电力线载波通信实验在本科教学中的探索

陈宏

摘 要 电力线载波通信是电力系统特有的通信手段，为了使学生掌握电力线载波通信技术，在实验教学中采用LonWorks技术和窄带电力线载波通信实现实时监控，将计算机通信理论知识和电力线载波通信实践相结合，激发学生学习的兴趣，主动建构电力线载波通信知识点，不仅提高了学生的分析能力，还提高了学生在电力线载波通信方面的设计技能，培养了学生的创新能力。

关键词 电力线载波 频移键控 正交频分复用 实验教学

Abstract The Power Line Carrier Communication is special communication in electrical system. In order to make the undergraduates master this technology， the real time monitoring experimental teaching is set up with LonWorks and Narrow Band Power Line Carrier Communication， which combines the computer communication theory and Power Line Carrier Communication theory to stimulate students enthusiasm and construct the knowledge actively. The Power Line Carrier Communication experimental teaching improves students analysis， enhances students design capability on Power Line Carrier Communication， and cultivates students creativity.

Keywords Power Line Carrier； frequency shift key； Orthogonal Frequency Division Multiplexing； experimental teaching

0引言

電力线载波（Power Line Carrier，PLC）通信作为电力系统特有通信方式，是一种经济、可靠的通信手段。[1]电力线载波通信在现有的电力线上，利用载波方式将模拟或者数字信号传送出去、接收进来，随着智能城市、智能家居、智能生活的概念进入现代化城市发展的方向，电力线载波通信技术有了更加广阔的应用前景。广义的PLC 技术包含两个大的分支，一个是面向配电网自动化的，简称DLC（配电线路载波）；另一个是面向进户线路和户内线路的，称为PLC（线路通信）。[2]电力线载波通信技术利用现有的电源供电线路网络传送信息，利用电力线载波技术进行通信，和无线通信需要射频发射和接收设备相比，减少了设备投资，具有便捷、直接接入、低成本、低功耗等的优点。电力网络分布极其广泛，电力线载波通信系统可复用现有的电力线网络而不需额外的布网开销。[3]作为电力网络传输信息的一种方式，电力线载波通信的传输距离和信号质量一直是最关注的技术问题，在传输距离上要求越长越好，在信号质量方面要求误码率越低越好。研究电力线载波通信技术发现，其最大传输距离可达十几千米，系统可靠性高，且专有通道可以保证数据安全。电力线载波通信中压、低压均可覆盖，适用于用户信息采集、负荷管理等业务，以及配电自动化、智能电动车充电站等扩展业务。[4]此外，电力线载波通信还适用于智能路灯控制系统、[5]视频监视系统、[6]建筑能源管理[7]的数据互联网通信。在实际应用中，电力线载波通信包括宽带电力线载波通信和窄带电力线载波通信。宽带电力线载波通信的高频段实现在2-30MHz高速传输数据，高段频率受到电磁兼容的限制，而窄带电力线载波通信是低速数据通信方式。[8]第一代窄带电力线载波通信采用相移键控或者频移键控的每秒十几千赫兹的数据传输方式。[9]

实验教学因其自身的特点和作用可以全方位地培养学生的创新意识和创造能力， 是实现创新教育的重要途径。[10]为了使学生掌握计算机网络通信的发展，熟悉信息在电力线网络中传输的实现方式，了解电力线载波通信技术的实践机理，培养智能城市、智能家居、智能生活建设的科研技术人才，在实验教学中采用LonWorks技术和窄带电力线载波通信实现实时监控，将计算机通信理论知识和电力线载波通信实践相结合，激发学生学习的兴趣，主动建构电力线载波通信知识点，对培养设计电力线载波通信的技能有很好的指导作用。

1电力线载波通信实验准备和实施

1.1实验准备

（1）实验器材的准备。实验器材包括计算机、实验板、电力线网络。需要完成LonWorks软件的安装，控制节点的设置和功能配置，然后完成实验板与电源线的连接，完成实验节点灯泡的安装。

（2）实验内容的预习。要求学生仔细学习计算机网络通信中7层开放互联层及其访问关系，预习电力线载波通信时媒介访问的控制处理，了解模拟调制和数字调制的工作原理和调制方式，明白实验目的和实验注意事项。

1.2实验实施

（1）实验目的。实验准备工作完成之后，学生根据实验需求完成通信网络的建立和控制节点的选取，用LonWorks软件的网络变量控制电力线网络中的节点工作状态，观察实验现象，进一步理解理论知识，发现实践操作和理论理解之间的差距，并校正对相关知识点的认识。激发、引导学生的积极探索的兴趣，培养学生在电力线载波通信技能中的工作能力。

（2）实验原理和内容。国际上的电力线载波通信采用的调制技术有三种：单载波类、扩展频谱类和正交频分复用调制技术。[11]分别满足不同通信质量要求的电力线载波通信。endprint

