智能電網(wǎng)與電力線通信技術(shù)

在傳統(tǒng)電網(wǎng)向新型智能電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，以及其中將面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，需要一個(gè)很好的通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)接收所有用戶信息和控制其負(fù)載。要解決這一問題，目前最被認(rèn)可且最可靠的方案是以電網(wǎng)為通信媒介的PLC（電力線載波）技術(shù)。本文介紹了PLC技術(shù)及其發(fā)展歷程，并將傳統(tǒng)的窄帶單載波FSK調(diào)制方案與基于OFDM的PRIME和G3兩種新方案進(jìn)行了對(duì)比。

　　I 介紹

　　傳統(tǒng)的電網(wǎng)正在發(fā)生變革。在過去的一個(gè)世紀(jì)，電網(wǎng)是一個(gè)用來將由一定數(shù)量的發(fā)電站發(fā)出的電能傳輸?shù)酱罅坎煌?jí)別的用戶的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)和運(yùn)行電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，就是要將電能以一種有效的方式從數(shù)百個(gè)發(fā)電站傳輸?shù)綌?shù)百萬的用戶家中。這個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)存電能的功能是很有限的，所以如何預(yù)測(cè)用戶的用電量就變得至關(guān)重要。電網(wǎng)的控制是基于每日的預(yù)測(cè)來進(jìn)行，而電能是由發(fā)電站通過傳輸網(wǎng)絡(luò)輸送到配電網(wǎng)絡(luò)。大部分發(fā)電都需要由調(diào)節(jié)器來控制。

　　而現(xiàn)在在某些國(guó)家，以及將來的更多國(guó)家，綠色能源對(duì)于電網(wǎng)的貢獻(xiàn)將會(huì)越來越大。它在電網(wǎng)中所占的比率，由原來5%的水力發(fā)電，上升到了有40%是太陽能和風(fēng)能發(fā)電。在大部分綠色電能中，調(diào)節(jié)器要進(jìn)行的控制很少。此外，電動(dòng)交通工具也加入了變革的隊(duì)伍。電動(dòng)交通工具的大規(guī)模推廣，將使電網(wǎng)的用電量加倍，并大規(guī)模地帶來了超大儲(chǔ)電能力。用電量的上升、綠色電能的推廣和不受控制的發(fā)電、電動(dòng)交通工具的儲(chǔ)電能力被認(rèn)為是電網(wǎng)的完美風(fēng)暴。這個(gè)方案就被稱為智能電網(wǎng)。它結(jié)合了嵌入式智能技術(shù)和實(shí)時(shí)通信與控制功能，能夠隨時(shí)與任何用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)通信并控制其負(fù)載。要實(shí)現(xiàn)這樣的通信功能，就需要采用以電網(wǎng)作為主要通信媒介的PLC技術(shù)。

　　PLC技術(shù)早在20多年前就被用于中壓領(lǐng)域來控制電網(wǎng)。但在低壓側(cè)大規(guī)模使用PLC則是更近才開始。PLC技術(shù)的一個(gè)典型成功案例，是意大利ENEL供電公司采用一個(gè)基于FSK和BPSK調(diào)制的窄帶PLC系統(tǒng)為3500萬用戶構(gòu)建一個(gè)AMM（自動(dòng)電表管理）系統(tǒng)。此系統(tǒng)可每2個(gè)月自動(dòng)抄讀一次3500萬臺(tái)電表。但是它的平均波特率不夠，無法支持更多的實(shí)時(shí)通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協(xié)議的應(yīng)用。

　　要進(jìn)行更多的實(shí)時(shí)通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協(xié)議的應(yīng)用，就需要一種基于OFDM調(diào)制的新一代PLC技術(shù)。其中兩種主要的OFDM方案，就是現(xiàn)在的G3和PRIME技術(shù)。G3是一個(gè)由法國(guó)EDF電力公司發(fā)起，MAXIM和SAGEMCOM開發(fā)的方案。這個(gè)方案在2009年被公布，EDF計(jì)劃將在2013年試用2000臺(tái)采用G3技術(shù)的電表。

　　PRIME是一個(gè)由PRIME聯(lián)盟推出的一個(gè)開放式多供應(yīng)商解決方案，該聯(lián)盟包含了30多個(gè)由供電公司、表計(jì)廠家和ADD半導(dǎo)體、FUJITSU、STM和TI等晶片供應(yīng)商組成的成員。其中的表廠包括SAGEMCOM、ITRON、LANDIS+GYR、 ISKRA-MECO、ZIV和SOGECAM。IBERDROLA是第一家推廣此方案的供電公司，但現(xiàn)在EDP、CEZ MERENI和ITRI也加入這個(gè)陣營(yíng)。

