智能电网的电力线通信系统

作者：意法半导体产品市场部Ivan Gatchev

世界各国政府和供电公司都意识到，近百年都没有发生太大变化的传统电网将会被能效、灵活性和智能更高的智能电网所取代，作为具有自我修复能力的数控输配电网，智能电网能够把电力从发电厂输送到使用地点，其中包括并入电网的再生能源发电。智能电网可以优化电力传输效率，让供电企业能够为用户提供双向通信和用户端能源管理服务，最大限度降低停电事故率，按需传输电力。供电企业和最终用户成本降低，电力供应更加可靠，二氧化碳排放量减少，是智能电网带给供电企业和用户的最终的好处。


图1：智能电网：INNOVATION概念的核心内容。

凡是电动产品设备都须通过电源插座连接到电力线，因此，我们可以认为，电力线是一种永远存在的廉价的通信媒介，设备联网无需再铺设昂贵的电缆或安装无线射频系统。

电力线窄带通信足以维持简单的信息交换，例如，用电量计量、向执行器发送命令、检验系统等。在室内外环境，电力线窄带通信可实现很多应用。例如，供电公司可通过户外电网远程监控路灯或实现集中抄表（AMR）和电表自动管理（AMM）解决方案，同时提供多项客户服务，包括用电控制和电价选择。室内电网可用于家电联网，实现家庭或楼宇自动化，创建安全防盗系统，控制温度和照明亮度。所有这些功能都离不开电力线调制解调器(PLM)，像普通的调制解调器一样，电力线调制解调器把二进制数据流转换成一序列预设特性（频率、信号电平）的信号，然后在接收端再把这些信号恢复到二进制数据，完成信号的调制解调过程。电力线调制解调器须能够在电力线上传送调制信号，并检测从发送端传至接收端的输入信号，完成信号的收发过程。

如前文所述，集中秒表又称AMR是电力线调制解调器的主要目标应用之一，传统的机电式电表所采用的技术不再适合更深入长远的发展，而电子电表却可以给供电企业和消费者带来更多的价值，其中包括降低制造成本、维护费用、二氧化碳排放量，提高电量计量精度，最重要的是，能够为消费者提供实际用电的详细信息，为供电企业提供实时服务质量数据。

智能电表是集中抄表AMR技术的演进结果，是智能电网的重组成部分。智能电表给供电企业和消费者带来切实的好处：消费者能够更精确地监控用电情况，例如，在电价最低时段使用洗衣机、洗碗机或电热水器，而电力企业能够提高发电和输电的效率。

新出现的智能电网实际上是一个智能数字电网，被用来定义下一代输配电网的技术标准。智能电表可以让消费者的家庭网络与智能电网互通，为供电企业和消费者提供更智能的电能管理服务。

智能电网市场可再细分为三大市场板块：基础设备(例如，数据集中器)、电能表和家庭/楼宇管理，每个市场都有不同的应用要求。

微逆变器用于收集太阳能等再生能源发电，通过电力线调制解调器与智能电网通信。下图所示是一个最新的太阳能收集系统的结构图。


图2：最新太阳能收集系统结构图。

为满足这些应用要求，行业标准化组织出台了新的电力线通信标准：

IEC 61334-5-1协议，S-FSK调制模式数据传输速率高达2.4 Kbps

Meters & More规范，B- FSK和多种调制模式n-PSK调制技术

以OFDM调制稳健为特色的PRIME协议

PRIME(电力线智能电表演进)是一个基于最新技术的物理层和数据链路层标准，确保现在的技术能够满足未来的市场需求，保护电力企业在未来应用的投资。PRIME是一个推广不同设厂商产品互操作的开放式标准，是推进新市场增长的有效方式，所有的市场参与者都将成为这个解决方案的最终受益者，其中包括供电公司、用电企业和个人。PRIME采用的是CENELEC-A波段的OFDM正交频分复用技术。智能电网是智能输配电网络，家庭自动化、智能电表和再生能源发电是我们在智能电网市场的主要研发方向。智能电表为用户提供实时的详细的用电数据，让用户能够管理家庭用电情况，例如，鼓励用户在用电低谷期使用洗衣机。在智能电网环境内，智能电表是家庭网络（HAN）与户外智能电网之间的连接中心，把用电家庭与电力公司连接在一起。

下图描述了智能电表的重要作用:


图3

HomePlug推出了新的宽带电力线通信标准，这项标准的最大优点是，用户创建家庭网络无需铺设新线，只使用家庭现有的电源插座和接线盒即可组建高速家庭网络。

HomePlug是一个行业标准化联盟 (www.homeplug.org)，意法半导体是该组织的主要创始人之一。该组织的使命是推动低成本的互操作的标准化家庭电力线网络和产品的研制和应用。HomePlug技术完全符合IEEE1901宽带电力线网络标准(媒体访问控制和物理层规范)，为客户提供一个完整的互操作技术生态系统，确保能够向千兆以太网服务演进。

HomePlug标准有两个相互兼容的版本：

HomePlug GP(Green PHY)，主要用于智能电网和智能电动产品设备。

HomePlug AV(音频/视频)，是消费电子产品家庭联网标准。

最近，HomePlug联盟收到了“电动汽车充电接口协调组织”代表5家德国汽车厂商关于选用PLC IEEE1901 Profile Green PHY (HomePlug GP)作为插电式电动汽车与充电桩之间的通信技术的确认函。随后不久，通用、福特和丰田三大汽车巨头也宣布选用这项标准， HomepluGP现已成为电动汽车充电的实际标准。


图4

电动汽车与电网（V2G）之间的通信功能将让供电公司和消费者能够管理插电式电动汽车的充电过程，让电力公司能够在用电高峰期控制电网的用电量。新的V2G标准将包含一项物理层与数据链路层共用通信技术。

新的IEEE P1905.1低频（低于500 kHz）窄带电力线通信标准是一个新的通信性能和可靠性基准，同时还能与现有的"PRIME" 和"G3-PLC" OFDM技术互操作。

P1905.1新标准定义一个多种家庭网络技术共用的抽象层，整合了P1901与其它家庭网络技术标准。P1905.1的抽象层为IEEE 1901、IEEE 802.11、IEEE 802.3和 MoCA 1.1标准异构家庭网络技术与P1905.1网络互通提供一个共用数据控制服务接入点。