PLC电力通信技术

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摘要：本文介绍了一种崭新的电力线通信系统――plc电力通信技术。这个系统的特点在于其采用了脉冲位置调制，大大提高了信息速率并且减少了误码率，且具有很强的抗干扰能力。

关键词： PLC通信PIC脉冲位置调制X-10

中图分类号： C35 文献标识码： A

Abstract

This paper describes a new Powerline Communication System---- PLC Powerline Communication System. This system is well-known as its modulation mode―pulse position modulation. The mode can enhance data rate and decrease BER (Bit Error Rate), and also has excellent ability of error correction.

Key word: PLCPICPPMX-10

一．PLC通信技术简介

PLC，是PowerLine Control的缩写形式，也就是“电力线控制”。在更早期的文献里也被写成PowerLine Carrier Control，即“电力线载波方式控制”。不过随着时代的发展，电力线控制已经不仅仅是用载波方式了，例如本文介绍的脉冲位置调制技术也开始走上前台。因此，如不做特别说明，本文的PLC指的是PowerLine Control。

电力线载波（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。

PLC有极其广泛的应用场合，例如宽带接入网络访问Internet的服务，还可为远程视频点播、家电远程控制等等，特别是在远程抄表系统方面已逐步形成应用研究热点，还可以构建防火p防盗p防有毒气体泄露等保安监控系统和医疗救护系统。

下面来看一看这项技术的优势与不足之处。

PLC有其独特的优势。以光纤和局域网等通信技术作对比，这两者均需铺设专门的电缆，综合成本(包括设备、安装、电缆铺设等费用)高。对用户的干扰大，接口位置固定，也不便于用户随意调整。

相比之下，PLC有如下的优势：

1.实现成本低： 由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，

而大大减少了网络的投资，降低了成本。

2.范围广：电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。PLC可以轻松地渗透到每个家庭。

3.高速率：PLC能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而在4.5M~45Mbps之间。

4.永远在线：PLC属于"即插即用"，即通信与电源同线，只要没有停电，就等于一直接在网络中。

5.连接方便：PLC与其他设备的连接也非常方便，只要提供电源接口，使PLC设备能够接入到电力网当中就可以了。

当然，PLC并不是完美的，它也有一些自身的不足之处。一是电力线上不可避免的存在许多干扰，现在有比以前更多的电气设备，他们的存在使得电力线上噪声变得更多，各种设备之间的冲突日趋严重，更容易对我们的控制信号产生干扰。第二，它自身也会产生电磁辐射，对周围的电器带来影响。第三，高速度并不能时刻得以保障。提到的速度只是理想情况下的最高速度。第四，它总也要受到停电的影响，从这个角度来看似乎还不如电话线。这个缺点是它一出生就伴随的，无法解决，不过我们利用它在正常工作时的性能完全可以实现很多功能了。

二．脉冲位置调制技术

即PPM(Pulse Positon Modulation)。这是一种编码方式。主要要点就是利用在波形的不同位置加载脉冲信号来表示不同的码。我们提取正弦波的过零点作为同步信号，在波形上加入突发的脉冲信号，依据其与过零点的时间间隔不同，将其判定为不同的编码。

在目前已经采用的一些PPM技术中，一般是在正弦波的第一个1/4周期和第三个1/4周期上加载脉冲，这样的目的是为了消除调光时可能采用的切割波形的影响。请比较下面的两幅图：

我们可以用一个很大的可变电阻或可调压变压器来改变一个完整的正弦波的幅度（如图一所示）。可变电阻式调光法曾经被用于舞台调光，但那已经是二十世纪上半世纪的事了。用那种方法调光，不但工作效率低而且花费昂贵。如今，我们有固态器件可控硅。它控制灯的亮度不是改变正弦波的幅度，而是非常快的"打开-关闭输出给灯的正弦波。

一般来说，波形不会被切割的过分。因此，正弦波的第二个1/4周期和第四个1/4周期是安全的，我们可以把脉冲加在这里。如果把1/4个周期再划分成16个等分（即1/3200秒一等分），在每个时间段内出现脉冲表示1，不出现则表示0。这样的优点是传输速率快（和上面介绍过的X-10协议相比至少提高了32倍）、抗干扰能力强（由于电力线的波形峰值有155V，我们可以把脉冲幅度调的大一些，比如20V，这样在线路中的普通干扰与之相比显得太小以至于根本就不能造成危害），可靠性高（编码解码方便，只要检测相应位置的脉冲是否存在即可，不必像X-10一样那么繁琐）。

