宋永华¹　肖　颖¹ 张　琪²
1.英国Brunel大学　2.北京博世杰电力技术研究所，100083　北京

1　简介
　　电力线载波（PLC )并不是新技术，多年来一直被电力公司作为网络管理的工具。通讯工程师们也一直在寻求利用电力线路进行通讯的方法。在设计通讯系统时的最基本要求是保证有足够大的信噪比。这对基于电力线载波的通讯系统来说，是最大的困难。因为当电气设备投切，甚至开关一盏电灯时，都会对配电线上传输的信号产生干扰。另外，配电网络的阻抗也随之发生相应变化，导致网络的传输和衰减特性发生显著的波动。
　　英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司早在1990年就开始对电力线载波通讯进行研究。1995年，该公司又与加拿大Nortel 公司联手，共同开发这项新技术。他们对于曼彻斯特的15个家庭用户进行了在配电线上承载电话服务的试验，结果令人振奋。然而，电话服务方面的经济性并不能足以击败象BT这样的电话公司。此外，对于因特网用户来说，访问速度仍然是一个瓶颈。因而，他们改变了策略，决定扩展其系统通讯能力，使之成为一个能够提供经济、快捷地获取因特网访问服务的工具^［1］。
　　1997年10月，这两家公司声称已经解决了电力干扰等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字配电线载波技术(DPL—Digital Power Line )实现了在配电网络上进行的远程通讯，从而将四通八达的配电线转化为信息高速路的通道。目前，该技术可为家庭和中小型用户提供速度最快的通讯方式。1998年3月25日，成立合资公司NOR.WEB，进行该技术的市场推广。
　　DPL技术是针对于能够加强本地、区域性以至全球范围的家庭和中小型公司的数据访问性能和响应性能，采用改进的因特网规约( IP )以及复杂的专用电子装置来沿低压配电电缆网络传输MHz级的数字高频通讯信号，同时监视导致信息失真的脉冲信号以及其他形式的电干扰，从而实现了利用配电网络为家庭和中小公司提供数字电话、传真以及因特网通讯服务的手段^［2］。由于数据传输中的数据流是被分切后封装起来进行传输的，而不是以连续的信号流的形式传输，因而数据传输不象声音通讯那样易受干扰。此外，IP可以保证被噪声影响的封装可以再传一次。可见，该技术可以保证网络上传输的数据不因电力线上固有干扰的影响而降低。另一方面，由于数字化双工设备的采用，调制过程的应用及无线装置性能的改善，可利用的通讯带宽已增加至原来的100倍。
2　DPL技术产生的背景及优越性
　　目前，全世界范围大约有6000万因特网用户，且以每年翻一番的速度递增。但服务速度和访问服务的费用是快速和深入地拓展家庭及小公司的因特网市场的最关键障碍，而DPL技术则具有克服这种障碍的能力。
　　由于WWW承载负担过重，已经不能为用户提供高效的服务。对于公司或团体来说，利用Intranet来提高服务的速度和质量以及安全性的趋势日益明显。该趋势为电力公司开发自己的虚拟网络或Intranet来为中小型公司提供相对高速、高质和高安全性的信息服务提供了极好的机会。而电力公司本身即具有网络遍及所有家庭和单位的先天优势，因而网络投资费用的节省极为可观。而且，随着Internet/Intranet市场的日益发展，可以为用户提供更广泛、更全面的服务，如家庭银行服务、家庭购物等具有高附加值服务。这意味着为电力公司提供了更多的商业契机。
　　与此同时，由于多媒体通讯技术的迅速发展，远程通讯交换和传输领域中向数字技术的快速转移，光纤通道的应用，模拟信号向数字信号转换，使得利用计算机进行信息处理和集成成为可能。例如，声音信号一旦数字化，即可与文本和静止的或动态的图像相结合，因而可以最大限度地满足用户的各种不同需求。当终端设备具有PC或工作站的形式时，多媒体的应用可以从各种不同的来源访问数据，并用文本或静止的或动态的图像将其表示为易懂的鲜明的形式^［3］。
　　据专家预测，至2000年，1/3的声音通讯将利用IP电话技术把声音信号转化为数据并通过因特网来进行。数据处理仍然是最关键的问题。
