OFDM通信技术在AMI及智能用电中的应用

OFDM通信技术在AMI及智能用电中的应用崔玉峰杨晴张林山（云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院，云南昆明650217）摘要智能用电是智能电网的重要组成部分。其途径是通过智能开关、智能插座、远程遥控、智能安防、家庭电能网关（HomeEnergyGateway）等技术手段，配合智能小区系统、动态电价信息等，实现节能、安全、方便、舒适的智能家居环境，以及用户与电网的互动。电力线载波技术作为新技术，在智能用电中有着重要作用。关键字OFDM电力线载波智能用电一、前言智能微网信息的采集及交互包括智能电网最后500米及最后50米两方面。智能电网涉及到发电、输电、配电、用电等所有环节的智能化建设。而AMI（先进量测体系）主要包括用电端的量测、信息采集及用电管理等是智能电网的重要组成部分，智能电表及通信是AMI的核心，而低压变压器500米供电半径区域内的通信问题是AMI信息采集及信息交互的基础。用户端能源监测及智能用电是智能电网建设和发展的核心目的之一。除了通过智能电表的用电信息采集及信息交互外，楼宇及家庭内的电器设备的用电监测及智能用电控制十分重要。显然，针对这些设备的通信及信息交互问题成为智能电网这最后50米的核心之一。近年来，大家在考虑多种技术和方案，包括光纤到户、RF无线及电力线载波技术等。光纤到户可以提供宽带及可靠的通信性能。但具有布线施工以及维护成本高等缺点。RF无线具有无需布线的优点，但需要进行频率规划，RF无线电频谱资源有限，信号穿透性不强，存在通信盲点，信号易受干扰。相比较而言，电力线载波由于具有一系列的优点而被广泛采用，这些优点包括：充分利用电力系统所拥有的现有电力线资源。智能电表及电器设备本身就与电力线相连接，因而不需要额外及专门线路维护。与有线方式相比,无需要重新布线与RF无线方式相比,可以穿墙越壁,无需要频率规划被国家选定为电力用户用电信息采集主要技术当然，目前的电力线载波技术还存在着很多局限性，例如数据速率低、抗干扰能力差、信道自适用能力差等。这些都需要通过技术的进步来解决，这也是OFDM技术在电力线载波通信上得以迅速发展及应用的主要原因。二、OFDM通信技术国内外发展由于智能电网的发展，以及智能电网信息采集及信息交互对电力线载波所提出的新的、更高的要求，OFDM高速电力线载波技术近年来迅速发展，并正成为下一代低压电力载波通信的主要技术。2009年西班牙电力发布了其应用于智能电表的OFDM电力线载波标准PRIME（PoweRlineIntelligentMetering），物理层使用10–95kHz频段,OFDM/DBPSK/DQPSK调制，支持数据速率20–128kbps。法国电力ERDF在2009年也颁布了其OFDM电力线载波标准G3AMM，物理层使用35.9kHz-90.6kHz频段，采用OFDM/DBPSK/DQPSK调制，支持数据速率33.4kbps。此外，目前欧洲IEC也正在征集OFDM标准提案。同时，国外多家芯片公司已推出了OFDM电力线载波芯片。在国内，清华力合旗下的深圳市力合微电子有限公司是国内较早开始研发OFDM电力线载波技术及芯片的公司，其OFDM高速电力线载波芯片近期可能推出，可能是国内第一家。表1为低压电力线载波技术应用情况。低频段（500kHz）宽带（1–30MHz）低速（10kbps）高速(x10kbps)宽带（x10Mbps）简单调制简单正交多载波正交多载波（OFDM）正交多载波（OFDM）FSK,BPSK正交四载波数百至数千子载波数千子载波120–450kHz40–500kHz40–500kHz1–30MHz主要应用于国内国内外应用国内外应用主要是国外应用表1低压电力线载波技术应用三、OFDM通信技术研究无论在用电信息采集系统，或者楼宇及家庭能源管理系统，电力线载波网络的关键技术主要包括以下三个层面，如图1所示。应用层（能效管理、用电信息采集与发布、多渠道缴费、智能家电控制、分布式能源接入及储能、电动汽车充电、增值服务等）MAC层物理传输及链路层图1通信协议架构物理层:包括电力线载波信号调制及接收技术，信号注入及藕合。物理层是抗干扰能力及提供可靠的点对点数据传输的根本保障；数据链路层：包括MAC子层（即介质接入控制层）及LLC子层（即逻辑链路层）。MAC子层涉及CSMA/CA（载波侦听及避碰）信道接入,节点寻址,路由及中继,在物理层的支持下,为LLC子层提供双向端对端数据通信服务。逻辑链路子层(LLC)为应用层及网络管理提供双信端对端数据通信服务；应用层：例如DT/L645,698.42及网络管理等，取决于具体的系统应用。对于用电信息采集系统，应用层已经有了比较完善的标准体系。3.1电力线载波物理层技术挑战物理层技术决定了数据速率，抗干扰能力及点对点通信可靠性。先进的调制解调技术是物理层的核心。物理层技术的设计必须考虑到以下几个方面：必须工作在规定的频段：欧洲：3-150kHz，其中室外电力线载波抄表应用必须工作在95kHz以下。