浅谈电力载波技术在照明系统中的应用

摘  要：通过对电力载波技术的原理与应用进行探讨，针对学校实验室，分析基于电力载波技术的照明控制系统的应用。旨在倡导节能减排，促进资源的合理利用，避免不必要的电力浪费。

关键词：照明系统;电力载波;通信技术

0    引言

电力载波通信技术，是以电力线作为传输媒介来实现数据传递和信息交换的通信技术。它的工作原理是：通过对信号源发出的信号进行编码和调制，把信息上传至信道上，并通过现有的电力线进行传输，在接收端将耦合的信息解调，再译码后送给用户端，从而完成信息的传递。电力线具有分布广泛、直达用户、接入操作简单、设备成本少等特点，利用它进行数据通信，传递各种信息，结构简单、维护方便。这种技术目前在电力生产、电网管理、智能抄电表等领域广泛应用。

1    目前室内照明系统存在的问题

1.1    手动控制，人工成本大

不论是实验室用灯光，还是家用灯光，都存在这样的问题：需要开关灯时均是人工手动操作。如果室内面积较大，灯具较多且开关距离较远的话，人工开关灯还是比较费时的，这样不利于节约电能。针对高校实验室的灯光使用更是如此，一般情况下实验室较为集中，但可能出现不同学科、不同实验室分布在一起的情况，这样要控制某盏灯效率不高。

1.2    多是分布式，不好集中控制

针对实验楼或多个实验室的场合，灯具的分布较为分散，如需开关灯有可能要楼上楼下地跑。如为家用，一般情况下各个房间的灯光开关都分布在每个房间，若要开关其他房间的灯，必须去所在房间的开关处才能进行操作。

1.3    故障发现不及时

目前需要通过人工进行实地检查才能看到每個灯具的工作状态，才能针对有故障的灯具进行维修。但如果房间较多且分散，那么要查找有故障的灯具是件耗时耗力的事情，要么需要专人排查故障，要么需要使用人员上报故障情况，不能实现精细化管理。

1.4    灯光调节模式单一

需要开关灯时都必须手动操作，且灯具不能根据外界环境等自动调节明暗程度;又或者室内无人时，灯具不能自动关闭，这样势必会造成电力资源的浪费。

2    几种通信技术的比较

为了改善室内照明系统存在的如上问题，现介绍几种无线通信技术。

2.1    电力载波技术

电力载波技术是指利用现有的电力线进行载波传输信号的技术，其特点是无需额外架设通信线路，利用现有的电力线路就可以进行信号传输，所以其设备成本较低，结构简单，分布广泛，可远程传输。目前，该技术在智能远程抄电表、智能家居中都有较成熟的应用。但是该技术有以下缺点：配电变压器会阻隔电力线中载波信号，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;在传输过程中，由于传输线路上的噪声，如线路上的电气开关状态的改变或自然界中打雷等天气对传输线的干扰等，都会造成电力线载波的信号衰减、不稳定，并影响传输速率。

2.2    GPRS通信技术

GPRS英文简称为“General Packet Radio Service”，中文名称为通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。相对原来GSM拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、自如切换等优点。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理技术，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。GPRS是GSM网络向第三代移动通信系统过渡的一项2.5代通信技术，在许多方面都具有显著优势，它特别适用于间断的、突发性的、频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS可提供高达115 kb/s的传输速率，理论带宽可达171.2 kb/s，实际应用带宽大约在40～100 kb/s。其具有数据传输速度快、永远在线和按数据流量计费三个突出的优点。但正因为采用了分组的形式进行数据传送，GPRS会发生一些包丢失的现象。

2.3    ZigBee无线通信技术

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（欧洲流行）和915 MHz三个频段上，分别具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的传输速率，它的传输距离在10～75 m的范围内，但可以继续增加，其具有低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠安全等特点。ZigBee模块广泛应用于智能电网、遥感勘测、农林业、消防安全等领域。通过组网，将终端连接在模块通信范围内，通过对网络中的路径进行搜索，分析位置关系，按照就近原则，选择最近的信道进行数据传输，如果传输断连，再换稍远的通路进行传输，最终建立一条传输数据的路径。但是目前ZigBee芯片出货量比较大的TI公司，其芯片成本均在2～3美元，再考虑到其他外围器件和相关2.4 GHz射频器件，成本难以低于10美元。同时，采用该技术进行无线通信，信号穿墙能力弱，如在照明控制系统中应用，针对多房间、多楼层的照明系统的集中控制，由于房间之间墙、门窗等的存在，信号传输都会受到一定的影响。

