赵丙镇
摘要:利用遍布城乡的电力线作为通信介质，在其上构筑高速数据通道，为用户提供高速互联网访问、视频点播、IP电话等服务，从而形成包括电力在内的"四网合一"，创造出巨大的经济和社会效益的高速电力线通信技术正日益引起人们的关注。利用该技术，不仅可以组成小区配电变压器供电范围内的宽带接入网，而且可以利用遍布家庭各个房间的电源插座组成家庭局域网，作为其他宽带接入方式的延伸和补充。由于高速电力线通信利用原有的电力线，不用重新布线，加上220V低压电力用户比有线电视、电话用户普遍得多，电力线高速通信技术拥有其他宽带接入技术无法比拟的巨大潜在用户群。本文介绍了该技术的国内外现状及发展趋势。
Abstract:PowerLine Communication technology is catching our attention greatly now, which uses the power line as a communication media to create a high speed data channel and supply services such as high speed Internet access, VOD and VoIP, so as to get "four network union" and create great economic and social profit. Using the technology, we can get a broad band access within rang of a distribution transformer as well as a home LAN through outlet of every house. It's a complementarity and extent of other broad band access method. As the high speed powerline communication uses the intrinsic powerline and the number of power users of 220V is much larger than that of CATV and telephone, this technology has a large number of latent users. The developing state and trend of the technology are introduced in this paper.
关键词Key words
低压配电网--Low voltage distribution network
电力线通信--Powerline communication
宽带接入--Broadband access
1.简介
电力线通信(Power Line Communication)技术简称PLC，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线通信并不是新技术，已经有几十年的发展历史，在中高压输电网(35kV以上)上通过电力载波机利用较低的频率(9-490kHz)以较低速率传送远动数据或话音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压(220V)领域，PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术称之为高速PLC。
近年来，随着Internet技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长。然而，采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之一，也是Internet普及的瓶颈之一，被业内人士称为宽带网络接入的"最后一公里"问题。利用四通八达、遍布城乡、直达用户的220V低压电力线传输高速数据的PLC技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，被业内人士认为是提供"最后三百米"解决方案最具竞争力的技术之一。目前高速PLC已可传输高达45Mbps的数据，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来"四网合一"的新趋势。
图1为典型的PLC系统应用示意图。在配电变压器低压出线端安装PLC主站，将电力线高频信号和传统的光缆等宽带信号进行互相转换。PLC主站的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频PLC信号；另一侧通过传统通信方式，如光纤、CATV、ADSL等连接至Internet。在用户侧，用户的计算机通过以太网接口或USB接口与PLC调制解调器相连，普通话机通过RJ-11接口连至PLC调制解调器，而PLC调制解调器直接插入墙上插座。如果PLC高频信号衰减较大或干扰较大，可以在适当的地点加装中继器以放大信号。
