电力线载波通讯技术发展现状

从通信方式来说，自动化抄表系统主要分为有线和无线两种方式。
1 无线通讯方式
无线抄表主要包括两种，在ISM业余频段的自主协议通讯方式及最近兴起的基于Zigbee等无线网络的技术：
通讯方式 性能说明
自主协议无线通讯：具有无线通讯芯片的厂家众多使用频点为无委会规定的业余频段ISM，调制方式一般为FSK方式，通讯距离30-200米，由于各厂家的技术特点不同、
应用方自己定义使用最简化协议、中继方式，不存在通用性，无法兼容Zigbee无线网络技术近2年发展起来的基于709.11的无线通讯技术，统一了物理层，同时定义了
网络层，通过Zigbee联盟保证相互之间的互通，具有节点组网技术；单级通讯距离30-300米无线技术一般适用于非钢筋结构的楼房、平房，但在大城市高楼环境下通
讯距离明显下降；同时对于金属表箱的存在，由于对无线电信号的屏蔽作用导致通讯能力严重下降；同时Zigbee技术目前成本比较高，国内只有大厂家最多几百个用
户的应用规模，未达到批量推广。另外由于使用业余频段、未受到专有保护，遇到无线同频干扰时，可能导致系统瘫痪。采集数据的结果由于不受配变、电力线路的
影响，所以无法得到配变下电表的物理属性，也无法知道表计的相别属性；这一点无法和低压电力载波通讯相比。
 
2 有线通讯方式
有线通讯方式包括的方式很多，从常见的RS485总线、到高速的各种工业总线如Modbus总线，以及目前发展迅速、势头良好的低压电力线载波通讯等；
通讯方式 性能说明
RS485总线价格便宜，为集中器主、电表从的一主多从的通讯方式，早期使用比较广；但需要单独铺设通讯线，存在铺设、维护环节；在新小区统一规划条件下统一
布线时使用比较成功，但旧小区改造、系统扩展需要在墙壁上凿孔拉线，存在极大困难，同时日常维护必不可少，因为可能遭到有意或无意的破坏、及损坏工业总
线如Modbus总线价格比较贵，为多主、多从的通讯方式，成本比较高；一方面需要单独铺设专用线路、另一方面需要设备支持相应的工业总线；国内有个别高档小
区统一规划时铺设，完成水电气、及家居智能自动化的工作，很少有铺设总线而只用于抄表工作低压电力线载波近十余年来得到飞速发展的技术，优势在于电力线
路的免维护、低成本，目前各种新技术纷纷应用于低压电力线载波通讯上，使电力线信道高噪声导致的通讯效果差得到有效克服，同时国内的应用水平不落后于国
外水平；随着集成电路技术的发展，众多原应用于无线的新技术得到普及，使电力线载波通讯发展势头良好、前景乐观其中：电力线通信的优势是不言而喻的。这
是由电力线网络的性质所决定的：电力线网络覆盖面大，任何办公室、家庭、公共场所都有电力线网络。不用重新铺设线路。正因为电力线网络是建筑施工时就铺
设好的，所以不用为线路的铺设花费额外的资金。电力线通信系统的成本仅限于各接点设备，与铺设专用线路相比大大节约了成本。不用进行专门的线路维护，节
约了大量维护费用，且可保证通信线路的高度可靠，接点设备的电源可方便地获得。
 
3 电力线载波通讯的现状及趋势
电力线对数据传输有许多限制，首先表现在配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；其次三相电力线间
有很大信号损失（10dB-30dB）。通信距离很近时，不同相间可能会收到信号，但一般电力载波信号只能在单相电力线上传输；再次，不同信号藕合方式对电力载波
信号损失不同；此外电力线信道又是一个传输特性非常恶劣的信道，本身存在严重的频率选择性和强烈噪声干扰。电力线所表现出的高衰减、高噪声、高失真等特
性，使其成为一个不大理想的通信媒介。随着现代通信技术的不断发展，尤其是近年来超大规模专用集成电路（ASIC）技术和数字信号处理（DSP）技术的飞速发展，
使一枚小小的通信芯片上可以集成功能强大的微处理器和复杂的数字信号处理单元。通过软件算法和硬件逻辑相结合的数字信号处理技术，从强烈噪声中提取出被
淹没的有用信号，校正频率选择性衰落造成的信号失真，并对通信中由于强干扰造成的突发性误码进行纠错，最终实现稳定可靠的电力线载波通信。然而，任何技
术的发展都不是一蹴而就的，电力线载波通信技术也仍会不断地完善和发展；时至今日，市场上充斥着各类形形色色、五花八门的电力载波通信产品，其技术水平
几乎横跨了整个电力线载波通信技术发展的各个时代。技术上的良莠不齐必然导致其性能与可靠性的巨大差异。

