楊曉霞

（云南建源電力設(shè)計有限公司，云南 昆明 650011）

電網(wǎng)對于電力系統(tǒng)的意義。①能有效地提高電力系統(tǒng)的安全性和供電可靠性。利用智能電網(wǎng)強(qiáng)大的“自愈”功能，可以準(zhǔn)確、迅速地隔離故障元件，并且在較少人為干預(yù)的情況下使系統(tǒng)迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)供電的安全性和可靠性。②實現(xiàn)電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。堅信智能電網(wǎng)建設(shè)可以促進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)技術(shù)、設(shè)備、運行和管理等各個方面的提升，以適應(yīng)電力市場需求，推動電網(wǎng)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展。③減少有效裝機(jī)容量。利用我國不同地區(qū)電力負(fù)荷特性差異大的特點，通過智能化的統(tǒng)一調(diào)度，獲得錯峰和調(diào)峰等聯(lián)網(wǎng)效益；同時通過分時電價機(jī)制，引導(dǎo)用戶低谷用電，減小高峰負(fù)荷，從而減少有效裝機(jī)容量。④降低系統(tǒng)發(fā)電燃料費用。建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)，可以滿足煤電基地的集約化開發(fā)，優(yōu)化我國電源布局，從而降低燃料運輸成本；同時，通過降低負(fù)荷峰谷差，可提高火電機(jī)組使用效率，降低煤耗，減少發(fā)電成本。⑤提高電網(wǎng)設(shè)備利用效率。首先，通過改善電力負(fù)荷曲線，降低峰谷差，提高電網(wǎng)設(shè)備利用效率；其次，通過發(fā)揮自我診斷能力，延長電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施壽命。⑥降低線損。以特高壓輸電技術(shù)為重要基礎(chǔ)的堅強(qiáng)智能電網(wǎng)，將大大降低電能輸送中的損失率；智能調(diào)度系統(tǒng)、靈活輸電技術(shù)以及與用戶的實時雙向交互，都可以優(yōu)化潮流分布，減少線損；同時，分布式電源的建設(shè)與應(yīng)用，也減少了電力遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木W(wǎng)損。

現(xiàn)在在某些國家，以及將來的更多國家，綠色能源對于電網(wǎng)的貢獻(xiàn)會越來越大。它在電網(wǎng)中所占的比率，由原來5%的水力發(fā)電，上升到有40%是太陽能和風(fēng)能發(fā)電。在大部分綠色電能中，調(diào)節(jié)器要進(jìn)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(guī)模推廣，將使電網(wǎng)的用電量加倍，并大規(guī)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(fā)電、電動交通工具的儲電能力被認(rèn)為是電網(wǎng)的完美風(fēng)暴。這個方案被稱為智能電網(wǎng)。它結(jié)合了嵌入式智能技術(shù)和實時通信與控制功能，能夠隨時與任何用戶進(jìn)行實時通信并控制其負(fù)載。要實現(xiàn)這樣的通信功能，就需要采用以電網(wǎng)作為主要通信媒介的PLC技術(shù)。

PLC技術(shù)早在20年前就被用于中壓領(lǐng)域來控制電網(wǎng)。但在低壓側(cè)大規(guī)模使用PLC則是更近才開始的。PLC技術(shù)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(diào)制的窄帶PLC系統(tǒng)為3 500萬用戶構(gòu)建一個AMM（自動電表管理）系統(tǒng)。此系統(tǒng)可每2個月自動抄讀一次3 500萬臺電表。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IPv6等通信協(xié)議的應(yīng)用。

要進(jìn)行更多的實時通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協(xié)議的應(yīng)用，就需要一種基于OFDM調(diào)制的新一代PLC技術(shù)。其中兩種主要的OFDM方案，就是現(xiàn)在的G3和PRIME技術(shù)。G3是一個由法國EDF電力公司發(fā)起，MAXIM和SAGEMCOM開發(fā)的方案。這個方案在2009年被公布，EDF計劃將在2013年試用2 000臺采用G3技術(shù)的電表。

PRIME是一個由PRIME聯(lián)盟推出的一個開放式多供應(yīng)商的解決方案，該聯(lián)盟包含了 30多個由供電公司、表計廠家和ADD半導(dǎo)體、FUJITSU、STM和TI等晶片供應(yīng)商組成的成員。其中的表廠包括 SAGEMCOM、ITRON、LANDIS＋GYR、ISKRA－MECO、ZIV和SOGECAM。IBERDROLA是第一家推廣此方案的供電公司，但現(xiàn)在 EDP、CEZMERENI和 ITRI也加入了這個陣營。

