郭義輝，彭石，王承民，邢志坤，宋桂賢，王朋朋

（1.國網(wǎng)河北省電力公司滄州供電公司，河北滄州061000；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；3上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引 言

電力系統(tǒng)的快速發(fā)展及智能配電網(wǎng)的優(yōu)化升級，給電力線載波通信技術(shù)帶來巨大的挑戰(zhàn)。眾所周知，電力線的設(shè)計主要是傳輸電能，相對信息數(shù)據(jù)通信，電力線中充斥著各種如噪音、震動、選擇性頻率衰減等干擾，且信道特性也隨著系統(tǒng)參數(shù)、時間、頻率、地點(diǎn)等變化而時刻變化［1］。因此，為了滿足配電網(wǎng)智能化的需要，必須要找到一種適合電力線傳輸?shù)暮侠砑夹g(shù)手段。目前，電力線載波通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有：G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)、PRIME標(biāo)準(zhǔn)、HomePlug標(biāo)準(zhǔn)、G.9960標(biāo)準(zhǔn)、IEEE P1901標(biāo)準(zhǔn)［2－8］。

G3-PLC是由EDF電力公司于2011年10月發(fā)起，為電力線載波通信技術(shù)定義的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率35.9 kHz～90.6 kHz。G3-PLC采用OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)），并內(nèi)置糾錯機(jī)制和高效信道編碼技術(shù)，通過電力線智能電網(wǎng)傳輸數(shù)字信息等，實(shí)現(xiàn)在電力線上進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的傳輸。具有低速率、局部范圍內(nèi)高可靠性特點(diǎn)，并級聯(lián)了多種前向糾錯碼和交織等技術(shù)，目前被應(yīng)用在小區(qū)域配電網(wǎng)中［2-4］。

PRIME標(biāo)準(zhǔn)是在2006年由西班牙的Iberdrola公司發(fā)表聯(lián)合倡議而提出，其核心技術(shù)以及帶寬標(biāo)準(zhǔn)與G3-PLC基本一致，但相比之下，其實(shí)現(xiàn)機(jī)理卻有很大的不同。

首先，在糾錯機(jī)理上，PRIME與G3-PLC最大的不同在于，如圖1與圖2所示，PRIME采用CRC編碼器，而G3-PLC采用RS編碼器。前者是利用多項(xiàng)式除法得出余數(shù)，經(jīng)過模2除法計算得到一個CRC的值，隨信息數(shù)據(jù)發(fā)往接收端。接收端重復(fù)發(fā)出端的計算過程，并將計算得到的CRC的值與發(fā)出端的CRC的值進(jìn)行比較，若值相同，則表示正確；不同，則表示錯誤。其次，G3-PLC采用糾錯能力較強(qiáng)的RS編碼器，可以有效的糾正在傳輸中的隨機(jī)符號錯誤和突發(fā)錯誤。另外，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼和卷積處理上，前者先經(jīng)卷積處理，再進(jìn)行擾碼處理，后者則與之相反。但兩者最大的不同就是G3-PLC在卷積和交織中間引入RC重復(fù)編碼器。RC重復(fù)編碼器主要作用是把每個信息比特重復(fù)編碼4次，從而保證了信息在傳輸過程中正確性，這就是G3-PLC為什么在信道環(huán)境十分惡劣的情況下，仍能確保通信數(shù)據(jù)仍然可以正確性的原因。但也正是因?yàn)镽S和RC編碼器的存在，就使得系統(tǒng)信息的傳輸速率也所下降［5-8］。

圖1 PRIME前向糾錯編碼器Fig.1 Forward error correction encoder of PRIME

圖2 G3-PLC前向糾錯編碼器Fig.2 Forward error correction encoder of G3-PLC

HomePlug標(biāo)準(zhǔn)由HPA公司成立于2000年4月，核心技術(shù)依然采用OFDM技術(shù)，它的工作頻率在2 MHz～28 MHz。由于電力線的惡劣情況，HomePlug前向糾錯編碼器采用的是Viterbi算法和RS編碼器進(jìn)行前向糾錯。顯然，HomePlug前向糾錯中的Viterbi算法相對G3-PLC的RC重復(fù)編碼器，其系統(tǒng)的計算速度要慢得很多，這就需要增加它的工作頻率來進(jìn)行彌補(bǔ)，所以HomePlug的工作頻率定義在2 MHz～28 MHz，在單位時間內(nèi)增加傳輸速率。但是，因其寬帶載波通信技術(shù)傳輸距離較近，所以一般應(yīng)用于智能家居以及家庭自動化等應(yīng)用［9-10］。

