電力線(xiàn)載波技術(shù)與基于OFDM的PRIME和G3方案對比

　　本文介紹了電力線(xiàn)載波（PLC）技術(shù)及其發(fā)展歷程，并將傳統的窄帶單載波FSK調制方案與基于OFDM的PRIME和G3兩種新方案進(jìn)行了對比。

　介紹

　　傳統的電網(wǎng)正在發(fā)生變革。在過(guò)去的一個(gè)世紀，電網(wǎng)是一個(gè)用來(lái)將由一定數量的發(fā)電站發(fā)出的電能傳輸到大量不同級別的用戶(hù)的系統。設計和運行電網(wǎng)的標準，就是要將電能以一種有效的方式從數百個(gè)發(fā)電站傳輸到數百萬(wàn)的用戶(hù)家中。這個(gè)系統儲存電能的功能是很有限的，所以如何預測用戶(hù)的用電量就變得至關(guān)重要。電網(wǎng)的控制是基于每日的預測來(lái)進(jìn)行，而電能是由發(fā)電站通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )輸送到配電網(wǎng)絡(luò )。大部分發(fā)電都需要由調節器來(lái)控制。

　　而現在在某些國家，以及將來(lái)的更多國家，綠色能源對于電網(wǎng)的貢獻將會(huì )越來(lái)越大。它在電網(wǎng)中所占的比率，由原來(lái)5%的水力發(fā)電，上升到了有40%是太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電。在大部分綠色電能中，調節器要進(jìn)行的控制很少。此外，電動(dòng)交通工具也加入了變革的隊伍。電動(dòng)交通工具的大規模推廣，將使電網(wǎng)的用電量加倍，并大規模地帶來(lái)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(dòng)交通工具的儲電能力被認為是電網(wǎng)的完美風(fēng)暴。這個(gè)方案就被稱(chēng)為智能電網(wǎng)。它結合了嵌入式智能技術(shù)和實(shí)時(shí)通信與控制功能，能夠隨時(shí)與任何用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信并控制其負載。要實(shí)現這樣的通信功能，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多年前就被用于中壓領(lǐng)域來(lái)控制電網(wǎng)。但在低壓側大規模使用PLC則是更近才開(kāi)始。PLC技術(shù)的一個(gè)典型成功案例，是意大利ENEL供電公司采用一個(gè)基于FSK和BPSK調制的窄帶PLC系統為3500萬(wàn)用戶(hù)構建一個(gè)AMM(自動(dòng)電表管理)系統。此系統可每2個(gè)月自動(dòng)抄讀一次3500萬(wàn)臺電表。但是它的平均波特率不夠，無(wú)法支持更多的實(shí)時(shí)通信和控制，以及未來(lái)基于IPv6等通信協(xié)議的應用。

　　要進(jìn)行更多的實(shí)時(shí)通信和控制，以及未來(lái)基于IPv6等通信協(xié)議的應用，就需要一種基于OFDM調制的新一代PLC技術(shù)。其中兩種主要的OFDM方案，就是現在的G3和PRIME技術(shù)。G3是一個(gè)由法國EDF電力公司發(fā)起，MAXIM和SAGEMCOM開(kāi)發(fā)的方案。這個(gè)方案在2009年被公布，EDF計劃將在2013年試用2000臺采用G3技術(shù)的電表。

　　PRIME是一個(gè)由PRIME聯(lián)盟推出的一個(gè)開(kāi)放式多供應商解決方案，該聯(lián)盟包含了30多個(gè)由供電公司、表計廠(chǎng)家和ADD半導體、FUJITSU、STM和TI等晶片供應商組成的成員。其中的表廠(chǎng)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，但現在EDP、CEZ MERENI和ITRI也加入這個(gè)陣營(yíng)。

