低速載波技術使用頻寬

早在 20 世紀 90 年代初期，歐洲就提出了 BS EN 50065 標準，此標準對在低 壓電力線上的載波信號的頻段、頻帶和頻率等做出了具體的規定。迄今為止，這 一標準仍是全球唯一的針對性的標準，全世界範圍內在低壓電力線上的任何方式 載波無不嚴格地遵循它。BS EN 50065-1 對頻段的規定是：3kHz～9kHz ---- 電力 公司專用頻段。9kHz～95kHz 電力公司和經電力公司許可的用戶使用的頻段。95kHz

～148.5kHz 其他用戶使用的頻段〔11〕，載波頻道標準〔9-11〕，電力線載波適用 頻率範圍的標準，我國目前無載波頻道標準規定，北美洲地區電網(480Y/277V，

208Y/120Vac) 標 準 頻 率 如 圖 10 ， 範 圍 100kHz~450kHz 和 針 對 歐 洲 地 區 電 網 (400Y/230Vac)的標準頻率範圍 9kHz~150kHz 如圖 11。

圖 10 CENELEC 頻寬允許範圍

圖 11 美國聯邦通訊委員會(FCC) 頻寬允許範圍 3.3 電力線傳輸特性與困難

電力線原設計係提供用電設備傳送電能的使用，而不是用來傳送數據的，所 以電力線對數據傳輸有許多限制，因此電力線通訊具有以下特點，配電變壓器對 電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個變壓器二次側範圍內傳 送；三相電力線間有很大信號損失（10dB -30dB）。通訊距離很近時，跨相序間 信號損失不大仍可收到信號。電力載波信號基本只能在單相電力線上傳輸；電力

可能開機或關閉電源，導致電力線的負載電流和電壓不斷地變化行成干擾源。建 築物室內配線，電源插座形成連接到電力網路的入口端，但是室內配線電力網當 初是為了實現電力傳輸而設計的，因此電力網的內在特點，導致數據通信的錯誤 率很高，這些特點包括：低阻抗、沒有特定的拓撲結構、大量無熔絲開關（NFB）

斷路器及多分支迴路接點，以及會阻斷電力線中編碼信號的變壓器。

3.4 電力線通訊干擾

電力線載波通訊具有高雜訊、高衰減、高畸變、高時變阻抗變化等〔4，7〕。

時變性，由於電力線網上負載的不斷接變化如冷氣機、微波爐、抽水馬達的運轉 停止，電器開關等各種隨機作用，使得通道特性具有很強的時變性；衰減特性，

電力線通道中還存在著極大的時變衰減，電力線通道中的衰減主要由兩部分組成

〔4〕，耦合衰減和線路衰減。一般耦合器的內阻可以做得相當小理論上可以忽略 不計，衰減將以線路衰減為主。據相關資料表示〔5〕，線路衰減是距離的函數，

距離越大，則衰減越大，農村比城市或工業的衰減大；干擾雜訊，干擾雜訊主要 來源，矽控（SCR）器件和一些電源電路產生的 60Hz 的倍頻諧波，另由負載和電 力線網路不同步而產生的具有平滑功率譜的干擾及開關電子設備產生的單脈衝雜 訊、非同步週期的雜訊。

3.5 高雜訊

電力線供應網上負載的不斷接入、切出、馬達的停止、啟動、電器開關等各 種隨機事件，通道特性具有很強的時變性〔4〕，電力線雜訊來源眾多，以電力負 載開關電源、變頻機、SCR 開關最為嚴重

（1）開關電源

圖 12 開關電源造成基波及高次諧波的廣譜性干擾 資料來源摘自：深圳市維方電子科技有限公司

（2）變頻電機：

（3）矽控開關

圖 14 控矽設備造成載波干擾

資料來源摘自：深圳市維方電子科技有限公司

3.6 PLC 應用

類比技術在電力線上傳遞載波信號早已應用多年（X-10 技術），把電力線通 信技術、網路、微控制器相結合，為目前推動家庭自動化的最經濟最方便的方案 之ㄧ，以電力線為物理媒介，把分佈在家庭各個角落的控制器和家電 PC 機利用電 力線連成一個電力線網路。其優點是，將電力線和控制信號線合一，不需再重新 設信號線網路，原使用和維護電器的習慣都不受影響，只要在新生產家電設備內 預先將電力線載波通信功能設計在內，對既有舊家電的修改只需外加電力載波通 信介面，透過通信界面 IO 即可做簡易控制；家電控制的信號通信量小，故低速電 力線載波速度慢的缺點足以滿足家電設備需求，因此低速電力線載波通訊技術在 家居智慧化應用方面具有最優良條件。

