宋永華 肖 穎 英國Brunel大學
張琪 北京博世杰電力技術研究所，100083 北京
摘要 介紹了在電力線載波領域取得的最新重大突破——數字配電線載波技術(DPL)。該技術可以有效地保護配電線上傳輸的信號不受干擾，因而使得電力公司可以通過現成的配電線路為用戶提供高速、可靠而費用低廉的因特網、多媒體以及其他信息服務。該項技術引起了世界范圍的電力界和商業界的廣泛關注。目前已有150多家電力公司對此進行了業務咨詢，其中包括大多數世界級大電力公司。
關鍵詞 數字配電線載波 電力線載波 高頻調制電力網絡 調制單元 因特網 萬維網 多媒體
TECHNOLOGICAL BREAKTHOUGH OF POWER LINE CARRIER DIGITAL POWERLINE TECHNOLOGY AND ITS APPLICATIONS
Song Yonghua Xiao Ying
Brunel University, UK
Zhang Qi
Beijing BSJ Power Technology Institute,100083 China
ABSTRACT The paper introduces Digital PowerLine technology, which is reported to be a technological breakthrough in the field of Power Line Carrier. The Digital PowerLine technology, which can screen the data from electrical interference, enables electricity companies to deliver reliable, low cost and high-speed Internet and other information services to electricity customers over existing distribution cables. It allows data to be transferred at over one megabit per second-over ten times faster than ISDN(Integrated Services Digital Network), currently the fastest generally available speed for domestic users. It has already been attracting significant international commercial interests, with business inquiries from more than 150 utility companies, including most of the major power utilities around the world.
KEY WORDS Digital PowerLine Power Line Carrier HFCPN CU Internet WWW Multi-Media
1 簡介
電力線載波（PLC )并不是新技術，多年來一直被電力公司作為網絡管理的工具。通訊工程師們也一直在尋求利用電力線路進行通訊的方法。在設計通訊系統時的最基本要求是保證有足夠大的信噪比。這對基于電力線載波的通訊系統來說，是最大的困難。因為當電氣設備投切，甚至開關一盞電燈時，都會對配電線上傳輸的信號產生干擾。另外，配電網絡的阻抗也隨之發生相應變化，導致網絡的傳輸和衰減特性發生顯著的波動。