　　在配电网络上实现DPL技术的优越性有：
　　*　对于电力公司来说，配电网络是现成的，因而应用DPL技术的投资远小于其他宽带通讯系统。
　　*　由于配电系统连至千家万户，因而通过该网络可为用户提供极方便的因特网服务。
　　*　该技术使得由调制的低压网络传送因特网和数据访问的速度比目前最快的家用系统－集成服务数字网络（ISDN—Integrated Services Digital Network）的速度提高了10倍，比与普通电话线连接的高速调制解调器快20倍。
　　*　在采用DPL技术的配电系统中，用户与因特网始终相连，可随时提供服务，根本无需拨号，因而极为方便。
　　*　用户每月只需付30镑的基本费用(不到英国用户平均电话费用的一半)，而且还可以不限时地使用，这对于用户来说格外具有吸引力。
　　*　用户可以在收授电话的同时进行对因特网的访问，解决了只有一条电话线的用户想使用电话时只能断开因特网的烦恼。
　　*　服务容量极易扩展。
　　*　对于电力公司来说，很容易开拓新市场。
　　*　这些信息服务的提供，可为电力公司在提高效率、增强电力市场中的竞争力以及加深与用户的关系等方面起到重要作用。
　　由上可以看出，该技术不仅能够为因特网用户提供方便的廉价服务，而且使得电力公司能够一次解决因特网用户所面临的三大难题：直接在家庭中进行数据访问、数据传输速率及投资费用。
3　DPL技术特点及实现
3.1　远程通讯网络和配电网络的特点
　　在远程通讯中采用公共电话交换网（PSTN)本地访问结构，常被设计成以本地电话交换机为中心，通过金属导线辐射至每个用户的星型网络结构。
　　与此相类似，配电网络也包含各种形式的金属导线。每条配电线路由变电站配电变压器出发呈辐射状延伸至250　m远处。任何一条配电线路都可为大约150个居民用户提供电力服务。
　　可见，传统的PSTN和低压配电网络，虽然前者提供声音服务而后者提供电力服务，但它们都是由金属导线构成，结构相似，都提供了与绝大多数家庭相连的通路，因而这为利用配电网络进行高频远程通讯业务提供了前提和基础。
3.2　高频调制电力网络(HFCPN)的产生
　　目前所实现的DPL技术是将配电电缆系统进行调制，使之可以同时传输两路甚至多路电信号而不会产生任何互损。这些信号的频率范围很宽，从超低频(如50/60　Hz)到超高频(如500/600　MHz)。
　　该调制是通过在相应的网络互联点上安装三出口的定向耦合调制单元(CU)实现的。CU的基本元件如图1所示。它包括一个以互联的高通和低通滤波器组成的网络出口（NP）、一个通讯分配出口(CDP)和一个电力分配出口(EDP)的频感方向耦合器。在低压电缆网络上使用一定数目的CU就会构成所谓的HFCPN。其结构如图2所示。
　　调制单元(CU)具有以下功能：
　　*　安全有效的信号互联，频率大于1　MHz；
　　*　定向的频率大于1　MHz的信号传输；
　　*　一个最小的噪声基高于1　MHz；
　　*　大于1　MHz的不同用户负荷的分隔；
　　*　提供供电和远程通讯服务的合适的网络服务终端点；
　　*　电缆网的最优频谱性能。
　　之所以选1　MHz作为最低频率，是因为在该频率下，可装设的方向耦合器比较经济、有效，而且物理尺寸合适，且能为各配电用户提供100　A、230　V和50　Hz的电力服务。

图1　CU的基本元件
Fig.1　Basic elements of the conditioning unit

图2　HFCPN的结构
Fig.2　Network architecture of HFCPN

3.3　HFCPN的特点
　　一个典型HFCPN的特点是稳定性高和对噪声的容错性强。对于变电站来说，当高峰信号水平在1～10　MW之间时，可为远端用户提供6～10　MHz的可用的频率范围，为近端用户提供超过20　MHz的可用频率范围。网络的频谱效率决定于以下标准：
　　*　每条配电线路上的用户类型和分布密度，典型的为50个；
　　*　多访问需求的类型，如为专用的还是为交换的；
　　*　服务需求，如声音、数据、静止或动态的图像等等；
　　*　传输技术是数字的或模拟的；