4 电力线载波通信技术的发展历程
电力线载波通信常见调制方式
对于数字信号的调制，通常采用键控法实现。根据控制载波信号参量的不同可分为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）及窄带数字调制等。
 
图  三种扩频通讯信号调制波形
ASK：幅移键控，并不适合在电力线上的低功率数据传输，由于电力线上增大的噪声会直接影响接收器的信号的振幅，导致传输出错FSK：频移键控是利用二进制数字
基带信号控制载波的频率，进行频谱变换的过程；是模拟和数字电路中易于实现的，目前国内应用较多，由于以上技术无需复杂的锁相与载波同步，对硬件和软件的
资源需求都非常小；因此，在超大规模ASIC技术没有广泛应用前，采用此类技术的产品长期占据市场的主导地位PSK：相移键控是利用二进制数字基带信号控制连续载
波的相位，进行频谱变换的过程；二进制数据流通过载波相位在0-180度间切换方式来调制载波的零相位角度，对于振幅或频率影响不特别敏感，在目前所有的窄带调
制方法中，PSK是对宽带噪声的敏感性最低的；仅采用一个固定频率的载波、所以信道频带利用率较高；但接收端的相位检波技术复杂昂贵
图中：Pe误码率；从图中可以看出，在相同信噪比下，相干2PSK的误码率最低；FSK的误码率远高于PSK方式。所以PSK为目前最新通讯技术的代表，从无线通讯到载波
通讯，最新技术都一致选择PSK方式。

5 电力线载波通讯技术对比
国内主流使用的载波技术有多家，由于历史原因，分别占有一定的比例，但技术状况有很大差异、同时发展方向也在趋同。
通讯方式 性能说明
昊元/HYT3101 IC公司的单片系统芯片（SoC）。BPSK方式调制、1个专用CPU完成载波通信协议栈；一个通信节点可以动态配置为一个路由或中继节点，通讯速率高。产
品价格高，同时该技术正在测试中，尚无产品报道晓程公司/PL系列IC公司的SoC（系统级）芯片，PL3系列集成有载波扩频通讯硬件单元，BPSK方式调制，解扩解调
由硬件同时完成；通过纠错编码降低误码率，具有码分多址（CDMA）方式解决相邻台区间串扰问题，频点在适合国内电网的120KHz左右；高集成度芯片，系统的可
靠性高。芯片的性能/价格比高，目前在国内具有大批量推广的经验，仅去年芯片使用量就达两百万片。新推出的PL2102是符合EIA-709.1、EIA-709.2和EN50065-1
等国际标准的芯片，BPSK方式调制，已经开始批量供货。
海通/过零点传输 FSK调制，采用过零点时、超大功率发射，完全靠提高信号功率方式完成噪声压制，所以发射信号超标严重，目前仅剩少量地区使用
东软/SSC16模块 采用PIC16芯片完成软件FSK调制方式，为软件扩频模块；受软件运算能力的限制，速度慢、无法修改频点；同时外接模拟接收芯片完成前端
信号处理，外围器件复杂。国内使用占有一定的规模。
由于软件无法实现PSK解调，未来技术升级比较困难。
国外厂家目前推出的芯片，如Echelon、ST、Intellon等公司，也都采用BPSK方式调制，同时努力提高通讯速率、以满足抄表数据增加的需求；应用目前开始在国内试
点，测试在中国电网状况下的适应状况。

6 电力线通信频带的选择
对于载波频率的选择除了需要考虑对国内、外现有标准的兼容问题之外，更重要的是对于电力线通信环境的考虑。电力线作为通信信道，其频率衰减特性随频率升高
而呈现快速衰减的趋势(见下图所示)，因此载波通信频率的选择不宜过高；
同时，考虑到在3KHz-500KHz带宽范围内的频率衰减特性极不平坦，因此载波通信带宽的选择也不宜过宽。否则，难以实现长距离的数据传输。电力线通信的另一个特
点是频带上噪声功率的强度与频率呈反比（见下图）。在低频范围电网电流的高次谐波噪声、开关电源引起的窄带噪声、突发性噪声等能量相当大，而在较高的频率
上噪声则相对小许多。因此，载波通信的频率不宜
选择的过低。
电力线通信目前在频带范围上没有世界范围内的统一标准。北美地区有针对北美洲地区电网（480/277V，208/120Vac）的标准频率范围（100KHz-450KHz），欧洲地区
则制定了针对于本地电网（400/230Vac）的标准频率范围（9KHz-150KHz）。考虑到国内电网传输及衰减特性的实际状况，同时兼容于北美和欧洲的现行标准，我国应
当优先选择60KHz-150KHz作为载波集抄系统使用的频率范围。