电力系统通信技术发展现状综述与展望⋆

郭昊坤

（江阴职业技术学院 电子信息工程系，江苏 江阴 214405）

0 引言

在网络发展迅速的今天，通信技术已在各行各业占着非常重要的地位，目前在电力工业中也是如此，电力系统通信已逐渐成为电力工业或电力系统中不可缺少的重要组成部分之一，它是电力系统正常运行的重要保障，在目前智能电网[1]的建设中也起着举足轻重的作用。

电力系统通信技术的发展历时长久，20世纪70年代主要为电力线载波通信、20世纪80年代开始出现模拟微波通信、而20世纪90年代逐渐开始出现数字微波通信，发展到目前更是出现了光纤通信等新型通信方式。但是，电力系统通信的发展一直深受各种因素影响，尤其是电信技术的影响[2]，因此，有必要对这三种通信方式进行详细的评述，并总结其在电力系统中应用的优劣，为后续合理规划电力系统通信网络提供参考。

1 电力线载波通信

在电力系统通信技术的发展中，历时较为长久的即为开始于20世纪70年代的电力线载波通信技术，电力线载波通信技术（power line carrier communication，简称PLCC）是指利用已有的输配电线路作为通信介质，实现数据、话音、图像等信号传输的通信技术[3]。由于发展历史较长、发展技术较成熟，目前电力线载波通信技术已经被广泛应用于电力工业的各种运行技术中，其中主要应用于电力系统中的远动、调度、生产指挥、保护等各种信息传输，是电力工业或电力系统中特有的一种通信方式，在电力系统中占有重要的地位，如远程自动抄表系统[4]、配电网络线路通信[5]等。

1.1 电力线载波通信的发展

电力线载波通信的发展历程可以划分为3个主要阶段：（一）20世纪20年代至50年代，电力线载波通信主要用于110 kV以上的高压远距离输电线路上，工作频率在150kHz以下；（二）20世纪50年代至90年代，电力线载波通信开始应用在中压（10/20 kV）和低压（220/380 V）电网上，工作频率在150至1000kHz[6]之间；（三）20世纪90年代以后，电力线载波通信广泛应用于低压线路上，工作频率在1M至30MHz之间。

1.2电力线载波通信的特点

电力线载波通信技术所使用的通信介质为现有的输配电线路及网络，不需要重新布置，节省了大量人力物力，使用方便，成本低廉[7-8]。但电力线的主要功能是输送电能，其通信信道较纯净的通信介质更为复杂、多变、不确定，严重影响了电力线载波通信的可靠性，这也是目前亟待解决的问题之一。而影响其通信可靠性的原因主要是电力线通信信道自身的特性所造成的，如频率选择特性、输入阻抗特性、噪声干扰特性及信号衰减特性等[9-11]。今后，若能有效解决这些影响或尽可能的降低这些特性所造成的误码等危害，必然可以使电力线载波通信技术使用更为广泛，充分发挥其免敷线、使用方便、成本低廉的特有优势。

1.2.1 频率选择特性

发展至今，电力线载波通信所适用的通信频率范围一般在1M至30MHz之间，主要原因是在这个频段上信道中的噪声干扰极少，通信相对更为可靠[6]。且可利用基于OFDM的调制技术将用于通信的有效信号从复杂的电力线中分离出来[12-14]。

1.2.2 输入阻抗特性

电力线载波通信信道的输入阻抗是信号发送装置和信号接收装置驱动点向内看的配电网等效阻抗，其阻抗的大小可以直接影响网络的输入功率和信号耦合的效率，是电力线载波通信传输特性中的重要参数之一[15]。其中，输入阻抗特性的随机数学模型[16]如式（1）所示。

式中，K(f)表示阻抗随频率的基本变化特性，e-jl(t)表示阻抗的随机特性。

1.2.3 噪声干扰特性

在电力线载波通信各种特性中，影响最为严重的非信道噪声特性莫属了，信道噪声与地点、时间及负载等各种因素息息相关，有较大的随机性，很难控制。目前，已有很多专家学者对低压电力线载波通信中的噪声特性进行了研究与分析，最为被大家认可的即是将噪声干扰分为以下五类[17-19]：背景噪声中的有色背景噪声、窄带噪声、异步于工频的周期脉冲噪声，以及脉冲噪声中的异步脉冲噪声和同步于工频的周期脉冲噪声。

