面向能源互聯網的電力線通信技術分析

張 俊

（上海任源人力資源有限公司，上海 200002）

0 引 言

能源互聯網是由天然氣網絡、電力系統控制網絡以及智能交通網絡等組成的共享網絡。能源互聯網的能源局域網中含有多個能源能量設備。諸多設備的拓撲變化特性較顯著，使得能源互聯網具備多尺度動態特征。能源互聯網的整體結構較復雜，運行網絡需處理海量數據。信息化時代技術發展迅速，電力線通信技術逐漸應用于能源互聯網，因此深入研究電力線通信技術原理和應用方式意義重大。

1 能源互聯網的基本架構

1.1 能源互聯網的技術架構

能源互聯網發展的主要目標在于優化調整能源結構，提升能源效率，使用戶具有良好的使用體驗感，明確能源互聯網的組成要素，促進能源互聯網科學穩定發展。分析能源互聯網的技術框架，應用高新技術可充分發揮各類技術的應用優勢，提高能源使用效率。技術框架優化調整的主要對象為能量流和信息流，其中將調度控制作為能源優化調整的關鍵內容[1]。

1.2 能源互聯網的通信架構

分析能源互聯網的通信網絡，可劃分為3個組成部分。第一，廣域網，可全面覆蓋高壓傳輸網，延伸至配網主站，在高壓傳輸中需應用光纖技術。第二，區域網，能夠覆蓋中壓配網，以設備保護及其壽命周期管理為依據選擇通信技術，需保證低壓通信網通向骨干網的通道。第三，居民局域網，可覆蓋家庭用電網絡和低壓接入網。采集設備需安裝于中壓區和低壓區，運行區域網和局域網可為廣大居民提供安全穩定的通信技術，能源互聯網可劃分為骨干通信網和終端設備接入子網2個層面。接入子網數量較多，通過應用上聯接口即可連接骨干通信網。此外，能源互聯網中分布式電源接入較復雜[2]。

2 電力線載波通信相關概述

2.1 電力線載波通信的傳輸特性

2.1.1 衰減特性

電力線載波通信過程中的信號衰減可分為線路衰減和耦合衰減2種類型。一方面，信號衰減和傳輸距離之間為正比關系，但是如果電力線的平衡性較差或者負載阻抗不匹配，則可能會造成信號反射。另一方面，隨著頻率的增加，信號衰減越來越大。與兩端相比，中間段的衰減特性更顯著。當頻率在100 kHz以下時，信號穩定性較差；當頻率在100～400 kHz時，信號傳輸穩定性較強；當信號達到500 kHz以上時，信號衰減最明顯[3]。

2.1.2 阻抗特性

在輸入阻抗特性的影響下，發送機效率和網絡輸入功率均會發生較大轉變，直接影響信號傳輸效率。通信系統中，在信號發送裝置、接收裝置以及信道的阻抗達到匹配狀態時，接收效率可達到最大值。阻抗特性的影響因素包括線路拓撲結構和信號頻率等。如果低壓電力線阻抗處于理想狀態，當信號頻率增加時，在分布電感和分布電容的影響下，輸入阻抗隨之減小。負載類型具有多樣化特征，不同頻率的阻抗變化有一定的差異。在共振頻率上，輸入阻抗的幅值會發生顯著變化。在電力線不同區域，輸入阻抗值也有所不同，會形成阻抗的低谷區[4]。

2.1.3 噪聲特性

電力線信道噪聲可劃分為以下5種類型。第一，背景噪聲。電力線上存在多種噪聲源，噪聲源可形成隨機干擾。頻率增加時，功率譜密度會逐漸減小。第二，窄帶噪聲。當短波廣播處于頻域上時，窄帶噪聲易發生竄擾現象。由于它的頻帶較窄，在同一天的不同時刻，窄帶噪聲的干擾強度不斷發生變化，很難預測。在大氣層反射的影響下，它的夜間干擾更大。第三，與工頻異步的噪聲受到計算機屏幕和電視屏幕等各類電子顯示設備的影響，通常為50～200 Hz。第四，與工頻同步的周期性噪聲，由開關電源、電機等大功率用電設備造成，蘊含能量較大。第五，突發性噪聲，不確定性比較明顯。用電設備突然開啟或者突然關閉會產生此噪聲，持續時間較短，但能量較為集中[5]。

2.2 電力線載波通信的傳輸模型

電力線網絡中含有多個節點與分支，很多點的阻抗處于不連續狀態，節點部位易發生信號反射。電力線信道中的信號傳輸函數可表示為

式中：i為信號傳輸路徑；ai為路徑i的加權系數；E（f，di）為信號衰減；ri為路徑i的延時。式（1）的計算結果較準確，要求準確測量多種參數，應用難度較大。信道的所有衰減作為整體展開分析，簡化處理電力線信道模型如圖1所示。

