緒論
近幾年來，電力線通訊的發展一直是綠色能源的關注重點之一，隨著電力電子技術進步，電力線的技術也愈加成熟，所以現在已經有大量廠商對這個技術所帶來的新應用感到興趣，例如智慧電網、自動讀表系統甚至智慧家庭都被視為未來電力線發展的重要標的。因此，智慧電網的出現，使得傳統電力網路可以偵測電力供應及一般家庭電力的使用狀況，藉此來調整電力的耗電量，達到節約能源，增強電網可靠性的目的。本文將針對智慧電網的基本概念、技術發展及通訊標準，提供一個概略性的介紹與整理。
電力線通訊將無所不在
為了掌握各區域用電的即時情報，電力線通訊的涵蓋範圍非常廣，從最底層的家庭用電到跨越電表至變電站的資訊集中器(Concentrator)，或是更高的中壓層通訊都必需完整掌控，因此，更要確保不同電壓段的通訊品質，以提升系統的穩定性。
因為技術日漸成熟，電力線的通訊品質有著飛躍性的成長。隨著應用不同，可以分成可遠距離傳送的窄頻PLC(NarrowBand Power line communication)及短距離但高速度的寬頻PLC(BroadBand power line communication)，目前寬頻PLC的實體層(PHY rate)傳送速率己可達到200M(bps)。因此，智慧家庭的應用又再次搬上枱面，不僅從室外即可遠端操控家中的電器，電費也不再只能依靠每兩個月一次的帳單，家中所有電器的用電資訊可以隨時掌控，再者，只要使用家中的插座即可直接上網，透過有線傳輸讓家裡通訊不再有死角。
可靠的長程通訊工具
圖 1 AMI架構圖
窄頻電力線，是電力線通訊發展初期即存在的技術，適合用在較長距離的電力線通訊技術。因通訊使用500k(Hz)以下頻帶，較不易受到電力線先天環境的衰減，所以可以傳送較長的距離，但也因此傳輸速率較慢，大多使用在電力監控，圖1即為先進讀表系統(AMI)的架構圖。義大利ENEL電力公司採用一個基於FSK和BPSK調製的窄帶PLC系統，建構一個3500萬用戶的自動電錶管理系統即為經典的成功案例。
圖 2 AMI通訊示意圖
上圖即為自動讀表系統的通訊環境示意圖，台灣的電力系統大多是由變電站提供220v電源至各住戶，所以資料集中器適合設置於變電站，再由光纖將各家的用電資訊傳至管理伺服器，所以數位電表的電力資訊必需透過圖中紅色電纜傳到變電站的集中器，但此部分電纜建構時大多埋在地底下，難以評估其長度，以及是否連接其他電力設備，因此最適合使用窄頻PLC作為解決方案。
如上述，窄頻電力線通訊雖然並非新一代的技術，但隨著通訊技術成長，不論是通訊速度或是對抗雜訊的調變技術都有大幅成長。當下已有許多國家有制定自己的窄頻通訊規範，例如北美的美國聯邦通訊委員會FCC(9k~490kHz)，在歐洲，則由1976年成立於比利時的CENELEC制定其規範(3k~148.5kHz)，以及日本電波產業會ARIB(10k~450kHz)等等。
圖 3國際PLC標準化組織
近來，許多之前使用在數位通訊的調變技術都被拿到電力線通訊上使用例如FSK、PSK、展頻等等，其中最熱門的莫過於使用多載波的OFDM調變技術，主要原因在於其抗通道衰減及雜訊干擾的優異表現，也因此，歐洲的G3及PRIME兩個窄頻電力線解決方案都是採用這個技術。
無所不在的高速通訊
因為晶片製程技術進步及新調變技術表現優異，PLC通訊的速度成功突破瓶頸， 2006年，新的HomePlug AV規範使速度達到189M(bps)。自此，PLC通訊技術不再被侷限只能用於自動控制，而是真正進入高速資訊通訊的殿堂。
