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应用于智能电网的PLC通信标准

2011年11月22日 ?? 收藏0
绪论

近几年来,电力线通信的发展一直是绿色能源的关注重点之一,随着电力电子技术进步,电力线的技术也愈加成熟,所以现在已经有大量厂商对这个技术所带来的新应用感到兴趣,例如智能电网、自动读表系统甚至智能家庭都被视为未来电力线发展的重要标的。因此,智能电网的出现,使得传统电力网络可以侦测电力供应及一般家庭电力的使用状况,藉此来调整电力的耗电量,达到节约能源,增强电网可靠性的目的。本文将针对智能电网的基本概念、技术发展及通信标准,提供一个概略性的介绍与整理。

电力线通信将无所不在

为了掌握各区域用电的实时情报,电力线通信的涵盖范围非常广,从最底层的家庭用电到跨越电表至变电站的信息集中器(Concentrator),或是更高的中压层通信都必需完整掌控,因此,更要确保不同电压段的通信质量,以提升系统的稳定性。

因为技术日渐成熟,电力线的通信质量有着飞跃性的增长。随着应用不同,可以分成可远距离传送的窄频PLC(NarrowBand Power line communication)及短距离但高速度的宽带PLC(BroadBand power line communication),目前宽带PLC的物理层(PHY rate)传输速度己可达到200M(bps)。因此,智能家庭的应用又再次搬上台面,不仅从室外即可远程操控家中的电器,电费也不再只能依靠每两个月一次的账单,家中所有电器的用电信息可以随时掌控,再者,只要使用家中的插座即可直接上网,透过有线传输让家里通信不再有死角。

可靠的长程通信工具

窄频电力线,是电力线通信发展初期即存在的技术,适合用在较长距离的电力线通信技术。因通信使用500k(Hz)以下频带,较不易受到电力线先天环境的衰减,所以可以传送较长的距离,但也因此传输速率较慢,大多使用在电力监控,图1即为先进读表系统(AMI)的架构图。意大利ENEL电力公司采用一个基于FSK和BPSK调制的窄带PLC系统,建构一个3500万用户的自动电表管理系统即为经典的成功案例。

先进读表系统(AMI)的架构图

图2即为自动读表系统的通信环境示意图,台湾的电力系统大多是由变电站提供220v电源至各住户,所以数据集中器适合设置于变电站,再由光纤将各家的用电信息传至管理服务器,所以数字电表的电力信息必需透过图中红色电缆传到变电站的集中器,但此部分电缆建构时大多埋在地底下,难以评估其长度,以及是否连接其他电力设备,因此最适合使用窄频PLC作为解决方案。

如上述,窄频电力线通信虽然并非新一代的技术,但随着通信技术增长,不论是通信速度或是对抗噪声的调变技术都有大幅增长。当下已有许多国家有制定自己的窄频通信规范,例如北美的美国联邦通信委员会FCC(9k~490kHz),在欧洲,则由1976年成立于比利时的CENELEC制定其规范(3kHz~148.5kHz),以及日本电波产业会ARIB(10kHz~450kHz)等等。

近来,许多之前使用在数字通信的调变技术都被拿到电力线通信上使用例如FSK、PSK、展频等等,其中最热门的莫过于使用多载波的OFDM调变技术,主要原因在于其抗信道衰减及噪声干扰的优异表现,也因此,欧洲的G3及PRIME两个窄频电力线解决方案都是采用这个技术。

无所不在的高速通信

因为芯片制程技术进步及新调变技术表现优异,PLC通信的速度成功突破瓶颈, 2006年,新的HomePlug AV规范使速度达到189M(bps)。自此,PLC通信技术不再被局限只能用于自动控制,而是真正进入高速信息通信的殿堂。

目前,HomePlug联盟正积极制定下一代新的通信标准HomePlug AV2,预期传输速率可达1G(bps),且支持多重串流的1080p高画质影音、3D影音等等主流应用,预期在今年第3季问世。此外,在智能家庭方面,该组织日前拟定的HomePlug Green PHY(GP)窄频标准已获选为美国家电制造商协会(AHAM)智能电网产品的主要通信协议,使得未来家庭电网的兼容性又大大提升。

目前PLC业界有3个比较大的标准组织,分别是HomePlug、UPA及CEPCA。HomePlug是由HomePlug Power Alliance业界标准组织制定,主要成员是由美国PLC制造业者组成。UPA,全名Universal Powerline Association,是另一个宽带电力线通信标准,由西班牙DS2公司为中心所成立的业界标准组织。CEPCA消费电子电力线通信联盟,Panasonic为主的业界联盟组织,使用Wavelet OFDM调变技术是与前两者最大的不同之处。上述三个宽带电力线规范以市场分布及联盟成员来区别大致可以分成HomePlug(美规)、UPA(欧规)、CEPCA(日规)。

由于当下并没有一个全球通用的业界标准,国际电信联盟(ITU-T)、IEEE便着手于此,希望不久将来宽带PLC可以像Ethernet或WiFi一样有一个通用的标准流通于市面上。

新一代整合界面标准 - G.hn

G.hn是由ITU-T制定,并由HomeGrid论坛推动的新标准,目的在于统一PLC及其他所有家用的高速通信规格。G.hn能在短时间内迅速窜起除了可以同时兼容电力线、同轴电缆与电话线之外,在使用同轴电缆作为传输媒介时传输速率更可达到700M(bps),其通信速度可用在更广泛且热门的应用之中也是业界看好其发展性的重点之一。

电力线通信先天的阻碍

因为电力线本是为了供应用电而不是设计用于通信,所以要在这个环境下通信必须克服许多先天的不良因素。例如在变压器(11.4kv~220kv)到家用电表端间的通信,如同图2所示,即AMI系统的数据传送信道,在此环境中即可能遇到电力线通道在地下,无法预估长度或是分接予其他用户的情形,这些都可能导致通信上的困难。

窄频电力线方面如同先前所述因为较不易受到环境衰减,所以大多使用在中压或是AMI的远距离传输,但也因为使用的传输频带较低(约在1M(Hz)以下),所以容易受到电器噪声的影响。相较之下,窄频电力线受到的干扰,宽带电力线则是高频通道衰减较为严重。图4所示即为真实电力线的噪声量测结果,可以看出噪声多集中在低频带。图5显示是同场域量测的通道响应,从接收功率的分布情形得知高频部分可能受到的严重衰减而并非噪声干扰。当然,在室内使用之电力线通信也可能因为家中电器使用或是大负载电器而造成信号衰减,这些都是先天即存在且必须克服的不利因素。

结语

电力线通信不论是宽、窄频近年来都已成为绿色能源的要角。如同前述,小自家庭电力网络,大到都市电力系统,已订定的通信规范虽然很多,但因为各国的电力系统设计不同,使用的效果也不尽相同,不论是AMI系统或是智能电网都必须选定最合适的规范或是传输协议,甚至是制定出属于电力系统的专用规范。然而,这些都是必须经过大量实地测试之后才可以得出定论,在这过程中也需要政策的大力支持,因为智能电网涉及到的范围不仅仅是技术面,先期的推动还必须仰赖政策面,及补助政策以及制造商和企业的配合。因此,最终的议题还是回归到”人”身上,需要全民的支持,大家都有共识,才能达到最终结能减碳的终极目标。期许在不久将来,智能电网、智能家庭就可以成为大家耳熟能详且最生活化的技术。


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FSK? 电力线? BPSK调制?

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