圖1 電力線信道模型

3 電力線工頻通信的基本原理

3.1 電力線工頻通信系統的結構

電力線工頻通信系統的整體結構如圖2所示。從子站設備傳輸至各個通信終端的信號可作為下行信號，在通信終端與子站設備之間的信號傳輸可作為上行信號。在電壓過零點附近位置，配電變壓器對應的電流波為調制信號。在信號解調過程中，由傳感器采集大量信號，主站設備中的上行解調設備檢測和解調處理線路電流畸變信號[6]。

圖2 電力線工頻通信系統結構

在電壓過零點部位附近，可控硅S關閉一段時間ΔT，可形成瞬時電流Ip。此電流值附近，如果可控硅在0以下，則可自動化斷開。電壓過零點附近對應的電流波形與調制電流Ip相互疊加，即可完成調制。上行調制電路及波形如圖3所示。

圖3 上行調制電路及波形

下行調制電路由調制變壓器、驅動器件以及可控硅組成，各類設備處于變電所端。變電所主變的漏感抗可采用L1和R1表示。如果調制電流經過漏感抗，則電壓畸變信號v（t）會發生一定的變化，與正弦波形大致相同。下行調制電路及波形如圖4所示。

圖4 下行調制電路及波形

工頻通信調制編碼結構如圖5所示，工頻周期可設定為T。工頻通信系統運行過程中，在下行數據前必須保證具備同步信息，確保用戶終端能夠準確確定數據編碼的開始時間點。如果同步信號為K位，可應用4個電壓過零時刻形成的電壓畸變信號方法實現同步信息編碼。上行數據和下行數據分別為N位和M位。

圖5 工頻通信調制編碼結構

應用曼徹斯特編碼方式調制信號，每一位信息均可采用相鄰電壓周期的波形表示。2個周期相鄰，如果第1個周期電壓過零點中有畸變信號，則用“1”表示；如果第2個周期電壓過零點中有畸變信號，則用“0”表示。

電流諧波中的電流畸變信號稱為上行信號，4個連續周期電流波形可作為1位上行數據，其中包含8個電壓過零點。工頻通信上行數據編碼如圖6所示。

圖6 工頻通信上行數據編碼

3.2 電力線工頻通信的檢測與傳輸特性

采用電壓過零點變化方式解調數據，需先同步檢測確定下行數據編碼的起始時間點，然后進行數據解調處理。

應用主從模式無須開展同步檢測信號。通過分析信號傳輸協議，確定主站設備上行信號的起始時間點，確定電壓過零點，在其周邊的接收端安裝檢測窗口。在電力線工頻通信過程中調制信號，降低調制功率。如果受到負載、變壓型號以及線路阻抗的影響，則在收發端位置信號的電壓相位差較大。與工頻頻率相比，通信信號的頻率較大，相位差較小[7]。

4 電力線通信在能源互聯網中的應用分析

4.1 在分布式電源接入中的應用

信息傳輸過程中將電力線作為媒介，有利于監控管理分布式電源。應用電網中，電壓以電流波形中十分微弱的低頻畸變信號進行電力線工頻通信，保證信號遠程傳輸的穩定性；應用高頻信號傳輸方式進行電力線載波通信，顯著提升通信速度，但是只能在相同電壓等級中傳輸。因此，需深入研究信號傳輸特性及檢測技術，確保適應信道環境。電網噪聲的復雜程度較高，導致信號檢測難度增加。因此，需開展電力線通信技術研究，創新信號檢測方式，保證信息傳輸穩定高效。

4.2 在可再生能源方面的應用

應用可再生能源創建能源互聯網，與傳統電網相比，顯著降低了對不可再生能源的依賴。因此，創建和運行能源互聯網的過程中必須嚴格控制可再生能源的利用過程，提高可再生能源利用率[8]。

4.3 在配電方面的應用

能源互聯網運行中，配電網絡的穩定性和靈活性優勢顯著。為保證配電網絡通信的穩定性和可靠性，應用電力線通信技術運維配電網和優化調整配電系統集成，以提高配電網絡故障處理效率。

5 結 論

詳細探究電力線通信技術在能源互聯網中的應用方式，聯合應用分布式可再生能源，融合多種網絡建設能源互聯網。將電力線通信技術應用于能源互聯網，有助于保證監測信號傳輸穩定性和可靠性，實現信息互聯。