图1 典型的PLC系统应用示意图
2.背景
随着电信和电力市场的逐渐开放，电力公司正在寻找支持其在市场上竞争优势的新方法。高速PLC提供一种无需额外布线、低价高效、从配变抵达每个家庭的"最后三百米"解决方案，这对电力公司是一个极具诱惑的网络接入解决方案。利用已经存在的电力网设施，电力公司仅需投入较低的PLC设备费用，就可以迅速进入通信和网络市场，为其创造新的利润增长点，今天的电力公司完全可能成为明天的电信公司。此外，高速PLC提供的电力增值服务为电力公司节省了大笔的费用，这些服务包括远方自动抄表、需求侧管理、负荷控制、实时计费等。
电力公司提供电信服务，具有十分明显的优越性。首先其拥有比电信和有线电视多得多的电力用户、详尽的客户信息和费单系统；其次很多电力公司已经建立了深入各中高压变电站的高速光纤网络，用于电网监控和用电量信息的内部传输，有的电力公司同甚至已将光纤架设到低压配电变压器。利用这些基础设施，加上高速PLC解决"最后三百米"、家庭网络方案，电力公司投入的费用是极少的，但产生的利润却是极为可观的。
对于不打算自己提供高速PLC服务的电力公司，可以向一个或多个独立的网络运营商(如中国电信、中国网通、中国联通、长城宽带、蓝波万维等)颁发利用电力公司网络的许可证，并从中收取一定的网络租用费。
同其他通信方式相比，高速PLC具有如下优越性。
1)充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种"No New Wires"技术，节约了资源。无需挖沟、无需穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施的破坏。
2)可以为用户提供价格低廉的高速因特网访问服务、IP话音服务，从而使用户上网和打电话增加了新的选择，有利于同其它电信服务商的竞争。
3)对家庭联网提供支持，使人们可以尽享由PLC技术带来的家庭音、视频网络，多人对抗游戏等娱。
4)是家居自动化的生力军，通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网，提前享用数字化家庭的舒适和便利。
5)利用PLC的永久在线连接构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统，让上班族高枕无忧；构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。
6)远程自动读出水、电、气表数据，为公用事业公司节省大量的抄表费用，也方便了用户。
7)为电力公司提供负荷控制、需求侧管理的新手段，提高电力公司管理水平。
8)电力公司以极低的投资就可以进入ISP、ICP和话音等电信服务市场，成为新的利润增长点。
9)实现数据、话音、视频、电力"四网合一"，创造巨大的经济和社会效益。
表1 高速PLC同其他接入技术的比较
3.国内、外技术发展现状和趋势
英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司在1990年开始对电力线载波通讯进行研究。1995年，该公司又与加拿大Nortel(北电网络)公司联手，共同开发这项新技术。1995～1997年的两年间，Norweb和Nortel公司已经成功地在英国曼彻斯特对20个居民用户进行了试验，其中包括话音服务。1997年10月，这两家公司声称已经解决了电力噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术DPL(Digital Power Line，数字电力线)实现了在低压配电网上进行1Mbps的远程通讯，从而将四通八达的电力线转化为信息高速公路。1998年3月25日，成立合资公司NOR.WEB，进行该技术的市场推广。
从此以后，许多国家的研究机构开展了高速电力线技术的研究和开发，如美国的Intellon、Inari(Intelogis) 公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韩国的Xeline公司，瑞士的ASCOM公司，德国的Polytrax公司，西班牙的DS2公司等，产品的传输速率也从1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、24Mbps，甚至45Mbps。表2为当前国际上高速PLC产品的情况。
表2 当前国际上高速PLC厂商和产品状况
当前，在高速PLC进行商用化运营方面走在前列的是德国公司。早在2000年5月，德国顶级电力公司RWE就开始采用瑞士ASCOM的产品为埃森的电力用户提供电力线数据服务，数率达到2Mbps。收费方式为，当每月访问的数据量在250MB以内时，用户需支付22欧元。截至2001年10月，RWE电力线通信公司大致安装了1500个电力线上网用户。2002年10月，RWE放弃了进一步推广高速PLC的计划，其主要原因被认为与公司的特定市场环境、商业模式以及战略选择有关。