G.9960標(biāo)準(zhǔn)與IEEE P1901標(biāo)準(zhǔn)，兩個標(biāo)準(zhǔn)都是在2010年確立。G.9960標(biāo)準(zhǔn)前身為G.hn，而IEEE P1901標(biāo)準(zhǔn)是將G.hn標(biāo)準(zhǔn)納入其自身標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中。G.9960標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)依然采用OFDM技術(shù)，其特點(diǎn)可以在短時間內(nèi)同時兼容電力線、同軸電纜與電話線。但是，G.9960卻不能定義可支持頻段數(shù)量，其工作頻率一般在860 MHz～2159 MHz，但在電力線上卻在50 MHz以下。盡管G.9960的工作頻率存在一定的不穩(wěn)定，但其巨大的通信速度卻成為業(yè)內(nèi)技術(shù)性發(fā)展最看好之一［11-13］。IEEE P1901標(biāo)準(zhǔn)由P1901工作組在2005年提出，標(biāo)準(zhǔn)核心采用快速傅里葉變換（FFT）和離散小波變換正交頻分復(fù)用調(diào)制機(jī)制。該標(biāo)準(zhǔn)主要考慮到，當(dāng)信道特性遭到破壞，使得各個子載波不能實(shí)現(xiàn)正交，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗時，利用時域和頻域滿足緊支撐特性的小波函數(shù)來克服FFT的OFDM系統(tǒng)的缺陷［15-17］。該原理如圖3所示。

圖3 IEEE P1901標(biāo)準(zhǔn)原理圖Fig.3 Principle diagram of IEEE P1901 technical standard

如圖3所示，顯然，IEEE P1901標(biāo)準(zhǔn)相對其他標(biāo)準(zhǔn)增加IDWT和DWT（小波變換），這樣雖然使得整個系統(tǒng)運(yùn)行時更加穩(wěn)定、有效，但這也是系統(tǒng)整體運(yùn)行速度變得緩慢。而且，IEEE P1901的工作頻率定義7.5 MHz～30 MHz，實(shí)現(xiàn)電力線寬帶載波技術(shù)。由于電力線寬帶載波的技術(shù)的固有缺陷，也就使得該標(biāo)準(zhǔn)在配電網(wǎng)中很少使用。

綜上所述，無論哪個電力線載波技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都以其固定的工作頻率來定義其使用范圍，這就使得上述標(biāo)準(zhǔn)只有在規(guī)定范圍內(nèi)才可達(dá)到通信的可靠性。但配電系統(tǒng)的設(shè)計十分復(fù)雜多變，單一的標(biāo)準(zhǔn)是無法滿足配電網(wǎng)通訊可靠性的要求。因此，本文以O(shè)FDM技術(shù)為依托，針對電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，不同區(qū)域、不同線路信道特性差異性大以及市場上以寬帶、窄帶分類的PLC產(chǎn)品適應(yīng)環(huán)境變化能力差、應(yīng)用不靈活的現(xiàn)狀，自主研究以多頻帶、認(rèn)知為主要特征的電力線載波技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)研究。自主研制電力載波機(jī)，測試效果良好。

1 OFDM系統(tǒng)多頻帶原理分析

電力線與光纖、同軸電纜等其他傳輸介質(zhì)相比，電力線的載波通道特性十分復(fù)雜而又多變。影響信道的兩大特性中，除噪聲特性外，最主要就是衰減特性。

電力線信道衰減特性主要分為耦合衰減和線路衰減［18］。耦合衰減主要因?yàn)樽杩共黄ヅ洌虼瞬扇p小耦合電路中阻抗或改變耦合方式等方法進(jìn)行解決。線路衰減因存在線路阻抗、延時，距離等參數(shù)的不同成為衰減的主要問題，如圖4所示。

圖4 不同信道下電力載波通信衰減Fig.4 Attenuation curve of power line carrier communication under different channels

