电力线通信的典型应用与关键技术
中心议题：
- 探讨电力线通信的典型应用与关键技术
- 学习窄带PLC的典型应用设计
- 了解宽带PLC的应用
- 研究电力线通信的可靠性的关键技术
电力线组成了世界上最大的铜线基础设施。家庭或办公大楼的每个角落都有电源插座，因此电力线是一种全包围网络。电力线通信（Power Line Communication，PLC）技术就是通过载波方式将模拟或数字信号在配电线上进行高速传输的技术。用电力线作为数据传输介质，利用已有的电力配电网络进行通信不需要重新布线，信号不会因为通过建筑物墙壁而受到衰减甚至屏蔽，相对较为低廉的成本，使这项技术在电表自动抄表系统，灯光控制等许多领域受到青睐。
窄带PLC的典型应用设计
自动抄表系统是最典型的PLC应用。下图就是PLC技术典型的应用案例——远程电表自动抄表系统的示意图。电表通过电力线与集中器进行数据交换。集中器通常位于变压器附近，是网络的核心管理者。它负责网络管理、数据集中采集、命令传送等工作；同时还通过上行线路（PSTN或RF等）与主站进行数据交换和信息传递。一台集中器可管理几十至几百只电表。在这个系统中，集中器会按照设定的时间间隔读取各个电表的运行数据，并把数据传送给主站，实现自动远程集中抄表。
PLC也常应用于照明控制。在传统照明应用中，。传统照明架构允许独立地控制某个灯，而建立在总线拓扑上的标准支持独立地控制多个灯；虽然DALI和DMX512可以从一个控制器独立地控制多个灯，但DALI和DMX512都要求安装额外的控制线。
以上的自动抄表系统和照明控制系统都是窄带PLC的典型应用。总体来说，窄带PLC可以应用于需要与连接着电力线的设备双向通信的任何地方。例如：
智能家庭和电器：家庭自动化包括集中控制灯光、HVAC(加热、通风和空调)、电器和其它系统，从而提高便利性、舒适性、能效和安全性。由于家庭自动化系统的目标是将所有家庭电气设备相互连接在一起，因此PLC是一种理想的方法。
太阳能：光伏电池板(太阳能电池板)必须加以仔细管理才能提供最佳性能，这涉及到利用通信实现遥控和实时监视。遥控用于控制电池板倾斜度以便最大限度地提高光照量，还用于控制单个电池板或整个电池场。实时监视方便维护监视、检测硅劣化/电池替换需求、气候条件、盗窃以及输出功率和效率。
汽车至电网：随着智能电网部署的展开，上升的燃油成本以及更高性价比的电动汽车对电动汽车充电站提出了更多的要求。这种汽车至电网(V2G)基础设施的部署要求在充电站和计费与管理系统之间实现双向通信。PLC是理想的解决方案，因为它使用已经安装好的电力线，能够提供强大的安全性，并具有很大的扩容能力。
宽带PLC的应用
与窄带电力载波（PLC）技术相比，宽带电力载波技术利用了高频波段(几MHz~几十MHz)，使用OFDM、QAM等现代调制方式，具有高速、抗噪音、传输距离长、覆盖率高等诸多优点。根据有关数据统计，预计在2012到2016年间，新安装的智能电表数量达到4.75亿个，其中，中国将安装1.7亿个智能电表，有近5000万个智能电表将采用宽带PLC技术，中国宽带PLC市场高速增长的时期很快就会到来。
宽带PLC抄表更具效率。目前较成熟的远程抄表大多采用窄带PLC技术，是将各个终端电器的信息调制到低压电力线上，载波频率一般在几百kHz左右。一个区域的电表数据通过窄带PLC网络汇聚到集中器，再由集中器通过网关接入其他网络。可见，基于窄带PLC实现的窄带电力线抄表系统速率低，只适合简单的抄表数据单向传送，而无法支持其他业务，扩展性差。此外，它还是专用网，需要集中器和专门铺设电缆，部署复杂且费用昂贵。这都与目前提倡的三网融合的先进理念相违背。宽带PLC设备工作在高频波段，物理层速率可达200Mb/s (Homeplug1.1)，大大降低了元件和设备成本。同时，由于室内网PLC链路的距离都较近(几十米以内)，正好发挥了PLC的长处并避免了其缺点，可保证数据传输的可靠性。
2010年，中国国家电网为世博会组建了采用宽带PLC的AMI接入网，90秒内可收集942个电表的数据，并且成功读表率也为100%。该方案中，每个传输中心采用了两个集中器，每77个电表使用一个采集器，总共覆盖了842个电表。
宽带PLC让家庭联网更具效率。电力线是普及最广的线路，进入家家户户，甚至一个楼里的每间房间都有电源插座。整个低压配电网的结构（包括户外电缆）非常适合互联网接入，可以提供最后1公里的解决方案。作为又一种宽带接入手段，宽带电力线（BPL）在前几年就引起了人们的关注。不少人都期望宽带PLC能够使电力公司在高速接入方面成为有能力跟电话公司和有线电视公司竞争的第三军团。