由于目前用于电力线通信的噪声干扰频率在1 M～30 MHz之间，可利用特定的电压互感器将电力线中的噪声干扰“取”出来进行研究分析，其互感器耦合方式如图1所示，图2即为利用电压互感器测得的两组实测的电力线噪声干扰，如图所示，噪声干扰有平稳的背景噪声，也有呈一定周期性的脉冲噪声。目前已经有很多学者对其模型进行了研究，背景噪声主要建立其AR模型[20-21]，脉冲噪声主要建立其马尔科夫模型[22-24]。

图1 互感器耦合方式示意图Fig.1 Schematic diagram of the transformer coupling method

图2 一组实测电力线噪声干扰Fig.2 A group of measured power line noise interference

1.2.4 信号衰减特性

由于电力线是非均匀不平衡的传输线，信号在传输过程中会遇到很多复杂的现象，从而导致信号的衰减随距离的变化关系非常复杂，不仅仅是距离越远衰减越严重，还有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。

2 微波通信

微波通信技术是指利用分米波、厘米波和毫米波的无线电波作为“载波”，载送信号的通信技术，一般分为模拟微波通信和数字微波通信两种方式[25]。近年来，随着数字技术的迅速发展，数字微波通信已经开始逐渐取代模拟微波通信，数字微波通信已成为一种重要的传输手段[26]。

数字微波通信系统组成可以是一条主线，中间有若干支线，除了在线路末端需要安装微波终端站以外，还需要在线路中间每隔一定距离就安装一些微波中继站以及微波分路站。目前，数字微波通信方式具有建站快、成本低、不许铺设线路等优点，尤其适合于紧急通信、临时通信、无线接入等[2]。

微波通信的发展与无线通信的发展密不可分，产生于20世纪50年代[27]。80年代开始，调制与解调技术迅猛发展，使微波通信技术也得到了跨时代的变化。但随着OPGW光缆的发展，微波发通信逐步被取代，成为电力系统通信的辅助[28]。虽然微波通信已成为电力系统中一种辅助通信方式，但不可缺少，在某些特定的坏境或地点，微波通信仍起着关键作用，如自然灾害频发地区、农村、海岛以及边远山区等。

3 光纤通信

近年来，光纤通信方式凭借其损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，逐渐被很多业内人士所青睐，发展非常快，其是一种以高频率的光波作为载波、以光纤作为传输介质的一种通信方式[29]。

目前，光纤通信已经发展了几十年，在我国已形成了一个较为完善的光纤通信产业体系，其中涵盖了光纤光缆、光传输设备、光器件、光模块等各个领域，而我国的光通信市场也开始进入高速成长期[30]。

光纤通信除了以上所述的在技术上的优越性，它在经济上同样具备着巨大的竞争力，故而其在当今的信息社会中必将发挥着越来越重要的作用，其主要优点有[2]：容许频带很宽，传输容量很大；损耗小，中继距离长；质量轻，体积小；抗电磁干扰性能好；泄露小，保密性能好；节约金属材料，有利于资源合理利用。

对于电力系统来说，近年来，随着电力系统的不断发展与扩大，大容量的变电所和超高压输电技术也逐渐发展成熟，电力系统中各类监测控制系统和通信系统的需求不断提升，某些时候普通的通信技术已经不能满足特定的需求，因此，光纤通信也逐渐在电力系统通信网络中被逐渐应用，而且，相信在不久的将来，凭借着其特有的优势，定能广泛推广。

4 结论

电力系统通信方式主要有电力线载波通信、微波通信、光纤通信等，本文概述了这三种主要的通信方式：电力线载波通信技术使用方便、成本低廉，但干扰严重；微波通信是电力系统的辅助通信，适用于自然灾害频发地区、农村、海岛以及边远山区等地区；光纤通信传输性能最好，但成本昂贵。

今后，必须发挥各种通信方式各自的优势及特点，以电力线通信为主，其它通信方式为辅，合理规划利用，相辅相成，构建合理的电力系统通信网络，为智能电网的建设提供可靠的数据传输及通信保障。

[1] 郭昊坤, 吴军基. Agent技术在中国智能电网建设中的应用[J]. 电网与清洁能源, 2014, 30(2): 12-16.GUO Hao-kun, WU Jun-ji. Application of Agent Technology in China’s Smart Grid Construction[J]. Power System and Clean Energy,2014, 30(2): 12-16.