目前，HomePlug聯盟正積極制定下一代新的通訊標準HomePlug AV2，預期傳輸速率可達1G(bps)，且支援多重串流的1080p高畫質影音、3D影音等等主流應用，預期在今年第3季問世。此外，在智慧家庭方面，該組織日前擬定的HomePlug Green PHY(GP)窄頻標準已獲選為美國家電製造商協會(AHAM)智慧電網產品的主要通訊協定，使得未來家庭電網的相容性又大大提升。
目前PLC業界比較大的標準組織有三，分別是HomePlug、UPA及CEPCA。HomePlug是由HomePlug Power Alliance業界標準組織制定，主要成員是由美國PLC製造業者組成。UPA，全名Universal Powerline Association，是另一個寬頻電力線通信標準，由西班牙DS2公司為中心所成立的業界標準組織。CEPCA消費電子電力線通訊聯盟，Panasonic為主的業界聯盟組織，使用Wavelet OFDM調變技術是與前兩者最大的不同之處。上述三個寬頻電力線規範以市場分佈及聯盟成員來區別大致可以分成HomePlug(美規)、UPA(歐規)、CEPCA(日規)。
由於當下並沒有一個全球通用的業界標準，國際電信聯盟（ITU-T）、IEEE便著手於此，希望不久將來寬頻PLC可以像Ethernet或WiFi一樣有一個通用的標準流通於市面上。
新一代整合界面標準 - G.hn
G.hn是由ITU-T制定，並由HomeGrid論壇推動的新標準，目的在於統一PLC及其他所有家用的高速通訊規格。G.hn能在短時間內迅速竄起除了可以同時相容電力線、同軸電纜與電話線之外，在使用同軸電纜作為傳輸媒介時傳輸速率更可達到700M(bps)，其通訊速度可用在更廣泛且熱門的應用之中也是業界看好其發展性的重點之一。
電力線通訊先天的阻礙
因為電力線本是為了供應用電而不是設計用於通訊，所以要在這個環境下通訊必須克服許多先天的不良因素。例如在變壓器(11.4kv-220kv)到家用電表端間的通訊，如同圖2所示，即AMI系統的資料傳送通道，在此環境中即可能遇到電力線通道在地下，無法預估長度或是分接予其他用戶的情形，這些都可能導致通訊上的困難。
圖 4電力線雜訊量測範例
圖 5 寬頻電力線通道響應量測範例
窄頻電力線方面如同先前所述因為較不易受到環境衰減，所以大多使用在中壓或是AMI的遠距離傳輸，但也因為使用的傳輸頻帶較低(約在1M(Hz)以下)，所以容易受到電器雜訊的影響。相較之下，窄頻電力線受到的干擾，寬頻電力線則是高頻通道衰減較為嚴重。圖4所示即為真實電力線的雜訊量測結果，可以看出雜訊多集中在低頻帶。圖5顯示是同場域量測的通道響應，從接收功率的分佈情形得知高頻部分可能受到的嚴重衰減而並非雜訊干擾。當然，在室內使用之電力線通訊也可能因為家中電器使用或是大負載電器而造成訊號衰減，這些都是先天即存在且必須克服的不利因素。
結語
電力線通訊不論是寬、窄頻近年來都已成為綠色能源的要角。如同前述，小自家庭電力網路，大至都市電力系統，已訂定的通訊規範雖然很多，但因為各國的電力系統設計不同，使用的效果也不盡相同，不論是AMI系統或是智慧電網都必須選定最合適的規範或是傳輸協定，甚至是制定出屬於台灣電力系統的專用規範。然而，這些都是必須經過大量實地測試之後才可以得出定論，在這過程中也需要政策的大力支持，因為智慧電網涉及到的範圍不僅僅是技術面，先期的推動還必須仰賴政策面，政府的補助政策以及製造商和企業的配合。因此，最終的議題還是回歸到”人”身上，需要全民的支持，大家都有共識，才能達到最終結能減碳的終極目標。期許在不久將來，智慧電網、智慧家庭就可以成為大家耳熟能詳且最生活化的技術。
（作者任職於資策會網路多媒體研究所）
