智能電網(wǎng)與電力線通信技術

在傳統(tǒng)電網(wǎng)向新型智能電網(wǎng)的轉變，以及其中將面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，需要一個很好的通信網(wǎng)絡來實時接收所有用戶信息和控制其負載。要解決這一問題，目前最被認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。本文介紹了PLC技術及其發(fā)展歷程，并將傳統(tǒng)的窄帶單載波FSK調制方案與基于OFDM的PRIME和G3兩種新方案進行了對比。

　　I 介紹

　　傳統(tǒng)的電網(wǎng)正在發(fā)生變革。在過去的一個世紀，電網(wǎng)是一個用來將由一定數(shù)量的發(fā)電站發(fā)出的電能傳輸?shù)酱罅坎煌墑e的用戶的系統(tǒng)。設計和運行電網(wǎng)的標準，就是要將電能以一種有效的方式從數(shù)百個發(fā)電站傳輸?shù)綌?shù)百萬的用戶家中。這個系統(tǒng)儲存電能的功能是很有限的，所以如何預測用戶的用電量就變得至關重要。電網(wǎng)的控制是基于每日的預測來進行，而電能是由發(fā)電站通過傳輸網(wǎng)絡輸送到配電網(wǎng)絡。大部分發(fā)電都需要由調節(jié)器來控制。

　　而現(xiàn)在在某些國家，以及將來的更多國家，綠色能源對于電網(wǎng)的貢獻將會越來越大。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%是太陽能和風能發(fā)電。在大部分綠色電能中，調節(jié)器要進行的控制很少。此外，電動交通工具也加入了變革的隊伍。電動交通工具的大規(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、電動交通工具的儲電能力被認為是電網(wǎng)的完美風暴。這個方案就被稱為智能電網(wǎng)。它結合了嵌入式智能技術和實時通信與控制功能，能夠隨時與任何用戶進行實時通信并控制其負載。要實現(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。

　　PLC技術早在20多年前就被用于中壓領域來控制電網(wǎng)。但在低壓側大規(guī)模使用PLC則是更近才開始。PLC技術的一個典型成功案例，是意大利ENEL供電公司采用一個基于FSK和BPSK調制的窄帶PLC系統(tǒng)為3500萬用戶構建一個AMM（自動電表管理）系統(tǒng)。此系統(tǒng)可每2個月自動抄讀一次3500萬臺電表。但是它的平均波特率不夠，無法支持更多的實時通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協(xié)議的應用。

　　要進行更多的實時通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協(xié)議的應用，就需要一種基于OFDM調制的新一代PLC技術。其中兩種主要的OFDM方案，就是現(xiàn)在的G3和PRIME技術。G3是一個由法國EDF電力公司發(fā)起，MAXIM和SAGEMCOM開發(fā)的方案。這個方案在2009年被公布，EDF計劃將在2013年試用2000臺采用G3技術的電表。

　　PRIME是一個由PRIME聯(lián)盟推出的一個開放式多供應商解決方案，該聯(lián)盟包含了30多個由供電公司、表計廠家和ADD半導體、FUJITSU、STM和TI等晶片供應商組成的成員。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也加入這個陣營。

　　IBERDROLA在2010年開始安裝10萬臺采用PRIME技術的電表。該供電公司還計劃在2010年年底發(fā)布一個需量為100萬臺電表的新標，并于未來3-5年在西班牙完成1000萬臺電表的安裝。其它一些供電公司也開始采用PRIME技術。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設計的芯片，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)絡層的IPv6通信。

　　PRIME則是由一個供電公司、行業(yè)廠家和大學研究所構成的聯(lián)盟，合作開發(fā)一個新型OFDM電力線技術公開標準的產物。該聯(lián)盟采用一個針對PHY層的系統(tǒng)性設計流程，從滿足最基本要求開始。接下來就是從噪音等級、噪音節(jié)奏、信號減弱和阻抗模式等要素來對物理媒介進行定義。行業(yè)廠家則開發(fā)用于這些目的的新型自動化產品，并和供電公司展開了多次合作。由此產生了一個包含了噪音等級、噪音節(jié)奏、信號減弱和阻抗模式等要素的大型數(shù)據(jù)庫，和用于電網(wǎng)的精確數(shù)據(jù)統(tǒng)計模式。

　　第二步，他們通過模擬的方法，用這個模式來*估OFDM技術的頭實現(xiàn)、帶寬分配、子載波數(shù)量、子載波調制和誤差糾正等多個參數(shù)構成的不同組合，并采用新設備在實地測試中來*估最好的方案。經過多次的重復和大量的實地測試，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包含了晶片供應商、表廠和供電公司的聯(lián)盟開發(fā)出來的。

　　經過努力，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120 kbps。在此條件下，網(wǎng)絡中各個節(jié)點之間可直接通信的概率為92%。其它時候，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/維護和拓撲分辨等核心MAC功能。

　　服務專用型集中層（CL）可以對信息傳輸進行分類，將其和適合的MAC連接關聯(lián)起來。它可測定可能包含在MAC SDU中的任何數(shù)據(jù)傳輸，也可具備有效負載頭壓縮功能。同時，采用多個子集中層來實現(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限制通信。而在OFDM方案中，信息是通過多個子載波來傳輸?shù)?。傳輸?shù)牟ㄌ芈嗜Q于帶寬和DBPSK、DQPSK或D8PSK子載波調制的復雜性。通過采用多個子載波、編碼和糾錯，更好地消除了通信中的噪音和選擇性減弱。

　　符號的大小是由采樣頻率以及子載波的數(shù)量決定的。符號越大，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技術采用36個子載波、0.735ms的分類符號、6.79ms的序和9.5ms的開頭，需要重復法和RS糾錯來提高通信穩(wěn)定性。

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

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