低壓電力線高速載波通信

低壓電力線高速載波通信，簡稱HPLC，是一種電力線載波通信技術，多用於低壓台區用電信息採集系統本地通信中（如抄表）。通信方式採用OFDM技術，通過不同子載波禁止方案，可以配置不同的通信頻段，典型的通信頻段有2~12MHz、2.4-5.6MHz、1.7-3MHz、0.7-3MHz等，FFT的點數為1024點，採樣率為25MHz，子載波間隔為24.414KHz，編碼算法為Turbo雙二元編碼，物理塊的大小包括PB16、PB72、PB136、PB264、PB520等5種類型，碼率包括1/2和16/18兩種形式，調製方式有BPSK、QPSK、QAM16等3種方式，採用不同的分集拷貝模式，在不同的噪聲及信道條件下，可以達到從100Kbps至1Mbps的通信速率。

基本介紹

• 中文名：低壓電力線高速載波通信
• 外文名：HPLC
• 所屬學科：信息與通信工程
• 類型：電力線載波通信技術

發展現狀

為引導我國電力線通信產業的健康發展，迫切需要結合我國的電力線信道特點和技術積累開展電力線通信標準的制定工作，從底層到上層制定一系列配套標準，把擁有我國自主智慧財產權的技術吸納進來。

1.現有寬頻載波標準不能滿足套用需求

現有寬頻載波標準存在以下幾個方面的問題:

(1)現有國外標準的制定大多著眼於要套用於各個套用領域，如家庭智慧型組網、電力線上網，因此標準制定得非常複雜，更多追求傳輸速率的優越。

(2)國外的電力線頻段規劃清晰，電氣產品非常規範，因此電力環境相對乾淨，和國內電力線環境差異非常大。

(3)國外產品的成本非常高，給產業化的推廣帶來了制約。

(4)國外產品的通信距離不佳，無法滿足套用的需求。

(5)現有國外寬頻載波通信標準都是面向短距離且簡單的套用，如網際網路接人、電動汽車充電控制等，缺失遠距離、面向上百個節點的複雜網路套用(如電力用電信息採集、路燈控制、能耗監測等)寬頻載波通信標準。

因此，亟須基於國內電力線環境的特性，立足本國國情，並緊緊圍繞電力線通信發展需求，制定具有我國自主智慧財產權的高速電力線通信標準。

2.自主智慧財產權

電力線通信作為一種基礎性的核心通信技術,涉及信息安全和網路安全。因此，以標準制定為契機，使我國的企業和科研機構積極參與到高速載波通信技術的研發中，集中社會資源提升我國寬頻電力線通信產業的技術含量，開發出我國自主的電力線通信核心技術，並遵循以下原則。

(1)要儘量保證國內企業擁有自主智慧財產權，掌握關鍵技術。

(2)對相關國際電力線載波通信技術進行專利分析,根據分析結果進行標準化布局。

(3)對核心與關鍵技術，要保證我國擁有自主智慧財產權，並且積極推動企業和科研機構就這些技術進行研發和專利申請。

(4)使用擁有自主智慧財產權的標準，才能夠在標準的實施過程中避免受制於人。

(5)在技術開發完成後，加強技術的智慧財產權保護，同時將自有技術納人國家標準中，形成擁有自己掌握核心技術與智慧財產權的高速電力線通信標準。

關鍵技術

1.正交頻分復用(OFDM)技術

OFDM調製是一種正交多載波調製方式，基本思想是把輸入信息轉換成多路並行信號，利用快速傅立葉變換，將信號調製到相互完全正交的載波上，行程OFDM信號。雖然這些信號的頻譜相互重疊，但是子載波之間是相互正交的，即在一個符號周期內，任何兩個子載波相關性等於零。這樣，即使各載波上的信號頻譜存在重疊，也能保證在接收端不失真地恢復各子載波信息。