近幾年來，電力線通訊的發展一直是綠色能源的關注重點之一，隨著電力電子技術進步，電力線的技術也愈加成熟，所以現在已經有大量廠商對這個技術所帶來的新應用感到興趣，例如智慧電網、自動讀表系統甚至智慧家庭都被視為未來電力線發展的重要標的。因此，智慧電網的出現，使得傳統電力網路可以偵測電力供應及一般家庭電力的使用狀況，藉此來調整電力的耗電量，達到節約能源，增強電網可靠性的目的。本文將針對智慧電網的基本概念、技術發展及通訊標準，提供一個概略性的介紹與整理。
電力線通訊將無所不在
為了掌握各區域用電的即時情報，電力線通訊的涵蓋範圍非常廣，從最底層的家庭用電到跨越電表至變電站的資訊集中器(Concentrator)，或是更高的中壓層通訊都必需完整掌控，因此，更要確保不同電壓段的通訊品質，以提升系統的穩定性。
因為技術日漸成熟，電力線的通訊品質有著飛躍性的成長。隨著應用不同，可以分成可遠距離傳送的窄頻PLC(NarrowBand Power line communication)及短距離但高速度的寬頻PLC(BroadBand power line communication)，目前寬頻PLC的實體層(PHY rate)傳送速率己可達到200M(bps)。因此，智慧家庭的應用又再次搬上枱面，不僅從室外即可遠端操控家中的電器，電費也不再只能依靠每兩個月一次的帳單，家中所有電器的用電資訊可以隨時掌控，再者，只要使用家中的插座即可直接上網，透過有線傳輸讓家裡通訊不再有死角。
可靠的長程通訊工具
圖 1 AMI架構圖
窄頻電力線，是電力線通訊發展初期即存在的技術，適合用在較長距離的電力線通訊技術。因通訊使用500k(Hz)以下頻帶，較不易受到電力線先天環境的衰減，所以可以傳送較長的距離，但也因此傳輸速率較慢，大多使用在電力監控，圖1即為先進讀表系統(AMI)的架構圖。義大利ENEL電力公司採用一個基於FSK和BPSK調製的窄帶PLC系統，建構一個3500萬用戶的自動電錶管理系統即為經典的成功案例。
圖 2 AMI通訊示意圖
上圖即為自動讀表系統的通訊環境示意圖，台灣的電力系統大多是由變電站提供220v電源至各住戶，所以資料集中器適合設置於變電站，再由光纖將各家的用電資訊傳至管理伺服器，所以數位電表的電力資訊必需透過圖中紅色電纜傳到變電站的集中器，但此部分電纜建構時大多埋在地底下，難以評估其長度，以及是否連接其他電力設備，因此最適合使用窄頻PLC作為解決方案。
如上述，窄頻電力線通訊雖然並非新一代的技術，但隨著通訊技術成長，不論是通訊速度或是對抗雜訊的調變技術都有大幅成長。當下已有許多國家有制定自己的窄頻通訊規範，例如北美的美國聯邦通訊委員會FCC(9k~490kHz)，在歐洲，則由1976年成立於比利時的CENELEC制定其規範(3k~148.5kHz)，以及日本電波產業會ARIB(10k~450kHz)等等。
圖 3國際PLC標準化組織
近來，許多之前使用在數位通訊的調變技術都被拿到電力線通訊上使用例如FSK、PSK、展頻等等，其中最熱門的莫過於使用多載波的OFDM調變技術，主要原因在於其抗通道衰減及雜訊干擾的優異表現，也因此，歐洲的G3及PRIME兩個窄頻電力線解決方案都是採用這個技術。
無所不在的高速通訊
因為晶片製程技術進步及新調變技術表現優異，PLC通訊的速度成功突破瓶頸， 2006年，新的HomePlug AV規範使速度達到189M(bps)。自此，PLC通訊技術不再被侷限只能用於自動控制，而是真正進入高速資訊通訊的殿堂。