IBERDROLA在2010年開始安裝10萬臺采用PRIME技術(shù)的電表。該供電公司還計劃在2010年年底發(fā)布一個需量為100萬臺電表的新標(biāo)，并于未來3～5 a在西班牙完成1 000萬臺電表的安裝。其他一些供電公司也開始采用PRIME技術(shù)。G3和PRIME都是OFDM方案，但發(fā)展歷史有所不同。G3最初是采用了一塊由MAXIM設(shè)計的芯片，此芯片可提供適用于PHY層和某些現(xiàn)有軟件層的IEEE802.15.42006通信，適用于MAC層的6LowPAN和適用于網(wǎng)絡(luò)層的IPv6通信。

PRIME則是由一個供電公司、行業(yè)廠家和大學(xué)研究所構(gòu)成的聯(lián)盟，合作開發(fā)一個新型OFDM電力線技術(shù)公開標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)物。該聯(lián)盟采用一個針對PHY層的系統(tǒng)性設(shè)計流程，從滿足最基本的要求開始。接下來就是從噪聲等級、噪聲節(jié)奏、信號減弱和阻抗模式等要素來對物理媒介進(jìn)行定義。行業(yè)廠家則開發(fā)用于這些目的的新型自動化產(chǎn)品，并和供電公司展開了多次合作。由此產(chǎn)生了一個包含了噪聲等級、噪聲節(jié)奏、信號減弱和阻抗模式等要素的大型數(shù)據(jù)庫和用于電網(wǎng)的精確數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)的頭實現(xiàn)、帶寬分配、子載波數(shù)量、子載波調(diào)制和誤差糾正等多個參數(shù)構(gòu)成的不同組合，并采用新設(shè)備在實地測試中來評估最好的方案。經(jīng)過多次的重復(fù)和大量的實地測試，他們根據(jù)歐洲電網(wǎng)的情況和供電公司的規(guī)格要求，選出最佳的參數(shù)組合。此外，MAC和上端通信層也是由一個包含了晶片供應(yīng)商、表廠和供電公司的聯(lián)盟開發(fā)出來的。

經(jīng)過努力，他們開發(fā)出了PHY、MAC和集中通信層。PHY層在臨近節(jié)點之間收發(fā)MPDU。它采用位于CENELECA頻段高頻率的47.363 kHz頻率帶寬，平均傳輸速率為70 kbps，最大速率可達(dá)120 kbps。在此條件下，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間可直接通信的概率為92%。其他時候，路由可以確保100%連接成功。

MAC層提供了系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接創(chuàng)建/維護(hù)和拓?fù)浞直娴群诵腗AC功能。

服務(wù)專用型集中層（CL）可以對信息傳輸進(jìn)行分類，將其和適合的MAC連接關(guān)聯(lián)起來。它可測定可能包含在MACSDU中的任何數(shù)據(jù)傳輸，也可具備有效負(fù)載頭壓縮功能。同時，采用多個子集中層來實現(xiàn)MACSUD中的各種不同的數(shù)據(jù)傳輸。

在基本FSK或BPSK方案中，信息是以單個載波來傳輸?shù)?。傳輸?shù)牟ㄌ芈嗜Q于帶寬的大小，而噪聲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?shù)摹鬏數(shù)牟ㄌ芈嗜Q于帶寬和DBPSK、DQPSK或D8PSK子載波調(diào)制的復(fù)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聲和選擇性減弱。

符號的大小是由采樣頻率以及子載波的數(shù)量決定的。符號越大，越能可靠地抑制脈沖噪聲。編碼提高了穩(wěn)定性，但也增加了復(fù)雜性和功耗。子載波越多，通信穩(wěn)定性就越高，但并不意味著波特率也越高。G3技術(shù)采用36個子載波、0.735 ms的分類符號、6.79 ms的序和9.5 ms的開頭，需要重復(fù)法和RS糾錯來提高通信穩(wěn)定性。PRIME采用了97個子載波、2.24 ms的長符號、2 ms的序和4.48 ms的開頭。為了避免重復(fù)法和RS糾錯的復(fù)雜性，它采用了能效高3倍的符號來提高通信穩(wěn)定性。這是一個能夠提供穩(wěn)定性，但成本更低的方案。

總之，傳統(tǒng)電網(wǎng)在向需要更高級通信能力的智能電網(wǎng)發(fā)展。PLC技術(shù)是實現(xiàn)必需功能和穩(wěn)定性的更便利的技術(shù)。PLC技術(shù)也在朝著OFDM方案變革，而G3和PRIME則是主要的兩個方案。