應(yīng)用于智能電網(wǎng)的PLC通信標(biāo)準(zhǔn)

緒論

近幾年來，電力通信的發(fā)展一直是綠色能源的關(guān)注重點(diǎn)之一，隨著電力電子技術(shù)進(jìn)步，電力線的技術(shù)也愈加成熟，所以現(xiàn)在已經(jīng)有大量廠商對這個技術(shù)所帶來的新應(yīng)用感到興趣，例如智能電網(wǎng)、自動讀表系統(tǒng)甚至智能家庭都被視為未來電力線發(fā)展的重要標(biāo)的。因此，智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)可以偵測電力供應(yīng)及一般家庭電力的使用狀況，藉此來調(diào)整電力的耗電量，達(dá)到節(jié)約能源，增強(qiáng)電網(wǎng)可靠性的目的。本文將針對智能電網(wǎng)的基本概念、技術(shù)發(fā)展及通信標(biāo)準(zhǔn)，提供一個概略性的介紹與整理。

電力線通信將無所不在

為了掌握各區(qū)域用電的實(shí)時情報，電力線通信的涵蓋范圍非常廣，從最底層的家庭用電到跨越電表至變電站的信息集中器(Concentrator)，或是更高的中壓層通信都必需完整掌控，因此，更要確保不同電壓段的通信質(zhì)量，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

因?yàn)榧夹g(shù)日漸成熟，電力線的通信質(zhì)量有著飛躍性的增長。隨著應(yīng)用不同，可以分成可遠(yuǎn)距離傳送的窄頻PLC(NarrowBandPowerlinecommunication)及短距離但高速度的寬帶PLC(BroadBandpowerlinecommunication)，目前寬帶PLC的物理層(PHYrate)傳輸速度己可達(dá)到200M(bps)。因此，智能家庭的應(yīng)用又再次搬上臺面，不僅從室外即可遠(yuǎn)程操控家中的電器，電費(fèi)也不再只能依靠每兩個月一次的賬單，家中所有電器的用電信息可以隨時掌控，再者，只要使用家中的插座即可直接上網(wǎng)，透過有線傳輸讓家里通信不再有死角。

可靠的長程通信工具

窄頻電力線，是電力線通信發(fā)展初期即存在的技術(shù)，適合用在較長距離的電力線通信技術(shù)。因通信使用500k(Hz)以下頻帶，較不易受到電力線先天環(huán)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(jiān)控，圖1即為先進(jìn)讀表系統(tǒng)(AMI)的架構(gòu)圖。意大利ENEL電力公司采用一個基于FSK和BPSK調(diào)制的窄帶PLC系統(tǒng)，建構(gòu)一個3500萬用戶的自動電表管理系統(tǒng)即為經(jīng)典的成功案例。

圖為自動讀表系統(tǒng)的通信環(huán)境示意圖，臺灣的電力系統(tǒng)大多是由變電站提供220v電源至各住戶，所以數(shù)據(jù)集中器適合設(shè)置于變電站，再由光纖將各家的用電信息傳至管理服務(wù)器，所以數(shù)字電表的電力信息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(gòu)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(shè)備，因此最適合使用窄頻PLC作為解決方案。

如上述，窄頻電力線通信雖然并非新一代的技術(shù)，但隨著通信技術(shù)增長，不論是通信速度或是對抗噪聲的調(diào)變技術(shù)都有大幅增長。當(dāng)下已有許多國家有制定自己的窄頻通信規(guī)范，例如北美的美國聯(lián)邦通信委員會FCC(9k~490kHz)，在歐洲，則由1976年成立于比利時的CENELEC制定其規(guī)范(3kHz~148.5kHz)，以及日本電波產(chǎn)業(yè)會ARIB(10kHz~450kHz)等等。

近來，許多之前使用在數(shù)字通信的調(diào)變技術(shù)都被拿到電力線通信上使用例如FSK、PSK、展頻等等，其中最熱門的莫過于使用多載波的OFDM調(diào)變技術(shù)，主要原因在于其抗信道衰減及噪聲干擾的優(yōu)異表現(xiàn)，也因此，歐洲的G3及PRIME兩個窄頻電力線解決方案都是采用這個技術(shù)。

無所不在的高速通信

因?yàn)樾酒瞥碳夹g(shù)進(jìn)步及新調(diào)變技術(shù)表現(xiàn)優(yōu)異，PLC通信的速度成功突破瓶頸，2006年，新的HomePlugAV規(guī)范使速度達(dá)到189M(bps)。自此，PLC通信技術(shù)不再被局限只能用于自動控制，而是真正進(jìn)入高速信息通信的殿堂。

