電力線通信實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)連接

電力線通信(PLC)半導(dǎo)體器件可以將普通電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)將電力公司與他們的客戶連接在一起，使家庭具有能量意識(shí)(“智能家庭”)，并能夠?qū)﹄娋W(wǎng)上的狀態(tài)作出反應(yīng)。這包括了連接智能電表、智能電網(wǎng)監(jiān)視器和街燈。

由于存在強(qiáng)烈的噪聲、不斷變化的狀態(tài)以及設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)的差異，在電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)通信非常困難。在這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的操作，以及與前期安裝設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)互操作都需要采用新的PLC技術(shù)。

定義PLC

電力線通信(PLC)也被稱為電力線載波，涵蓋所有使用電力線運(yùn)載信息的系統(tǒng)。所有PLC系統(tǒng)工作時(shí)都會(huì)在配線系統(tǒng)上傳送經(jīng)過調(diào)制的載波信號(hào)。不同類型的PLC使用不同的頻段，具體取決于電力配線的信號(hào)傳輸特性。由于電力配線系統(tǒng)的原始作用是傳輸交流(或直流)電力，因此電力線電路在配線系統(tǒng)上傳播更高頻率方面的性能非常有限。

PLC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率變化范圍很大。較高的數(shù)據(jù)速率通常意味著較短的距離。工作速率為每秒幾兆位的局域網(wǎng)(LAN)也許只能覆蓋幾米范圍。

窄帶電力線通信(NBPLC)是專門用于頻率在500kHz以下的電力線通信傳輸?shù)囊粋€(gè)術(shù)語(yǔ)。特別是歐洲的CENELEC已將148.5kHz及以下的頻率授權(quán)給了廣為部署的PLC系統(tǒng)。

在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，高壓傳輸線可以將數(shù)據(jù)傳輸數(shù)百米至幾公里的距離。這時(shí)的數(shù)據(jù)速率比較適中，在1kbit/s至200kbit/s范圍之內(nèi)。這些速率非常適合遙感遙測(cè)、數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。

窄帶PLC應(yīng)用

窄帶PLC可以應(yīng)用于需要與連接著電力線的設(shè)備雙向通信的任何地方。由于不懈的節(jié)能努力在電力分配和管理方面形成了新的投資領(lǐng)域，現(xiàn)在的窄帶PLC比以往任何時(shí)候都要流行。這種現(xiàn)象就是所謂的智能電網(wǎng)。

窄帶PLC不是新生事物。但恰恰是最近技術(shù)的發(fā)展、對(duì)機(jī)器到機(jī)器(M2M)連接不斷增長(zhǎng)的需求以及對(duì)更好的資源管理的認(rèn)識(shí)才使得窄帶PLC最終獲得了巨大的發(fā)展動(dòng)力。

今天，窄帶PLC最常見的用途是將消費(fèi)者連接到電力公司實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表(AMR)和負(fù)荷控制。這些系統(tǒng)一直是許多電力公司的首選，因?yàn)殡娏驹试S在他們控制的基礎(chǔ)設(shè)施上傳送數(shù)據(jù)。其它快速興起的應(yīng)用包括街燈控制(SLC)和智能電器等。

窄帶PLC還開始在使用需要監(jiān)視和控制的電氣連接設(shè)備的許多其它應(yīng)用中尋找用武之地。許多潛在性的應(yīng)用案例包括自動(dòng)販賣機(jī)、太陽(yáng)能電池、電動(dòng)汽車充電等。

電力線通信(PLC)半導(dǎo)體器件可以將普通電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)將電力公司與他們的客戶連接在一起，使家庭具有能量意識(shí)(“智能家庭”)，并能夠?qū)﹄娋W(wǎng)上的狀態(tài)作出反應(yīng)。這包括了連接智能電表、智能電網(wǎng)監(jiān)視器和街燈。