在德国的曼海姆，当地的能源公司MVV采用以色列Main.Net公司的产品进行了商用化运营实验，并为此成立了合资公司PPC (Power PLUS Communications AG)。最近，ABB通过购买股权的方式，成为PPC的战略伙伴。PPC可以为每个终端用户提供350kbps ~1.2Mbps的带宽，典型小区的用户数为250到300户，最大传输距离为500米，一般的典型传输距离为150~180米。目前在曼海姆已经拥有45,000个用户，并期望在2003年底这一数字达到120,000，将2006年的目标定为500,000户。PPC推出的PLC服务品牌为"VYPE"，初装费119欧元，用户可得到一个用户终端、5个邮件地址和5兆的网页空间。普通家庭的月租费为14.90欧元，每兆字节的收费为3.3欧分。包月家庭用户每月的费用为24.90欧元。
迄今为止，只有德国在埃森和曼海姆的两个电力线高速通信网络投入商用化运营，其他国家均在试点之中。其主要原因首先是法律上的，德国在2001年4月通过了一个法令，允许在电力线上经营Internet服务和电信服务，并制定了相应的规范NB30。在美国，高速PLC主要用于家庭内部联网，实现网络接入点的移动性，并要求高速PLC产品遵循FCC 15规范。
自从英国诞生高速PLC技术以后，我国的研究机构也进行了相应的研究，取得了一定的成果。中国电力科学研究院自1999年开始从事高速PLC的研究工作，开发了2Mbps、14Mbps、45Mbps等高速PLC系列产品。并于2001年8月起在沈阳电业新村小区建立了我国第一个高速PLC实验网络，开通了基于该网络的数字化社区。福建电力试验研究院基于家庭插电联盟标准，研制了10Mbps电力线调制解调器。
从2001年12月起，国电通信中心开始组织国内外厂商在北京的一些小区开展电力线上网实验。包括广华轩小区的韩国Xeline公司14Mbps产品、华景园小区的瑞士ASCOM公司4.5Mbps产品(含IP电话功能)、善果小区的福建电力试验研究院10Mbps产品、岳峰园小区的美国Leap公司14Mbps产品、椿树园小区16号楼的西班牙DS2公司45Mbps产品，以及华能平渊里小区3号楼中国电力科学研究院的14Mbps产品等。
随着高速PLC研究的进一步深入，该技术也在不断发展中。一方面，高速PLC技术正在向更高速率的方向发展，西班牙DS2公司继推出45Mbps PLC芯片后，目前正在研制更高速率100Mbps，甚至200Mbps的芯片，预计将于2003年底前交付开发商使用。而Intellon公司也计划于2003年推出速率高达54Mbps的芯片。
另一方面，随着技术的发展，利用位于中压变电站和低压配电变压器之间的中压(10kV)配电网传输高速(高于10Mbps)数据信号的设想也日益引起人们的重视，每条地埋中压电缆都可以被用于高速骨干网。最近的研究表明，地埋中压电缆的通道特性不亚于同轴电缆。如果能够解决中压配电网高频传输中的一些特殊问题(如补偿电容旁路，阻抗匹配等)，就可以充分利用现有资源，用中压配电网部分取代光纤、同轴电缆或双绞线作为(宽带骨干)通信网，可以为电力公司提供一个新的、极富前景的经济增长点。
4.相关国际组织
电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟HPA(HomePlug Powerline Alliance)、电力线通信论坛PLC Forum、PALAS (Powerline as an Alternative Local AccesS)、以及日本的ECHONET。
由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等13家公司组成的家庭插电联盟成立于2000年4月，致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。目前HPA现已发展成为由90家公司组成的企业集团，并选用美国Intellon公司的技术作为统一技术标准的原型。2001年6月，HPA发布了其标准的第1个版本Home-Plug Specfication1.0，将数据传输速率定为14Mbps，采用OFDM调制解调技术，MAC层协议为CSMA/CA。该标准定位于家庭内部网络应用，对户外高速电力线接入较少涉及。
PLC Forum于2000年3月23日在瑞士成立。它的72个成员来自三大洲的18个国家，包括著名的Alcatel Microelectronics、Ascom Management AG、CISCO Communications、Enikia、Nortel Networks、Polytrax Information Technology AG等公司。论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府机构提供一个平台，促进他们交流和丰富有关PLC的知识。该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内全面PLC解决方案。PLC Forum不制定标准，但致力于将会员的提议提交给国际标准化组织，促使其成为标准。PLC Forum的目标是使用PLC为大众提供端到端的宽带服务。