目前，HomePlug聯(lián)盟正積極制定下一代新的通信標(biāo)準(zhǔn)HomePlugAV2，預(yù)期傳輸速率可達(dá)1G(bps)，且支持多重串流的1080p高畫質(zhì)影音、3D影音等等主流應(yīng)用，預(yù)期在今年第3季問世。此外，在智能家庭方面，該組織日前擬定的HomePlugGreenPHY(GP)窄頻標(biāo)準(zhǔn)已獲選為美國家電制造商協(xié)會(AHAM)智能電網(wǎng)產(chǎn)品的主要通信協(xié)議，使得未來家庭電網(wǎng)的兼容性又大大提升。

目前PLC業(yè)界有3個比較大的標(biāo)準(zhǔn)組織，分別是HomePlug、UPA及CEPCA。HomePlug是由HomePlugPowerAlliance業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組織制定，主要成員是由美國PLC制造業(yè)者組成。UPA，全名UniversalPowerlineAssociation，是另一個寬帶電力線通信標(biāo)準(zhǔn)，由西班牙DS2公司為中心所成立的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組織。CEPCA消費(fèi)電子電力線通信聯(lián)盟，Panasonic為主的業(yè)界聯(lián)盟組織，使用WaveletOFDM調(diào)變技術(shù)是與前兩者最大的不同之處。上述三個寬帶電力線規(guī)范以市場分布及聯(lián)盟成員來區(qū)別大致可以分成HomePlug(美規(guī))、UPA(歐規(guī))、CEPCA(日規(guī))。

由于當(dāng)下并沒有一個全球通用的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，國際電信聯(lián)盟（ITU-T）、IEEE便著手于此，希望不久將來寬帶PLC可以像Ethernet或WiFi一樣有一個通用的標(biāo)準(zhǔn)流通于市面上。

新一代整合界面標(biāo)準(zhǔn)-G.hn

G.hn是由ITU-T制定，并由HomeGrid論壇推動的新標(biāo)準(zhǔn)，目的在于統(tǒng)一PLC及其他所有家用的高速通信規(guī)格。G.hn能在短時間內(nèi)迅速竄起除了可以同時兼容電力線、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(dá)到700M(bps)，其通信速度可用在更廣泛且熱門的應(yīng)用之中也是業(yè)界看好其發(fā)展性的重點(diǎn)之一。

電力線通信先天的阻礙

因?yàn)殡娏€本是為了供應(yīng)用電而不是設(shè)計用于通信，所以要在這個環(huán)境下通信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信，如同圖2所示，即AMI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送信道，在此環(huán)境中即可能遇到電力線通道在地下，無法預(yù)估長度或是分接予其他用戶的情形，這些都可能導(dǎo)致通信上的困難。

窄頻電力線方面如同先前所述因?yàn)檩^不易受到環(huán)境衰減，所以大多使用在中壓或是AMI的遠(yuǎn)距離傳輸，但也因?yàn)槭褂玫膫鬏旑l帶較低(約在1M(Hz)以下)，所以容易受到電器噪聲的影響。相較之下，窄頻電力線受到的干擾，寬帶電力線則是高頻通道衰減較為嚴(yán)重。圖4所示即為真實(shí)電力線的噪聲量測結(jié)果，可以看出噪聲多集中在低頻帶。圖5顯示是同場域量測的通道響應(yīng)，從接收功率的分布情形得知高頻部分可能受到的嚴(yán)重衰減而并非噪聲干擾。當(dāng)然，在室內(nèi)使用之電力線通信也可能因?yàn)榧抑须娖魇褂没蚴谴筘?fù)載電器而造成信號衰減，這些都是先天即存在且必須克服的不利因素。

結(jié)語

電力線通信不論是寬、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(wǎng)絡(luò)，大到都市電力系統(tǒng)，已訂定的通信規(guī)范雖然很多，但因?yàn)楦鲊碾娏ο到y(tǒng)設(shè)計不同，使用的效果也不盡相同，不論是AMI系統(tǒng)或是智能電網(wǎng)都必須選定最合適的規(guī)范或是傳輸協(xié)議，甚至是制定出屬于電力系統(tǒng)的專用規(guī)范。然而，這些都是必須經(jīng)過大量實(shí)地測試之后才可以得出定論，在這過程中也需要政策的大力支持，因?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)涉及到的范圍不僅僅是技術(shù)面，先期的推動還必須仰賴政策面，及補(bǔ)助政策以及制造商和企業(yè)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(dá)到最終結(jié)能減碳的終極目標(biāo)。期許在不久將來，智能電網(wǎng)、智能家庭就可以成為大家耳熟能詳且最生活化的技術(shù)。