in PLC were analyzed．Then the application of low voltage PLC in remote meter reading and accessing Internet was discussed．

Key words ：power line communication （PLC ）；orthogonal frequency division multiplexing （OFDM ）；spread spectrum ；remote meter reading ；power line accessing network

0引言

等服务

［1］

。

近年来，高中压PLC 技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代，其应用和技术相对成熟。低压PLC 作为通信技术的一个新兴应用领域，以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注。由于低压电力线的传输特其工作环境恶劣、信号衰性不同于中高压电力线，

减大、干扰种类多且具有很强的时变性。为此，中高压电力线上的载波通信技术不能应用于低压配电网络。本文对低压电力线载波通信的特点及关键技术进行了分析，并对其在远程抄表和接入In-ternet 的应用进行了探讨。

电力线载波通信（Power Line Communication ，PLC ）是利用高压电力线（在电力载波领域通常指35kV 及以上电压等级）、中压电力线（指10kV 电压等级）或低压配电线（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特殊通信方式。高压PLC 主要用于地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通

远动及综合自动化；中压PLC 为接入骨干网、信、

配电网自动化等应用提供传输通道；低压PLC 为用户提供Internet 接入、远程自动抄表、智能家居

*基金项目：上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（[1**********]，[1**********]）；上海市教育委员会科09Y337）；上海市浦江人才计划项目（10PJ1404500）；上海市教育委员会重点学科建设项目资助研创新项目（09ZZ185，（J51303）

—45—

1

低压电力线载波通信信道的传输特性

性，要利用电力线进行较为理想的通信，即达到专线通信的标准，必须从多方面（如频谱利用率、功率利用率、载波频率、噪声抑制能力等）考虑，选择一种最佳通信方案。传统的窄带技术无法适应特别是更难适应我国的电网特点，电力线的特性，

在工程中不宜选用。目前，低压电力线载波通信中应用的调制技术主要是正交频分复用（Orthog-onal Frequency Division Multiplexing ，OFDM ）和扩频技术。

2．1OFDM 技术

OFDM 本质上是一种多载波调制技术，它将传输速率相对较可用的频谱分成N 个频带较窄、

且子载波的幅频响应相互重叠和正低的子载波，

交。串行传输的符号序列也被分成长度为N 的

段，每段内的N 个符号分别调制N 个子载波，一起发送。OFDM 是把一组高速传输的串行数据转

虽然每个子载化为相对低速的并行数据来传输，

波的传输速率并不高，但是所有子信道加起来将［3］

会获得很高的数据传输速率。

采用OFDM 技术的低压电力线通信系统如图1所示，首先将发送端的串行数据经过串并转然后将各路信号分别进换后变为N 路并行信号，

QAM 、QPSK 行基带调制，调制方式可选择FSK 、等，各路选用的调制方式可以不同。然后经过快

速傅里叶反变换（FFT ），将基带信号调制到各个子载波上，插入循环前缀后，将并行信号转为串行信号。再经过D /A转换，利用射频电路将信号发通过一送到电力线信道上进行传输。在接收端，

系列相反的过程即可恢复出原始数据。为进一步提高实际系统抗干扰性能，通常还增加频域交织、时域交织、均衡和信道编解码等功能模块

。

由于电力网在设计初期主要是为了提供工频

它不同于专用通信信道，其结构千差万别，电能，

很难用一个通用的解析式或数学模型来精确描述其信道传输特性，这给电力线载波通信系统设计带来了困难。目前提出的电力线信道模型都是建立在对实际电力系统测量结果基础上，针对具体的电力网络进行的，通用性和实用性都较差。近年来，很多研究成果主要集中在输入阻抗、信号衰低压电力线的通信信减和噪声特性。一般来讲，道具有以下特点。

（1）时变性。对载波信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的电力负载在低压配电网的任意位置随机投入或断开，使信道表现出很强的时变性，因此，不能利用简单的电压检测方法来确定线路信号。

（2）频率选择性。由于低压配电网直接面向用户，负荷情况非常复杂，各节点阻抗不匹配，故信号容易产生反射、驻波、谐振等现象，使得信号造成电力线载波通信信道的衰减变得极其复杂，具有很强的频率选择性。

