面向能源互联网的电力线通信技术分析

张 俊

（上海任源人力资源有限公司，上海 200002）

0 引 言

能源互联网是由天然气网络、电力系统控制网络以及智能交通网络等组成的共享网络。能源互联网的能源局域网中含有多个能源能量设备。诸多设备的拓扑变化特性较显著，使得能源互联网具备多尺度动态特征。能源互联网的整体结构较复杂，运行网络需处理海量数据。信息化时代技术发展迅速，电力线通信技术逐渐应用于能源互联网，因此深入研究电力线通信技术原理和应用方式意义重大。

1 能源互联网的基本架构

1.1 能源互联网的技术架构

能源互联网发展的主要目标在于优化调整能源结构，提升能源效率，使用户具有良好的使用体验感，明确能源互联网的组成要素，促进能源互联网科学稳定发展。分析能源互联网的技术框架，应用高新技术可充分发挥各类技术的应用优势，提高能源使用效率。技术框架优化调整的主要对象为能量流和信息流，其中将调度控制作为能源优化调整的关键内容[1]。

1.2 能源互联网的通信架构

分析能源互联网的通信网络，可划分为3个组成部分。第一，广域网，可全面覆盖高压传输网，延伸至配网主站，在高压传输中需应用光纤技术。第二，区域网，能够覆盖中压配网，以设备保护及其寿命周期管理为依据选择通信技术，需保证低压通信网通向骨干网的通道。第三，居民局域网，可覆盖家庭用电网络和低压接入网。采集设备需安装于中压区和低压区，运行区域网和局域网可为广大居民提供安全稳定的通信技术，能源互联网可划分为骨干通信网和终端设备接入子网2个层面。接入子网数量较多，通过应用上联接口即可连接骨干通信网。此外，能源互联网中分布式电源接入较复杂[2]。

2 电力线载波通信相关概述

2.1 电力线载波通信的传输特性

2.1.1 衰减特性

电力线载波通信过程中的信号衰减可分为线路衰减和耦合衰减2种类型。一方面，信号衰减和传输距离之间为正比关系，但是如果电力线的平衡性较差或者负载阻抗不匹配，则可能会造成信号反射。另一方面，随着频率的增加，信号衰减越来越大。与两端相比，中间段的衰减特性更显著。当频率在100 kHz以下时，信号稳定性较差；当频率在100～400 kHz时，信号传输稳定性较强；当信号达到500 kHz以上时，信号衰减最明显[3]。

2.1.2 阻抗特性

在输入阻抗特性的影响下，发送机效率和网络输入功率均会发生较大转变，直接影响信号传输效率。通信系统中，在信号发送装置、接收装置以及信道的阻抗达到匹配状态时，接收效率可达到最大值。阻抗特性的影响因素包括线路拓扑结构和信号频率等。如果低压电力线阻抗处于理想状态，当信号频率增加时，在分布电感和分布电容的影响下，输入阻抗随之减小。负载类型具有多样化特征，不同频率的阻抗变化有一定的差异。在共振频率上，输入阻抗的幅值会发生显著变化。在电力线不同区域，输入阻抗值也有所不同，会形成阻抗的低谷区[4]。

2.1.3 噪声特性

电力线信道噪声可划分为以下5种类型。第一，背景噪声。电力线上存在多种噪声源，噪声源可形成随机干扰。频率增加时，功率谱密度会逐渐减小。第二，窄带噪声。当短波广播处于频域上时，窄带噪声易发生窜扰现象。由于它的频带较窄，在同一天的不同时刻，窄带噪声的干扰强度不断发生变化，很难预测。在大气层反射的影响下，它的夜间干扰更大。第三，与工频异步的噪声受到计算机屏幕和电视屏幕等各类电子显示设备的影响，通常为50～200 Hz。第四，与工频同步的周期性噪声，由开关电源、电机等大功率用电设备造成，蕴含能量较大。第五，突发性噪声，不确定性比较明显。用电设备突然开启或者突然关闭会产生此噪声，持续时间较短，但能量较为集中[5]。

2.2 电力线载波通信的传输模型

电力线网络中含有多个节点与分支，很多点的阻抗处于不连续状态，节点部位易发生信号反射。电力线信道中的信号传输函数可表示为

式中：i为信号传输路径；ai为路径i的加权系数；E（f，di）为信号衰减；ri为路径i的延时。式（1）的计算结果较准确，要求准确测量多种参数，应用难度较大。信道的所有衰减作为整体展开分析，简化处理电力线信道模型如图1所示。