[2] 张淑娥, 孔英会, 高强. 电力系统通信技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.ZHANG Shu-e, KONG Ying-hui, GAO Qiang. Power System Communication Technology[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2009.

[3] 郭昊坤, 衡思坤, 应展烽, 等. 低压电力线通信信道特性研究综述[J]. 电力系统通信, 2012, 33(4): 1-5.GUO Hao-kun,HENG Si-kun, YING Zhan-feng, et al. Survey of the Characteristics of Low-voltage Power Line Communication Channel[J].Telecommunications for Electric Power System, 2012, 33(4): 1-5.

[4] 周亚, 王学玲. 低压远程集中抄表系统的组成及其应用前景[J]. 农村电气化, 2008(5): 28-30.ZHOU Ya,WANG Xue-ling. Composition of Low Voltage Remote Centralized Meter Reading System and Its Application Prospects[J]. Rural Electrification, 2008(5): 28-30.

[5] 吕英杰, 邹和平, 赵兵. 国内低压电力线载波通信应用现状分析[J]. 电网与清洁能源, 2010, 26(4): 33-36.LV Ying-jie,ZOU He-ping,ZHAO Bing. Analysis of the Current Status of Low Voltage Power Line Carrier Communication in China[J].Power System and Clean Energy, 2010, 26(4): 33-36.

[6] 齐淑清. 电力线通信技术(PLC)与应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.QI Shu-qing. Power Line Communication Technology (PLC) and Applications[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.

[7] 张保会, 刘海涛, 陈长德. 电话、电脑、电视和电力网“四网合一”的概念与关键技术[J]. 中国电机工程学报, 2001, 21(2): 60-65.ZHANG Bao-hui,LIU Hai-tao,CHEN Chang-de. Phone, Computer, Television and Power Network “Four Networks” Concept and Key Technologies[J]. Proceedings of the CSEE, 2001, 21(2): 60-65.

[8] 郭昊坤, 吴军基, 陆娴, 等. 电力线通信信道噪声模型研究现状[J]. 电力系统通信, 2011, 32(8): 1-3.GUO Hao-kun,WU Jun-ji,LU Xian, et al. Research on Channel Noise Model of Power Line Communication[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2011, 32(8): 1-3.

[9] GUO Hao-kun,WU Jun-ji, YING Zhan-feng. Modeling research of background noise in low-voltage power line communication channel[J].Advanced Materials Research, 2012, 516-517: 1386-1390.

[10] 应展烽, 吴军基, 郭昊坤, 等. 含周期性脉冲噪声的低压电力线噪声建模研究[J]. 电力自动化设备, 2013, 33(9): 58-63.YING Zhan-feng, WU Jun-ji, GUO Hao-kun, et al. Modeling of low-voltage power line noise containing periodic pulses[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(9): 58-63.

[11] 郭昊坤, 吴军基, 应展烽, 等. 电力线通信信道噪声测量与特性分析[J]. 电力系统通信, 2011, 32(11): 1-3.GUO Hao-kun,WU Jun-ji, YING Zhan-feng, et al. Measurement and Analysis on Channel Noise of Power Line Communication[J].Telecommunications for Electric Power System, 2011, 32(11): 1-3.

[12] 罗春风, 文劲宇, 杨慧敏, 等. 基于OFDM电力线载波通信系统同步新方法[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(17): 28-32.LUO Chun-feng,WEN Jin-yu,YANG Hui-min, et al. A New Synchronization Method Based on OFDM Power Line Carrier Communication System[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(17): 28-32.

[13] M Raugi, M Tucci. Power-line communications channel estimation and tracking by a competitive neural network[J]. IEEE Transactions on Communications, 2006, 52(4): 1213-1219.

[14] 罗春风, 程时杰, 熊兰, 等. 低压电力线OFDM载波通信系统符号定时同步方法[J]. 电力系统自动化, 2005, 29(9): 65-71.LUO Chun-feng, CHENG Shi-jie,XIONG Lan, et al. Low-Voltage Power Line OFDM Carrier Communication System Symbol Timing Synchronization Method[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(9): 65-71.

[15] 赖征田. 电力线载波信道特性研究及仿真[J]. 电力系统通信, 2010, 31(10): 39-42.LAI Zheng-tian. Research and Simulation of Power Line Carrier Channel Characteristics[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2010, 31(10): 39-42.