2.編碼技術

Turbo編碼技術採用卷積碼和隨機交織器的結合，實現了隨機編碼,同時又採用軟輸入軟輸出疊代解碼來逼近最大似然解碼。Turbo碼的一個重要特點是解碼採用了疊代解碼方法,而且在編碼器中均採用了交織器,交織器的引用有效的實現了隨機解碼的思想,通過級聯方式有效的實現了長碼,所以Turbo碼達到了靠近香農理論極限的性能。

3.自適應技術

鏈路級自適應技術可根據電力線信道的變化自適應的改變調製方式、編碼方式、傳送功率和信號頻寬等參數,以便最大限度的傳送信息,從而有效提高頻譜效率。自適應調製就是根據電力線信道狀況調整各個子載波的調製方式,當信道條件好時,採用高階的調製方式,當信道條件差時,採用低階的調製方式。與傳統的單載波相比,多載波OFDM系統使用鏈路級自適應技術會具有更高的靈活性,並能夠獲得更好的系統性能。同時，低壓電力線高速載波通信還支持傳輸頻段的自適應，可支持多個通信頻段。

4.物理層架構

HPLC物理層架構

在發射端，物理層接收來自數據鏈路層的輸入，採用兩個分開的鏈路分別處理幀控制數據和載荷數據。幀控制數據通過Turbo編碼後，進行信道交織和幀控制分集拷貝；載荷數據經過加擾、Turbo編碼以及信道交織和載荷分集拷貝後，和幀控制數據一起進行星座點映射，映射後的數據經過IFFT處理後添加循環前綴形成OFDM符號，加入前導符號進行加窗處理後，形成PPDU信號送入模擬前端最終傳送到電力線信道中。在接收端，從模擬前端接收到數據協同採用AGC和時間同步分別對幀控制和載荷數據進行調整，並對幀控制和載荷數據進行FFT變換後，進入解調、解碼模組，最終恢復出幀控制信息的原始數據與載荷的原始數據。

5.分集拷貝技術

分集拷貝過程

通過將相同的數據拷貝到不同的載波和不同的OFDM符號上，可以提高系統對抗電力線信道以及干擾的能力。考慮到幀控制頭和載荷的不同特點，幀控制頭採用相對固定的分集拷貝方式，而載荷採用較為靈活的分集拷貝方式。分集拷貝模式表示這一幀的載荷中的編碼碼率、調製方式、分集拷貝次數、物理塊數、物理塊類型。分集拷貝模式編號在幀控制幀中攜帶，接收機解出幀控制後就可以得到解載荷所需信息。

6.陷波技術

設計TONEMASK機制，並採用時域加窗方式降低OFDM系統的帶外輻射功率，使信號達到帶外頻譜要求。

HPLC互聯互通測試系統

HPLC互聯互通測試系統根據《低壓電力線高速載波通信互聯互通技術規範》研製開發，該測試系統檢測對象為本地通信單元晶片（集中器I型/HPLC）、通信單元晶片（單相/HPLC）、通信單元晶片（三相/HPLC），檢測項目包括：性能測試、協定一致性測試、互操作測試，近200條測試用例。測試系統主要考察被測設備的性能指標、協定一致性指標、混裝通信是否滿足技術規範要求。

其中性能測試主要考察被測模組的性能指標是否滿足技術規範要求，主要包括頻寬和功率譜密度（PSD）測試、抗衰減、抗窄帶、抗頻偏、抗脈衝、抗白噪測試以及通信速率測試等；協定一致性測試主要考察被測模組在載波通信過程中所發的數據幀格式是否符合技術規範要求以及被測模組能否正確處理標準設備發出的標準數據幀；互操作測試主要考察被測模組與標準模組之間能否混裝通信，軟體平台通過控制程控衰減器（強電）和噪聲源可實現星形、線形、樹形以及多網路等拓撲結構之間的切換，可實現最大網路層級15級，主要包括全網組網、全網抄表、新增站點入網、站點離線、代理變更、廣播校時、搜表功能、事件主動上報、實時費控以及多網路綜合測試中的相位識別測試。