目前，HomePlug聯盟正積極制定下一代新的通訊標準HomePlug AV2，預期傳輸速率可達1G(bps)，且支援多重串流的1080p高畫質影音、3D影音等等主流應用，預期在今年第3季問世。此外，在智慧家庭方面，該組織日前擬定的HomePlug Green PHY(GP)窄頻標準已獲選為美國家電製造商協會(AHAM)智慧電網產品的主要通訊協定，使得未來家庭電網的相容性又大大提升。
目前PLC業界比較大的標準組織有三，分別是HomePlug、UPA及CEPCA。HomePlug是由HomePlug Power Alliance業界標準組織制定，主要成員是由美國PLC製造業者組成。UPA，全名Universal Powerline Association，是另一個寬頻電力線通信標準，由西班牙DS2公司為中心所成立的業界標準組織。CEPCA消費電子電力線通訊聯盟，Panasonic為主的業界聯盟組織，使用Wavelet OFDM調變技術是與前兩者最大的不同之處。上述三個寬頻電力線規範以市場分佈及聯盟成員來區別大致可以分成HomePlug(美規)、UPA(歐規)、CEPCA(日規)。
由於當下並沒有一個全球通用的業界標準，國際電信聯盟（ITU-T）、IEEE便著手於此，希望不久將來寬頻PLC可以像Ethernet或WiFi一樣有一個通用的標準流通於市面上。
新一代整合界面標準 - G.hn
G.hn是由ITU-T制定，並由HomeGrid論壇推動的新標準，目的在於統一PLC及其他所有家用的高速通訊規格。G.hn能在短時間內迅速竄起除了可以同時相容電力線、同軸電纜與電話線之外，在使用同軸電纜作為傳輸媒介時傳輸速率更可達到700M(bps)，其通訊速度可用在更廣泛且熱門的應用之中也是業界看好其發展性的重點之一。
電力線通訊先天的阻礙
因為電力線本是為了供應用電而不是設計用於通訊，所以要在這個環境下通訊必須克服許多先天的不良因素。例如在變壓器(11.4kv-220kv)到家用電表端間的通訊，如同圖2所示，即AMI系統的資料傳送通道，在此環境中即可能遇到電力線通道在地下，無法預估長度或是分接予其他用戶的情形，這些都可能導致通訊上的困難。
圖 4電力線雜訊量測範例
圖 5 寬頻電力線通道響應量測範例
窄頻電力線方面如同先前所述因為較不易受到環境衰減，所以大多使用在中壓或是AMI的遠距離傳輸，但也因為使用的傳輸頻帶較低(約在1M(Hz)以下)，所以容易受到電器雜訊的影響。相較之下，窄頻電力線受到的干擾，寬頻電力線則是高頻通道衰減較為嚴重。圖4所示即為真實電力線的雜訊量測結果，可以看出雜訊多集中在低頻帶。圖5顯示是同場域量測的通道響應，從接收功率的分佈情形得知高頻部分可能受到的嚴重衰減而並非雜訊干擾。當然，在室內使用之電力線通訊也可能因為家中電器使用或是大負載電器而造成訊號衰減，這些都是先天即存在且必須克服的不利因素。
結語
電力線通訊不論是寬、窄頻近年來都已成為綠色能源的要角。如同前述，小自家庭電力網路，大至都市電力系統，已訂定的通訊規範雖然很多，但因為各國的電力系統設計不同，使用的效果也不盡相同，不論是AMI系統或是智慧電網都必須選定最合適的規範或是傳輸協定，甚至是制定出屬於台灣電力系統的專用規範。然而，這些都是必須經過大量實地測試之後才可以得出定論，在這過程中也需要政策的大力支持，因為智慧電網涉及到的範圍不僅僅是技術面，先期的推動還必須仰賴政策面，政府的補助政策以及製造商和企業的配合。因此，最終的議題還是回歸到”人”身上，需要全民的支持，大家都有共識，才能達到最終結能減碳的終極目標。期許在不久將來，智慧電網、智慧家庭就可以成為大家耳熟能詳且最生活化的技術。
（作者任職於資策會網路多媒體研究所）