中国3–500kHz（见DT/L698）最大发送电平：必须在规定的最大发送电平下工作（见DT/L698）必须有效地解决抗噪声，抗干扰，抗衰减，抗多径等恶劣的信道环境问题芯片成本/价格/性能/功耗满足市场要求3.2低压电力线载波信道环境对应500kHz以下的电力线载波信道，主要具有特征：频率选择性衰落及干扰信道：各种不同特性的负载，对不同频率呈现不同的响应，导致信道的频率响应极不平坦；干扰及噪声：各种电器设备产生严重的带内干扰（连续型的，脉冲型的）和噪声，尤其是国内电网环境，是频率的函数；随时间及地点而变化，无法预测。3.3低压电力线载波信道模型图2为典型的低压电力线载波信道模型。信号经过线路衰减及多径到达接收端。同时，线路上的各种噪声及干扰叠加在信号上。这些噪声及干扰主要包括：有色背景噪声：具有低频端噪声大，高频段小的特点窄带噪声：主要由窄带无线设备造成，例如中低频的广播等。脉冲噪声：包括工频同步、工频异步脉冲与随机脉冲。工频同步脉冲噪声主要由可控硅调节器产生，目前可控硅器件被大量使用在调光灯、电风扇、复印机等电器中，产生大量的谐波。工频异步脉冲的重复周期50Hz~200kHz，这种类型的噪声主要由开关电源、显示器的扫描等产生。突发随机脉冲是由于电网中负荷的投切所引起开关设备的通断造成的，如开灯，开电视时产生的脉冲噪声。图2低压电力线载波信道模型3.4传统电力线载波技术的局限性目前国内的多数载波技术都是基于固定频点、窄带、简单调制技术，因而在实际中具有一系列的局限性，主要体现在：多径，衰减H(z)ADDinputoutput有色背景噪声突发脉冲噪声窄带噪声与工频异步的周期脉冲与工频同步的周期脉冲1）对时变、频率选择性衰落不具备自适应能力2）对窄带干扰不具备自适应能力3）对多径衰落不具备抵抗能力4）数据速率低:大都在数百比特/秒5）通信性能：严重地取决于环境3.5新一代电力线载波技术–OFDM(正交频分复用)为满足智能电网对电力线载波通信所提出的新的、更高的要求（包括数据速率，通信可靠性，通信实时性等），必须依靠新的、更先进的技术大幅度提高目前电力线载波的性能。从技术上讲，对电力线载波信道的动态自适应是核心。OFDM（正交频分复用）是一种先进的多载波数字调制技术，近年来广泛用于恶劣信道环境下的现代通信系统。OFDM的基本原理是在工作频带内，以一定的频率间隔使用N个相互正交的子载波（通常数百至数千个子载波），经过编码后的数据块调制到N个子载波上发送。特别是，子载波数、每个子载波的调制方式、编码方式可以灵活地根据信道状况自适应调整。OFDM在抗频率选择性衰落，抗干扰，抗多径，信道动态自适应方面有着独特的优点，因而正成为下一代低压电力线载波通信的核心技术。3.6OFDM信号频谱OFDM信号频谱如图3所示（四个子载波）。可以看出，子载波相互正交（这与传统的频分复用技术不同），具有很高的频谱利用率。图3OFDM信号频谱3.7OFDM抗干扰能力分析如图4所示，由于信息经过编码后调制在多个子载波上发送，对于信道的频率选择性衰落（图中蓝色所示），只有个别子载波可能受到影响。同样，窄带干扰（图中红色所示）也只对个别子载波造成影响。由于信息已经过编码及交织，这些受影响的个别子载波数据在接收端可以被恢复。四、OFDM通信技术的应用4.1在AMI中的应用OFDM技术将会极大地提高电力线载波通信在AMI中的性能，具体有以下几个方面：1）数据速率将会有较大提高：从目前的数百比特/秒提高至数十甚至数百千比特/秒；2）通信可靠性将会有较大提高：这是由于OFDM具有较强的抗干扰能力，对信道环境的动态自适应，以及新的网络中继技术；3）通信实时性：由于通信速率以及可靠性的提高，通信延迟将会大大缩小，实时性提高；4）通信安全性：由于通信速率以及可靠性的提高，允许使用先进的加密技术，提高通信安全性。4.2在智能用电中的应用智能用电是智能电网建设和发展的重要组成部分。而电力线载波是提供智能用电网络通信的理想技术：无需要重新布线，可以穿墙越壁。OFDM电力线载波技术在提供可靠的楼宇或家庭网络覆盖，以及在提供较高的数据速率具有优势。可以较好地支持网络层及应用层的各种应用需求。OFDM电力线载波将广泛用于以下楼宇及家庭能源管理终端及设备：1）智能交互终端2）智能插座3）智能家电4）楼宇能源检测及监控设备五、结束语利用OFDM技术实现智能用电中通信环节，可较好的实现数据的交互，避免了重新布线的复杂。研究OFDM电力线载波技术，为智能微网研究项目提供技术支撑。参考文献[1]蒋承延,肖贵元,周新.低压配电网数据通信的抗干扰技术[J]重庆电力高等专科学校学报,2007,(03).[2]梁明,梁恩明,宋晋冀,任燕.高速电力线通信的关键技术[J]电工技术杂志,2004,(04).[3]刘晓胜,胡永军,张胜友.低压配电网电力线载波通信与新技术[J]电气应用,2006,(02).[4]蔡红娟,贺良华.基于低压电力线通信的信号耦合电路设计[J]电力科学与工程,2007,(01).[5]赵洪山,刘力丰,杨奇逊.低压电力线扩频载波通信方案[J]电力系统自动化,2000,(12).[6]李志文,朱雪龙.电力线载波通信用的数字调解器[J]电力系统通信,2000,(04).[7]赵丙镇.电力线高速通信技术的现状及发展[J]电力系统通信,2003,(01).[8]郑涛,张保会,丁士长.跳频技术在电力线通信中的应用[J]电力自动化设备,2003,(05).[9]宋金辉.基于电力线的宽带接入[J]电信快报,2002,(12).