該測試系統由中國電力科學研究院有限公司計量研究所研製，採用工頻與載波通信信號分離的方式，解決了外部環境的干擾問題，可以定量和定性地分析高速載波通信設備的信號質量、組網性能，測試結果穩定、可靠、可復現，滿足國家電網企業標準對性能測試、協定一致性測試、互操作性等要求，具備很強的實用性和推廣價值，適用於對低壓電力線高速載波通信相關產品的定量分析和檢測認證。

深化套用功能

基於HPLC技術，可實現高頻數據採集、停電主動上報、時鐘精準管理、相位拓撲識別、台區自動識別、ID統一標識管理、檔案自動同步、通信性能監測和網路最佳化等功能。

1.高頻數據採集

利用HPLC高速率特點，可以有效提升電能表自動抄表成功率；並可實現電能表電壓、電流數據的高頻採集，可以開展供電線路老化趨勢分析，監測電網電壓質量和負荷波動情況。

2.停電主動上報

通過低時延，保障停電/復電事件的上報和遠程遙控指令下發的及時性，在HPLC子節點通信模組中（如電錶STA，II型採集器）配置超級電容，可實現停/復電後的事件主動上報，由被動搶修變為主動搶修，提高供電可靠性，提升客戶服務保障能力。

3.時鐘精準管理

依託HPLC低時延通信和靈活的廣播校時機制，可以保證電錶與集中器之間的時鐘同步及精準管理，為分時電價、階梯電價政策的實施提供技術保障。

4.相位拓撲識別

若供電線路三相負荷不平衡，輕則降低線路和配電變壓器的供電效率，重則會因重負荷相超載過多，會造成某相導線燒斷、開關燒壞甚至配電變壓器單相燒毀等嚴重後果。通過HPLC技術的相位識別功能，可以判斷出A、B、C三相相位及線路拓撲關係，有助於提升配網三相不平衡及線損分相治理水平，對提高供電可靠性具有重要意義。

5.台區自動識別

準確建立台區戶變關係是確保台區線損計算準確的關鍵所在，採用台區識別技術，可以識別不同HPLC網路的工作檯區，進而提高戶變關係判斷的準確性，有利於台區線損的管理，提高電網經濟運行水平。

6.ID統一標識管理

依託全球統一物聯網ID標識管理系統，為HPLC晶片建立統一的物聯網設備身份標籤，在晶片出廠、檢驗、運行等環節實現全壽命周期管理，並通過身份鑒權機制，可以避免非法設備的接入，保障了網路的安全。

7.檔案自動同步

利用HPLC高速率的特點，以及台區自動識別的功能，通過基於面向對象通信協定，可以實現電能表檔案信息、設備參數自上而下、自下而上的雙向同步，確保了設備檔案信息的準確。

8.通信性能監測和網路最佳化

每個HPLC節點都具有信號強度、相鄰節點信息、網路路徑信息等參數，在主站可以監測每個設備的狀態信息，可以對不同的晶片廠商、模組廠商設備運行情況進行評價。並可通過監測數據，分析網路運行水平，調整HPLC性能參數，對通信網路進行持續最佳化。

套用場景

低壓電力線高速載波通信技術最典型的通信場景就是在低壓用電網路中的電能量採集業務，低壓配網信息採集及故障檢修業務。從上世紀90年代，電錶集抄業務的開展推動了低壓電力線窄帶載波技術的發展，但隨著業務需求的發展，電采業務的數據量和實時性的需求顯著提升，窄帶載波支撐能力出現瓶頸，低壓電力線高速載波通信技術就是應對不斷提高的電采和配網採集需求，針對低壓台區“最後一公里”電力線信道特點，專門設計的載波通信技術。

隨著新型能源、分散式能源、電動汽車的套用，高速載波在這些領域也有套用的探索，例如通過電力線載波進行城市路燈控制、進行大型燈光系統的控制調度，在光伏電站中對每個逆變單元進行監控測量，在電動汽車充電過程中實現充電設施與電動汽車之間的信息互動。