HPA和PLC Forum的目标各有千秋，两者之间的工作大约有40%是重叠的，HPA偏重于室内联网，而PLC Forum则侧重于接入部分，它们使用不同的频段。另一个区别在于，PLC Forum主要与电力公司打交道，因为室外部分是电力公司的财产；而家庭内部的电力线不属于电力公司，所以HPA主要针对用户进行工作。考虑到频率划分的兼容性问题，PLC Forum提出了对户内外使用频率的划分建议，目前已得到ETSI的支持。目前该组织正致力于放宽对PLC的电磁辐射限值，并纳入国际标准。
PALAS将目标定位于为高速PLC市场上的潜在用户开发一套完整的、商业化的测试服务工具包，该工具包包括技术模拟和咨询工具、最初的商业和转型服务模型以及具体的产品策略。除此之外，PALAS还提供一套综合方法，以减少产品面市的时间，增强产品在市场、技术、组织和经济问题上的确定性。
2001年，日本60家有关企业设立了联合机构"电力线载波通信设备开发会"，研究用电力线作通信线路的技术。
当前高速PLC技术主要有两种发展模式：其一为以美国为代表的家庭联网模式。这种模式的PLC只提供家庭内部联网，户外访问使用其它传统的通信方式。这一方面是由于美国ADSL、HFC等技术和产品已经比较成熟和普及，更重要的是由于美国的低压配电变压器一般为单相，平均只为5～6个用户提供供电服务，推广高速PLC接入技术成本过高的缘故。目前室内产品的较高速率是Intellon公司的PowerPacket达到14Mbps；另一种模式是面向欧洲和亚太市场的，因为这些地区的低压配电网结构比较类似，一般为200～300个用户提供供电服务，推广高速PLC接入服务平均成本较低。该应用模式提供自配电变压器或楼边至用户家庭的全面PLC解决方案。由于室外产品同室内产品的使用环境不同，技术上实现起来难度较大，因此能够提供该种方案的公司数量较少，主要有西班牙DS2公司、瑞士Ascom公司、以色列Main.Net公司等。这几家公司在欧洲的西班牙、德国、奥地利、法国和亚洲的韩国、新加坡、香港等国家和地区建有实验网络。
5.有关标准
电力线相当于一根天线，它一方面将产生的电磁波向外辐射，另一方面吸收来自外界的电磁波。由于电力线通信产生的电磁波同短波收音机共用频段，它们之间会互相产生干扰，为了避免这种干扰，有必要制定一些标准和规范。目前世界上仅有英国的MPT1570、德国的NB30是专门针对高速PLC通信制定的法规。加上美国的通用电磁兼容标准FCC15，实际上高速PLC现有三个电磁兼容标准。三个标准中，FCC15最为宽松，NB30次之，MPT1570最为严格。
图2 FCC15、NB30及MTP1570电磁辐射限值比较
德国多特蒙德大学的研究表明，在64台计算机同时使用五类双绞线上网时产生的电磁辐射都已经超过了NB30标准的限值，可见该标准限值的设定不是十分科学。
图3 64台计算机同时访问时产生的电磁辐射曲线
通过和美国的FCC15比较，德国规定的缺点是显而易见的。例如，在2MHz左右时，美国限值比德国的建议限值要高30dB，这就意味着传送功率高1000倍或者可能的数据传输速率大约高10倍。在这一先决条件下，就不会奇怪第一个速率在10Mbps以上的PLC系统产生于美国了。与美国相比，目前德国的限值已经成为PLC系统发展的严重障碍。一些国际组织如PLC Fourm正在致力于推翻该标准。
英国的情况更糟，因为其建议的限值更低，一般比德国的NB30低20dB左右，这大体上相当于将可能的传输速率打了六折。在这种环境下，不能指望电力公司对PLC技术进行投资。此外，从技术方面考虑这样低的限值也有很大的问题，通常有线电视、计算机网络、甚至电话线的电磁辐射都会超过这些限值。
6.结束语
据来自PLC Forum的统计，目前在全球范围内共分布着超过60个PLC现场实验点，连接了数千个付费用户。我国的高速PLC实验在国电通信中心的精心组织下正在有序进行，预计今年将会有近2000个用户通过电力线上网冲浪。相信随着技术的不断进步，我们将迎来电力线高速通信光辉灿烂的明天！
参考文献
[1]www.intellon.com
[2]www.plcforum.com
[3]www.homeplug.com
[4]www.ds2.es
[5]赵丙镇、王丽平、许勇刚《高速PLC技术及其应用》，中国电机工程学会电力通信专业委员会第四届学术会议论文集，2000年9月
[6]赵丙镇、王丽平《高速PLC技术应用前景十分看好》，中国电力报，2001年10月25日
作者简介
赵丙镇：男，1971年出生。1994年毕业于武汉水利电力大学电力系，2000年获中国电力科学研究院电力系统及其自动化专业硕士学位。现任中国电力科学研究院通信与信息技术公司电力线通信部经理。曾从事电力通信网规划、设计、监控，计算机网络、数据通信、配网自动化等方面的研究工作，自1998年起开始从事电力线高速通信技术研究，作为项目负责人主持了国家电力公司科技项目《低压配电网(220V/380V)复合通信方式研究》和《实用化45Mbps高速PLC的研究和开发》。