英國聯合電力公司的子公司Norweb通訊公司早在1990年就開始對電力線載波通訊進行研究。1995年，該公司又與加拿大Nortel 公司聯手，共同開發這項新技術。他們對于曼徹斯特的15個家庭用戶進行了在配電線上承載電話服務的試驗，結果令人振奮。然而，電話服務方面的經濟性并不能足以擊敗象BT這樣的電話公司。此外，對于因特網用戶來說，訪問速度仍然是一個瓶頸。因而，他們改變了策略，決定擴展其系統通訊能力，使之成為一個能夠提供經濟、快捷地獲取因特網訪問服務的工具［1］。
1997年10月，這兩家公司聲稱已經解決了電力干擾等問題，取得了電力線載波技術的重大突破，利用新開發的數字配電線載波技術(DPL—Digital Power Line )實現了在配電網絡上進行的遠程通訊，從而將四通八達的配電線轉化為信息高速路的通道。目前，該技術可為家庭和中小型用戶提供速度最快的通訊方式。1998年3月25日，成立合資公司NOR.WEB，進行該技術的市場推廣。
DPL技術是針對于能夠加強本地、區域性以至全球范圍的家庭和中小型公司的數據訪問性能和響應性能，采用改進的因特網規約( IP )以及復雜的專用電子裝置來沿低壓配電電纜網絡傳輸MHz級的數字高頻通訊信號，同時監視導致信息失真的脈沖信號以及其他形式的電干擾，從而實現了利用配電網絡為家庭和中小公司提供數字電話、傳真以及因特網通訊服務的手段［2］。由于數據傳輸中的數據流是被分切后封裝起來進行傳輸的，而不是以連續的信號流的形式傳輸，因而數據傳輸不象聲音通訊那樣易受干擾。此外，IP可以保證被噪聲影響的封裝可以再傳一次。可見，該技術可以保證網絡上傳輸的數據不因電力線上固有干擾的影響而降低。另一方面，由于數字化雙工設備的采用，調制過程的應用及無線裝置性能的改善，可利用的通訊帶寬已增加至原來的100倍。
2 DPL技術產生的背景及優越性
目前，全世界范圍大約有6000萬因特網用戶，且以每年翻一番的速度遞增。但服務速度和訪問服務的費用是快速和深入地拓展家庭及小公司的因特網市場的最關鍵障礙，而DPL技術則具有克服這種障礙的能力。
由于WWW承載負擔過重，已經不能為用戶提供高效的服務。對于公司或團體來說，利用Intranet來提高服務的速度和質量以及安全性的趨勢日益明顯。該趨勢為電力公司開發自己的虛擬網絡或Intranet來為中小型公司提供相對高速、高質和高安全性的信息服務提供了極好的機會。而電力公司本身即具有網絡遍及所有家庭和單位的先天優勢，因而網絡投資費用的節省極為可觀。而且，隨著Internet/Intranet市場的日益發展，可以為用戶提供更廣泛、更全面的服務，如家庭銀行服務、家庭購物等具有高附加值服務。這意味著為電力公司提供了更多的商業契機。
與此同時，由于多媒體通訊技術的迅速發展，遠程通訊交換和傳輸領域中向數字技術的快速轉移，光纖通道的應用，模擬信號向數字信號轉換，使得利用計算機進行信息處理和集成成為可能。例如，聲音信號一旦數字化，即可與文本和靜止的或動態的圖像相結合，因而可以最大限度地滿足用戶的各種不同需求。當終端設備具有PC或工作站的形式時，多媒體的應用可以從各種不同的來源訪問數據，并用文本或靜止的或動態的圖像將其表示為易懂的鮮明的形式［3］。
據專家預測，至2000年，1/3的聲音通訊將利用IP電話技術把聲音信號轉化為數據并通過因特網來進行。數據處理仍然是最關鍵的問題。
在配電網絡上實現DPL技術的優越性有：
* 對于電力公司來說，配電網絡是現成的，因而應用DPL技術的投資遠小于其他寬帶通訊系統。
* 由于配電系統連至千家萬戶，因而通過該網絡可為用戶提供極方便的因特網服務。
* 該技術使得由調制的低壓網絡傳送因特網和數據訪問的速度比目前最快的家用系統－集成服務數字網絡（ISDN—Integrated Services Digital Network）的速度提高了10倍，比與普通電話線連接的高速調制解調器快20倍。
* 在采用DPL技術的配電系統中，用戶與因特網始終相連，可隨時提供服務，根本無需撥號，因而極為方便。
* 用戶每月只需付30鎊的基本費用(不到英國用戶平均電話費用的一半)，而且還可以不限時地使用，這對于用戶來說格外具有吸引力。
