使用電力線通信的智能電網(wǎng)系統(tǒng)分析 - 全文

　　世界各國政府和供電公司都意識到，近百年都沒有發(fā)生太大變化的傳統(tǒng)電網(wǎng)將會被能效、靈活性和智能更高的智能電網(wǎng)所取代，作為具有自我修復(fù)能力的數(shù)控輸配電網(wǎng)，智能電網(wǎng)能夠把電力從發(fā)電廠輸送到使用地點，其中包括并入電網(wǎng)的再生能源發(fā)電。智能電網(wǎng)可以優(yōu)化電力傳輸效率，讓供電企業(yè)能夠為用戶提供雙向通信和用戶端能源管理服務(wù)，最大限度降低停電事故率，按需傳輸電力。供電企業(yè)和最終用戶成本降低，電力供應(yīng)更加可靠，二氧化碳排放量減少，是智能電網(wǎng)帶給供電企業(yè)和用戶的最終的好處。

　　圖1：智能電網(wǎng)：INNOVATION概念的核心內(nèi)容。

　　凡是電動產(chǎn)品設(shè)備都須通過電源插座連接到電力線，因此，我們可以認(rèn)為，電力線是一種永遠(yuǎn)存在的廉價的通信媒介，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)無需再鋪設(shè)昂貴的電纜或安裝無線射頻系統(tǒng)。

　　電力線窄帶通信足以維持簡單的信息交換，例如，用電量計量、向執(zhí)行器發(fā)送命令、檢驗系統(tǒng)等。在室內(nèi)外環(huán)境，電力線窄帶通信可實現(xiàn)很多應(yīng)用。例如，供電公司可通過戶外電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈或?qū)崿F(xiàn)集中抄表（AMR）和電表自動管理（AMM）解決方案，同時提供多項客戶服務(wù)，包括用電控制和電價選擇。室內(nèi)電網(wǎng)可用于家電聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)家庭或樓宇自動化，創(chuàng)建安全防盜系統(tǒng)，控制溫度和照明亮度。所有這些功能都離不開電力線調(diào)制解調(diào)器（PLM），像普通的調(diào)制解調(diào)器一樣，電力線調(diào)制解調(diào)器把二進(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成一序列預(yù)設(shè)特性（頻率、信號電平）的信號，然后在接收端再把這些信號恢復(fù)到二進(jìn)制數(shù)據(jù)，完成信號的調(diào)制解調(diào)過程。電力線調(diào)制解調(diào)器須能夠在電力線上傳送調(diào)制信號，并檢測從發(fā)送端傳至接收端的輸入信號，完成信號的收發(fā)過程。

　　如前文所述，集中秒表又稱AMR是電力線調(diào)制解調(diào)器的主要目標(biāo)應(yīng)用之一，傳統(tǒng)的機電式電表所采用的技術(shù)不再適合更深入長遠(yuǎn)的發(fā)展，而電子電表卻可以給供電企業(yè)和消費者帶來更多的價值，其中包括降低制造成本、維護(hù)費用、二氧化碳排放量，提高電量計量精度，最重要的是，能夠為消費者提供實際用電的詳細(xì)信息，為供電企業(yè)提供實時服務(wù)質(zhì)量數(shù)據(jù)。

　　智能電表是集中抄表AMR技術(shù)的演進(jìn)結(jié)果，是智能電網(wǎng)的重組成部分。智能電表給供電企業(yè)和消費者帶來切實的好處：消費者能夠更精確地監(jiān)控用電情況，例如，在電價最低時段使用洗衣機、洗碗機或電熱水器，而電力企業(yè)能夠提高發(fā)電和輸電的效率。

　　新出現(xiàn)的智能電網(wǎng)實際上是一個智能數(shù)字電網(wǎng)，被用來定義下一代輸配電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。智能電表可以讓消費者的家庭網(wǎng)絡(luò)與智能電網(wǎng)互通，為供電企業(yè)和消費者提供更智能的電能管理服務(wù)。

　　智能電網(wǎng)市場可再細(xì)分為三大市場板塊：基礎(chǔ)設(shè)備（例如，數(shù)據(jù)集中器）、電能表和家庭/樓宇管理，每個市場都有不同的應(yīng)用要求。

　　微逆變器用于收集太陽能等再生能源發(fā)電，通過電力線調(diào)制解調(diào)器與智能電網(wǎng)通信。下圖所示是一個最新的太陽能收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

　　圖2：最新太陽能收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　
??????? 為滿足這些應(yīng)用要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織出臺了新的電力線通信標(biāo)準(zhǔn)：

　　IEC 61334-5-1協(xié)議，S-FSK調(diào)制模式數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2.4 Kbps

　　Meters & More規(guī)范，B- FSK和多種調(diào)制模式n-PSK調(diào)制技術(shù)

