基于智能电网的电力线载波通信研究

基于智能电网的电力线载波通信研究

摘要：本文主要介绍了电力线通信(PLC)的发展情况和电力线通信的优缺点, 简单介绍了智能电网概念和特性，着重叙述了扩频通信(SSC)技术和正交多载波调制(OFDM)技术的原理及它们对各种噪声和衰减的抵抗能力,并列举了很多国内外分别采用了这两种技术的通信产品实例。最后,讨论了电力线通信技术在国内的应用情况和发展前景。

 

关键词：智能电网；电力线载波；扩频通信；正交多载波调制

 

Abstract：This paper introduces the recent thedevelopment of the power line communication. At the same time, the defects ormerits of the power line communication are included in this paper. Simplyintroduced the concept and characteristics of intelligent power grid. It mainlydiscusses the principles of the spread spectrum communication and orthogonal frequencydivision multiplexing and the abilities of their withstanding noise andattenuation. Meanwhile a lot of examples which adopt these technologies arelisted in this paper. In the end, it describes the development and application ofthe power line communication at home.

 

KEY WORDS:  SmartGrid; PLC; Spread Spectrum Communication; OFDM,

 

1 引  言

1.1.  智能电网简介

智能电网（smart power grids），就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。中国国家电网公司于2009年5月提出“坚强智能电网”的概念：坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。

 

智能电网有如下几个方面的特性：

（1）具有自愈能力。可以在故障发生后的短时间内及时发现并自动隔离故障，防止电网大规模崩溃，这是智能电网最重要的特征。

（2）具有高可靠性。这是电网建设持之以恒追求的目标之一，这一方面需要提高电网内关键设备的制造水平和工艺，提高设备质量，延长使用寿命；另一方面，随着通信、计算机技术的发展，对设备的实时状态监测成为可能，便于及早发现事故隐患。

（3）资产优化管理。能电网采用数字化处理手段达到对设备的信息化管理，从而延长设备正常运行时间，提高设备资源利用效率。

（4）经济高效。智能电网可以提高电力设备利用效率，使电网运行更加经济和高效。

（5）兼容大量分布式电源的接入。储能设备、太阳能电池板等小型发电设备广泛分布于用户侧，储能设备可以在用电低谷时接纳电网富余电能，并可以与小型发电装置一起在用电高峰时向电网输送电能，以达到削峰填谷，减小发电装机的效果。这要求电网必须具备双向测量和能量管理系统，以便于电能计量计费及可靠接入。

中国建设坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，目前我国正以特高压交直流输电示范工程和智能电网试点工程为主，有序开展研究实践活动。

1.2.  电力线载波通信(Power Line Communication)技术概况

电力线通信(PLC)技术是采用电力线传送数据和话音信号的一种通信方式。该技术是将载有信息的高频信号加载到电力线上,用电线进行数据传输,通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来,传送到终端设备。它的应用范围主要是在一个变压器范围内进行数据的传输,用电力线调制解调器将电信号从电力线上提取下来。目前,该技术主要应用于水、煤气、电表等的自动抄表系统,同时该技术也是局域网接入很有竞争力的一种接入技术。

只要用电的地方就会有电力线存在,不铺设额外的通信线路而直接利用已有的电力线资源进行数据或话音信号的传输,将会大大降低通信成本,并且电力线通信有着它自身的一些优势。采用电力线通信有以下几个方面的优点:

（1）实现成本低。不用铺设额外的线路,大大减少线路投资,节约了成本。

（2）数据传输速率高。PLC的传输速率目前可以达到4.5M~45Mbps，比采用ADSL、ISDN和拨号上网的速率都快。目前已经有不少电力线载波芯片研制成功,部分产品可以达到14Mbps,并被Homeplug所采用。

（3）永远在线。以电力线作为通信信道,可以灵活的实现/即插即用,不用繁琐的拨号过程,接入电源就等于接入了网络,只要插上电源就永远在线。

（4）覆盖范围广。民用电力线是世界上最普及的网络,这是电话和有线电视都不能比拟的优势。PLC可以轻松的渗透到每个家庭,为现代家庭智能化和互联网的发展提供广阔的发展空间。

电力线通信除了以上几点优势外,也存在着很多问题。最典型的就是电力线信道存在着严重的干扰和非常大的时变衰减。为克服电力线通信信道的这些噪声影响和时变衰减,人们也一直在不断开展相关的研究。

 