* 用戶可以在收授電話的同時進行對因特網的訪問，解決了只有一條電話線的用戶想使用電話時只能斷開因特網的煩惱。
* 服務容量極易擴展。
* 對于電力公司來說，很容易開拓新市場。
* 這些信息服務的提供，可為電力公司在提高效率、增強電力市場中的競爭力以及加深與用戶的關系等方面起到重要作用。
由上可以看出，該技術不僅能夠為因特網用戶提供方便的廉價服務，而且使得電力公司能夠一次解決因特網用戶所面臨的三大難題：直接在家庭中進行數據訪問、數據傳輸速率及投資費用。
3 DPL技術特點及實現
3.1 遠程通訊網絡和配電網絡的特點
在遠程通訊中采用公共電話交換網（PSTN)本地訪問結構，常被設計成以本地電話交換機為中心，通過金屬導線輻射至每個用戶的星型網絡結構。
與此相類似，配電網絡也包含各種形式的金屬導線。每條配電線路由變電站配電變壓器出發呈輻射狀延伸至250 m遠處。任何一條配電線路都可為大約150個居民用戶提供電力服務。
可見，傳統的PSTN和低壓配電網絡，雖然前者提供聲音服務而后者提供電力服務，但它們都是由金屬導線構成，結構相似，都提供了與絕大多數家庭相連的通路，因而這為利用配電網絡進行高頻遠程通訊業務提供了前提和基礎。
3.2 高頻調制電力網絡(HFCPN)的產生
目前所實現的DPL技術是將配電電纜系統進行調制，使之可以同時傳輸兩路甚至多路電信號而不會產生任何互損。這些信號的頻率范圍很寬，從超低頻(如50/60 Hz)到超高頻(如500/600 MHz)。
該調制是通過在相應的網絡互聯點上安裝三出口的定向耦合調制單元(CU)實現的。CU的基本元件如圖1所示。它包括一個以互聯的高通和低通濾波器組成的網絡出口（NP）、一個通訊分配出口(CDP)和一個電力分配出口(EDP)的頻感方向耦合器。在低壓電纜網絡上使用一定數目的CU就會構成所謂的HFCPN。其結構如圖2所示。
調制單元(CU)具有以下功能：
* 安全有效的信號互聯，頻率大于1 MHz；
* 定向的頻率大于1 MHz的信號傳輸；
* 一個最小的噪聲基高于1 MHz；
* 大于1 MHz的不同用戶負荷的分隔；
* 提供供電和遠程通訊服務的合適的網絡服務終端點；
* 電纜網的最優頻譜性能。
之所以選1 MHz作為最低頻率，是因為在該頻率下，可裝設的方向耦合器比較經濟、有效，而且物理尺寸合適，且能為各配電用戶提供100 A、230 V和50 Hz的電力服務。
3.3 HFCPN的特點
一個典型HFCPN的特點是穩定性高和對噪聲的容錯性強。對于變電站來說，當高峰信號水平在1～10 MW之間時，可為遠端用戶提供6～10 MHz的可用的頻率范圍，為近端用戶提供超過20 MHz的可用頻率范圍。網絡的頻譜效率決定于以下標準：
* 每條配電線路上的用戶類型和分布密度，典型的為50個；
* 多訪問需求的類型，如為專用的還是為交換的；
* 服務需求，如聲音、數據、靜止或動態的圖像等等；
* 傳輸技術是數字的或模擬的；
* 調制和編碼及壓縮方式，如每一單位可用頻率范圍的數據位；
* 平均通訊密度及峰值。
本文所介紹的用于居民用戶的典型數字服務訪問平臺( 如圖3所示 )，是將150個潛在用戶分為一組，連在基于一個變電站的服務器上。為了提供對于區域性和全國范圍服務提供者的訪問，該服務器將依次通過寬頻帶的同軸電纜或光纖無縫地集成在一個廣域網（WAN）上。不僅如此，為了方便地提供與本地服務提供者相連的可選訪問途徑，還可通過32kb/s, 64kb/s或ISDN交換服務提供輔助互聯。
3.4 DPL技術實現
DPL技術，可以為用戶提供端對端的數據服務，將數據由本地變電站直接傳輸至用戶家庭或公司。其目標是使用戶訪問因特網象使用電話那樣方便。因而，從通訊角度來看，是將現成的低壓配電網絡轉換成局域網（LAN)。
DPL技術的實現需要四種硬件裝置：
(1)DPL1000主站（位于中心變電站）