（3）噪声干扰强而信号衰减大。电力线中的噪声干扰主要包括由传输电流发生的电磁场引起的背景噪声干扰，以及由于某些电磁波产生的脉冲噪声干扰两部分

［2］

。

上述特点使得电力线载波通信在实际应用过程中一直面临着可用性与可靠性的考验。

2低压电力线载波通信的调制技术

由以上分析可知，电力线具有恶劣的信道特

图1采用OFDM 技术的电力线通信系统

—46—

OFDM 通常采用时间抽取奇在实际系统中，

偶分解FFT 算法，实现简单且计算量较小。对于N 点FFT ，N （N －1）次复只需要N /2lb N 次复乘、加运算。如果使用C6000系列DSP ，完成1024点的FFT 只需约70μs ，能够在DSP 上实现快速调制和解调是OFDM 技术获得广泛应用的主要原因之一。

OFDM 技术以其抗噪声和多径干扰能力强、带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为实现

OFDM 技高速PLC 提供了一个有效的解决方案，

术的应用是国内外高速PLC 研究的最新方向。

但是，针对基于低压电力线的OFDM 技术的基础

而OFDM 技术作为一种调制性研究还远远不够，

技术本身仍存在固有的一些问题需要解决，比如

OFDM 的同步问题、峰均值比问题以及针对具体的信道环境如何对OFDM 的各子载波进行编码

［4］

调制等。2．2

扩频技术

扩频技术主要是将基带信号的频谱扩展至很宽的频带（成百上千倍）进行传输，接收端采用相关接收的原理，将扩展的频谱恢复到基带信号的

从而抑制传输过程中加进来的干扰。通常频谱，

的实现方式是将待扩频的信号与一个扩频函数（一般是伪随机序列码）在时域相乘来扩展信号的频谱。扩频系统有两个显著特征：①传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽；②传输带宽

［5］

主要由扩频函数决定。

扩频通信系统与常规的通信系统相比，具有很强的抗干扰能力。假设一个带宽为f s 的原始功率谱如图2（a ）所示。经过频谱扩展后带信号，

宽扩展为W ，功率谱密度下降。若信道上存在着窄带干扰，此时干扰信号的功率谱密度大于扩展信号的功率谱密度，它们和有用信号同时进入接收机，如图2（b ）所示。由于窄带噪声与本地扩频信号不相关，故在相关处理中被削弱（干扰信号谱密度降与本地扩频码卷积积分其频带被扩展，低），也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频降低了干扰电平；而有用信号的带宽恢带W 内，

复到f s ，功率谱密度变大。这样，经过滤波器输出后，大大改善了系统的输出信噪比，如图2（c ）所示

。

图2

（a ）

原始信号

（b ）

传输中受到干扰

（c ）接收端解扩

扩频系统抗窄带干扰示意图

2．3PLC 中OFDM 技术和扩频技术的比较

扩频技术和OFDM 技术都能够实现高速的

数据传输，同时能有效对抗电力线信道上的干扰和衰落，但它们在数据传输和干扰对抗等方面的技术实现和策略不同，在PLC 应用中各有特点。OFDM 结合适当的编在频带严格限制的系统中，

码技术可以得到最大的传输容量。对于较高速率OFDM 更能够体现其带宽利用率高、的通信系统，

抗多径干扰能力强的优势，是高速电力线载波通信中比较适宜的技术。在传输速率要求不高的情况下，扩频技术的特点可以得到发挥，且实现起来经济方便，设备简单，适合在低速电力线载波通信

［6］

中使用。

3低压电力线载波通信的应用领域

目前，对低压电力线载波通信的应用开发主

要集中在两个方面：①以远程自动抄表技术（电表或电、水、气三表）等为主体的低速电力线载波通信；②接入Internet ，进行数据通信的高速电力线载波通信。3．1

远程自动抄表系统

预付费和远程自目前抄表主要有人工抄表、

动抄表模式。所谓自动抄表系统就是自动采集各水表、煤气表、冷气表种计量表的读数（如：电表、

等），其总体结构可分为4层，如图3所示。第1层，也即最底层，是由数量众多的用户电能表组成，它负责记录用户的基本用电信息。第2层是采集器，一个采集器可同时与多个用户电表进行通信，根据上层集中器的命令对用户电能表存储