2 电力线载波通信方案的实现

2.1 扩频通信（SpreadSpectrum Communication）

    扩频通信是用高速伪随机序列去扩展所传输信息的带宽,然后进行传输,在接收端采用发送端相同的同步伪随机序列进行信号的相关解扩,恢复所传输信息的一种技术。其原理框图如图1所示:

图1 电力线扩频通信原理框图

扩频通信的理论基础为信息论的Shannon定理:C=Blog2(1+S/N),从公式中可以看出信道容量C一定时,传输的信号带宽B和信噪比S/N的互换关系:在一定的差错概率的情况下,可以用较大的带宽换取信噪比的下降,这正是扩频通信技术的原理。

扩频通信有保密性好、抗干扰和衰减能力强的特点,所以最早应用在军事通信中,例如军事用跳频(FH)电台和直扩(DS)坦克电台等。扩频通信是在现代通信中应用最为广泛的一种技术,如CDMA通信系统和电力线通信。扩频通信自身的特点,使得他非常适合电力线通信信道。目前,有很多厂家都生产出了电力线扩频载波芯片,如Intellon的SSC300/485网络接口控制器采用了线性调频(Chirp)技术,Echelon的PLT-10采用了直接序列扩频(DS-SS)技术,还有国内目前使用较多的PL2000和SC1128扩频芯片,都采用了直接列扩频技术。

2.2正交多载波调制(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)

正交多载波调制(OFDM)是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道间相互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM系统原理框图如图2所示:

图2 OFDM实现电力线载波通信框图

OFDM具有抗脉冲干扰和多径效应能力强的特点,所以它很适合电力线通信。因为OFDM可以用FFT(快速傅立叶变换)算法来实现,所以可以采用基于DSP的软件来实现,在第四代移动通信的开发中,很多公司都采用了OFDM技术,利用其高速率的特性,能够为视频点播和图像传输等多媒体服务提供足够的带宽。目前,Intellon的PowerPacket电力线载波芯片就是采用了OFDM技术,能够提供14Mbps的数据传输速率,使得电力线真正成为一种可以和光纤相媲美的接入方式。ISPLC(电力线载波通信及应用国际学术年会)从1997年开始,每年举行一次,前两届都是以扩频和CDMA在电力线载波通信中的应用为主要内容,CDMA退居次要地位。

 

3 电力线载波通信技术的应用前景

在国内,电力线通信技术最成功的应用是远程集中抄表系统,即抄表系统将电表、水表、气表与管理部门的中心站计算机联网,通过公用电话网、Internet和低压配电网传输数据,自动完成抄读用户三表的数据,自动的进行查询、分析和监视用户的水、电、气的使用情况,方便的完成计费、收费工作。以电力线为传输媒质,很容易在集中式居民区、厂矿企业、医院等地方建立起小范围的电力线网络,而不用额外的投资就可实现网络化管理。

这几年在国外,电力线作为一种家庭总线,主要应用于家庭智能化和网络服务的接入。利用已有电力线网络,可以在医院或家庭建立起医疗监控网,实现重症监护功能,病人的血压、心率、症状等信息可以在家里通过电力线监控网传送至小区控制中心,再通过公共电话网或Internet传送到较大的医疗单位,进行分析、处理和监护。同样,医院可以将治疗或注意事项等信息通过网络传送至小区控制中心,再传送到病人家里,对病人进行远程诊疗。在医院,不仅可以用电力线通信实现病人的监护功能,而且可以配合医疗器械智能化,实现智能医疗监控、报警、自动化管理和集中会诊等功能。例如,可以用电力线通信网监视输液液面,当达到一定的液面,需要断开时,可以及时的向监护中心的护士发出警报,而不用护士不断的去观察,这个事例在大医院里是很有实际意义的。

因此,用电力线载波来实现一些需要经常在线的报警、防盗以及监护等应用,每一个方面都有广阔的发展前景和巨大的市场机遇。

 

4 结  语

现今国内外已经有不少的电力线产品,而且相应的标准已经比较成熟,因此用电力线来进行水、煤、电等的自动抄表以及宽带Internet的接入服务已成为现实。可是国内的电力线通信还没有形成规模,所以还需要有关部门的科研人员的不断努力,开发出适合中国电网特性的电力线载波芯片,确定可靠的电力线通信标准。另外,电力线通信在目前的现状下,对发展农村和偏远山区等地区的信息产业有非常重大的意义。

 

 

参考文献

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