它有一個多服務開關——Nortel Passport 160，可以提供可管理的、高性能的致力于基于IP的主干網絡傳輸服務；提供高級網絡管理功能；可以傳輸由主干網絡來的其他服務。
(2)DPL1000基站（與變電站相鄰)
它是一個可控的裝置，可將低壓配電線與信息回饋網絡相連；在基站內，有很多線路卡與每個變電站的配電線相連。利用標準遠程通訊技術通過普通的光纖或導線可以與中心開關進行通訊。
(3)DPL耦合單元（安裝在用戶電表附近)
它通過低壓電纜連至用戶計算機內的線路板上，用來接收和發送提供信息服務的數據。該‘黑匣子’還可與家居設備相連，如電爐、集中供熱系統以及防盜報警系統等等，以實現遙控。
(4)DPL1000通訊模塊（位于公司或居民家庭）
它是與用戶相連的網關與USB&Ethernet接口，以匹配PC或其他終端設備(如Mac, UNIX, 工作站，傳真機等)，還可以為TV、網絡計算機和游戲平臺提供信息服務；可以同時支持多個用戶設備。與用戶計算機或其他用戶數據設備相連，以提供通訊軟件，服務提供者可以利用這些軟件為用戶提供不同的訪問速度和一定范圍的訪問權限及選擇。
一組DPL的標準元件最多可以支持大約200個家庭或商業用戶的通訊服務，與英國一個典型變電站所提供供電服務的用戶數相當。該容量可以根據需要進行擴充，僅需在變電站中增加線路卡而已。
4 DPL技術的應用
利用DPL技術所實現的功能除了如第2節中所述的為用戶提供方便、迅捷而廉價的因特網和多媒體服務外，還有：
* 能量管理 可將新式電表、可編程控制器以及智能式供/需方管理裝置相連，使得電力公司能夠實現新的收費制度，從而有利于電能的合理利用；
* 遠程工作 遠程工作者通過Intranet的訪問其公司的網絡及數據庫的數據量日益增加，若采用PSTN或ISDN撥號服務則工作效率很低。若通過DPL的文件訪問，則工作效率可以顯著提高，而并不犧牲數據的完整性或降低安全性。
* 在線電子購物/商務；
* 遠方監視服務 DPL通訊的永久連接可以支持報警/監視系統的有關保安應用，為其提供實時的信息或狀態顯示。
* 支持配電自動化的發展 DPL可以支持遠方自動讀表，為電力公司控制高峰負荷提供幫助。還可提供實時故障信息顯示，為故障檢測、定位和恢復供電提供強有力的支持。
* 聲音服務 在不久的將來，IP上的聲音服務將會成為現實。
5 DPL試驗
1995～1997年兩年間，Norweb和Nortel公司已經成功地在英國曼徹斯特對20個居民用戶進行了試驗，其中包括聲音服務。最初的試驗是在Greater Manchester地區本地變電站和20個用戶之間進行的，持續了兩年，最后證實了利用2.2～6MHz頻段的一個封裝交換的通訊規約，連同足夠的網絡調制，其數字化聲音和數據的傳輸的可靠性超過99.9%。在美國和澳大利亞進行的另一試驗證實了在不同網絡構架上傳輸的可行性。
1997年11月，位于英格蘭西北部曼徹斯特的一所中學成為Norweb通訊公司和Nortel公司所完成的重要技術成就——DPL的第一個公共用戶，并成功地運行至今。其中12臺PC機通過配電線連至因特網上。由于通訊速度高達1 MB/s，因而只用一條連線就可以實現在12臺PC機上的同時操作。學校老師反映，該技術的高數據傳輸速率克服了利用因特網作為教學工具的實際存在的障礙，幾乎可以達到沒有延時。
1998年春天，這兩個公司在2000多個英國家庭中進行了試驗。夏天，Norweb通訊公司已為英格蘭西北部的2000個居民和商業用戶提供了通過電力線的商業因特網服務。
6 DPL技術的推廣
DPL技術的應用可以獨立的、分目標、按一定步驟逐步展開。利潤最大的區域具有高優先級，可以率先應用該技術。
對于不打算自己提供高頻數字遠程通訊服務的電力公司，可以向一個或多個獨立的信息服務公司頒發利用電力公司網絡的許可證，而電力公司收取一定的網絡租用費。
推廣應用的方式有：
* 電力公司安裝數字配電線載波設備，向一個或多個獨立的遠程服務公司頒發網絡使用許可證；
