電力線通信實現(xiàn)智能電網(wǎng)連接

時間：2011-12-09 13:35:36

關(guān)鍵字：智能電網(wǎng) 電力線通信窄帶噪聲

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[導讀]電力線通信(PLC)半導體器件可以將普通電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通信網(wǎng)絡(luò)，進而實現(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(“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

電力線通信(PLC)半導體器件可以將普通電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通信網(wǎng)絡(luò)，進而實現(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(“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。

由于存在強烈的噪聲、不斷變化的狀態(tài)以及設(shè)備與標準的差異，在電網(wǎng)上實現(xiàn)通信非常困難。在這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中實現(xiàn)可靠的操作，以及與前期安裝設(shè)備成功實現(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載信息的系統(tǒng)。所有PLC系統(tǒng)工作時都會在配線系統(tǒng)上傳送經(jīng)過調(diào)制的載波信號。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€術(shù)語。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、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、對機器到機器(M2M)連接不斷增長的需求以及對更好的資源管理的認識才使得窄帶PLC最終獲得了巨大的發(fā)展動力。

今天，窄帶PLC最常見的用途是將消費者連接到電力公司實現(xiàn)自動抄表(AMR)和負荷控制。這些系統(tǒng)一直是許多電力公司的首選，因為電力公司允許在他們控制的基礎(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)用案例包括自動販賣機、太陽能電池、電動汽車充電等。

電力線通信(PLC)半導體器件可以將普通電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通信網(wǎng)絡(luò)，進而實現(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(“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。

定義PLC

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€術(shù)語。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)。

窄帶PLC應(yīng)用

智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)將采用電力線先進計量基礎(chǔ)設(shè)施/自動抄表(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算機。這將被認為是一種固定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)——由電力公司建立和維護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PLC類系統(tǒng)。電力線AMI/AMR系統(tǒng)遠程實時讀取客戶電表，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬞M系統(tǒng)。AMI/ARM減少了抄表員每個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，并增強家庭、商務(wù)和城市中心的安全。但街燈的運維成本一般都非常高，而且消耗大量的電能(幾乎占整個城市電能消耗的40%)。將街燈和PLC連接在一起可以減少現(xiàn)場操作的次數(shù)，降低電能消耗，提高總的發(fā)光效率，并延長燈泡壽命。

智能家庭和電器：家庭自動化包括集中控制燈光、HVAC(加熱、通風和空調(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。由于家庭自動化系統(tǒng)的目標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。

太陽能：光伏電池板(太陽能電池板)必須加以仔細管理才能提供最佳性能，這涉及到利用通信實現(xiàn)遙控和實時監(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，還用于控制單個電池板或整個電池場。實時監(jiān)視方便維護監(jiān)視、檢測硅劣化/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比的電動汽車對電動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費與管理系統(tǒng)之間實現(xiàn)雙向通信。PLC是理想的解決方案，因為它使用已經(jīng)安裝好的電力線，能夠提供強大的安全性，并具有很大的擴容能力。

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)拓撲和連接網(wǎng)絡(luò)的負荷也許是兩個最重要的變量。這種可變性意味著沒有哪兩個電力線網(wǎng)絡(luò)具有完全相同的傳輸特性。

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

為了適應(yīng)噪聲可變性，PLC設(shè)備必須能夠估計帶內(nèi)噪聲電平以及每個載頻點的接收信號強度，然后通過修改通信頻率和調(diào)制機制來確保可能最佳的數(shù)據(jù)傳輸效果。通過測量帶內(nèi)噪聲和每個頻率點的接收信號強度可以為通信系統(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：單載波調(diào)制，如二元相移鍵控(BPSK)和頻移鍵控(FSK)；正交頻分復用(OFDM)；直接序列擴頻(DSSS)，再加上碼分多址(CDMA)。

應(yīng)用最為廣泛的窄帶PLC解決方案使用相對簡單但具有特別高性價比的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準的基礎(chǔ)，其中最著名的是Lon和DLMS標準。

Lon在ANSI/EIA框架下實現(xiàn)了標準化，針對介質(zhì)訪問控制(MAC)層和物理層的標準號分別是EIA-709.1和EIA-702.2。DLMS在國際電子技術(shù)委員會(IEC)框架下實現(xiàn)了標準化，標準號是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器件必須測量帶內(nèi)噪聲電平以及每個頻率點的接收信號強度，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)器就可以估計帶內(nèi)噪聲電平和每個載頻點的接收信號強度，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)展促進了更先進調(diào)制技術(shù)的開發(fā)和部署。例如，OFDM被證明特別高效，因為它能適應(yīng)有噪聲的環(huán)境，可以在CENELEC工作頻段上實現(xiàn)更高魯棒性、更強功能的通信網(wǎng)絡(luò)。OFDM為PRIME聯(lián)盟和G3-PLC等新標準的制訂奠定了堅實基礎(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OFDM解決方案之一(圖1)。SM2200可以處理速率高達175kbit/s的數(shù)據(jù)，它將54個載波組成了18個獨立的信道。

配電網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用開發(fā)的先進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將信號分成多個更小的子信號，然后用不同(正交)的頻率同時發(fā)送出去。每個更小的數(shù)據(jù)流再映射到各個數(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)還能減少信號傳輸中的串擾。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現(xiàn)可靠通信還有點距離。因此，為了提升可靠性，OFDM方法可以與多址機制結(jié)合起來實現(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數(shù)據(jù)流實現(xiàn)的(圖2)。這樣可以同時傳送多個單獨的數(shù)據(jù)流。

通過將子載波的子集分配給各個數(shù)據(jù)流實現(xiàn)

OFDMA進一步改善了OFDM在抗衰落與干擾方面的魯棒性。但更重要的是，單獨的數(shù)據(jù)流可以用來與多個節(jié)點(電表)同時通信，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準使得電網(wǎng)通信十分困難?？煽康耐ㄐ艡C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。這對智能電網(wǎng)實現(xiàn)來說特別重要，因為集中裝置可以與更大數(shù)量的電表進行通信。這種吞吐量可以支持多種日常抄表，因而能對電網(wǎng)實現(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OFDM調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它們能極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的數(shù)據(jù)流，進而提供更大的頻率靈活性。