面向能源互聯網的電力線通信技術分析

馬文閣

（洛陽龍羽電氣設備有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引 言

能源互聯網以電力系統控制網絡為核心，結合分布式可再生能源和主動互荷，通過采用信息通信技術、電力電子技術等使能量流和信息流進行雙流動。能源互聯網的正常運行離不開通信網絡技術，由于能源能量設備具有高動態拓撲特性，這就使得互聯網通信網絡結構變得更為復雜、數據通信處理量變大，因此需要性能可靠的信息傳輸通道。電力線采用載波和工頻通信技術，不再單獨架設通信線路，可對分布式電源進行監控與管理，提高電力系統的資源利用率。

1 能源互聯網的架構研究與通信需求分析

能源互聯網是電力控制網、智能交通網、天然氣網等進行緊密耦合而建立起的共享網絡，以電力系統控制網為核心。能源互聯網具有系統復雜性，需要采用系統化思想來進行頂層規劃，建立系統規劃技術體系。新能源技術是貫穿整個輸配電過程的關鍵技術，但該技術具有間歇性、波動性等特點，電能供應穩定性并不高。為了確保達到電能的供需平衡，還需要借助于儲能技術[1]。能源互聯網為了達到各級互聯的效果，保證分布式電源實現安全并網，需要借助信息通信技術體系使能量流和信息流進行雙向流動。能源互聯網結構較為復雜，要對不同能源進行調度與管理，通過建立起管理調度技術體系提高能源利用率。為確保能源互聯網可以安全穩定運行，高效進行能量流、信息流間的交互，還需要構建安全防護技術體系，做好網絡攻防、故障診斷等工作。

能源互聯網可分為廣域網、區域網。廣域網采用高壓傳輸，網絡延伸到配網主站，通過光纖技術進行傳輸，可為高壓傳輸網提供安全、可靠的通信渠道，也可滿足中壓、低壓電網的信息接入。區域網為中壓配網，提供控制、保護所需的通信要求，是一種通向骨干網的信息通道[2]。而從通信角度進行分析，可劃分為骨干通信網、終端設備接入子網，不同子網通過聯接口來與骨干通信網連接。骨干網上有多種類型的通信控制主站，終端設備按照通信要求選取經濟合理的通信方式。骨干網支持IP協議，可滿足信息互聯的需要。接入子網為網絡末端，通過互聯網技術實現不同能源終端與骨干網的通信，還可以與其他用戶終端進行互聯。

為了使能源互聯網實現各級互聯，還需要借助多種不同的通信技術。骨干通信網采用光傳送網（Optical Transport Network，OTN）或同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）等技術；接入子網采用有線、無線通信技術；公網無線通信可采用5G或4G通信技術，信息安全性高；光纖通信采用以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）技術，專網通信信息安全性較高；電力載流通信采用中壓載流，頻率資源為40～500 kHz，采用架空線可實現10 km的信息傳輸，信息安全性較高。分布式能源系統的正常運行要求內部不同設備間實現信息交互，通過建立安全、可靠的通信渠道，滿足電網保護和控制業務的需要。對分布式能源的運行參數和并網狀態進行監控，包括并網點電壓、電流、頻率、無功功率以及有功功率等[3]。不同智能設備間的通信應通過IP網絡進行互聯，確保數據信息的高速、可靠傳輸。

2 電力線通信基理與在能源互聯網中的應用

2.1 電力線載波通信基本原理

與電力線載波衰減相關的因素較多，主要有輸入阻抗、電網負載、通信距離等。其中，信號衰減可分為線路衰減、耦合衰減兩類。線路衰減主要受電網結構復雜、節點數量多、阻抗不匹配等的影響，而耦合衰減是耦合模塊與輸入阻抗間的不合理匹配導致的。受電力線不平衡及負載阻抗不合理匹配等的影響，信號在傳輸過程中會存在反射、駐波等現象，通信信號衰減會跟著頻率升高而變大，中間區段衰減特性要優于區間兩側。當頻率低于100 kHz時有著較小的衰減，但衰減狀態并不穩定；頻率為100～400 kHz時狀態表現較為穩定，是一種線性比例關系；而頻率高于500 kHz時則有著更大的衰減。