由于存在強(qiáng)烈的噪聲、不斷變化的狀態(tài)以及設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)的差異，在電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)通信非常困難。在這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的操作，以及與前期安裝設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)互操作都需要采用新的PLC技術(shù)。

定義PLC

電力線通信(PLC)也被稱為電力線載波，涵蓋所有使用電力線運(yùn)載信息的系統(tǒng)。所有PLC系統(tǒng)工作時(shí)都會(huì)在配線系統(tǒng)上傳送經(jīng)過調(diào)制的載波信號(hào)。不同類型的PLC使用不同的頻段，具體取決于電力配線的信號(hào)傳輸特性。由于電力配線系統(tǒng)的原始作用是傳輸交流(或直流)電力，因此電力線電路在配線系統(tǒng)上傳播更高頻率方面的性能非常有限。

PLC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率變化范圍很大。較高的數(shù)據(jù)速率通常意味著較短的距離。工作速率為每秒幾兆位的局域網(wǎng)(LAN)也許只能覆蓋幾米范圍。

窄帶電力線通信(NBPLC)是專門用于頻率在500kHz以下的電力線通信傳輸?shù)囊粋€(gè)術(shù)語(yǔ)。特別是歐洲的CENELEC已將148.5kHz及以下的頻率授權(quán)給了廣為部署的PLC系統(tǒng)。

在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，高壓傳輸線可以將數(shù)據(jù)傳輸數(shù)百米至幾公里的距離。這時(shí)的數(shù)據(jù)速率比較適中，在1kbit/s至200kbit/s范圍之內(nèi)。這些速率非常適合遙感遙測(cè)、數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。

窄帶PLC應(yīng)用

窄帶PLC可以應(yīng)用于需要與連接著電力線的設(shè)備雙向通信的任何地方。由于不懈的節(jié)能努力在電力分配和管理方面形成了新的投資領(lǐng)域，現(xiàn)在的窄帶PLC比以往任何時(shí)候都要流行。這種現(xiàn)象就是所謂的智能電網(wǎng)。

窄帶PLC不是新生事物。但恰恰是最近技術(shù)的發(fā)展、對(duì)機(jī)器到機(jī)器(M2M)連接不斷增長(zhǎng)的需求以及對(duì)更好的資源管理的認(rèn)識(shí)才使得窄帶PLC最終獲得了巨大的發(fā)展動(dòng)力。

今天，窄帶PLC最常見的用途是將消費(fèi)者連接到電力公司實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表(AMR)和負(fù)荷控制。這些系統(tǒng)一直是許多電力公司的首選，因?yàn)殡娏驹试S在他們控制的基礎(chǔ)設(shè)施上傳送數(shù)據(jù)。其它快速興起的應(yīng)用包括街燈控制(SLC)和智能電器等。

窄帶PLC還開始在使用需要監(jiān)視和控制的電氣連接設(shè)備的許多其它應(yīng)用中尋找用武之地。許多潛在性的應(yīng)用案例包括自動(dòng)販賣機(jī)、太陽(yáng)能電池、電動(dòng)汽車充電等。

智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)將采用電力線先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施/自動(dòng)抄表(AMI/AMR)技術(shù)。電力數(shù)據(jù)經(jīng)過電力線傳回到變電站，然后中繼到電力公司主要辦公室的中央計(jì)算機(jī)。這將被認(rèn)為是一種固定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)——由電力公司建立和維護(hù)并用于提供電能的配電網(wǎng)絡(luò)。這樣的系統(tǒng)主要用于電力抄表。一些提供商還連接煤氣表和水表并饋進(jìn)PLC類系統(tǒng)。電力線AMI/AMR系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)讀取客戶電表，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)費(fèi)系統(tǒng)。AMI/ARM減少了抄表員每個(gè)月人工采集各種水電氣表數(shù)據(jù)的需求。