采用单载波、并且用数字信号控制高频率的载波频率的调制手段使用2 个不同频率的高频载波传送“0”、“1”信号，这样通信不必过分依赖于电力线路的质量，能较好地适应频繁变化的线路阻抗和噪声干扰，同时其所需的频带较窄，既兼顾了设备的抗干扰性能，又不致使系统复杂、昂贵。另外，由于频率调制技术相对成熟而可靠，又有着成本低廉的优势，所以在当前得到了广泛应用。[2]扩展频谱技术有直扩通信，软扩频通信和并行组合扩频通信几种。[12]是近年来发展迅猛的一门学科，扩频技术在传输信息时，传输带宽远大于信息本身的带宽，信号功率谱密度很低，接收端通过相关接收，将其恢复到信息带宽的一种技术，[2]扩频技术的理论依据为香农公式，如式（1）所示：

C=Blog（1+S/N） （1）

其中C为信道容量，B为信道带宽，S/N为信噪比。通过增加带宽B，保持C不变，就可以在较低的信噪比的情况下，保持以原来较大的传输速率无差错的传输信息。[13]

正交频分复用是一种多载波调制技术，提高了数据的传输速率，有效抵抗脉冲干扰噪声的影响。[2]在电力线载波通信实验中，数据量小，实验室通信干扰小，采用单载波的频移键控就可以達到通信质量要求。学生在实验室设计实现了对输入开关信号的读取和对输出亮灯信号的写入，采用在电力线上的窄带电力线载波通信的工作方式。

窄带电力线通信是指工作在3kHz～500kHz频率范围，通过使用已有的电力线设施作为传输介质实现通信的方法，可以代替无线通信或者其它有线通信标准，从而降低成本。 而可以使用的频带范围由各个国家的频带管理机构来指定和划分，如欧洲由CENELEC（欧洲电工技术标准化委员会）规定的频带为3kHz～148.5kHz，美国由FCC机构（美国联邦通讯委员会）规定的频带范围为9kHz～490kHz， 日本则由ARIB（日本无线工业及商贸联合会）规定频带范围为10kHz～450kHz，我国对于3kHz～500kHz这段频率段如何使用并没有规定， 但电科院更倾向于使用3kHz～90kHz频段。[14]使用的主要有以下几种技术规范： 基于FSK、PSK、S-FSK调制和单载波、双载波技术的低速电力线窄带规范（IEC61334-3-1、IEC 61334-5等）和基于OFDM（正交频分复用） 的多载波调制技术的高速电力线窄带规范——包括由PRIME联盟提出的PRIME标准及由ERDF（法国配电网络公司）和Maxim（美信公司）联合公布的G3-PLC标准。[3-4][14]

实验中，每个实验装置有4个输入端口和4个输出端口，每台电脑可以控制2个实验装置上的共8个输入端口和8个输出端口。根据需要抽取其中的3个端口，通过LonMaker编程来控制输入输出信号，查看结果。

在实验过程中，既没有无线通信的收发装置，也没有网线、电话线、数据线等可连接的线路，直接在220V供电电源线上，实现了计算机对控制节点的信息传输，实现了智能管理电力线网络中的电子设备的工作状态，同学们觉得很新奇，积极性都很高，认真思考，体会到智能城市、智能家居、智能生活的技术理念，进一步要求学生探讨在家庭环境中，为了用计算机本地或者远程控制家电的工作状态，必须在计算机和家电之间建立数据传输，无线传输的传输质量被每个单独的房间影响，架设信号线网路增加成本、而且必须固定家用电器的位置，所以目前电力线载波通信是智能家居的有效方法之一。学生获得了在实验课上理论理解和实践探索相结合的学习乐趣。如图1所示。

（3）实验结果分析。实验结束后，教师和学生对实验结果进行讨论，探索在计算机和电力线网络上电子设备在通信中的数据链接方法，激发学生的学习兴趣，进一步阅读文献和资料，挖掘其中的通信协议，深入理解电力线载波通信的本质，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

2电力线载波通信实验的效果

开展电力线载波实验以来，结合当前智能城市建设的需求，使学生感受到课本知识和社会发展之间的密切关系，在实验教学中获得较好的教学效果。

2.1学生实验积极性高

电力线载波实验获得了热烈反响，学生们积极提问，深入思考，尤其是当前节能环保、绿色生活、智能生活的理念深入人心，电力线载波通信也是人们开展广泛探索智能生活、工业智造的有效技术手段之一，电力线载波实验把电力线载波通信的构架和实现手段展现在学生面前，受到学生的欢迎。

2.2实验效率高

在实验过程中，学生能够在有限的空间和时间内充分了解电力线载波通信的原理和方法，学生深入研究和理解了电力线载波通信的技术手段、带宽要求和通信协议，在实践操作中体会实验电力线载波通信技术的应用。在实验室不需要额外增加信号线路，在计算机和实验板之间通过电源线传输信号，信号直接接入，方便快捷。

学生感受直观、生动，可以浏览计算机上的网络节点、检查实验板上相应节点状态变化、再分析计算机上功能编码，代码和实验结果一目了然，快速发现问题、分析问题和解决问题。

2.3激发学生的创新兴趣

学生在实验课上深入开展功能设计，如单个输入信号控制一路节点，每个输入信号控制多路节点，多个实验板之间相互控制对方的节点等等，测试并记录实验现象，学生在实验报告中进一步分析和讨论，通过理论联系实践，学生提出了智能控制的深度讨论和创造性的假设，为激发学生的创新能力提供了实验平台。