—47—

图3远程抄表系统总体结构图

图4

的数据进行采集和存储，并将采集到的数据传送至上层。具体应用时可根据实际情况来决定一个采集终端所控制的用户电能表的数量。第3层是集中器。它的功能是定时或实时向采集器下达抄表命令，接收采集器传送的电量等数据，存储在非易失性存储器中，以便让上层控制中心随时调用，或者根据控制中心的命令完成各项操作。第4层

它是整个系统的最上层。功能很多，为数据中心，

主要通过整个系统层层相连的通信网络来实现对

系统各部分的控制与管理，可定时或实时抄收系统中每个电表的用电数据，并通过与供电系统联

［7］

网实现电费计算、收缴等功能。实现自动抄表有多种技术方案，例如利用GPRS /CDMA/ZigBee无线通信、电话线通信、专线通信（如RS －485总线）、电力线通信等。其主要区别在于数据通信信道的选择，包括电能表、采集器和集中器之间的底层通信以及集中器和数据中心的网络选择。比较而言，用低压电力线作为通信媒体的方案，可以利用现有的四通八达的电力线网，无须拉专线，最具吸引力、竞争力和应用前景。

目前，电表主要分为传统机械式电表、脉冲式电表、红外接口的电表和485通信接口电子式电表四类。针对不同的电表及数据接口，采集器的连接方式也不同。其中485接口的电表是工业级的全电子式电表，稳定可靠、通信数据量大且通用

是目前普遍推广的电表。采集器和电表性很强，

之间通过RS －485总线进行数据传输。综合考虑各种通信方式的优缺点，本文提出如图4所示的远程抄表方案，采集器与集中器都集成电力线载波芯片。采集器通过RS －485总线读取所有与之相连的电表数据，然后通过电力线载波芯片的调制功能将数据信号加载到电力线上，沿电力线传输至集中器。集中器经过解调后恢复数字信号，再经过GPRS 网络传至数据中心

。—48—

远程自动抄表系统的实现方案

其中，电能表还可以是水表、气表或热量表，实现

水、电、气、热四表集中抄收。3．2

电力线上网

常用Internet 接入方式有：电话线拨号的AD-

SL 方式、有线电视线路的CABLE MODEM 方式、双绞线以太网方式以及无线接入方式。电力线上网就是在不需要重新布线的基础上，利用已有的

实现数据、语音和视频等多电力线作为通信载体，

业务的承载，最终可实现四网合一。终端用户只

需要插上电源插头即可实现高速Internet 接入、游戏、视频等多种服务。

用PLC 上网所需增加的设备有两种：终端调制解调器和局端设备。终端PLC 调制解调器（俗称电力猫）的主要功能是实现电脑与220V 电线的数据通信，其作用是将电脑的信号调制到220V 电线上和解调出220V 电线上的Internet 信号传入电脑。局端设备负责将外部Internet 网络的信号调制到220V 上，传给终端调制解调器；同时将终端调制解调器通过220V 传来的信号解调出来，接入外部的Internet 。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端设备将信号解调出来，再传到外部的Internet ，如图5所示

。

图5低压电力线载波通信示意图

虽然PLC 上网具有即插即用、连接方便、成

本低廉、传输速度快、不需重新布线等优点，但真正电力线载波通信彻底取代其他通信方式来实现宽带接入还有困难。主要体现在两方面：一是通信统一标准的制定上，国际上的标准还在不断完

适合中国国情的电力线通信标准的制定还善中，

处于起步阶段；二是政策上，世界大多数通信强国都在全力研究PLC 技术，但是很少有国家通过允许经营电力线上网业务的法律，除了考虑到技术安全问题，恐怕PLC 技术带来巨大的通信市场革命也还不能被承受。因此，利用PLC 技术解决

