基于智能電網的電力線通信技術發展及應用研究

鐘 菲，劉 洋，張學敏，趙紫斐

（1.長春工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林省配電設備自動化產業公共技術研發中心，吉林 長春 130012）

1 智能電網和電力線通信

智能電網是集成現代電力工程技術、分布式發電技術、儲能技術、高級傳感技術、監測控制技術、信息處理技術與通信技術的新型輸配電系統。它的主要特征是信息化、自動化和互動化。智能電網需要建立一個高速、雙向、集成、實時的電網通信系統。電力線通信（Power Line Communication，PLC）可利用現有的交流電源線作為通信線路，節約了基礎建設的投資和運行維護成本，成為構建智能電網通信系統的優選。它首先把載有信息的高頻加載于電流，其次用電線傳輸接受信息的適配器，最后把高頻從電流中分離，并傳送到計算機或電話，以實現信息傳遞[1]。目前，國內電力線組網的傳輸速率已經可以達到500～1 000 Mb/s。相比于300 Mb/s的無線網絡，它的優勢明顯[2]。

2 電力系統的傳統通信方式

目前,我國電力系統按照距低布線和成本需求，通過供電力用戶電能信息采集系統傳輸數據。數據傳輸的主流通信方式可歸納為無線通信、電力光纖專網和無線移動專網。這三種方案各有其優勢和劣勢。無線通信的優點是無線通信技術成熟，通信容量不受限制，速率較高，但由于公網受攻擊和干擾較多，通信可靠性較低，系統運行維護費用高。光纖專網通信綜合應用了多重業務，但由于我國發展不平衡，地域存在多樣化，而一些必須布線的邊遠地區和山地等地貌環境復雜，光纖及硬件設備成本較高，不適合發展光纖通信[3]。電力無線專網的系統成本低，運行維護費用低，但專網信道容量有限，無法滿足智能電網的綜合應用。

3 新一代電力線通信

電力線通信早在20年前就被用于中壓領域，以達到控制電網的目的。但是，由于信道輸入阻抗不匹配，導致信號傳輸過程中產生多徑效應和頻率選擇性衰落。此外，信號在傳輸過程中受信道內部和外部的影響，呈現出明顯的非線性和非平穩性特征，信號損失大，易受噪聲干擾。電力線通信采用窄帶單載波BPSK、FSK調制，傳輸速度只有幾兆，傳輸距離只有幾米[4]。隨著通信技術的迅猛發展，調制解調、正交頻分復用（OFDM）、信息編碼、跳頻、網絡自組與重構以及網絡路由等新技術逐漸被用于電力線通信，改進了電力線通信的信道編碼、調制算法和功率控制，有效減弱了多徑傳播、頻率衰落和噪聲干擾，形成了新一代PLC通信[5]。新型的PLC通信是一種新型的寬帶技術，可以利用遍及各地的電力線作為傳輸媒介，承載語音、數據和圖像的傳播。目前，新一代電力線通信主要用于中壓輸電網、低壓輸電網、電網負載控制、供電管理和電力線自動抄表等領域。未來，它主要拓展至寬帶業務、智能小區、電網管理和物聯網等方面。

4 電力線通信的國內外發展現狀

當前，眾多家庭聯網標準中，絕大部分中國家庭仍然選擇無線方式，而歐洲和北美則更多采用電力線（PLC），因為這些國家IPTV（Internet Protocol Television）的成熟度比中國高。2007年12月，IEEE工作組發布IEEE 1901標準（高速寬帶PLC標準），支持達500 Mb/s的物理層傳輸速率。2017年10月，全球領先的半導體供應商意法半導體（ST）推出新的模塊化PLC調制解調器芯片組。我國低壓電力線載波行業起步較晚，發展緩慢。2015年后，隨著PLC技術的突破，開始應用于智能電網、工業控制、物聯網以及家庭網絡等領域。目前，國網已經基本完成了智能電表的改造，采用的是電力線載波通信技術。2017年9月，華為與IEEE PLC-IoT IC正式建立合作伙伴關系，共同推進PLC-IoT產業生態發展，并在全球范圍內推廣和應用IEEE P1901.1標準。

5 新型PLC的應用

智能電網主要通過智能電表、遠程抄表、動態監測電能利用情況，實現電能的動態調度。目前，我國已將電力線通信應用于智能抄表系統。電力線抄表系統能夠自動采集各種計量表的讀數，如電表、水表和煤氣表等。系統以計算機為基礎，以電力線為載體，采集各種電表的數據信息，不僅減少了成本，而且利用計算機的強大功能自動形成電費表格。此外，自動抄表系統可以省去用電中間層，促使居民的用電價格更加優惠。基于上述優點，電力線通信的發展前景不可估量。

6 智能電網—電力線通信的未來

電網的信息交互和電力傳輸的高效性、可靠性和安全性，都依賴于有效的信息通信技術。電力線通信技術是智能電網發展的中流砥柱。通過電力線通信精確高效地采集、傳輸電網中運行的電力設備信號，可實現數字化顯示電網運行狀態，并準確分析電網的運行狀態。通過智能自動化的二次設備和一些其他監測設備，可提高電網自動運行能力，實現電網的智能化管理和控制，實時互動和分析電力信息。但是，PLC通信的可靠性受電網拓撲結構和信道噪聲的影響，如何降低信道編碼的誤碼率，提高信號傳輸質量，是電力線通信需要進一步研究的問題。