　　IBERDROLA在2010年開始安裝10萬臺(tái)采用PRIME技術(shù)的電表。該供電公司還計(jì)劃在2010年年底發(fā)布一個(gè)需量為100萬臺(tái)電表的新標(biāo)，并于未來3-5年在西班牙完成1000萬臺(tái)電表的安裝。其它一些供電公司也開始采用PRIME技術(shù)。G3和PRIME都是OFDM方案，但發(fā)展歷史有所不同。G3最初是采用了一塊由MAXIM設(shè)計(jì)的芯片，此芯片可提供適用于PHY層和某些現(xiàn)有軟件層的IEEE 802.15.4 2006通信、適用于MAC層的6LowPAN和適用于網(wǎng)絡(luò)層的IPv6通信。

　　PRIME則是由一個(gè)供電公司、行業(yè)廠家和大學(xué)研究所構(gòu)成的聯(lián)盟，合作開發(fā)一個(gè)新型OFDM電力線技術(shù)公開標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)物。該聯(lián)盟采用一個(gè)針對(duì)PHY層的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)流程，從滿足最基本要求開始。接下來就是從噪音等級(jí)、噪音節(jié)奏、信號(hào)減弱和阻抗模式等要素來對(duì)物理媒介進(jìn)行定義。行業(yè)廠家則開發(fā)用于這些目的的新型自動(dòng)化產(chǎn)品，并和供電公司展開了多次合作。由此產(chǎn)生了一個(gè)包含了噪音等級(jí)、噪音節(jié)奏、信號(hào)減弱和阻抗模式等要素的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，和用于電網(wǎng)的精確數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模式。

　　第二步，他們通過模擬的方法，用這個(gè)模式來*估OFDM技術(shù)的頭實(shí)現(xiàn)、帶寬分配、子載波數(shù)量、子載波調(diào)制和誤差糾正等多個(gè)參數(shù)構(gòu)成的不同組合，并采用新設(shè)備在實(shí)地測(cè)試中來*估最好的方案。經(jīng)過多次的重復(fù)和大量的實(shí)地測(cè)試，他們根據(jù)歐洲電網(wǎng)的情況和供電公司的規(guī)格要求，選擇出最佳的參數(shù)組合。此外，MAC和上端通信層也是由一個(gè)包含了晶片供應(yīng)商、表廠和供電公司的聯(lián)盟開發(fā)出來的。

　　經(jīng)過努力，他們開發(fā)出了PHY、MAC和集中通信層。PHY層在臨近節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)MPDU。它采用位于CENELEC A頻段高頻率的47.363 kHz頻率帶寬，平均傳輸速率為70kbps，最大速率可達(dá)120 kbps。在此條件下，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可直接通信的概率為92%。其它時(shí)候，路由可以確保100%連接成功。

　　MAC層提供了系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接創(chuàng)建/維護(hù)和拓?fù)浞直娴群诵腗AC功能。

　　服務(wù)專用型集中層（CL）可以對(duì)信息傳輸進(jìn)行分類，將其和適合的MAC連接關(guān)聯(lián)起來。它可測(cè)定可能包含在MAC SDU中的任何數(shù)據(jù)傳輸，也可具備有效負(fù)載頭壓縮功能。同時(shí)，采用多個(gè)子集中層來實(shí)現(xiàn)MAC SUD中的各種不同的數(shù)據(jù)傳輸。

　　在基本FSK或BPSK方案中，信息是以單個(gè)載波來傳輸?shù)?。傳輸?shù)牟ㄌ芈嗜Q于帶寬的大小，而噪音和選擇性減弱會(huì)限制通信。而在OFDM方案中，信息是通過多個(gè)子載波來傳輸?shù)摹鬏數(shù)牟ㄌ芈嗜Q于帶寬和DBPSK、DQPSK或D8PSK子載波調(diào)制的復(fù)雜性。通過采用多個(gè)子載波、編碼和糾錯(cuò)，更好地消除了通信中的噪音和選擇性減弱。

　　符號(hào)的大小是由采樣頻率以及子載波的數(shù)量決定的。符號(hào)越大，越能夠可靠地抑制脈沖噪音。編碼提高了穩(wěn)定性，但也增加了復(fù)雜性和功耗。子載波越多，通信穩(wěn)定性就越高，但并不意味著波特率也越高。

　　G3技術(shù)采用36個(gè)子載波、0.735ms的分類符號(hào)、6.79ms的序和9.5ms的開頭，需要重復(fù)法和RS糾錯(cuò)來提高通信穩(wěn)定性。

　　PRIME采用了97個(gè)子載波、2.24ms的長(zhǎng)符號(hào)、2ms的序和4.48的開頭。為了避免重復(fù)法和RS糾錯(cuò)的復(fù)雜性，它采用了能效高3倍的符號(hào)來提高通信穩(wěn)定性。這是一個(gè)能夠提供穩(wěn)定性但成本更低的方案。

　　總之，傳統(tǒng)電網(wǎng)在向需要更高級(jí)通信能力的智能電網(wǎng)發(fā)展。PLC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)必需功能和穩(wěn)定性的更便利的技術(shù)。PLC技術(shù)也在朝著OFDM方案變革，而G3和PRIME則是主要的2個(gè)方案。