［8］

“最后一公里”难题的工作还是任重道远的。

源问题等。

【参考文献】

［1］舒辉．电力线载波通信技术的应用和发展状况

［J ］．安徽电气工程职业技术学院学报，2008，13（3）：37-40．

［2］刘晓胜，胡永军，张胜友．低压配电网电力线载波

J ］．电气应用，2006，25（2）：5-7．通信与新技术［

［3］李姣军．基于OFDM 的自适应低压电力线载波通

D ］．重庆：重庆大学，2006．信技术研究［

［4］张有兵．低压电力线OFDM 数字通信技术［D ］．杭

2005．州：浙江大学，

［5］金凌英．电力线载波通信系统中信号干扰和扩频

D ］．上海：上海交通大学，2008．技术的研究［

［6］陈银桂．基于电力线通信的智能家居网络系统研

D ］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009．究［

［7］李楠，屈百达．基于电力线载波与GPRS 相结合的

J ］．电测与仪表，2007，44：33-37．远程抄表系统［

［8］杨睿．电力线载波通信技术在最后1公里问题中的

J ］．沈阳师范大学学报：自然科学版，2006，应用［

24（3）：318-321．

收稿日期：2011－03－14

4结语

由于具有不需重新布线、覆盖范围广、连接方便等显著特点，低压PLC 技术具有巨大的应用潜力，不仅可以为电力负荷监控、远程抄表、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台；而且可以实现高速Internet 接入及多媒体信息传输。但是，电力线噪声大、衰减大和阻抗变化大的特点不利于数据的可靠传输，阻碍了低压电力线载波技术应用。目前低压PLC 仍面临着许多问题，如PLC 标准的制定、PLC 网络通信的信号阻抗匹配、

檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上接第32页）

见，尖峰值超过了正常值的2倍左右；图9（b ）显

RC 电路基本能消除电压尖峰。示，

sis and optimal design considerations for an improved full bridge ZVS DC-DC converter with high efficiency ［J ］．IEEE Trans on Power Electronics ，2006，21（5）：1225-1234．

［2］胡育文，丁志刚，游志青．变压器二次侧电流箝位

DC-DCZVS 全桥变换器［J ］．中国电机工程学报，2003，23（12）：153-159．

［3］CHO J G ，JEONG C Y ，LEE F C．Zero voltage and

zero current switching full bridge PWM converter using secondary active clamp ［J ］．IEEE Trans on Power 1998，13（4）：601-607．Electronics ，

［4］刘福鑫，阮新波．加钳位二极管的零电压全桥变换

．电力系统自动化，2004，28（17）：器改进研究［J ］64-69．

［5］徐平凡，丘东元，张波，等．ZVS 全桥变换器尖峰抑

J ］．电力电子技术，2008，42（7）：制器的改进设计［59-61．

收稿日期：2010－08－10

4结语

开关管高频通断会产生高频电压振荡和电压尖峰，同时也带来了严重的EMI 问题。本文设计了三种抑制电路，分别为：①RCD 缓冲电路抑制一次侧电压尖峰；②一次侧箝位二极管抑制电压尖峰；③二次侧RC 抑制电压、电流尖峰，并给出了详细的参数计算过程。最后通过一台3kW 电镀电源样机，验证了抑制电路的有效性。从试验波形可见，二次侧整流管电压尖峰得到了很好的同时消除了一次侧电流和驱动电压的EMI 抑制，

干扰问题，对设计和制作大功率开关电源有一定的参考价值。

【参考文献】

［1］XINKE W ，JUNMING Z ，XIAOGAO X ，et al ．Analy-

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低压电力线载波通信的应用与发展

魏春娟

（上海电力学院计算机与信息工程学院，上海200090）

摘

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要：低压电力线载波通信以其覆盖范围广、连接方便、应用潜力巨大的显著特

而被日益关注，成为近年来研究的热点。在介绍低压电力线载波通信特征的基础点，

上，分析了正交频分复用和扩频技术在低压电力线载波通信中的应用，探讨了低压电力线载波通信在远程抄表和接入Internet 的应用。

关键词：电力线载波通信；正交频分复用；扩频；远程抄表；电力线上网5531（2011）09-0045-05中图分类号：TN 916．52文献标志码：B 文章编号：1001-魏春娟（1983—），女，讲师，博士，主要研究方向为电力线通信和低功耗设计。