圖4給出2種載波頻率不同的信道模型下的不同傳輸距離，工作頻率分別定義在9 kHz～500 kHz、2 kHz～12kHz。若不考慮噪聲干擾，可以看出，工作頻率為9 kHz～500 kHz在250 m中等質(zhì)量信道和信道模型兩種情況下均能可靠通信，在350 m信道下卻通信失敗。而工作頻率為2 kHz～12 kHz只有在信道模型下通信。由此可見，對于已工作頻率已定義的 G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)、PRIME標(biāo)準(zhǔn)、HomePlug標(biāo)準(zhǔn)、G.9960標(biāo)準(zhǔn)、IEEE P1901標(biāo)準(zhǔn)只能在固定傳輸距離下進(jìn)行工作。但配電網(wǎng)系統(tǒng)站與站之間分部并不固定。因此，針對配電系統(tǒng)的距離不同情況，本文設(shè)計一種可認(rèn)知性載波機(jī)，可有效的實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的通訊。

由OFDM技術(shù)可知，一個OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）符號包括多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號［19］。如果用N表示子載波個數(shù)，T表示OFDM的寬度，di（i＝0，1，…，N）是分配給子載波的數(shù)據(jù)符號，fc是第 0個子載波頻率，rec（t）＝1，｜t｜≤T／2，則從 t＝ts開始的OFDM符號可以表示為：

采用等效基帶信號進(jìn)行表示：

圖5中可知，OFDM系統(tǒng)中每個子載波在一個OFDM符號周期內(nèi)包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差一個周期。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即：

由上述理論可知，OFDM技術(shù)主要將信號源將其離散變換成為可以相鄰波形進(jìn)行正交的子載波。根據(jù)仙農(nóng)信息論，離散信道的容量定義為信道傳輸和輸出之間的互信息量的最大值，該信息量是根據(jù)輸入符號概率密度計算［20］。而對于帶寬標(biāo)準(zhǔn)已固定的OFDM技術(shù)，其信道容量顯然不是最大化。因此，若將數(shù)據(jù)傳輸帶寬由窄帶到寬帶依次進(jìn)行，以增加信道容量，進(jìn)而增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

如圖5和圖6所示，將傳統(tǒng)的發(fā)送端數(shù)字端增加多級可配置的插值濾波器和一個中心頻率混頻器。再通過快速傅里葉反變換和時域加窗技術(shù)產(chǎn)生一個新的基帶的信號源。然后為了滿足能夠匹配ADC轉(zhuǎn)換器頻率，將新基帶信號的采樣頻率經(jīng)插值濾波器倍頻，最后通過混頻器將基帶信號變頻到系統(tǒng)要求的頻段。

多級插值濾波器的個數(shù)及變頻倍數(shù)可根據(jù)具體系統(tǒng)需要進(jìn)行配置，設(shè)低通濾波器變頻系數(shù)為a，M個低通濾波器串聯(lián)，變頻系數(shù)為aM。同樣，根據(jù)系統(tǒng)要求可選擇不同的插值濾波器個數(shù)及變頻系數(shù)，可以獲得多種不同的帶寬選擇。混頻器的中心頻率fc也可配置，也可將基帶信號搬遷到任何頻段。

圖5 OFDM基本模型框圖Fig.5 Basic model block diagram of OFDM

圖6 發(fā)送端數(shù)字前段結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Digital front-end structure diagram of the transmitter

同理，如圖7所示，根據(jù)發(fā)送端數(shù)字前端產(chǎn)生機(jī)理，接收端數(shù)字前段也同樣配置多級抽值濾波器和一個中心頻率的混頻器，完成數(shù)據(jù)接收功能。首先，中心頻率為fc的混頻器將DAC轉(zhuǎn)換器接收信號變頻成基帶信號，再由多級可配置抽取濾波器將該基帶信號進(jìn)行采樣，用于接收端加窗和快速傅里葉變換，將傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。這時不同的信道接收信息量是不同的，系統(tǒng)根據(jù)已獲得數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判定，哪一個信道傳輸?shù)男畔⒘慷嗑陀赡囊恍诺纴磉M(jìn)行傳輸。

圖7 接收端數(shù)字前段結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Digital front-end structure diagram of the receiver