产生脉冲的方法，也是利用可控硅，在相应的时刻使其导通，则电力线上就会出现一个脉冲，这个脉冲信号会伴随着正弦波在线路中传输。因此可控硅在脉冲位置调制技术中占有很重要的地位。

1.PLC通信协议简介

CEBus

美国Electronic Industries Association于1992年正式了针对家庭的电器联网标准CEBus(消费电子总线、家庭总线)，编号EIA-600。

CEBus参考了ISO的OSI7层模型设计，但比OSI模型简单，包含物理层、数据链路层、网络层和应用层，其中应用层还包括消息传输子层。CEBus的设计者考虑了多种媒体，包括电力线、红外线、无线电、双绞线、同轴电缆乃至光纤。

以电力线为例，MDP子层负责往电力线上发送信号，该子层还不间断地侦听电力线的状态。如果电力线上有载波，就说明电力线处于S状态，否则就处于I状态。显然，只要有一台设备试图使电力线处于S态(发送载波)，整条电力线就处于S态。载波的频率范围是100K到400K。SE子层用原语M_STATE.request通知MDP子层发送或不发送载波，而MDP用M_STATE.indication报告SE电力线的状态。假设MDP在不发送载波时发现电力线处于S态(侦听到别人的载波)，它会立刻拒绝SE要它发送载波的请求。

CEBus采用NRZ编码体制，用脉冲宽度表示信号，如表所示，其中UST（Unit Symbol Time）为单位符号时间，是编码和解码的计时基准，EOF即End of Frame，EOP即End of Packet。

ApBus

一种分布式控制网络（总线）技术及通信协议，命名为APBUS。该总线技术采用24V直流电源，信号传输速率为10kbps,以双绞线作为传输媒体,总线的双绞线结构使网络既可作数据传输,也可以作为电能的供应。

对于ApBus总线，听者、讲者都可编程，有互操作性（要编程），也有互换性（要再编程）。对于网络系统最基本的问题，即信号传输过程中的数据冲撞问题，ApBus总线有新的突破，它是在以太网所使用的CSMA／CD信号传输控制技术的基础上作了关键性的改进，使各节点可以实现无冲撞的多节点随机数据传输，这项技术进一步提高了系统的通信效率和数据的可靠性，ApBus总线将该方案定义为CSMA／CF（Carrier Sense Multiple Access with Collision－Free）。

LonWorks

LonWorks是一个开放的控制网络平台技术，它是全世界最为普遍的用来连接日常设备的标准。

LonWorks允许网络上许多智能装置直接通信。不需要介入“监控者”轮询取得信息，转发给其他装置。也没有一个监控装置负责全系统的算法。每个装置根据自己的需要信息。信息变成数字式串行数据，通过网络直接到达另一些装置。数据转移通常涉及一个信息发送者，一个或一个以上接收者。

收发器可用于各种介质，包括电力线、无线、红外、双绞线、同轴电缆和光纤。下表总结几类广泛应用的信道特征。

LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心。该协议提供了一套通信服务，使得装置中的应用程序能在网上对其他的装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑，名称，地址或其他装置的功能。LonTalk协议能有选择的提供端到端的报文确认，报文证实，和优先级发送以便设定有界事务处理时间。

LonTalk通信协议是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协议。像有关的以太网和英特网一样是一个公布的标准并遵守国际标准化组织（ISO）的分层体系结构要求。可是，LonTalk协议设计用于控制系统而不是数据处理系统的特定要求。每个包有可变数目字节构成，长度不定，并且包含应用层（第7层）的信息以及寻址和其他信息。

为了处理网上的报文冲突，LonTalk使用类似以太网所用的“载波监听多路访问（CSMA）”算法。LonTalk建立在CSMA基础上，提供介质访问协议。使得可以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽数目。通过动态调整网络带宽，称为预测性P-persistent CSMA的算法使网络能在极高网络业务量出现时继续运行，而在业务量较小时不降低网络速度。

参考文献

【1】Anonymous，低压电力线载波信道特性分析

【2】Anonymous，X-10 Communications Protocol and Power Line Interface PSC04 & PSC05

【3】Anonymous，UPB_Announcement

【4】Anonymous，UPBSystem Description

【5】黄更，ApBus控制网络技术及通信协议

【6】Anonymous，消费总线电力线接口电路的设计

【7】Intellon white paper ,Cebus Power Line Encoding and Signaling

【8】Echelon公司,LonWorks技术介绍