　　IBERDROLA在2010年開(kāi)始安裝10萬(wàn)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(gè)需量為100萬(wàn)臺電表的新標，并于未來(lái)3-5年在西班牙完成1000萬(wàn)臺電表的安裝。其它一些供電公司也開(kāi)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設計的芯片，此芯片可提供適用于PHY層和某些現有軟件層的IEEE 802.15.4 2006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(gè)供電公司、行業(yè)廠(chǎng)家和大學(xué)研究所構成的聯(lián)盟，合作開(kāi)發(fā)一個(gè)新型OFDM電力線(xiàn)技術(shù)公開(kāi)標準的產(chǎn)物。該聯(lián)盟采用一個(gè)針對PHY層的系統性設計流程，從滿(mǎn)足最基本要求開(kāi)始。接下來(lái)就是從噪音等級、噪音節奏、信號減弱和阻抗模式等要素來(lái)對物理媒介進(jìn)行定義。行業(yè)廠(chǎng)家則開(kāi)發(fā)用于這些目的的新型自動(dòng)化產(chǎn)品，并和供電公司展開(kāi)了多次合作。由此產(chǎn)生了一個(gè)包含了噪音等級、噪音節奏、信號減弱和阻抗模式等要素的大型數據庫，和用于電網(wǎng)的精確數據統計模式。

　　第二步，他們通過(guò)模擬的方法，用這個(gè)模式來(lái)*估OFDM技術(shù)的頭實(shí)現、帶寬分配、子載波數量、子載波調制和誤差糾正等多個(gè)參數構成的不同組合，并采用新設備在實(shí)地測試中來(lái)*估最好的方案。經(jīng)過(guò)多次的重復和大量的實(shí)地測試，他們根據歐洲電網(wǎng)的情況和供電公司的規格要求，選擇出最佳的參數組合。此外，MAC和上端通信層也是由一個(gè)包含了晶片供應商、表廠(chǎng)和供電公司的聯(lián)盟開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

　　經(jīng)過(guò)努力，他們開(kāi)發(fā)出了PHY、MAC和集中通信層。PHY層在臨近節點(diǎn)之間收發(fā)MPDU。它采用位于CENELEC A頻段高頻率的47.363 kHz頻率帶寬，平均傳輸速率為70kbps，最大速率可達120 kbps。在此條件下，網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)節點(diǎn)之間可直接通信的概率為92%。其它時(shí)候，路由可以確保100%連接成功。

　　MAC層提供了系統接入、帶寬分配、連接創(chuàng )建/維護和拓撲分辨等核心MAC功能。

　　服務(wù)專(zhuān)用型集中層(CL)可以對信息傳輸進(jìn)行分類(lèi)，將其和適合的MAC連接關(guān)聯(lián)起來(lái)。它可測定可能包含在MAC SDU中的任何數據傳輸，也可具備有效負載頭壓縮功能。同時(shí)，采用多個(gè)子集中層來(lái)實(shí)現MAC SUD中的各種不同的數據傳輸。

　　在基本FSK或BPSK方案中，信息是以單個(gè)載波來(lái)傳輸的。傳輸的波特率取決于帶寬的大小，而噪音和選擇性減弱會(huì )限制通信。而在OFDM方案中，信息是通過(guò)多個(gè)子載波來(lái)傳輸的。傳輸的波特率取決于帶寬和DBPSK、DQPSK或D8PSK子載波調制的復雜性。通過(guò)采用多個(gè)子載波、編碼和糾錯，更好地消除了通信中的噪音和選擇性減弱。

　　符號的大小是由采樣頻率以及子載波的數量決定的。符號越大，越能夠可靠地抑制脈沖噪音。編碼提高了穩定性，但也增加了復雜性和功耗。子載波越多，通信穩定性就越高，但并不意味著(zhù)波特率也越高。

　　G3技術(shù)采用36個(gè)子載波、0.735ms的分類(lèi)符號、6.79ms的序和9.5ms的開(kāi)頭，需要重復法和RS糾錯來(lái)提高通信穩定性。

　　PRIME采用了97個(gè)子載波、2.24ms的長(cháng)符號、2ms的序和4.48的開(kāi)頭。為了避免重復法和RS糾錯的復雜性，它采用了能效高3倍的符號來(lái)提高通信穩定性。這是一個(gè)能夠提供穩定性但成本更低的方案。

　　總之，傳統電網(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(shí)現必需功能和穩定性的更便利的技術(shù)。PLC技術(shù)也在朝著(zhù)OFDM方案變革，而G3和PRIME則是主要的2個(gè)方案。