智能燈光控制：街燈是城市最重要的資產(chǎn)，可以提供安全道路、富有吸引力的公共區(qū)域，并增強(qiáng)家庭、商務(wù)和城市中心的安全。但街燈的運(yùn)維成本一般都非常高，而且消耗大量的電能(幾乎占整個(gè)城市電能消耗的40%)。將街燈和PLC連接在一起可以減少現(xiàn)場(chǎng)操作的次數(shù)，降低電能消耗，提高總的發(fā)光效率，并延長(zhǎng)燈泡壽命。

智能家庭和電器：家庭自動(dòng)化包括集中控制燈光、HVAC(加熱、通風(fēng)和空調(diào))、電器和其它系統(tǒng)，從而提高便利性、舒適性、能效和安全性。由于家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的目標(biāo)是將所有家庭電氣設(shè)備相互連接在一起，因此PLC是一種理想的方法。

太陽(yáng)能：光伏電池板(太陽(yáng)能電池板)必須加以仔細(xì)管理才能提供最佳性能，這涉及到利用通信實(shí)現(xiàn)遙控和實(shí)時(shí)監(jiān)視。遙控用于控制電池板傾斜度以便最大限度地提高光照量，還用于控制單個(gè)電池板或整個(gè)電池場(chǎng)。實(shí)時(shí)監(jiān)視方便維護(hù)監(jiān)視、檢測(cè)硅劣化/電池替換需求、氣候條件、盜竊以及輸出功率和效率。

汽車至電網(wǎng)：隨著智能電網(wǎng)部署的展開，上升的燃油成本以及更高性價(jià)比的電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)汽車充電站提出了更多的要求。這種汽車至電網(wǎng)(V2G)基礎(chǔ)設(shè)施的部署要求在充電站和計(jì)費(fèi)與管理系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)雙向通信。PLC是理想的解決方案，因?yàn)樗褂靡呀?jīng)安裝好的電力線，能夠提供強(qiáng)大的安全性，并具有很大的擴(kuò)容能力。

智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性

有許多變量影響智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信特性，其中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦B接網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷也許是兩個(gè)最重要的變量。這種可變性意味著沒有哪兩個(gè)電力線網(wǎng)絡(luò)具有完全相同的傳輸特性。

通過電網(wǎng)通信信道實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳送可靠性要求采用先進(jìn)的通信機(jī)制來(lái)解決噪聲問題。這樣的機(jī)制還需要應(yīng)付通信過程中被暫時(shí)或永久閉塞的許多頻率。

為了適應(yīng)噪聲可變性，PLC設(shè)備必須能夠估計(jì)帶內(nèi)噪聲電平以及每個(gè)載頻點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度，然后通過修改通信頻率和調(diào)制機(jī)制來(lái)確?？赡茏罴训臄?shù)據(jù)傳輸效果。通過測(cè)量帶內(nèi)噪聲和每個(gè)頻率點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度可以為通信系統(tǒng)選出最佳頻率。
 
PLC技術(shù)

低壓(LV)和中壓(MV)網(wǎng)絡(luò)主要采用以下三種窄帶通信技術(shù)中的一種：?jiǎn)屋d波調(diào)制，如二元相移鍵控(BPSK)和頻移鍵控(FSK)；正交頻分復(fù)用(OFDM)；直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，再加上碼分多址(CDMA)。

應(yīng)用最為廣泛的窄帶PLC解決方案使用相對(duì)簡(jiǎn)單但具有特別高性價(jià)比的FSK和BPSK調(diào)制技術(shù)。這些技術(shù)組成了多種具有互操作性的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，其中最著名的是Lon和DLMS標(biāo)準(zhǔn)。

Lon在ANSI/EIA框架下實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，針對(duì)介質(zhì)訪問控制(MAC)層和物理層的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)分別是EIA-709.1和EIA-702.2。DLMS在國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)(IEC)框架下實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是IEC62056和IEC61334。