假設(shè)基帶采樣頻率為fs，經(jīng)過M個a倍頻的插值濾波器后變?yōu)閍Mfs，如果設(shè)變頻系數(shù)為2，那么最后的頻率為：

設(shè)DAC／ADC的采樣頻率為f0，此時：

可解得基帶采樣頻率為：

式中f0是DAC／ADC的采樣頻率；2M為系統(tǒng)的總倍頻系數(shù)。

在OFDM系統(tǒng)中，一個信息源正交出所有的子載波中，只有比例為α的子載波用于傳輸有效信號，此時系統(tǒng)的實(shí)際帶寬為：

通過調(diào)整M的數(shù)值，即可以獲得不同的系統(tǒng)寬帶。當(dāng)α＝0.2，M＝9，f0＝100 MHz時，系統(tǒng)存在30種不同的帶寬，OFDM信號帶寬最窄為7.8 kHz，最寬為10 MHz。

2 載波裝置模型構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)機(jī)理

如圖8所示，電力載波通信系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接收發(fā)終端、調(diào)制解調(diào)設(shè)備、耦合器、電力線以及被測裝置（QS）與變電站站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)組成。其收發(fā)裝置原理結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 電力載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of power line carrier communication system

圖9 新型PLC系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Frame work of the novel PLC system

圖9主要包括耦合電路、模擬前端、收發(fā)前端、物理層處理單元、媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）／匯聚層處理單元等五個部分組成。其中耦合電路和模擬前端位于系統(tǒng)硬件平臺模擬板上；收發(fā)前端和物理層處理單元在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，MAC／匯聚層處理單元在ARM芯片中實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA和ARM芯片均位于系統(tǒng)硬件平臺數(shù)字板上。

耦合前端完全由模擬電路組成，實(shí)現(xiàn)市電電壓的安全隔離，并且對高頻載波信號進(jìn)行提取和注入。其對于局端設(shè)備，需要負(fù)責(zé)三相電上的高頻載波信號提取和注入。模擬前端負(fù)責(zé)數(shù)模信號轉(zhuǎn)換、信號濾波以及信號放大功能。對于發(fā)送通路，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換、發(fā)送濾波、以及線性驅(qū)動。對于接收通路，實(shí)現(xiàn)接收濾波、模擬自動增益控制及模數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬前端是由模擬電路以及數(shù)模轉(zhuǎn)換IC組成。

收發(fā)前端由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。對于發(fā)送通路，利用可配置的多級數(shù)字插值濾波以及數(shù)字上變頻模塊將基帶信號轉(zhuǎn)換為期望的跨頻帶PLC載波信號。對于接收通路，其利用可配置的多級數(shù)字抽取濾波以及數(shù)字下變頻模塊將跨頻帶PLC載波信號轉(zhuǎn)換為基帶信號?？珙l帶收發(fā)前端還包括時間同步功能，對接收到的基帶信號進(jìn)行前導(dǎo)卷積運(yùn)算，以確定物理幀的起始位置。

物理層算法處理單元也由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。對于發(fā)送通路，其對MAC層數(shù)據(jù)幀進(jìn)行信道編碼、交織、數(shù)字調(diào)制、以及加循環(huán)前綴后形成物理層幀，然后加前導(dǎo)并發(fā)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器上。對于接收通路，其對同步后的物理層幀進(jìn)行去循環(huán)前綴、數(shù)字解調(diào)、解交織、以及解碼后還原出MAC層數(shù)據(jù)幀。物理層算法處理單元也同時記錄數(shù)據(jù)包的子載波信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）、數(shù)據(jù)幀誤碼率（Bit Error Rate，BER）為MAC層提供跨頻帶認(rèn)知功能的支持。

MAC層協(xié)議棧處理單元由基于處理器的軟件方式實(shí)現(xiàn)。其控制物理層算法處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，另外也實(shí)現(xiàn)多址接入方式的選擇，流量控制，快速組網(wǎng)策略，業(yè)務(wù)感知及對軟實(shí)時業(yè)務(wù)的支撐。匯聚層協(xié)議棧處理單元同樣由基于處理器的軟件方式實(shí)現(xiàn)。其主要操控MAC層和處理其反饋，提供分幀組幀功能，以及快速的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

