基于OFDM的电力线载波通信的研究

在传统电网向新型智能电网的转变，以及其中将面临的一个主要挑战是，需要一个很好的通信网络来实时接收所有用户信息和控制其负载。要解决这一问题，目前最被认可且最可靠的方案是以电网为通信媒介的PLC（电力线载波）技术。本文介绍了PLC技术及其发展历程，并将传统的窄带单载波FSK调制方案与基于OFDM的PRIME和G3两种新方案进行了对比。

　　I 介绍

　　传统的电网正在发生变革。在过去的一个世纪，电网是一个用来将由一定数量的发电站发出的电能传输到大量不同级别的用户的系统。设计和运行电网的标准，就是要将电能以一种有效的方式从数百个发电站传输到数百万的用户家中。这个系统储存电能的功能是很有限的，所以如何预测用户的用电量就变得至关重要。电网的控制是基于每日的预测来进行，而电能是由发电站通过传输网络输送到配电网络。大部分发电都需要由调节器来控制。

　　而现在在某些国家，以及将来的更多国家，绿色能源对于电网的贡献将会越来越大。它在电网中所占的比率，由原来5%的水力发电，上升到了有40%是太阳能和风能发电。在大部分绿色电能中，调节器要进行的控制很少。此外，电动交通工具也加入了变革的队伍。电动交通工具的大规模推广，将使电网的用电量加倍，并大规模地带来了超大储电能力。用电量的上升、绿色电能的推广和不受控制的发电、电动交通工具的储电能力被认为是电网的完美风暴。这个方案就被称为智能电网。它结合了嵌入式智能技术和实时通信与控制功能，能够随时与任何用户进行实时通信并控制其负载。要实现这样的通信功能，就需要采用以电网作为主要通信媒介的PLC技术。

　　PLC技术早在20多年前就被用于中压领域来控制电网。但在低压侧大规模使用PLC则是更近才开始。PLC技术的一个典型成功案例，是意大利ENEL供电公司采用一个基于FSK和BPSK调制的窄带PLC系统为3500万用户构建一个AMM（自动电表管理）系统。此系统可每2个月自动抄读一次3500万台电表。但是它的平均波特率不够，无法支持更多的实时通信和控制，以及未来基于IPv6等通信协议的应用。

　　要进行更多的实时通信和控制，以及未来基于IPv6等通信协议的应用，就需要一种基于OFDM调制的新一代PLC技术。其中两种主要的OFDM方案，就是现在的G3和PRIME技术。G3是一个由法国EDF电力公司发起，MAXIM和SAGEMCOM开发的方案。这个方案在2009年被公布，EDF计划将在2013年试用2000台采用G3技术的电表。

　　PRIME是一个由PRIME联盟推出的一个开放式多供应商解决方案，该联盟包含了30多个由供电公司、表计厂家和ADD半导体、FUJITSU、STM和TI等晶片供应商组成的成员。其中的表厂包括SAGEMCOM、ITRON、LANDIS+GYR、 ISKRA-MECO、ZIV和SOGECAM。IBERDROLA是第一家推广此方案的供电公司，但现在EDP、CEZ MERENI和ITRI也加入这个阵营。

　　IBERDROLA在2010年开始安装10万台采用PRIME技术的电表。该供电公司还计划在2010年年底发布一个需量为100万台电表的新标，并于未来3-5年在西班牙完成1000万台电表的安装。其它一些供电公司也开始采用PRIME技术。G3和PRIME都是OFDM方案，但发展历史有所不同。G3最初是采用了一块由MAXIM设计的芯片，此芯片可提供适用于PHY层和某些现有软件层的IEEE 802.15.4 2006通信、适用于MAC层的6LowPAN和适用于网络层的IPv6通信。

　　PRIME则是由一个供电公司、行业厂家和大学研究所构成的联盟，合作开发一个新型OFDM电力线技术公开标准的产物。该联盟采用一个针对PHY层的系统性设计流程，从满足最基本要求开始。接下来就是从噪音等级、噪音节奏、信号减弱和阻抗模式等要素来对物理媒介进行定义。行业厂家则开发用于这些目的的新型自动化产品，并和供电公司展开了多次合作。由此产生了一个包含了噪音等级、噪音节奏、信号减弱和阻抗模式等要素的大型数据库，和用于电网的精确数据统计模式。

　　第二步，他们通过模拟的方法，用这个模式来*估OFDM技术的头实现、带宽分配、子载波数量、子载波调制和误差纠正等多个参数构成的不同组合，并采用新设备在实地测试中来*估最好的方案。经过多次的重复和大量的实地测试，他们根据欧洲电网的情况和供电公司的规格要求，选择出最佳的参数组合。此外，MAC和上端通信层也是由一个包含了晶片供应商、表厂和供电公司的联盟开发出来的。

　　经过努力，他们开发出了PHY、MAC和集中通信层。PHY层在临近节点之间收发MPDU。它采用位于CENELEC A频段高频率的47.363 kHz频率带宽，平均传输速率为70kbps，最大速率可达120 kbps。在此条件下，网络中各个节点之间可直接通信的概率为92%。其它时候，路由可以确保100%连接成功。

　　MAC层提供了系统接入、带宽分配、连接创建/维护和拓扑分辨等核心MAC功能。

　　服务专用型集中层（CL）可以对信息传输进行分类，将其和适合的MAC连接关联起来。它可测定可能包含在MAC SDU中的任何数据传输，也可具备有效负载头压缩功能。同时，采用多个子集中层来实现MAC SUD中的各种不同的数据传输。

　　在基本FSK或BPSK方案中，信息是以单个载波来传输的。传输的波特率取决于带宽的大小，而噪音和选择性减弱会限制通信。而在OFDM方案中，信息是通过多个子载波来传输的。传输的波特率取决于带宽和DBPSK、DQPSK或D8PSK子载波调制的复杂性。通过采用多个子载波、编码和纠错，更好地消除了通信中的噪音和选择性减弱。

　　符号的大小是由采样频率以及子载波的数量决定的。符号越大，越能够可靠地抑制脉冲噪音。编码提高了稳定性，但也增加了复杂性和功耗。子载波越多，通信稳定性就越高，但并不意味着波特率也越高。

　　G3技术采用36个子载波、0.735ms的分类符号、6.79ms的序和9.5ms的开头，需要重复法和RS纠错来提高通信稳定性。

　　PRIME采用了97个子载波、2.24ms的长符号、2ms的序和4.48的开头。为了避免重复法和RS纠错的复杂性，它采用了能效高3倍的符号来提高通信稳定性。这是一个能够提供稳定性但成本更低的方案。

　　总之，传统电网在向需要更高级通信能力的智能电网发展。PLC技术是实现必需功能和稳定性的更便利的技术。PLC技术也在朝着OFDM方案变革，而G3和PRIME则是主要的2个方案。