* 電力公司安裝數字配電線載波設備，向遠程服務公司提供端對端網絡服務；
* 電力公司安裝數字配電線載波設備，利用端對端網絡，本身擔當遠程通訊服務公司的角色。
近幾年，NOR.WEB公司已經開發并完善了一個詳細的業務模型。利用該模型以及與電力公司電網及要評估的目標市場相關的大量關鍵參數，可以得到固有回收率（IRR-Internal Rate of Return）及償還期限等指標來支持電力公司進行DPL技術應用的業務決策。
但目前推廣應用DPL技術也有一些困難。如：
* 將變電站轉化為與因特網相連的網關，還需要在變電站中安裝開關以及一段高速回饋光纖網絡以承載變電站和因特網之間的數據傳輸。
* DPL這項新技術，還需要進一步發展和證實。而其他技術，如低能無線（low-power radio）、電纜調制解調器或不對稱數字電話用戶線（ADSL—asymmetric digital subscriber line）等高速通訊系統都已商業化或即將商業化，因而至少在最近兩年內，DPL技術是一項相對比較昂貴的選擇方案。
* 與電信業運行者相比，電力公司對通訊服務的工作并不熟悉，也缺乏相應的市場經驗。
7 DPL技術的應用前景
1997年10月，聯合電力公司和加拿大的Nortel公司在提出該項新技術的同時，披露了首批取得利用該技術許可證的10家公司，其中包括聯合電力公司的Norweb通訊公司、德國的giant RWE以及新加坡電力公司。這10家公司擁有電力用戶3500萬之多。此外，與另外30多家公司的洽談正在進行。該項技術引起了世界范圍商業方面的極大興趣，該消息發布后的兩周內，Norweb通訊公司接受了遍布全球的150多家電力公司多達1500次咨詢。其中包括世界級大電力公司。
DPL的前景極為可觀。該技術除了用于教育領域外，還為基于因特網的其他服務提供更為廣泛的應用，如網絡電視、電子商務、遠程工作支持、娛樂、遙控、在線銀行服務、數據備份和網上電話等等。由于通訊帶寬的大幅度擴展，因而可給用戶的每個插座都設置一個相應的e-mail地址。你可以‘fridge@home’的地址遠程訪問家中冰箱內的攝像機，以確定需要購買哪些東西，甚至還可用密碼遠方遙控開關電燈、暖氣以及防盜警鈴等等。
利用現成配電網絡承載高頻數字載波通訊信號的DPL技術開拓了一個能夠提供更廣泛、高效、迅捷而經濟的信息服務的新型遠程通訊服務構架。這種基于配電系統的擴展通訊訪問平臺與基于因特網和多媒體的用戶信息服務將相互促進，為開發后續的全球范圍的高速信息服務提供了前所未有的機會。可以預見，在不久的將來，DPL技術的廣泛而深入的應用，以及所促發的信息產業和技術的更迅猛發展，必將會引發一場嶄新的技術革命。
8 參考文獻
［1］Taujanskas A.Telecommunications for business users.TMA News and Views, August 1995
［2］Brown P A.High frequency conditioned power networks.UTC Annual Conference Proceedings, 13 July-4 August 1995
［3］Rudge, Alan W.I'll be seeing you: Multimedia communications in the 21st century.IEE Electronics and Communication,1993；5(5)
宋永華 博士，教授，博士生導師，英國皇家工程院/核電公司/西門子特聘教授。兼任中國北京博世杰電力技術研究所所長。發表論文200多篇。其中中國科學出版社和荷蘭Kluwer出版社出版的《智能技術在電力系統應用》一書獲中國1997年圖書特別獎。
肖 穎 碩士，在讀博士生。感興趣的領域是電網的規劃、運行和控制。
張 琪 配網自動化工程部經理。