3 載波裝置實(shí)物與仿真

可用頻率測試是針對新型PLC通信系統(tǒng)裝置樣機(jī)可用頻段的測試，測試的預(yù)期目標(biāo)為：新型PLC通信系統(tǒng)裝置樣機(jī)的可用頻段為150 kHz至12 MHz；頻點(diǎn)可在150 kHz至12 MHz范圍內(nèi)靈活調(diào)整；帶寬可在7.8 kHz至10 MHz范圍內(nèi)靈活調(diào)整。可用頻段測試的技術(shù)要求及測試結(jié)果如表1所示。

表1 可用頻段測試的技術(shù)要求及測試結(jié)果Tab.1 Technical requirements and test results available of available frequency band test

發(fā)射功率測試是針對新型PLC通信系統(tǒng)裝置樣機(jī)發(fā)射功率的測試，測試的預(yù)期目標(biāo)為：在發(fā)射端端接50歐姆電阻的情況下，發(fā)射信號在150 kHz至500 kHz時，發(fā)射功率譜密度不小于 －35 dBm／Hz；端接50歐姆電阻的情況下，發(fā)射信號在0.5 kHz至10 MHz時，發(fā)射功率譜密度不小于－53 dBm／Hz。發(fā)射功率測試技術(shù)指標(biāo)及測試結(jié)果如表2所示。

圖10 可用頻段測試結(jié)果（中心頻點(diǎn)6 MHz、帶寬10 MHz）Fig.10 Available frequency band test results（center frequency 6 MHz，bandwidth 10 MHz）

圖11 可用頻段測試結(jié)果（中心頻點(diǎn)500 kHz、帶寬7.8 kHz）Fig.11 Available frequency band test results（center frequency 500 kHz，bandwidth 78 kHz）

表2 發(fā)射功率測試技術(shù)指標(biāo)及測試結(jié)果Tab.2 Specifications and test results of transmit power test technology

圖12 發(fā)送功率測試結(jié)果（發(fā)送信號功率譜密度大于35 dBm／Hz）Fig.12 Transmission power test result（transmission power spectral densityp is higher than 35 dBm／Hz）

圖13 發(fā)送功率測試結(jié)果（發(fā)送信號功率譜密度大于 －53 dBm／Hz）Fig.13 Transmission power test result（transmission power spectral density is higher than－53 dBm／Hz）

最高物理層速率測試是針對新型PLC通信系統(tǒng)裝置樣機(jī)最大物理層速率的測試，測試的預(yù)期目標(biāo)為：裝置樣機(jī)支持基于TCP／IP通信協(xié)議的遠(yuǎn)程監(jiān)控和配置；支持雙向通信；物理層最高通信速率為10 Mbps。

如圖14所示，根據(jù)10 M帶寬，6 M中心頻點(diǎn)，一幀時長：222μs可知：

一幀承載比特數(shù)：2×189×8bit；

物理層速率為：2×189×8 bit／（222×10－6）s＝13.62 Mbps。

業(yè)務(wù)通信實(shí)驗(yàn)是針對新型PLC通信系統(tǒng)裝置樣機(jī)承載電網(wǎng)業(yè)務(wù)時通信時間延遲的指標(biāo)測試，測試的預(yù)期目標(biāo)為：采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信時延≤5 s（100%），自動化控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信時延≤500 s（95%），分布式電源接入控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信時延≤200ms（95%）。

如圖15所示，丟包率≤5%的情況下，數(shù)據(jù)通信時延≤100 ms，符合預(yù)期成果要求。

測試樣品及測試實(shí)物連接圖如圖16所示。

圖14 最高物理層速率測試結(jié)果Fig.14 Test results of the highest physical layer speed rate

圖15 業(yè)務(wù)通信測試結(jié)果Fig.15 Business communications test results

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的電力載波機(jī)，帶寬可在7.8 kHz～10 MHz靈活調(diào)整，數(shù)據(jù)進(jìn)行通信時的信號功率衰減及信號失真率均符合數(shù)據(jù)通信進(jìn)行傳輸?shù)南嚓P(guān)要求。測試表明，所研制的新型PLC系統(tǒng)滿足物理層支持的最大通信速率為10 Mbps，采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信時延≤5 s（100%），自動化控制業(yè)務(wù)時延≤500 ms（95%），分布式電源接入控制業(yè)務(wù)時延 ≤200 ms（95%）的性能指標(biāo)，有效實(shí)現(xiàn)電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)。