為了確保在有噪聲的環(huán)境中可靠工作，F(xiàn)SK和BPSK器件必須測(cè)量帶內(nèi)噪聲電平以及每個(gè)頻率點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度，然后由軟件為可靠通信選擇最佳頻率。例如，Semitech公司的SM6401PLC收發(fā)器就可以估計(jì)帶內(nèi)噪聲電平和每個(gè)載頻點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度，然后由軟件為數(shù)據(jù)傳輸選擇最優(yōu)頻率。

通信技術(shù)的跨越式發(fā)展促進(jìn)了更先進(jìn)調(diào)制技術(shù)的開發(fā)和部署。例如，OFDM被證明特別高效，因?yàn)樗苓m應(yīng)有噪聲的環(huán)境，可以在CENELEC工作頻段上實(shí)現(xiàn)更高魯棒性、更強(qiáng)功能的通信網(wǎng)絡(luò)。OFDM為PRIME聯(lián)盟和G3-PLC等新標(biāo)準(zhǔn)的制訂奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

Semitech公司開發(fā)的SM2200是專門為支持低壓(<100V)和中壓(1kV至33kV)配電網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用開發(fā)的先進(jìn)OFDM解決方案之一(圖1)。SM2200可以處理速率高達(dá)175kbit/s的數(shù)據(jù)，它將54個(gè)載波組成了18個(gè)獨(dú)立的信道。

配電網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用開發(fā)的先進(jìn)OFDM解決方案之一

OFDM及OFDMA提升智能電網(wǎng)通信質(zhì)量

OFDM在有噪聲的信道(如電網(wǎng))上發(fā)送大量數(shù)字化數(shù)據(jù)。OFDM將信號(hào)分成多個(gè)更小的子信號(hào)，然后用不同(正交)的頻率同時(shí)發(fā)送出去。每個(gè)更小的數(shù)據(jù)流再映射到各個(gè)數(shù)據(jù)子載波，并使用某種形式的相移鍵控(PSK)或正交幅度調(diào)制(QAM)(如BPSK或正交相移鍵控(QPSK))進(jìn)行調(diào)制。

除了具有很高的頻譜效率外，OFDM系統(tǒng)還能減少信號(hào)傳輸中的串?dāng)_。另外，OFDM還能高效地克服由多徑效應(yīng)造成的干擾和選頻衰落。

雖然OFDM可以解決有噪聲的智能電網(wǎng)環(huán)境中的通信問題，但與在這些非常惡劣的條件下實(shí)現(xiàn)可靠通信還有點(diǎn)距離。因此，為了提升可靠性，OFDM方法可以與多址機(jī)制結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)正交頻分多址(OFDMA)。

在SM2200中，OFDMA的多址技術(shù)是通過將子載波的子集分配給各個(gè)數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)的(圖2)。這樣可以同時(shí)傳送多個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)流。

通過將子載波的子集分配給各個(gè)數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)

OFDMA進(jìn)一步改善了OFDM在抗衰落與干擾方面的魯棒性。但更重要的是，單獨(dú)的數(shù)據(jù)流可以用來(lái)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)(電表)同時(shí)通信，或者通過冗余特性顯著提高系統(tǒng)可靠性。

本文小結(jié)

惡劣的噪聲、設(shè)備的變化以及不同標(biāo)準(zhǔn)使得電網(wǎng)通信十分困難?？煽康耐ㄐ艡C(jī)制可以通過增加帶寬和減少數(shù)據(jù)包重試次數(shù)提高吞吐量。這對(duì)智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)特別重要，因?yàn)榧醒b置可以與更大數(shù)量的電表進(jìn)行通信。這種吞吐量可以支持多種日常抄表，因而能對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更好的控制。

像BPSK和FSK等傳統(tǒng)PLC技術(shù)在這些充滿噪聲的環(huán)境中是不夠用的，這促使人們對(duì)OFDM調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)樗鼈兡軜O大地改善通信帶寬和可靠性。多址信道(或眾所周知的OFDMA)可以將子載波的子集分配給單獨(dú)的數(shù)據(jù)流，進(jìn)而提供更大的頻率靈活性。