智能無線核相儀電網與電力線通信技術的概況

在傳統電網向新型智能電網的轉變，以及其中將面臨的一個主要挑戰是，需要一個很好的通信網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Z被認可且*的方案是以電網為通信媒介的PLC（電力線載波）技術。本文介紹了PLC技術及其發展歷程，并將傳統的窄帶單載波FSK調制方案與基于OFDM的PRIME和G3兩種新方案進行了對比。

傳統的電網正在發生變革。在過去的一個世紀，電網是一個用來將由一定數量的發電站發出的電能傳輸到大量不同級別的用戶的系統。設計和運行電網的標準，就是要將電能以一種有效的方式從數百個發電站傳輸到數百萬的用戶家中。這個系統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。電網的控制是基于每日的預測來進行，而電能是由發電站通過傳輸網絡輸送到配電網絡。大部分發電都需要由調節器來控制。
 

而現在在某些國家，以及將來的更多國家，綠色能源對于電網的貢獻將會越來越大。它在電網中所占的比率，由原來5%的水力發電，上升到了有40%是太陽能和風能發電。在大部分綠色電能中，調節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模推廣，將使電網的用電量加倍，并大規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電、電動交通工具的儲電能力被認為是電網的風暴。這個方案就被稱為智能電網。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。要實現這樣的通信功能，就需要采用以電網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。但在低壓側大規模使用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系統為3500萬用戶構建一個AMM（自動電表管理）系統。此系統可每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*6等通信協議的應用。

要進行更多的實時通信和控制，以及未來基于*6等通信協議的應用，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，就是現在的G3和PRIME技術。G3是一個由法國EDF電力公司發起，MAXIM和SAGEMCOM開發的方案。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聯盟推出的一個開放式多供應商解決方案，該聯盟包含了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*家推廣此方案的供電公司，但現在EDP、CEZMERENI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，但發展歷史有所不同。 G3Z初是采用了一塊由MAXIM設計的芯片，此芯片可提供適用于PHY層和某些現有軟件層的IEEE802.15.42006通信、適用于MAC層的 6LowPAN和適用于網絡層的*6通信。
 

PRIME則是由一個供電公司、行業廠家和大學研究所構成的聯盟，合作開發一個新型OFDM 電力線技術公開標準的產物。該聯盟采用一個針對PHY層的系統性設計流程，從滿足Z基本要求開始。接下來就是從噪音等級、噪音節奏、信號減弱和阻抗模式等要素來對物理媒介進行定義。行業廠家則開發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、噪音節奏、信號減弱和阻抗模式等要素的大型數據庫，和用于電網的數據統計模式。

第二步，他們通過模擬的方法，用這個模式來評估OFDM技術的頭實現、帶寬分配、子載波數量、子載波調制和誤差糾正等多個參數構成的不同組合，并采用新設備在實地測試中來評估的方案。經過多次的重復和大量的實地測試，他們根據歐洲電網的情況和供電公司的規格要求，選擇出Z佳的參數組合。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盟開發出來的。
 

經過努力，他們開發出了PHY、MAC和集中通信層。PHY層在臨近節點之間收發MPDU。它采用位于CENELECA頻段高頻率的 47.363kHz頻率帶寬，平均傳輸速率為70kbps，Z大速率可達120kbps。在此條件下，網絡中各個節點之間可直接通信的概率為92%。其它時候，路由可以確保連接成功。
 

MAC層提供了系統接入、帶寬分配、連接創建/維護和拓撲分辨等核心MAC功能。
 

服務型集中層（CL）可以對信息傳輸進行分類，將其和適合的MAC連接關聯起來。它可測定可能包含在MACSDU中的任何數據傳輸，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MACSUD中的各種不同的數據傳輸。
 

在基本FSK或BPSK方案中，信息是以單個載波來傳輸的。傳輸的波特率取決于帶寬的大小，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的。傳輸的波特率取決于帶寬和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。編碼提高了穩定性，但也增加了復雜性和功耗。子載波越多，通信穩定性就越高，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定性。這是一個能夠提供穩定性但成本更低的方案。
 

總之，傳統電網在向需要更通信能力的智能電網發展。PLC技術是實現必需功能和穩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。