电力线通信的可靠性的关键技术
首先是EMC问题。无论是窄带还是宽带PLC通信，都面临着电磁兼容性的问题。由于电网中传输的是强电，而且电网的稳定性比传统的通信网差得多，使得电力线通信线路的电磁环境极为复杂。这就给电力线通信系统提出了更高的电磁兼容要求，电磁兼容技术也成了实现电力线通信所需的关键技术之一。
利用配电网进行高速数据通信，曾经得到过强烈的反对。各国的相关部门对 PLC 究竟会不会对其他系统产生电磁干扰也非常关注，试图在发展宽带技术和保护无线用户之间寻找利平衡。
欧洲从2000年起开始研究PLC系统的技术框架和技术标准，目前已经取得了一定的进展。主要相关的国际组织有CENELEC和ETSI，前者侧重电磁兼容问题，后者侧重通信技术方面的统一标准。虽然根据一系列测试来看，被测试的 PLC 设备所产生的电磁干扰没有超过标准限值，但为了保证PLC能在大多数场合安全、方便地使用，仍需要解决EMC的问题。解决问题的出路大致有两条：一是降低发信功率，使电磁骚扰低于规定限值；二是控制使用频率，在敏感频段严格限制，一般频段适当放松。
第二个问题是通信的可靠性。影响电力线通信系统性能和可靠性的因素包括）发送信号强度、电力线噪声、电力网络阻抗、网络协议和接收机灵敏度。
发送信号的强度。较强的发送信号意味着更多的信号功率经过电力线。较强的信号是不易受电力线噪声影响的，可以传输地更远。发送信号的强度也会影响电力线通信节点功耗，因为信号能量输入到电力线越多，节点消耗的能量也越多。当选择一个电力线通信设备时，检查一下发送信号是否符合目标市场的强度大小要求。同时也应该符合FCC和CENELEC标准。理想的情况是，发送增益应该是可配置的，这样你可以根据其他系统调试Tx信号强度。此外，确认PLC节点消耗多少能量，从而达到FCC和CENELEC要求的最佳发射信号的强度。当然，能量消耗越少越好。电力线噪声。一旦发射信号注入到电力线，其完整性取决于线路上噪声大小——噪声越强对噪声的信号破坏就越大。电力线噪声可以简单地分为两种类型：脉冲型和连续型。脉冲噪声是不可预知的，类型的噪声会完全覆盖线路上的任何数据包。连续噪声比脉冲噪声更容易预测。连续噪声通常取决于社区，城市，或国家的电力线安装质量。因为电力基础设施最初是设计来用于有效地传输电力而不是数据，所以电力线安装时很少注意到线路的噪声水平。根据系统工作在地球的哪个地方，电力线噪声可能大也可能小。
电力线网络阻抗。电力线上的信号阻抗会影响信号功率，可以由发射机传输到电力线。此阻抗依赖于电力线和连接到电力线的节点/设备的阻抗。每次设备或节点插进电源插座时电力线阻抗都会发生变化。当电力线信号阻抗和发射机电路匹配时，传输的信号功率最大。这两个阻抗相差越大，传输信号功率越小，因而，电力线通信性能会更差。这种阻抗动态变化是在电力线通讯中最棘手的问题之一。如果想要达到的电力信号性能的鲁棒性，那么电力线通信的发射机和接收机需要事先设计能预测这些阻抗的变化。发射机的不断地和电力线匹配阻抗，可以使信号最大化传输，同时接收机高阻抗可以确保接收端信号丢失最少。
网络协议。一个良好的鲁棒性和无差错的网络协议可能对电力线通信的可靠性有最大的影响。系统设计很少有不受物理因素控制的，如噪声和电力线阻抗，最优化电力线通信网络协议的实施可显着提高PLC的性能。网络协议可以使PLC系统成功或失败，使用正确的网络协议，有可能达到100%成功的电力线通信。考虑到大多数电力线通信应用支持同一电力线上有数十到数百节点连接，网络协议对节点间的数据包进行判断，这样所有节点可以公平地共享线上可用带宽，没有一个节点可以独占通信通道。网络协议的定义和实施也确定了可以在同一条线上通讯的PLC节点最大数量。
接收机灵敏度。根据电力线的特点、负载、和通过电力线的分段长度，信号在接收机接收之前会明显减弱。有较高接收灵敏度的接收机（也就是说，它可以可靠地接收到非常低强度的信号）可以从线上收到较低强度的信号，从而可以增加有效的通讯距离。然而，高灵敏度并不总是好的，重要的是，需要有一个机制可以有效的防止接收机把噪声混淆为实际信号。自适应增益控制（AGC）就是可以达到这个目的一种机制。使用自适应增益控制，接收机可以在噪声平面动态调整灵敏度，这样它就可以更好的区分噪声和数据。
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