　　以O(shè)FDM調(diào)制穩(wěn)健為特色的PRIME協(xié)議

　　PRIME（電力線智能電表演進(jìn)）是一個基于最新技術(shù)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，確?，F(xiàn)在的技術(shù)能夠滿足未來的市場需求，保護(hù)電力企業(yè)在未來應(yīng)用的投資。PRIME是一個推廣不同設(shè)廠商產(chǎn)品互操作的開放式標(biāo)準(zhǔn)，是推進(jìn)新市場增長的有效方式，所有的市場參與者都將成為這個解決方案的最終受益者，其中包括供電公司、用電企業(yè)和個人。PRIME采用的是CENELEC-A波段的OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)。智能電網(wǎng)是智能輸配電網(wǎng)絡(luò)，家庭自動化、智能電表和再生能源發(fā)電是我們在智能電網(wǎng)市場的主要研發(fā)方向。智能電表為用戶提供實時的詳細(xì)的用電數(shù)據(jù)，讓用戶能夠管理家庭用電情況，例如，鼓勵用戶在用電低谷期使用洗衣機。在智能電網(wǎng)環(huán)境內(nèi)，智能電表是家庭網(wǎng)絡(luò)（HAN）與戶外智能電網(wǎng)之間的連接中心，把用電家庭與電力公司連接在一起。

　　下圖描述了智能電表的重要作用：

　　圖3

　　HomePlug推出了新的寬帶電力線通信標(biāo)準(zhǔn)，這項標(biāo)準(zhǔn)的最大優(yōu)點是，用戶創(chuàng)建家庭網(wǎng)絡(luò)無需鋪設(shè)新線，只使用家庭現(xiàn)有的電源插座和接線盒即可組建高速家庭網(wǎng)絡(luò)。

　　HomePlug是一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟 （www.homeplug.org），意法半導(dǎo)體是該組織的主要創(chuàng)始人之一。該組織的使命是推動低成本的互操作的標(biāo)準(zhǔn)化家庭電力線網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)品的研制和應(yīng)用。HomePlug技術(shù)完全符合IEEE1901寬帶電力線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（媒體訪問控制和物理層規(guī)范），為客戶提供一個完整的互操作技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，確保能夠向千兆以太網(wǎng)服務(wù)演進(jìn)。

　　HomePlug標(biāo)準(zhǔn)有兩個相互兼容的版本：

　　HomePlug GP（Green PHY），主要用于智能電網(wǎng)和智能電動產(chǎn)品設(shè)備。

　　HomePlug AV（音頻/視頻），是消費電子產(chǎn)品家庭聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

　　最近，HomePlug聯(lián)盟收到了“電動汽車充電接口協(xié)調(diào)組織”代表5家德國汽車廠商關(guān)于選用PLC IEEE1901 Profile Green PHY （HomePlug GP）作為插電式電動汽車與充電樁之間的通信技術(shù)的確認(rèn)函。隨后不久，通用、福特和豐田三大汽車巨頭也宣布選用這項標(biāo)準(zhǔn)， HomepluGP現(xiàn)已成為電動汽車充電的實際標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖4

　　電動汽車與電網(wǎng)（V2G）之間的通信功能將讓供電公司和消費者能夠管理插電式電動汽車的充電過程，讓電力公司能夠在用電高峰期控制電網(wǎng)的用電量。新的V2G標(biāo)準(zhǔn)將包含一項物理層與數(shù)據(jù)鏈路層共用通信技術(shù)。

　　新的IEEE P1905.1低頻（低于500 kHz）窄帶電力線通信標(biāo)準(zhǔn)是一個新的通信性能和可靠性基準(zhǔn)，同時還能與現(xiàn)有的“PRIME” 和“G3-PLC” OFDM技術(shù)互操作。

　　P1905.1新標(biāo)準(zhǔn)定義一個多種家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共用的抽象層，整合了P1901與其它家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。P1905.1的抽象層為IEEE 1901、IEEE 802.11、IEEE 802.3和 MoCA 1.1標(biāo)準(zhǔn)異構(gòu)家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與P1905.1網(wǎng)絡(luò)互通提供一個共用數(shù)據(jù)控制服務(wù)接入點。

　　結(jié)語：

　　集中秒表（AMR）取代了供電公司工作人員入戶抄表程序，真正實現(xiàn)了抄表自動化。從電力線通信在集中秒表的早期應(yīng)用到現(xiàn)在，智能電表行業(yè)經(jīng)歷了一段漫長的發(fā)展過程。今天，電力線通信技術(shù)被廣泛用于太陽能等再生能源發(fā)電系統(tǒng)微逆變器、電動汽車充電、智能電網(wǎng)集中器、智能電表、溫控器、家庭自動化、工廠自動化、路燈控制等。

　　智能電表發(fā)展到今天的智能電網(wǎng)是電力行業(yè)發(fā)展史上的一個重要里程碑，很多組織和工業(yè)集團(tuán)正在著手訂制智能電網(wǎng)服務(wù)通用通信協(xié)議，例如，開放電表項目、Meters and More聯(lián)合會和PRIME行業(yè)聯(lián)盟 （歐洲大型供電公司聯(lián)合成立，包括Enel/Endesa和Iberdrola，成立宗旨是推廣和維護(hù)經(jīng)過現(xiàn)場檢驗的廣泛使用的電力線通信技術(shù)）、IEEE P1901.2 （IEEE組織內(nèi)部新成立的窄帶電力線通信工作組） 和最大的寬帶電力線通信工作組HomePlug聯(lián)盟。