　　*　调制和编码及压缩方式，如每一单位可用频率范围的数据位；
　　*　平均通讯密度及峰值。
　　本文所介绍的用于居民用户的典型数字服务访问平台( 如图3所示 )，是将150个潜在用户分为一组，连在基于一个变电站的服务器上。为了提供对于区域性和全国范围服务提供者的访问，该服务器将依次通过宽频带的同轴电缆或光纤无缝地集成在一个广域网（WAN）上。不仅如此，为了方便地提供与本地服务提供者相连的可选访问途径，还可通过32kb/s, 64kb/s或ISDN交换服务提供辅助互联。
3.4　DPL技术实现
　　DPL技术，可以为用户提供端对端的数据服务，将数据由本地变电站直接传输至用户家庭或公司。其目标是使用户访问因特网象使用电话那样方便。因而，从通讯角度来看，是将现成的低压配电网络转换成局域网（LAN)。
　　DPL技术的实现需要四种硬件装置：
　　(1)DPL1000主站（位于中心变电站）
　　它有一个多服务开关——Nortel Passport 160，可以提供可管理的、高性能的致力于基于IP的主干网络传输服务；提供高级网络管理功能；可以传输由主干网络来的其他服务。
　　(2)DPL1000基站（与变电站相邻)
　　它是一个可控的装置，可将低压配电线与信息回馈网络相连；在基站内，有很多线路卡与每个变电站的配电线相连。利用标准远程通讯技术通过普通的光纤或导线可以与中心开关进行通讯。
　　(3)DPL耦合单元（安装在用户电表附近)
　　它通过低压电缆连至用户计算机内的线路板上，用来接收和发送提供信息服务的数据。该‘黑匣子’还可与家居设备相连，如电炉、集中供热系统以及防盗报警系统等等，以实现遥控。
　　(4)DPL1000通讯模块（位于公司或居民家庭）
　　它是与用户相连的网关与USB&Ethernet接口，以匹配PC或其他终端设备(如Mac, UNIX, 工作站，传真机等)，还可以为TV、网络计算机和游戏平台提供信息服务；可以同时支持多个用户设备。与用户计算机或其他用户数据设备相连，以提供通讯软件，服务提供者可以利用这些软件为用户提供不同的访问速度和一定范围的访问权限及选择。
　　一组DPL的标准元件最多可以支持大约200个家庭或商业用户的通讯服务，与英国一个典型变电站所提供供电服务的用户数相当。该容量可以根据需要进行扩充，仅需在变电站中增加线路卡而已。

图3　基于配电网络的典型数字通讯服务访问平台
Fig.3　The communications platform

4　DPL技术的应用
　　利用DPL技术所实现的功能除了如第2节中所述的为用户提供方便、迅捷而廉价的因特网和多媒体服务外，还有：
　　*　能量管理　可将新式电表、可编程控制器以及智能式供/需方管理装置相连，使得电力公司能够实现新的收费制度，从而有利于电能的合理利用；
　　*　远程工作　远程工作者通过Intranet的访问其公司的网络及数据库的数据量日益增加，若采用PSTN或ISDN拨号服务则工作效率很低。若通过DPL的文件访问，则工作效率可以显著提高，而并不牺牲数据的完整性或降低安全性。
　　*　在线电子购物/商务；
　　*　远方监视服务　DPL通讯的永久连接可以支持报警/监视系统的有关保安应用，为其提供实时的信息或状态显示。
　　*　支持配电自动化的发展　DPL可以支持远方自动读表，为电力公司控制高峰负荷提供帮助。还可提供实时故障信息显示，为故障检测、定位和恢复供电提供强有力的支持。
　　*　声音服务　在不久的将来，IP上的声音服务将会成为现实。
5　DPL试验
　　1995～1997年两年间，Norweb和Nortel公司已经成功地在英国曼彻斯特对20个居民用户进行了试验，其中包括声音服务。最初的试验是在Greater Manchester地区本地变电站和20个用户之间进行的，持续了两年，最后证实了利用2.2～6MHz频段的一个封装交换的通讯规约，连同足够的网络调制，其数字化声音和数据的传输的可靠性超过99.9%。在美国和澳大利亚进行的另一试验证实了在不同网络构架上传输的可行性。
