电力线通信实现智能电网连接-AET-电子技术应用

电力线通信实现智能电网连接

来源：电子系统设计

摘要： 电力线通信(PLC)半导体器件可以将普通电网转换为通信网络，进而实现智能电网。这种网络将电力公司与他们的客户连接在一起，使家庭具有能量意识(“智能家庭”)，并能够对电网上的状态作出反应。这包括了连接智能电表、智能电网监视器和街灯。

关键词： 电力线通信智能电表智能电网监视器

Abstract：

Key words :

　　电力线通信(PLC)半导体器件可以将普通电网转换为通信网络，进而实现智能电网。这种网络将电力公司与他们的客户连接在一起，使家庭具有能量意识(“智能家庭”)，并能够对电网上的状态作出反应。这包括了连接智能电表、智能电网监视器和街灯。

　　由于存在强烈的噪声、不断变化的状态以及设备与标准的差异，在电网上实现通信非常困难。在这种极具挑战的环境中实现可靠的操作，以及与前期安装设备成功实现互操作都需要采用新的PLC技术。

　　定义PLC

　　电力线通信(PLC)也被称为电力线载波，涵盖所有使用电力线运载信息的系统。所有PLC系统工作时都会在配线系统上传送经过调制的载波信号。不同类型的PLC使用不同的频段，具体取决于电力配线的信号传输特性。由于电力配线系统的原始作用是传输交流(或直流)电力，因此电力线电路在配线系统上传播更高频率方面的性能非常有限。

　　PLC系统中的数据速率变化范围很大。较高的数据速率通常意味着较短的距离。工作速率为每秒几兆位的局域网(LAN)也许只能覆盖几米范围。

　　窄带电力线通信(NB PLC)是专门用于频率在500kHz以下的电力线通信传输的一个术语。特别是欧洲的CENELEC已将148.5kHz及以下的频率授权给了广为部署的PLC系统。

　　在这个频率范围内，高压传输线可以将数据传输数百米至几公里的距离。这时的数据速率比较适中，在1kbit/s至200kbit/s范围之内。这些速率非常适合遥感遥测、数据采集和控制应用。

　　窄带PLC应用

　　窄带PLC可以应用于需要与连接着电力线的设备双向通信的任何地方。由于不懈的节能努力在电力分配和管理方面形成了新的投资领域，现在的窄带PLC比以往任何时候都要流行。这种现象就是所谓的智能电网。

　　窄带PLC不是新生事物。但恰恰是最近技术的发展、对机器到机器(M2M)连接不断增长的需求以及对更好的资源管理的认识才使得窄带PLC最终获得了巨大的发展动力。

　　今天，窄带PLC最常见的用途是将消费者连接到电力公司实现自动抄表(AMR)和负荷控制。这些系统一直是许多电力公司的首选，因为电力公司允许在他们控制的基础设施上传送数据。其它快速兴起的应用包括街灯控制(SLC)和智能电器等。

　　窄带PLC还开始在使用需要监视和控制的电气连接设备的许多其它应用中寻找用武之地。许多潜在性的应用案例包括自动贩卖机、太阳能电池、电动汽车充电等。

　　智能电网：智能电网将采用电力线先进计量基础设施/自动抄表(AMI/AMR)技术。电力数据经过电力线传回到变电站，然后中继到电力公司主要办公室的中央计算机。这将被认为是一种固定的网络系统——由电力公司建立和维护并用于提供电能的配电网络。这样的系统主要用于电力抄表。一些提供商还连接煤气表和水表并馈进PLC类系统。电力线AMI/AMR系统远程实时读取客户电表，然后将数据传输到计费系统。AMI/ARM减少了抄表员每个月人工采集各种水电气表数据的需求。

　　智能灯光控制：街灯是城市最重要的资产，可以提供安全道路、富有吸引力的公共区域，并增强家庭、商务和城市中心的安全。但街灯的运维成本一般都非常高，而且消耗大量的电能(几乎占整个城市电能消耗的40%)。将街灯和PLC连接在一起可以减少现场操作的次数，降低电能消耗，提高总的发光效率，并延长灯泡寿命。

　　智能家庭和电器：家庭自动化包括集中控制灯光、HVAC(加热、通风和空调)、电器和其它系统，从而提高便利性、舒适性、能效和安全性。由于家庭自动化系统的目标是将所有家庭电气设备相互连接在一起，因此PLC是一种理想的方法。

　　太阳能：光伏电池板(太阳能电池板)必须加以仔细管理才能提供最佳性能，这涉及到利用通信实现遥控和实时监视。遥控用于控制电池板倾斜度以便最大限度地提高光照量，还用于控制单个电池板或整个电池场。实时监视方便维护监视、检测硅劣化/电池替换需求、气候条件、盗窃以及输出功率和效率。