3    调制解调技术的仿真

相比GPRS通信技术和ZigBee无线通信技术，电力载波通信技术具有其独特的优势：电力载波是通过现有的电力线传输信号。在发送端将需传输的信息进行调制、编码后上载到电力线通道上进行传输，在终端位置又将接收到的信息通过解调、译码来完成信息的完整传输。普通照明系统属于低压配电线路，利用现有资源的分布，采用电力载波技术，投资成本较小又直达用户，所以，电力载波技术十分适合应用于照明系统的控制。

對于载波模块，选用东软载波ES1642，它是专用于220 V交流的性价比较高的模块，其采用的是BPSK调制技术，其原理是：振幅和频率保持不变，利用载波的相位变化来传送数字信息。通常用初始相位0和π表示二进制数1和0，即规定数字基带信号为0时，已调信号相对于载波相位为π;数字基带信号为1时，已调信号与载波信号同相位。进行解调时，由于BPSK幅度不变，故需进行相干解调。经过带通滤波的信号在相乘器与本地载波相乘，然后通过低通滤波将高频成分去掉，最后进行抽样判决，正抽样值判为1，负抽样值判为0。

现利用MATLAB仿真其调制解调的过程。设计流程为：先利用rand随机产生一组元素为10的数字序列，再根据BPSK的调制原理调制信号，接着利用相干解调法，将调制的信号经过带通滤波器后和余弦信号相乘，再经过低通滤波器进行抽样判决，最后得到解调后的波形。仿真结果如图1所示。

部分程序如下：

%产生双极性脉冲序列

g1=a; g2=～a;

g11=（ones（1，2000））'*g1; g1a=g11（：）';

g21=（ones（1，2000））'*g2; g2a=g21（：）';t=0：dt：10-dt; t1=length（t）;

psk1=g1a.*cos（2*pi*f*t）;

psk2=g2a.*cos（2*pi*f*t+pi）;

sig_psk=psk1+psk2;no=0.01*randn（1，t1）;sn=sig_psk+no;

%产生乘法器输出信号和低通滤波后输出信号

bpf=fir1（101，[19/1000，21/1000]）;H=filter（bpf，1，sn）;

sw=H.*cos（2*pi*f*t）;%乘法器输出信号

lpf=fir1（101，[1/1000，10/1000]）;st=filter（lpf，1，sw）;%低通滤波后输出信号

figure（2） subplot（2，1，1）;plot（t，sw）;

title （'乘法器输出信号'）;ylabel （'幅度'）;subplot （2，1，2）;plot （t， st）;

title （'低通滤波后输出信号'）; ylabel （'幅度'）;

%抽样研判后进行解调输出

sig = zeros （1： t）;

for i = 1： length （t） if （st（i）>=0）  sig （i） = 0;  else  sig （i） = 1;

end

end

figure （3） subplot （2，1，1）; plot （sig）; axis（[0，20000，0，2]）;

title （'经过抽样判决后解调出的波形'）;

ylabel （'幅度'）; subplot （2，1，2）; plot （g1a）; axis （[0，20000，0，2]）;

4    结语

综上所述，电力载波通信技术具有广阔的应用空间，有必要开展深度研究，开发出性能更可靠、功能更多样、使用更便捷的载波技术。随着科技的不断发展、新技术的不断诞生，电力线载波技术也必将得到进一步的改进、发展和完善，同时也会使得照明控制更加智能化。

[参考文献]

[1] 刘丽霞.电力线载波通信技术的发展及特点[J].内燃机与配件，2018（1）：223-224.

[2] 刘贵娟.通信技术应用与工程实践研究[J].中国新通信，2018，20（2）：8.

[3] 宋士龙，王承民，彭石.配电网多频带自适应电力载波通信技术研究[J].电器与能效管理技术，2019（14）：8-13.

[4] 张友运.新一代电力线载波通信的重点技术研究[J].信息与电脑（理论版），2017（9）：162-163.

[5] 杨国强，崔丽珍.基于低压电力载波远程集中抄表系统的设计与实现[J].信息记录材料，2017，18（7）：82-83.

[6] 李济川.电力载波通信PLC技术在充电桩建设中的应用[J].集成电路应用，2019，36（6）：53-55.

收稿日期：2020-06-16

作者简介：翟逸飞（1983—），男，甘肃兰州人，讲师，主要从事智能控制的教学和研究工作。