[16] 张在玲. 智能化小区电力线信息传输问题的研究[D]. 河北: 华北电力大学, 2004.ZHANG Zai-ling. Research on Power Line Information Transmission in Intelligent Community[D]. Hebei: North China Electric Power University, 2004.

[17] 吴军基, 郭昊坤, 孟绍良, 等. 电力线通信信道背景噪声建模研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(23): 6-10.WU Jun-ji, GUO Hao-kun, MENG Shao-liang, et al. Modeling of background noise in power line communication channel[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(23): 6-10.

[18] 郭昊坤, 吴军基, 衡思坤, 等. 低压电力线通信信道噪声建模及仿真[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(13): 61-66.GUO Hao-kun,WU Jun-ji, HENG Si-kun, et al. Modeling and simulation of the noise in low voltage power line communication channel[J].Power System Protection and Control, 2012, 40(13): 61-66.

[19] 郭昊坤, 吴军基, 应展烽, 等. 一种改进的马尔科夫链及其在电力线通信信道脉冲噪声建模中的应用[J]. 电力系统保护与控制,2012, 40(5): 129-132.GUO Hao-kun,WU Jun-ji, YING Zhan-feng, et al. Application of improved Markov chain in impulse noise modeling of power line communication channel[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(5): 129-132.

[20] 郭昊坤, 吴军基, 应展烽, 等. 基于Gram-Schmidt正交法的电力线背景噪声建模[J]. 电力系统通信, 2012, 33(3): 1-4.GUO Hao-kun,WU Jun-ji, YING Zhan-feng, et al. Modeling of Background Noise in Power Line Communication Channel Based on Gram-Schmidt Orthogonal Method[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2012, 33(3): 1-4.

[21] 衡思坤, 郭昊坤, 吴军基, 等. 离散序列AR模型定阶方法研究[J]. 微计算机信息, 2012, 28(9): 478-479.HENG Si-kun, GUO Hao-kun,WU Jun-ji, et al. Research of discrete sequence AR model’s order method[J]. Microcomputer Information,2012, 28(9): 478-479.

[22] 郭昊坤, 吴军基, 应展烽, 等. 一类特殊随机序列的改进马尔科夫链建模[C]//第十六届全国青年通信学术会议论文集(上). 北京:国防工业出版社, 2011: 127-130.GUO Hao-kun,WU Jun-ji, YING Zhan-feng, et al. Modified Markov Chain Modeling for a Special Stochastic Sequence[C]// Proceedings of the 16th National Conference on Youth Communication (volume One). Beijing: National Defense Industry Press, 2011: 127-130.

[23] 郭昊坤. 低压电力线通信信道噪声建模研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2013.GUO Hao-kun. Research on Noise Modeling of Low Voltage Power Line Communication Channel[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

[24] 郭昊坤, 陆娴. 浅谈马尔科夫链在状态统计时的处理技巧[J]. 数学学习与研究, 2011(3): 90.GUO Hao-kun, LU Xian. On the Processing Skills of Markov Chain in State Statistics[J]. Mathematics in Learning and Research, 2011(3):90.

[25] 李翠萍. 微波通信的现状及发展前景[J]. 现代通信, 2002(2): 6-7.LI Cui-ping. Current Situation and Development Prospects of Microwave Communication[J]. Modern Communication, 2002(2): 6-7.

[26] 许建安. 电力系统通信技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007.XU Jian-an. Power System Communication Technology[M]. Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press, 2007.

[27] 白杉. 微波通信的回顾与展望[J]. 电力系统通信, 2002, 23(6): 25-28.BAI Shan. Retrospect and Prospect of Microwave Communication[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2002, 23(6): 25-28.

[28] 熊煌. 电力系统微波通信的发展探讨[J]. 电力系统通信, 2007, 28(3): 1-3.XIONG Huang. Development of Power System Microwave Communication[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2007, 28(3):1-3.

[29] 王凤武. 光纤通信技术发展的现状及趋势[J]. 数字技术与应用, 2011(1): 10.WANG Feng-wu. The Current Situation and Trend of Optical Fiber Communication Technology Development[J]. Digital Technology and Applications, 2011(1): 10.

[30] 郝丹, 闫柏旭. 光纤通信概述[J]. 中国科技信息, 2010(11): 112-113.HAO Dan, YAN Bai-xu.Optical Fiber Communication Overview[J]. China Science and Technology Information, 2010(11): 112-113.