Application and Development of Low Voltage

Power Line Communication

WEI Chunjuan

（School of Computer and Information Engineering ，

Shanghai University of Electric Power ，Shanghai 200090，China ）

Abstract ：With the distinctive feature of wide-range coverage ，convenient connections and great potential of applications ，low voltage power line communication （PLC ）had become a major concern and hot topic for research．Based on the introduction of characteristics of communication channel of low voltage power line communication ，two kinds of new technology ———orthogonal frequency division multiplexing （OFDM ）and spread spectrum communica-tion （SSC ）applied widely in PLC were analyzed．Then the application of low voltage PLC in remote meter reading and accessing Internet was discussed．

Key words ：power line communication （PLC ）；orthogonal frequency division multiplexing （OFDM ）；spread spectrum ；remote meter reading ；power line accessing network

0引言

等服务

［1］

。

近年来，高中压PLC 技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代，其应用和技术相对成熟。低压PLC 作为通信技术的一个新兴应用领域，以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注。由于低压电力线的传输特其工作环境恶劣、信号衰性不同于中高压电力线，

减大、干扰种类多且具有很强的时变性。为此，中高压电力线上的载波通信技术不能应用于低压配电网络。本文对低压电力线载波通信的特点及关键技术进行了分析，并对其在远程抄表和接入In-ternet 的应用进行了探讨。

电力线载波通信（Power Line Communication ，PLC ）是利用高压电力线（在电力载波领域通常指35kV 及以上电压等级）、中压电力线（指10kV 电压等级）或低压配电线（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特殊通信方式。高压PLC 主要用于地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通

远动及综合自动化；中压PLC 为接入骨干网、信、

配电网自动化等应用提供传输通道；低压PLC 为用户提供Internet 接入、远程自动抄表、智能家居

*基金项目：上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（[1**********]，[1**********]）；上海市教育委员会科09Y337）；上海市浦江人才计划项目（10PJ1404500）；上海市教育委员会重点学科建设项目资助研创新项目（09ZZ185，（J51303）

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1

低压电力线载波通信信道的传输特性

性，要利用电力线进行较为理想的通信，即达到专线通信的标准，必须从多方面（如频谱利用率、功率利用率、载波频率、噪声抑制能力等）考虑，选择一种最佳通信方案。传统的窄带技术无法适应特别是更难适应我国的电网特点，电力线的特性，

在工程中不宜选用。目前，低压电力线载波通信中应用的调制技术主要是正交频分复用（Orthog-onal Frequency Division Multiplexing ，OFDM ）和扩频技术。

2．1OFDM 技术

OFDM 本质上是一种多载波调制技术，它将传输速率相对较可用的频谱分成N 个频带较窄、

且子载波的幅频响应相互重叠和正低的子载波，

交。串行传输的符号序列也被分成长度为N 的

段，每段内的N 个符号分别调制N 个子载波，一起发送。OFDM 是把一组高速传输的串行数据转

虽然每个子载化为相对低速的并行数据来传输，

波的传输速率并不高，但是所有子信道加起来将［3］

会获得很高的数据传输速率。

采用OFDM 技术的低压电力线通信系统如图1所示，首先将发送端的串行数据经过串并转然后将各路信号分别进换后变为N 路并行信号，

QAM 、QPSK 行基带调制，调制方式可选择FSK 、等，各路选用的调制方式可以不同。然后经过快

速傅里叶反变换（FFT ），将基带信号调制到各个子载波上，插入循环前缀后，将并行信号转为串行信号。再经过D /A转换，利用射频电路将信号发通过一送到电力线信道上进行传输。在接收端，

系列相反的过程即可恢复出原始数据。为进一步提高实际系统抗干扰性能，通常还增加频域交织、时域交织、均衡和信道编解码等功能模块

。

由于电力网在设计初期主要是为了提供工频

它不同于专用通信信道，其结构千差万别，电能，

很难用一个通用的解析式或数学模型来精确描述其信道传输特性，这给电力线载波通信系统设计带来了困难。目前提出的电力线信道模型都是建立在对实际电力系统测量结果基础上，针对具体的电力网络进行的，通用性和实用性都较差。近年来，很多研究成果主要集中在输入阻抗、信号衰低压电力线的通信信减和噪声特性。一般来讲，道具有以下特点。