低壓電力線載波通信輸入阻抗也就是信號發送和接收裝置兩者間的電網等效阻抗，會對發送裝置效率和網絡輸入功率產生影響。信道阻抗特性與信號發送和接收效率有關，信號發送裝置、通信信道與接收裝置相互間阻抗合理匹配可以提高信號接收效率[4]。一般情況下，電力線通信阻抗特性與頻率、拓撲結構等有關，分布電感和電容的存在會導致輸入阻抗隨著信號頻率變大而減小，負載類型不同導致不同頻率阻抗發生改變，阻抗幅值會在共振頻率附近區間發生改變。輸入阻抗在電力線的不同位置有著不同的數據，存在阻抗低谷區。

多節點與分支會使電力線中存在很多阻抗不連續點，信號會在節點中出現反射，無法從發射端輸送至接收端。傳輸過程中存在多徑傳播，會導致傳輸的信號出現頻率選擇性衰減。傳遞函數為：

式中，ai為路徑i具備的加權系數；E(f,di)是衰減，與路徑長度、頻率、衰耗參數有著直接關系；ri是路徑i的延時。將信道均作為衰減進行分析，簡化模型如圖1所示。

圖1 電力線信道模型簡圖

2.2 電力線工頻通信的基本原理

將從子站設備發送至通信終端的信號作為數據下行信號，而從通信終端上傳至子站信號作為數據上行信號，配電變壓器與電壓過零點位置相近的電流波信號作為調制信號[5]。傳感器采集到信號后，通信主站設備上行解調設備會對10 kV線路電流畸變信號進行解調。電力線工頻通信結構如圖2所示。

圖2 電力線工頻通信結構

上行信號調制電路中，可控硅會在電壓過零點持續關斷。關斷時間內，在電感中會形成瞬時電流，可控硅會在瞬時電流值低于0時自動斷開連接。通過對電壓過零點附近電壓波形、電流及調制電流進行疊加，可以實現一次調制。在下行調制電路中，調制變壓器、可控硅和驅動器件共同建立起工頻通信電路，調制電流信號經過主變壓器漏感抗時會產生電壓畸變信號，該信號波形近似于正弦波。

電力線工頻信號下行信號檢測有同步檢測、數據解調兩個環節，通過電壓過零點是否發生改變來進行數據解調。當電力線工頻通信采用主從模式時，則無需對信號進行同步檢測。按照信號傳輸協議，主站通信設備需要確定出上行通信信號的起始時刻，電壓過零點附近接收終端用于設置檢測窗口，對電流信號差分累計值的正負進行識別。采用時頻聯合分析法可以發現，收發端電壓畸變信號能量集中的時域差異不大，能量峰值也比較相近，峰值時刻較為相符。收發端上行電流畸變信號能量相差不大，信號衰減較小，可不考慮傳輸產生的延遲。電力線工頻通信在發送端電壓過0點來進行信號調制，可有效減小調制功率。受負載、線路阻抗等因素的影響，信號收發端存在電壓相位差和一定程度的時域偏差，通信頻率要高于工頻數倍，但相位差卻不大。

2.3 電力線通信在能源互聯網中的應用分析

能源互聯網中存在著數量較多的分布式電源，采用電力線作為通信媒介可以對分布式電源進行有效監控和優化管理，更合理地分配電力系統資源。電力線工頻通信采用電壓和電流波形畸變信號來進行信息傳輸。載波通信以高頻信號進行傳輸，雖然具有較快的通信速度，但只能在相同電壓等級內傳輸。結合多種分布式電源實際接入狀況，將工頻通信和載波通信進行結合來建立信息傳輸通道有著很高的實用價值。

分布式電源并網投切導致電網阻抗發生改變，會對載波通信和工頻通信信號傳輸造成影響。分布式電源并網需要應用較多的電力電子器件，會增加載波通信及工頻通信的信號檢測難度。將上述兩種電力線通信技術作為前提條件，研發一種可以滿足能源互聯網信道特性的信號檢測技術，結合電力線工頻通信和載波通信技術來建立數據通信系統，滿足多種類型監控數據的傳輸需要，為用電設備遠程控制提供穩定可靠的信息傳輸方法。電力線通信技術可用于監測電網故障并及時處理，也可用于對配電網的優化，確保能源互聯網的高效運行。

3 結 論

為確保能源互聯網的安全穩定運行，需要采用科學合理的通信方式。電力線通信技術具有抗干擾能力強、衰減小以及傳輸速度快等優點，可滿足能源互聯網中多種應用場景的需求。通過深入分析能源互聯網總體架構和通信需求，對電力線通信在能源互聯網中的應用進行探討研究，從而有效保障能源互聯網通信正常運行，推動相關行業健康穩定發展。