　　1997年11月，位于英格兰西北部曼彻斯特的一所中学成为Norweb通讯公司和Nortel公司所完成的重要技术成就——DPL的第一个公共用户，并成功地运行至今。其中12台PC机通过配电线连至因特网上。由于通讯速度高达1　MB/s，因而只用一条连线就可以实现在12台PC机上的同时操作。学校老师反映，该技术的高数据传输速率克服了利用因特网作为教学工具的实际存在的障碍，几乎可以达到没有延时。
　　1998年春天，这两个公司在2000多个英国家庭中进行了试验。夏天，Norweb通讯公司已为英格兰西北部的2000个居民和商业用户提供了通过电力线的商业因特网服务。
6　DPL技术的推广
　　DPL技术的应用可以独立的、分目标、按一定步骤逐步展开。利润最大的区域具有高优先级，可以率先应用该技术。
　　对于不打算自己提供高频数字远程通讯服务的电力公司，可以向一个或多个独立的信息服务公司颁发利用电力公司网络的许可证，而电力公司收取一定的网络租用费。
　　推广应用的方式有：
　　*　电力公司安装数字配电线载波设备，向一个或多个独立的远程服务公司颁发网络使用许可证；
　　*　电力公司安装数字配电线载波设备，向远程服务公司提供端对端网络服务；
　　*　电力公司安装数字配电线载波设备，利用端对端网络，本身担当远程通讯服务公司的角色。
　　近几年，NOR.WEB公司已经开发并完善了一个详细的业务模型。利用该模型以及与电力公司电网及要评估的目标市场相关的大量关键参数，可以得到固有回收率（IRR-Internal Rate of Return）及偿还期限等指标来支持电力公司进行DPL技术应用的业务决策。
　　但目前推广应用DPL技术也有一些困难。如：
　　*　将变电站转化为与因特网相连的网关，还需要在变电站中安装开关以及一段高速回馈光纤网络以承载变电站和因特网之间的数据传输。
　　*　DPL这项新技术，还需要进一步发展和证实。而其他技术，如低能无线（low-power radio）、电缆调制解调器或不对称数字电话用户线（ADSL—asymmetric digital subscriber line）等高速通讯系统都已商业化或即将商业化，因而至少在最近两年内，DPL技术是一项相对比较昂贵的选择方案。
　　*　与电信业运行者相比，电力公司对通讯服务的工作并不熟悉，也缺乏相应的市场经验。
7　DPL技术的应用前景
　　1997年10月，联合电力公司和加拿大的Nortel公司在提出该项新技术的同时，披露了首批取得利用该技术许可证的10家公司，其中包括联合电力公司的Norweb通讯公司、德国的giant RWE以及新加坡电力公司。这10家公司拥有电力用户3500万之多。此外，与另外30多家公司的洽谈正在进行。该项技术引起了世界范围商业方面的极大兴趣，该消息发布后的两周内，Norweb通讯公司接受了遍布全球的150多家电力公司多达1500次咨询。其中包括世界级大电力公司。
　　DPL的前景极为可观。该技术除了用于教育领域外，还为基于因特网的其他服务提供更为广泛的应用，如网络电视、电子商务、远程工作支持、娱乐、遥控、在线银行服务、数据备份和网上电话等等。由于通讯带宽的大幅度扩展，因而可给用户的每个插座都设置一个相应的e-mail地址。你可以‘fridge@home’的地址远程访问家中冰箱内的摄像机，以确定需要购买哪些东西，甚至还可用密码远方遥控开关电灯、暖气以及防盗警铃等等。
　　利用现成配电网络承载高频数字载波通讯信号的DPL技术开拓了一个能够提供更广泛、高效、迅捷而经济的信息服务的新型远程通讯服务构架。这种基于配电系统的扩展通讯访问平台与基于因特网和多媒体的用户信息服务将相互促进，为开发后续的全球范围的高速信息服务提供了前所未有的机会。可以预见，在不久的将来，DPL技术的广泛而深入的应用，以及所促发的信息产业和技术的更迅猛发展，必将会引发一场崭新的技术革命。
8　参考文献
　［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.Ill be seeing you: Multimedia communications in the 21st century.IEE Electronics and Communication,1993；5(5)