3.7 電力載波晶片

本研究工研院所使用電力線晶片係選用以色列製 ITRAN 公司〔13〕生產 IT800P 及 IT800D 供電子電表及消防偵測器使用，晶片特性詳表 4。

表 4 IT800 電力線晶片特性 Parameter Value Note Modulation DCSK Frequency

Operation Band

120-400 kHz FCC/ARIB

20-80 kHz CENELEC Band A 95-125 kHz CENELEC Band B Bit Rate Standard Mode (SM) - 7.5

Kbps

Robust Mode (RM) - 5 Kbps Extremely Robust Mode (ERM) - 1.25 Kbps

FCC/ARIB compliant operation

Robust Mode (RM) - 2.5 Kbps Extremely Robust Mode (ERM) - 0.625 Kbps

CENELEC A and B compliant operation

Error Correction

Forward short-block soft decoding error correction code and CRC

65mA Typical, average Interface UART IT800D

SPI IT800SCP

Package 64 pin LQFP For PLCC44 please inquire 資料來源：http://www.itrancomm.com/index.htm

第四章 研究方法 4.1 實驗流程圖

文獻蒐集與探討

通訊技術選用

負 載 管 理 安 全 系 統 整 合

負載設備 調查分類

電 力 網 路 調

查 整 理

歷 史 用 電 資 料 整 理 分 析

消 防 系 統 系統類比化

控制網路建置 電腦程式撰寫

控制元件建立

數據整理

資料收集及比較

結果與討論

4.2 研究方法

4.3.1 電子電表

電力量測功能是採用D7755晶片來設計，它具有電壓信號與電流信號通道各一 組，其量測為有效功率並以脈衝信號輸出。電壓信號通道之最大信號輸入為+/-660 mV，電流信號通道之最大信號輸入為+/-470 mV。電路可隨時量測空調機用電與累 計，資料最後會傳到伺服器資料庫。電路也包括傳訊器之電源、LED顯示模組、DI、

DO、RTC、EEPROM、RS-232等電路。其中LED顯示模組可顯示埋入式傳訊器之量測 積算值、I/O狀態、系統時間、定址操作狀態。RS-232則是提供系統程式升級或除 錯之連線介面。

4.3.2 前端輸出入控制模組

前端輸出入控制模組架構是根據宿舍管理需求功能來規劃，由電力量測、電 力線載波通訊埠、參數顯示器、信號輸入埠、控制輸出埠、電源控制開開關等所 組成。本機可應用於單相或單相三線式電力系統，軟體功能具備電力積算、用電/

無用電狀態判別、遠端控制狀態判別、輸出埠驅動、LED可顯示模組I/O狀態、電 力積算值、通訊、定址、錯誤訊息、自我診測等，具備電力線載波通訊機能，是 對外模組資訊傳輸之介面，它應用加載於電力線上之載波來通訊，使用之晶片為 IT800 ， 其 操 作 電 壓 為 3.3 伏 ， 電 流 為 45 mA 。 USART Mode 特 性 DCLK Rate 為 400KHz–1MHz。Data Packet是包括Data Rate Mode(1Byte)、Data Length (1Byte)、

Data(1-127Bytes)。前端輸出入控制模組之本體電路，前端輸出入控制模組程式 結構如圖18，負責將電力量測結果積算值儲存與將資料傳遞至電力線模組經由載 波傳送至集中器，本體電路也包括傳訊器之電源、LED顯示模組、DI、DO、RTC、