　　汽车至电网：随着智能电网部署的展开，上升的燃油成本以及更高性价比的电动汽车对电动汽车充电站提出了更多的要求。这种汽车至电网(V2G)基础设施的部署要求在充电站和计费与管理系统之间实现双向通信。PLC是理想的解决方案，因为它使用已经安装好的电力线，能够提供强大的安全性，并具有很大的扩容能力。

　　智能电网的网络特性

　　有许多变量影响智能电网网络的通信特性，其中网络拓扑和连接网络的负荷也许是两个最重要的变量。这种可变性意味着没有哪两个电力线网络具有完全相同的传输特性。

　　通过电网通信信道实现增强的数据传送可靠性要求采用先进的通信机制来解决噪声问题。这样的机制还需要应付通信过程中被暂时或永久闭塞的许多频率。

　　为了适应噪声可变性，PLC设备必须能够估计带内噪声电平以及每个载频点的接收信号强度，然后通过修改通信频率和调制机制来确保可能最佳的数据传输效果。通过测量带内噪声和每个频率点的接收信号强度可以为通信系统选出最佳频率。

　　PLC技术

　　低压(LV)和中压(MV)网络主要采用以下三种窄带通信技术中的一种：单载波调制，如二元相移键控(BPSK)和频移键控(FSK)；正交频分复用(OFDM)；直接序列扩频(DSSS)，再加上码分多址(CDMA)。

　　应用最为广泛的窄带PLC解决方案使用相对简单但具有特别高性价比的FSK和BPSK调制技术。这些技术组成了多种具有互操作性的标准的基础，其中最著名的是Lon和DLMS标准。

　　Lon在ANSI/EIA框架下实现了标准化，针对介质访问控制(MAC)层和物理层的标准号分别是EIA-709.1和EIA-702.2。DLMS在国际电子技术委员会(IEC)框架下实现了标准化，标准号是IEC 62056和IEC 61334。

　　为了确保在有噪声的环境中可靠工作，FSK和BPSK器件必须测量带内噪声电平以及每个频率点的接收信号强度，然后由软件为可靠通信选择最佳频率。例如，Semitech公司的SM6401 PLC收发器就可以估计带内噪声电平和每个载频点的接收信号强度，然后由软件为数据传输选择最优频率。

　　通信技术的跨越式发展促进了更先进调制技术的开发和部署。例如，OFDM被证明特别高效，因为它能适应有噪声的环境，可以在CENELEC工作频段上实现更高鲁棒性、更强功能的通信网络。OFDM为PRIME联盟和G3-PLC等新标准的制订奠定了坚实基础。

　　Semitech公司开发的SM2200是专门为支持低压(<100V)和中压(1kV至33kV)配电网络上的应用开发的先进OFDM解决方案之一(图1)。SM2200可以处理速率高达175kbit/s的数据，它将54个载波组成了18个独立的信道。

　　OFDM及OFDMA提升智能电网通信质量

　　OFDM在有噪声的信道(如电网)上发送大量数字化数据。OFDM将信号分成多个更小的子信号，然后用不同(正交)的频率同时发送出去。每个更小的数据流再映射到各个数据子载波，并使用某种形式的相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM)(如BPSK或正交相移键控(QPSK))进行调制。

　　除了具有很高的频谱效率外，OFDM系统还能减少信号传输中的串扰。另外，OFDM还能高效地克服由多径效应造成的干扰和选频衰落。

　　虽然OFDM可以解决有噪声的智能电网环境中的通信问题，但与在这些非常恶劣的条件下实现可靠通信还有点距离。因此，为了提升可靠性，OFDM方法可以与多址机制结合起来实现正交频分多址(OFDMA)。

　　在SM2200中，OFDMA的多址技术是通过将子载波的子集分配给各个数据流实现的(图2)。这样可以同时传送多个单独的数据流。

　　OFDMA进一步改善了OFDM在抗衰落与干扰方面的鲁棒性。但更重要的是，单独的数据流可以用来与多个节点(电表)同时通信，或者通过冗余特性显著提高系统可靠性。

　　本文小结

　　恶劣的噪声、设备的变化以及不同标准使得电网通信十分困难。可靠的通信机制可以通过增加带宽和减少数据包重试次数提高吞吐量。这对智能电网实现来说特别重要，因为集中装置可以与更大数量的电表进行通信。这种吞吐量可以支持多种日常抄表，因而能对电网实现更好的控制。

　　像BPSK和FSK等传统PLC技术在这些充满噪声的环境中是不够用的，这促使人们对OFDM调制解调器产生了浓厚的兴趣，因为它们能极大地改善通信带宽和可靠性。多址信道(或众所周知的OFDMA)可以将子载波的子集分配给单独的数据流，进而提供更大的频率灵活性。

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