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韩华
此“PLC”非彼“PLC”
发表于:2018-07-05 14:37:46
来源:索比光伏网作者:张喆

大部分理工科的朋友都知道PLC是什么意思,"可编程逻辑控制器"英文全称(Programmable Logic Controller)。当华为推出PLC电站监控时,我曾经也一度认为,这里的PLC就是可编程逻辑控制器。其实不然,此“PLC”非彼“PLC”。这里的PLC是电力线通信(Power Line Communication,英文简称PLC)技术是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流然后用电线传输接受信息的适配器再把高频从电流中分离出来并传送到计算机或电话以实现信息传递。

电力线载波(PLC)通信,是利用高压电力线(在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级)、中压电力线(指10kV电压等级)或低压配电线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。

其实电力线载波(PLC)通信技术已经在我们生活中有了应用,比如电力猫。电力猫就是“电力线通讯调制解调器”,是通过电力线进行宽带上网的Modem的俗称。使用家庭或办公室原来就有电力线和插座组建成网络,来传输数据,语音和视频。


同样 “智能电网”的远程抄表系统(AMR)也用了PLC技术,这种远程抄表技术,和光伏电站的监控系统如出一辙。下面我们就聊聊电力线载波(PLC)通信技术。

1.发展历史

国外利用电力线传输信号已经有一百多年的历史。如早在1838年,埃德华戴维就提出了用遥控电表来监测伦敦利物浦无人地点的电压等级。直到20世纪20年代,国外一些著名的公司和研究机构才开始对低压电力载波通信技术进行研究。1930年西门子公司在德国波茨坦建立了用于低压配电网络和传输媒介的波纹载波系统(RCS系统)。该系统能够以最小的损耗通过低压配电网实现对终端设备的管理。1958至1959年间,美国德克萨斯元件公司的JackKilby Fairchild半导体公司的Robert Noyce最早发明了电力线载波通信集成电路。1971年Intel公司的Ted Hoff发明了低功耗的电力线通信微处理器。Intellon公司在2000年2月7日召开的DEM200会议上展示了其高速达1Mbps的Power PacketⅢ住宅网络技术芯片。德国RWE Plug公司于2001年春季推出了RWE PowerNet(电力线通讯上网)、RWEPowerSchool(电力线通讯学校上网)、RWEeHome(智能家庭自动化)三项业务及相应产品。

2.智能电网的与PLC

电网智能化,首先要建立在对电网自身以及终端用户情况充分了解的基础之上,这就需要电网具备双向通信功能。在实现智能电网通信的各种技术中,因利用现有电力线网络而无需重新布线,以及不存在微波传输同有的视距限制和其他无线传输方式受建筑物阻碍所带来的传输距离有限等问题,加之电力线本身就属于电力公司管辖,电力线载波(PLC)成为实现智能电网通信的首选技术。目前在实现各种PLC的调制方式中,正交频分复用技术(OFDM)最受关注,而FSK等单载波方式在实际应用中已有大规模使用案例。具体选择何种技术实现智能电网PLC应用,需要衡量各种方案的成本、抗干扰能力、整体方案成熟度等各个方面。

智能电网通信可以分成以下三部分:广域网(WAN)、邻域M(NAN)和个域网(HAN)。广域网负责从电力公司的控制中心到下

游集中器之间的长距离连接,这部分的通信可以由现有的蜂窝网络比如GPRS或者3G无线通信来满足,PLC也可成功用于WAN的中压部分。邻域网解决广域网和个域网之间的通信,在邻域网

中,数据从多个个域网节点被采集,然后通过低压线路传到集中器,集中器再进一步把这些累积起来的数据传给电力公司控制中心。个域网提供安装在普通消费者家中或商业用户处的终端问的

通信,这两部分通信完全可以采用PLC实现。三个部分问通过不同形式的网关连接,举例来说,WAN和NAN之间有集中器,NAN和HAN之间有电子式电表或采集器。集中器汇总电表数据并且

将这些信息传给电力公司,电表收集家庭和企业的用电量并实现和采集器之间的通信或者本身就担任采集器的角色。

3.PLC的技术难点

电力线是一种非均匀分布的传输线,起初只是用来传输电能的,不同于传统的通信传输介质如双绞线、同轴电缆、光纤等。电力网络的信道特性十分复杂,通信环境也相当恶劣。主要体现在:

(1)该信道是时变系统,而且存在多径效应。由于信道是时变系统,信道的传输函数随时间变化而变化,会引起接收端信道的频率弥散性和时间选择性衰落。而多径效应的存在将导致信道的时间弥散性和频率选择性衰落。

(2)存在各种干扰和噪声。电力线信道的噪声多干扰强不能简单地归结为加性高斯白噪声。下面表是各种噪声的比较。


(3)电力线路的阻抗小而且阻抗随着信号频率和时间的变化而变化,这对载波信号的衰减非常严重。

(4)信号的衰减与传输距离和信号的频率有关。信号传输的距离越远,信号的频率越高,则信号的衰减就越大,但具体关系也无法确定。为了克服各种噪声和干扰、降低信号的衰减,对电力通信信道的分析和建模就显得尤为重要。但由于其频率、时间和地理位置等的不确定性,很难建立一个精确的数学模型。如何解决