EEPROM、RS-232等電路。其中LED顯示模組可顯示埋入式傳訊器之量測積算值、I/O 狀態、系統時間、定址操作狀態。RS-232則是提供系統程式升級或除錯之連線介 面。DI/DO則作為外部信號狀態監測與輸出控制用，如DI是作為空調機之運轉狀 態、保全啟動、人員侵入等監測用，DO點則是用於各寢室空調機遠端遙控與強制 卸載控制用，前端輸出入控制模組如圖19，負責將電力量測結果積算值儲存與將

CPU : AT89C52

Timer Interrupt Save Data to

“ EEPROMs ”

Communication Protocol : 1. 2. 3. 4. 5. 6.7

Timer0 :

1). Led Segment Display 2). Led Flash

1). Detect IT800P Signal INT0 :

1). Detect AD7755 Pulse Signal UART :

1). For RS-232 Communication

Protocol:

1). Meter Register 2). Send Data 3). RTC Calibrate 4). Meter Address Signal 5). Input Port Polling-Meter 6). Input Port Polling-Controller 7). Output Port Write 1Min :

1). WH Values & Time 15Min :

1). WH Values 程式結構圖 Structural drawing

圖 18 前端輸出入控制模組程式結構圖

圖 19 AMR 前端輸出入控制模組

4.3.3 電力線載波通訊技術

電 力 線 載 波 通 訊 模 組 ， 使 用 之 晶 片 為 IT800，其操作電壓為3.3伏電流為45 mA。USART Mode特性 DCLK Rate 為400KHz–1MHz。Data Packet是包括Data Rate Mode (1Byte )、Data Length (1Byte)、Data(1-127Bytes)。

圖 20 電力線通信模組

電力線通信(Power Line Communication，PLC)，是使用電力線傳送資料的一 種通信技術方式，電力線載波在低壓供電電力系統（220v/110 v）環境，以既設 電源線作為載波通信的通訊線路載體，用載波方式進行低速載波通信。載波信號 電壓一般在５伏以下，不會對電力線傳輸電能造成影響，電源線成為一種電力傳 輸和載波通信相結合的網路。低速 PLC 利用 100k 到 400k 頻帶範圍傳輸信號，將 信號載入到電力線上，在發送時，利用調製技術將用戶資料進行調製，用電力線 進行資料傳輸，接收端，通過電力線數據機將信號從電力線上分離出來，先經過 濾波器將調製信號濾出，再經過解調，就可得到原通信信號，傳送到伺服器上。

對於通信而言，以電力線作為有線傳輸介質，其原理如同電話、有線電視、

光纖通信一樣，所不同的是電話、光纖、有線電視是傳輸語音、圖像、資料、信 號的專用網。而電力線是在輸送電能前提下輔助傳輸資料或話音信號，不是通信 專用網，但作為行業管理和智慧家電是最經濟最有效的技術應用。

4.3.4 電力線模組集中器程式架構

電力線模組集中器為一觸控式電腦，並且搭配電力線模組所組成。電力線模 組集中器程式模組架構如圖21，電力線模組集中器之程式流程如圖22，其軟體程 式架構主要包括兩大功能：RS232通訊與網路通訊。程式功能之目的，除了透過 RS232介面蒐集各個前端輸出入控制模組之電力積算資料與即時I/O狀態外，同時 利用校園企業網，傳送所有模組之電力積算資料與即時I/O狀態至宿舍管理伺服 器，提供系統管理者或登入伺服器之住宿生於遠端監控負載設備以及保全系統。

在程式架構中，分為RS232通訊與網路通訊兩部分，於RS232通訊程式中，主要利 用4個執行緒完成資料接收、運算、儲存以及傳送之動作。以下敘述為針對四個執 行緒作一詳細說明，RS232通訊埠監聽執行緒，當前端控制模組之輸入狀態改變 時，將主動發送狀態變化之信息至集中器，於是此執行緒之功能主要為接收此信

在程式架構中，分為RS232通訊與網路通訊兩部分，於RS232通訊程式中，主要利 用4個執行緒完成資料接收、運算、儲存以及傳送之動作。以下敘述為針對四個執 行緒作一詳細說明，RS232通訊埠監聽執行緒，當前端控制模組之輸入狀態改變 時，將主動發送狀態變化之信息至集中器，於是此執行緒之功能主要為接收此信