（1）时变性。对载波信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的电力负载在低压配电网的任意位置随机投入或断开，使信道表现出很强的时变性，因此，不能利用简单的电压检测方法来确定线路信号。

（2）频率选择性。由于低压配电网直接面向用户，负荷情况非常复杂，各节点阻抗不匹配，故信号容易产生反射、驻波、谐振等现象，使得信号造成电力线载波通信信道的衰减变得极其复杂，具有很强的频率选择性。

（3）噪声干扰强而信号衰减大。电力线中的噪声干扰主要包括由传输电流发生的电磁场引起的背景噪声干扰，以及由于某些电磁波产生的脉冲噪声干扰两部分

［2］

。

上述特点使得电力线载波通信在实际应用过程中一直面临着可用性与可靠性的考验。

2低压电力线载波通信的调制技术

由以上分析可知，电力线具有恶劣的信道特

图1采用OFDM 技术的电力线通信系统

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OFDM 通常采用时间抽取奇在实际系统中，

偶分解FFT 算法，实现简单且计算量较小。对于N 点FFT ，N （N －1）次复只需要N /2lb N 次复乘、加运算。如果使用C6000系列DSP ，完成1024点的FFT 只需约70μs ，能够在DSP 上实现快速调制和解调是OFDM 技术获得广泛应用的主要原因之一。

OFDM 技术以其抗噪声和多径干扰能力强、带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为实现

OFDM 技高速PLC 提供了一个有效的解决方案，

术的应用是国内外高速PLC 研究的最新方向。

但是，针对基于低压电力线的OFDM 技术的基础

而OFDM 技术作为一种调制性研究还远远不够，

技术本身仍存在固有的一些问题需要解决，比如

OFDM 的同步问题、峰均值比问题以及针对具体的信道环境如何对OFDM 的各子载波进行编码

［4］

调制等。2．2

扩频技术

扩频技术主要是将基带信号的频谱扩展至很宽的频带（成百上千倍）进行传输，接收端采用相关接收的原理，将扩展的频谱恢复到基带信号的

从而抑制传输过程中加进来的干扰。通常频谱，

的实现方式是将待扩频的信号与一个扩频函数（一般是伪随机序列码）在时域相乘来扩展信号的频谱。扩频系统有两个显著特征：①传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽；②传输带宽

［5］

主要由扩频函数决定。

扩频通信系统与常规的通信系统相比，具有很强的抗干扰能力。假设一个带宽为f s 的原始功率谱如图2（a ）所示。经过频谱扩展后带信号，

宽扩展为W ，功率谱密度下降。若信道上存在着窄带干扰，此时干扰信号的功率谱密度大于扩展信号的功率谱密度，它们和有用信号同时进入接收机，如图2（b ）所示。由于窄带噪声与本地扩频信号不相关，故在相关处理中被削弱（干扰信号谱密度降与本地扩频码卷积积分其频带被扩展，低），也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频降低了干扰电平；而有用信号的带宽恢带W 内，

复到f s ，功率谱密度变大。这样，经过滤波器输出后，大大改善了系统的输出信噪比，如图2（c ）所示

。

图2

（a ）

原始信号

（b ）

传输中受到干扰

（c ）接收端解扩

扩频系统抗窄带干扰示意图

2．3PLC 中OFDM 技术和扩频技术的比较

扩频技术和OFDM 技术都能够实现高速的

数据传输，同时能有效对抗电力线信道上的干扰和衰落，但它们在数据传输和干扰对抗等方面的技术实现和策略不同，在PLC 应用中各有特点。OFDM 结合适当的编在频带严格限制的系统中，

码技术可以得到最大的传输容量。对于较高速率OFDM 更能够体现其带宽利用率高、的通信系统，

抗多径干扰能力强的优势，是高速电力线载波通信中比较适宜的技术。在传输速率要求不高的情况下，扩频技术的特点可以得到发挥，且实现起来经济方便，设备简单，适合在低速电力线载波通信