图1 电力线信道模型

3 电力线工频通信的基本原理

3.1 电力线工频通信系统的结构

电力线工频通信系统的整体结构如图2所示。从子站设备传输至各个通信终端的信号可作为下行信号，在通信终端与子站设备之间的信号传输可作为上行信号。在电压过零点附近位置，配电变压器对应的电流波为调制信号。在信号解调过程中，由传感器采集大量信号，主站设备中的上行解调设备检测和解调处理线路电流畸变信号[6]。

图2 电力线工频通信系统结构

在电压过零点部位附近，可控硅S关闭一段时间ΔT，可形成瞬时电流Ip。此电流值附近，如果可控硅在0以下，则可自动化断开。电压过零点附近对应的电流波形与调制电流Ip相互叠加，即可完成调制。上行调制电路及波形如图3所示。

图3 上行调制电路及波形

下行调制电路由调制变压器、驱动器件以及可控硅组成，各类设备处于变电所端。变电所主变的漏感抗可采用L1和R1表示。如果调制电流经过漏感抗，则电压畸变信号v（t）会发生一定的变化，与正弦波形大致相同。下行调制电路及波形如图4所示。

图4 下行调制电路及波形

工频通信调制编码结构如图5所示，工频周期可设定为T。工频通信系统运行过程中，在下行数据前必须保证具备同步信息，确保用户终端能够准确确定数据编码的开始时间点。如果同步信号为K位，可应用4个电压过零时刻形成的电压畸变信号方法实现同步信息编码。上行数据和下行数据分别为N位和M位。

图5 工频通信调制编码结构

应用曼彻斯特编码方式调制信号，每一位信息均可采用相邻电压周期的波形表示。2个周期相邻，如果第1个周期电压过零点中有畸变信号，则用“1”表示；如果第2个周期电压过零点中有畸变信号，则用“0”表示。

电流谐波中的电流畸变信号称为上行信号，4个连续周期电流波形可作为1位上行数据，其中包含8个电压过零点。工频通信上行数据编码如图6所示。

图6 工频通信上行数据编码

3.2 电力线工频通信的检测与传输特性

采用电压过零点变化方式解调数据，需先同步检测确定下行数据编码的起始时间点，然后进行数据解调处理。

应用主从模式无须开展同步检测信号。通过分析信号传输协议，确定主站设备上行信号的起始时间点，确定电压过零点，在其周边的接收端安装检测窗口。在电力线工频通信过程中调制信号，降低调制功率。如果受到负载、变压型号以及线路阻抗的影响，则在收发端位置信号的电压相位差较大。与工频频率相比，通信信号的频率较大，相位差较小[7]。

4 电力线通信在能源互联网中的应用分析

4.1 在分布式电源接入中的应用

信息传输过程中将电力线作为媒介，有利于监控管理分布式电源。应用电网中，电压以电流波形中十分微弱的低频畸变信号进行电力线工频通信，保证信号远程传输的稳定性；应用高频信号传输方式进行电力线载波通信，显著提升通信速度，但是只能在相同电压等级中传输。因此，需深入研究信号传输特性及检测技术，确保适应信道环境。电网噪声的复杂程度较高，导致信号检测难度增加。因此，需开展电力线通信技术研究，创新信号检测方式，保证信息传输稳定高效。

4.2 在可再生能源方面的应用

应用可再生能源创建能源互联网，与传统电网相比，显著降低了对不可再生能源的依赖。因此，创建和运行能源互联网的过程中必须严格控制可再生能源的利用过程，提高可再生能源利用率[8]。

4.3 在配电方面的应用

能源互联网运行中，配电网络的稳定性和灵活性优势显著。为保证配电网络通信的稳定性和可靠性，应用电力线通信技术运维配电网和优化调整配电系统集成，以提高配电网络故障处理效率。

5 结 论

详细探究电力线通信技术在能源互联网中的应用方式，联合应用分布式可再生能源，融合多种网络建设能源互联网。将电力线通信技术应用于能源互联网，有助于保证监测信号传输稳定性和可靠性，实现信息互联。