電網與電力系統之間的相互性

楊曉霞

（云南建源電力設計有限公司，云南 昆明 650011）

電網對于電力系統的意義。①能有效地提高電力系統的安全性和供電可靠性。利用智能電網強大的“自愈”功能，可以準確、迅速地隔離故障元件，并且在較少人為干預的情況下使系統迅速恢復到正常狀態，從而提高系統供電的安全性和可靠性。②實現電網的可持續發展。堅信智能電網建設可以促進電網技術創新，實現技術、設備、運行和管理等各個方面的提升，以適應電力市場需求，推動電網科學可持續發展。③減少有效裝機容量。利用我國不同地區電力負荷特性差異大的特點，通過智能化的統一調度，獲得錯峰和調峰等聯網效益；同時通過分時電價機制，引導用戶低谷用電，減小高峰負荷，從而減少有效裝機容量。④降低系統發電燃料費用。建設堅強智能電網，可以滿足煤電基地的集約化開發，優化我國電源布局，從而降低燃料運輸成本；同時，通過降低負荷峰谷差，可提高火電機組使用效率，降低煤耗，減少發電成本。⑤提高電網設備利用效率。首先，通過改善電力負荷曲線，降低峰谷差，提高電網設備利用效率；其次，通過發揮自我診斷能力，延長電網基礎設施壽命。⑥降低線損。以特高壓輸電技術為重要基礎的堅強智能電網，將大大降低電能輸送中的損失率；智能調度系統、靈活輸電技術以及與用戶的實時雙向交互，都可以優化潮流分布，減少線損；同時，分布式電源的建設與應用，也減少了電力遠距離傳輸的網損。

現在在某些國家，以及將來的更多國家，綠色能源對于電網的貢獻會越來越大。它在電網中所占的比率，由原來5%的水力發電，上升到有40%是太陽能和風能發電。在大部分綠色電能中，調節器要進行的控制很少。此外，電動交通工具也加入了變革的隊伍。電動交通工具的大規模推廣，將使電網的用電量加倍，并大規模地帶來了超大儲電能力。用電量的上升、綠色電能的推廣和不受控制的發電、電動交通工具的儲電能力被認為是電網的完美風暴。這個方案被稱為智能電網。它結合了嵌入式智能技術和實時通信與控制功能，能夠隨時與任何用戶進行實時通信并控制其負載。要實現這樣的通信功能，就需要采用以電網作為主要通信媒介的PLC技術。

PLC技術早在20年前就被用于中壓領域來控制電網。但在低壓側大規模使用PLC則是更近才開始的。PLC技術的一個典型成功案例，是意大利 ENEL供電公司采用一個基于 FSK和BPSK調制的窄帶PLC系統為3 500萬用戶構建一個AMM（自動電表管理）系統。此系統可每2個月自動抄讀一次3 500萬臺電表。但是它的平均波特率不夠，無法支持更多的實時通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協議的應用。

要進行更多的實時通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協議的應用，就需要一種基于OFDM調制的新一代PLC技術。其中兩種主要的OFDM方案，就是現在的G3和PRIME技術。G3是一個由法國EDF電力公司發起，MAXIM和SAGEMCOM開發的方案。這個方案在2009年被公布，EDF計劃將在2013年試用2 000臺采用G3技術的電表。

PRIME是一個由PRIME聯盟推出的一個開放式多供應商的解決方案，該聯盟包含了 30多個由供電公司、表計廠家和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、CEZMERENI和 ITRI也加入了這個陣營。

IBERDROLA在2010年開始安裝10萬臺采用PRIME技術的電表。該供電公司還計劃在2010年年底發布一個需量為100萬臺電表的新標，并于未來3～5 a在西班牙完成1 000萬臺電表的安裝。其他一些供電公司也開始采用PRIME技術。G3和PRIME都是OFDM方案，但發展歷史有所不同。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IEEE802.15.42006通信，適用于MAC層的6LowPAN和適用于網絡層的IPv6通信。

PRIME則是由一個供電公司、行業廠家和大學研究所構成的聯盟，合作開發一個新型OFDM電力線技術公開標準的產物。該聯盟采用一個針對PHY層的系統性設計流程，從滿足最基本的要求開始。接下來就是從噪聲等級、噪聲節奏、信號減弱和阻抗模式等要素來對物理媒介進行定義。行業廠家則開發用于這些目的的新型自動化產品，并和供電公司展開了多次合作。由此產生了一個包含了噪聲等級、噪聲節奏、信號減弱和阻抗模式等要素的大型數據庫和用于電網的精確數據統計模式。

第二步，他們通過模擬的方法，用這個模式來評估OFDM技術的頭實現、帶寬分配、子載波數量、子載波調制和誤差糾正等多個參數構成的不同組合，并采用新設備在實地測試中來評估最好的方案。經過多次的重復和大量的實地測試，他們根據歐洲電網的情況和供電公司的規格要求，選出最佳的參數組合。此外，MAC和上端通信層也是由一個包含了晶片供應商、表廠和供電公司的聯盟開發出來的。

經過努力，他們開發出了PHY、MAC和集中通信層。PHY層在臨近節點之間收發MPDU。它采用位于CENELECA頻段高頻率的47.363 kHz頻率帶寬，平均傳輸速率為70 kbps，最大速率可達120 kbps。在此條件下，網絡中各個節點之間可直接通信的概率為92%。其他時候，路由可以確保100%連接成功。

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

服務專用型集中層（CL）可以對信息傳輸進行分類，將其和適合的MAC連接關聯起來。它可測定可能包含在MACSDU中的任何數據傳輸，也可具備有效負載頭壓縮功能。同時，采用多個子集中層來實現MACSUD中的各種不同的數據傳輸。

在基本FSK或BPSK方案中，信息是以單個載波來傳輸的。傳輸的波特率取決于帶寬的大小，而噪聲和選擇性減弱會限制通信。而在OFDM方案中，信息是通過多個子載波來傳輸的。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。通過采用多個子載波、編碼和糾錯，更好地消除了通信中的噪聲和選擇性減弱。

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，越能可靠地抑制脈沖噪聲。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，但并不意味著波特率也越高。G3技術采用36個子載波、0.735 ms的分類符號、6.79 ms的序和9.5 ms的開頭，需要重復法和RS糾錯來提高通信穩定性。PRIME采用了97個子載波、2.24 ms的長符號、2 ms的序和4.48 ms的開頭。為了避免重復法和RS糾錯的復雜性，它采用了能效高3倍的符號來提高通信穩定性。這是一個能夠提供穩定性，但成本更低的方案。

總之，傳統電網在向需要更高級通信能力的智能電網發展。PLC技術是實現必需功能和穩定性的更便利的技術。PLC技術也在朝著OFDM方案變革，而G3和PRIME則是主要的兩個方案。