［6］

中使用。

3低压电力线载波通信的应用领域

目前，对低压电力线载波通信的应用开发主

要集中在两个方面：①以远程自动抄表技术（电表或电、水、气三表）等为主体的低速电力线载波通信；②接入Internet ，进行数据通信的高速电力线载波通信。3．1

远程自动抄表系统

预付费和远程自目前抄表主要有人工抄表、

动抄表模式。所谓自动抄表系统就是自动采集各水表、煤气表、冷气表种计量表的读数（如：电表、

等），其总体结构可分为4层，如图3所示。第1层，也即最底层，是由数量众多的用户电能表组成，它负责记录用户的基本用电信息。第2层是采集器，一个采集器可同时与多个用户电表进行通信，根据上层集中器的命令对用户电能表存储

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图3远程抄表系统总体结构图

图4

的数据进行采集和存储，并将采集到的数据传送至上层。具体应用时可根据实际情况来决定一个采集终端所控制的用户电能表的数量。第3层是集中器。它的功能是定时或实时向采集器下达抄表命令，接收采集器传送的电量等数据，存储在非易失性存储器中，以便让上层控制中心随时调用，或者根据控制中心的命令完成各项操作。第4层

它是整个系统的最上层。功能很多，为数据中心，

主要通过整个系统层层相连的通信网络来实现对

系统各部分的控制与管理，可定时或实时抄收系统中每个电表的用电数据，并通过与供电系统联

［7］

网实现电费计算、收缴等功能。实现自动抄表有多种技术方案，例如利用GPRS /CDMA/ZigBee无线通信、电话线通信、专线通信（如RS －485总线）、电力线通信等。其主要区别在于数据通信信道的选择，包括电能表、采集器和集中器之间的底层通信以及集中器和数据中心的网络选择。比较而言，用低压电力线作为通信媒体的方案，可以利用现有的四通八达的电力线网，无须拉专线，最具吸引力、竞争力和应用前景。

目前，电表主要分为传统机械式电表、脉冲式电表、红外接口的电表和485通信接口电子式电表四类。针对不同的电表及数据接口，采集器的连接方式也不同。其中485接口的电表是工业级的全电子式电表，稳定可靠、通信数据量大且通用

是目前普遍推广的电表。采集器和电表性很强，

之间通过RS －485总线进行数据传输。综合考虑各种通信方式的优缺点，本文提出如图4所示的远程抄表方案，采集器与集中器都集成电力线载波芯片。采集器通过RS －485总线读取所有与之相连的电表数据，然后通过电力线载波芯片的调制功能将数据信号加载到电力线上，沿电力线传输至集中器。集中器经过解调后恢复数字信号，再经过GPRS 网络传至数据中心

。—48—

远程自动抄表系统的实现方案

其中，电能表还可以是水表、气表或热量表，实现

水、电、气、热四表集中抄收。3．2

电力线上网

常用Internet 接入方式有：电话线拨号的AD-

SL 方式、有线电视线路的CABLE MODEM 方式、双绞线以太网方式以及无线接入方式。电力线上网就是在不需要重新布线的基础上，利用已有的

实现数据、语音和视频等多电力线作为通信载体，

业务的承载，最终可实现四网合一。终端用户只

需要插上电源插头即可实现高速Internet 接入、游戏、视频等多种服务。

用PLC 上网所需增加的设备有两种：终端调制解调器和局端设备。终端PLC 调制解调器（俗称电力猫）的主要功能是实现电脑与220V 电线的数据通信，其作用是将电脑的信号调制到220V 电线上和解调出220V 电线上的Internet 信号传入电脑。局端设备负责将外部Internet 网络的信号调制到220V 上，传给终端调制解调器；同时将终端调制解调器通过220V 传来的信号解调出来，接入外部的Internet 。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端设备将信号解调出来，再传到外部的Internet ，如图5所示