PLC的抗干扰和抗噪能力,成为一个巨大的课题。

上面的文字如果太枯燥了,下面用家庭环境举例。因为电

力线有各种不同的电器,这些电器具有以下特性:a.电器的接入和断开随时问不断变化;b.电器阻抗是频率的函数;c.电器本身在用电过程中产生各种干扰,包括脉冲干扰、连续干扰、宽带干扰及窄带干扰,尤其在500kHz以下的频段。这些负载特性的综合效应,再加上电力线本身对信号的衰减,以及终阻抗不匹配产生的信号反射,使得低压电力线载波信道呈现极不平坦的频率响应特性,且随时间而变化,同时受频率选择性、时变性干扰。此外,由于用电负载及负荷的不同,在不同的地区、不同的地点,这种频率响应特性及干扰特性也会不同。

实际上,调光器、开关电源、电力线内部通话设备、通用串

联线圈电动机如豆浆机这样的食物处理设备,都是电力线通信的噪声源。“这些噪声可以被归为两类,一类是脉冲噪声,另一类是持续性噪声。这两种噪声都会使PLC信号失真并导致丢包。

“电磁兼容规范限制了PLC信号的发射电平,使得不能通过单纯提高发射信号强度来提升通信效果。

4.PLC的组成

4.1 电力宽带

电力宽带上网系统就是家居智能化的一个典型应用。从下图可以看出,电力宽带上网系统由电力调制解调器(电力猫)、PLC设备、PC机、交换机及路由设备等组成。利用低压电力线上网时,

先通过专业的电力调制解调器,采用正交频分复用(OFDM)或高斯滤波最小频移键控(GMSK)调将该电力信号通过电力线传送到PLC设备中,利用该设备将电力信号转换(解调等处理)成原来的数据信号,然后通过交换机、路由器等设备直接进入Intemet,从而实现电力上网的功能。同样,从网上下载资料就是一个逆向的过程。目前电力宽带上网的速度在5~45 Mbps之间。

4.2 PLC远程抄表

下图是基于电力线调制解调器的自动抄表系统的结构示意图,系统以供电局的计算机抄表中心为主站,以电力变压器10KV/380V供电的每个小区为相对独立的子系统,在这些子系统中,集中器又相当于主站,电能表以及数据采集器为从站。采集器的作用是采集多个用户的电表数据,通过电力Modem的调制解调,并经22OV低压电力网用载波方式送到集中器,集中器再通过公用电话网或专用通信网(如光纤或无线电通信等)把数据传送到供电局的计算机抄表中心。

由系统结构示意图可知,自动抄表系统是将电表数据从下而上逐级传送完成,也可以根据实际情况的需要进行数据双向传输,该系统可分为五个主要组成部分: (1) 电能用户表; (2) 数据采集器; (3) 电力线Modem; (4) 集中器; (5) 计算机抄表中心。

 


系统结构示意图

抄表系统各组成部分的功能是: (1) 电能用户表 对于电磁式电能表,需在表内加装一只传感器或光电模块,将电能表的数据转换成电信号输出;对于电子式电能表,则可以直接利用表的电脉冲输出。 (2) 数据采集器 数据采集器实际上是计一费终端和数据集中器中间的一个桥梁,它的主要功能在于同时采集多个用户电能表的电量脉冲信息,并经过处理和存储,通过电力线Modem沿低压电网送到集中器上。并且当接收到上层的命令时,数据采集器能够向计费终端发出抄表或者断电的命令。

(3) 电力线Modem 主要是对采集器送来的数据进行调制和解调,增强对低压电网的抗干扰性和减低信道传输的误码率。

(4) 数据集中器 数据集中器是安装在小区的配电站区的,它的功能是向采集器发出命令,抄收计费终端的数据,然后再通过公用电话网络传送给远方的数据中心;数据集中器能够接收的数据中心的命令,并把相关命令再转发给辖区内的指定的数据采集器。此外,数据集中器还可以定时抄收计费终端的数据,并把抄收到的数据存储到数据存储器中。

(5) 计算机抄表中心 通过通信网对集中器送来的电量数据进行分类和储存、校对抄录时间、设置用户编号和抄表时间、发布抄录命令以及统计和计价、为收取电费、线损计算、负荷控制提供服务。

(6) 集中器与数据中心之间的通信 数据集中器与数据中心之间的通讯采用公用电话网络作为通讯媒介,自动抄表系统的数据中心与数据集中器之间的通讯主要是电话线Modem模块之间的通讯。

PLC智能抄表系统,或者说PLC远程监控系统在未来的分布式光伏电站中将广泛的应用。 首先,抄表和光伏电站监控的数据都是供电部门需要的,而目前供电部门只有电表数据,而没有逆变器等光伏电站数据,由于逆变器的数据目前无法直接被供电局直接读取,也就是目前无法调度。未来分布式电站必定大行其道,会对配电网有一定的影响,那么供电部门势必会对逆变器直接控制.现在的大型地面电站逆变器已经做到了AGC。未来分布式也会有要求。

【1】潘超群等.低压电力线载波通信技术及应用

【2】万方数据库

【3】易小龙.电力载波通信技术在远程自动抄表系统中的应用[J]. 应用科技,2001, 28

索比光伏网 张喆 

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张喆
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