3电力线载波通信实验的总结

3.1 实验结果

在实验室通过电力线载波通信的方式监控输入和输出信号，实现了用户灵活定制的监控和切换功能。

首先对于电力线上的灯的“亮”和“灭”可以通过电脑查看状态。其次对于灯的状态可以设置不同的网络结构来控制，比如，1个开关分别控制1盏灯，或者1个开关同时控制2盏灯，或者1个开关同时控制1台实验装置上的2盏灯，等等。第三可以按照需求更改控制端口的对应关系。endprint

3.2 存在的问题和改进

在实验室实现电力线载波通信，需要配置实验装置和软件、硬件，主要存在的问题有：

（1）实验装置采用的LonWorks電力线载波软件，在电脑安装软件后，电脑升级换代都会影响软件运行，需要重新安装软件和申请许可密钥。目前只能先固定电脑，开展电力线载波通信实验，具有局限性，这也是LonWorks软件本身的局限。

（2）采用220V的低电压电力线载波通信，电力线网络的传输距离和传输节点阻抗匹配方面都有要求，实际工作电力线上的干扰和噪声还是会影响信号传输质量，比如我国城市用电规定50Hz、220V的电力线有效传输半径是250m，衰减在4%。[15]由于实验室电力线环境简单、电子设备少、网络环境很好，输入输出信号都是比较简单的“开通”和“关断”信号，所以从开展实验以来，测试结果一直都很好，实验教学效果令人满意。

4结语

布鲁纳认为“教学过程是一个学生探究和发现的过程”。[16]在电力线载波通信实验教学中，通过理论联系实践，实验设备紧密结合实验教学内容，采用LonWorks技术和窄带电力线载波通信实现实时监控，将计算机网络通信理论和电力线载波通信技术在电力线载波通信实验中有机融合，采用理论和实践相结合的思路，建设实验教学内容，为学生建立了探索研究电力线载波通信的平台，让学生把抽象的理论变成实践中的应用，在实验中利用软件编程和网络设计对电子设备开展智能管理、实时监控、远程控制，不仅提高了学生在信号传输技术应用方面的视野，开拓了电力电子技术的研究思维，还提供了学生在电力线载波通信技术中的实践技能，培养了学生的创新能力，收到了良好的教学效果。

参考文献

[1] 李建岐，陆阳，赵涛，等.新一代电力线载波通信关键技术探讨[J].电力信息与通信技术，2013.11（12）：1-5.

[2] 孙海翠，张金波.低压电力线载波通信技术研究与应用[J]，电测与仪表， 2006.8：54-57，43.

[3] 向敏，文超，文成亮.基于IPv6的电力线载波通信分片独立的重传机制[J].电网技术，2015.1：169-175.

[4] 闫磊，常海娇，许鸿飞，等.中压电力线载波通信现状及发展趋势探讨[J].电力信息与通信技术，2014.12（1）：12-16.

[5] 朱旭，唐显锭，蒋紫东，等.基于电力线载波通信技术的LED 路灯控制系统设计[J].照明工程学报，2012.23（2）：66-70.

[6] 母金文.基于电力线通信的户外视频监控网络改造[J].无线电通信技术，2016.42（1）：28-30，72.

[7] 张敏杰，秦玉臣，王洪阳.基于互联网的建筑能源管家解决方案设计与实现[J].电力需求侧管理，2016.1：28-33.

[8] Andrea M.Tonello，Fabio Versolatto，and Mauro Girotto.“Multitechnology（I‐UWB and OFDM） Coexistent Communications on the Power Delivery Network，” IEEE Trans. Power Delivery，vol.28（4），pp.2039‐2047，October 2013.

[9] Vladimir Oksman， and Jin Zhang，“G.HNEM： The new ITU-T standard on narrowband PLC technology，” IEEE Communication Magazine， pp.36-44，December 2011.

[10] 马黎君.物理实验教学探究性学习体系的探索[J].实验室研究与探索，2005.24（9）：77-78.

[11] 何世彪，吴红桥，王杰强，等.电力线载波通信定时同步算法及其FPGA实现[J].计算机应用，2011.31（11）：2918-2921.

[12] 李北明，王俊，薛伟，等.基于循环映射算法的并行组合扩频通信[J].系统工程与电子技术，2016.38（7）：1654-1659.

[13] 颜剑华，任峻.基于SystemView的扩频通信系统的仿真和分析[J].电子设计工程，2016.24（11）：99-101.

[14] 何志良，张然，陶维青.窄带高速电力线载波通信发展现状分析[J].电测与仪表，2013.50（5）：68-71，114.

[15] 莫德举，刘海勇.家庭网络中通用电力线载波模块的设计[J].电测与仪表，2004.41（12）：39-42.

[16] 韩云海，吴焕周，丁晓玲.化学探索性教学过程设计[J].实验室研究与探索，2007.26（1）：148-150.endprint