。

图5低压电力线载波通信示意图

虽然PLC 上网具有即插即用、连接方便、成

本低廉、传输速度快、不需重新布线等优点，但真正电力线载波通信彻底取代其他通信方式来实现宽带接入还有困难。主要体现在两方面：一是通信统一标准的制定上，国际上的标准还在不断完

适合中国国情的电力线通信标准的制定还善中，

处于起步阶段；二是政策上，世界大多数通信强国都在全力研究PLC 技术，但是很少有国家通过允许经营电力线上网业务的法律，除了考虑到技术安全问题，恐怕PLC 技术带来巨大的通信市场革命也还不能被承受。因此，利用PLC 技术解决

［8］

“最后一公里”难题的工作还是任重道远的。

源问题等。

【参考文献】

［1］舒辉．电力线载波通信技术的应用和发展状况

［J ］．安徽电气工程职业技术学院学报，2008，13（3）：37-40．

［2］刘晓胜，胡永军，张胜友．低压配电网电力线载波

J ］．电气应用，2006，25（2）：5-7．通信与新技术［

［3］李姣军．基于OFDM 的自适应低压电力线载波通

D ］．重庆：重庆大学，2006．信技术研究［

［4］张有兵．低压电力线OFDM 数字通信技术［D ］．杭

2005．州：浙江大学，

［5］金凌英．电力线载波通信系统中信号干扰和扩频

D ］．上海：上海交通大学，2008．技术的研究［

［6］陈银桂．基于电力线通信的智能家居网络系统研

D ］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009．究［

［7］李楠，屈百达．基于电力线载波与GPRS 相结合的

J ］．电测与仪表，2007，44：33-37．远程抄表系统［

［8］杨睿．电力线载波通信技术在最后1公里问题中的

J ］．沈阳师范大学学报：自然科学版，2006，应用［

24（3）：318-321．

收稿日期：2011－03－14

4结语

由于具有不需重新布线、覆盖范围广、连接方便等显著特点，低压PLC 技术具有巨大的应用潜力，不仅可以为电力负荷监控、远程抄表、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台；而且可以实现高速Internet 接入及多媒体信息传输。但是，电力线噪声大、衰减大和阻抗变化大的特点不利于数据的可靠传输，阻碍了低压电力线载波技术应用。目前低压PLC 仍面临着许多问题，如PLC 标准的制定、PLC 网络通信的信号阻抗匹配、

檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上接第32页）

见，尖峰值超过了正常值的2倍左右；图9（b ）显

RC 电路基本能消除电压尖峰。示，

sis and optimal design considerations for an improved full bridge ZVS DC-DC converter with high efficiency ［J ］．IEEE Trans on Power Electronics ，2006，21（5）：1225-1234．

［2］胡育文，丁志刚，游志青．变压器二次侧电流箝位

DC-DCZVS 全桥变换器［J ］．中国电机工程学报，2003，23（12）：153-159．

［3］CHO J G ，JEONG C Y ，LEE F C．Zero voltage and

zero current switching full bridge PWM converter using secondary active clamp ［J ］．IEEE Trans on Power 1998，13（4）：601-607．Electronics ，

［4］刘福鑫，阮新波．加钳位二极管的零电压全桥变换

．电力系统自动化，2004，28（17）：器改进研究［J ］64-69．

［5］徐平凡，丘东元，张波，等．ZVS 全桥变换器尖峰抑

J ］．电力电子技术，2008，42（7）：制器的改进设计［59-61．

收稿日期：2010－08－10

4结语

开关管高频通断会产生高频电压振荡和电压尖峰，同时也带来了严重的EMI 问题。本文设计了三种抑制电路，分别为：①RCD 缓冲电路抑制一次侧电压尖峰；②一次侧箝位二极管抑制电压尖峰；③二次侧RC 抑制电压、电流尖峰，并给出了详细的参数计算过程。最后通过一台3kW 电镀电源样机，验证了抑制电路的有效性。从试验波形可见，二次侧整流管电压尖峰得到了很好的同时消除了一次侧电流和驱动电压的EMI 抑制，

干扰问题，对设计和制作大功率开关电源有一定的参考价值。

【参考文献】

［1］XINKE W ，JUNMING Z ，XIAOGAO X ，et al ．Analy-

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