馬文閣

（洛陽龍羽電氣設(shè)備有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)以電力系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)為核心，結(jié)合分布式可再生能源和主動互荷，通過采用信息通信技術(shù)、電力電子技術(shù)等使能量流和信息流進(jìn)行雙流動。能源互聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行離不開通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于能源能量設(shè)備具有高動態(tài)拓?fù)涮匦?，這就使得互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜、數(shù)據(jù)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(shù)，不再單獨架設(shè)通信線路，可對分布式電源進(jìn)行監(jiān)控與管理，提高電力系統(tǒng)的資源利用率。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)研究與通信需求分析

能源互聯(lián)網(wǎng)是電力控制網(wǎng)、智能交通網(wǎng)、天然氣網(wǎng)等進(jìn)行緊密耦合而建立起的共享網(wǎng)絡(luò)，以電力系統(tǒng)控制網(wǎng)為核心。能源互聯(lián)網(wǎng)具有系統(tǒng)復(fù)雜性，需要采用系統(tǒng)化思想來進(jìn)行頂層規(guī)劃，建立系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)體系。新能源技術(shù)是貫穿整個輸配電過程的關(guān)鍵技術(shù)，但該技術(shù)具有間歇性、波動性等特點，電能供應(yīng)穩(wěn)定性并不高。為了確保達(dá)到電能的供需平衡，還需要借助于儲能技術(shù)[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)為了達(dá)到各級互聯(lián)的效果，保證分布式電源實現(xiàn)安全并網(wǎng)，需要借助信息通信技術(shù)體系使能量流和信息流進(jìn)行雙向流動。能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，要對不同能源進(jìn)行調(diào)度與管理，通過建立起管理調(diào)度技術(shù)體系提高能源利用率。為確保能源互聯(lián)網(wǎng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，高效進(jìn)行能量流、信息流間的交互，還需要構(gòu)建安全防護(hù)技術(shù)體系，做好網(wǎng)絡(luò)攻防、故障診斷等工作。

能源互聯(lián)網(wǎng)可分為廣域網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)。廣域網(wǎng)采用高壓傳輸，網(wǎng)絡(luò)延伸到配網(wǎng)主站，通過光纖技術(shù)進(jìn)行傳輸，可為高壓傳輸網(wǎng)提供安全、可靠的通信渠道，也可滿足中壓、低壓電網(wǎng)的信息接入。區(qū)域網(wǎng)為中壓配網(wǎng)，提供控制、保護(hù)所需的通信要求，是一種通向骨干網(wǎng)的信息通道[2]。而從通信角度進(jìn)行分析，可劃分為骨干通信網(wǎng)、終端設(shè)備接入子網(wǎng)，不同子網(wǎng)通過聯(lián)接口來與骨干通信網(wǎng)連接。骨干網(wǎng)上有多種類型的通信控制主站，終端設(shè)備按照通信要求選取經(jīng)濟(jì)合理的通信方式。骨干網(wǎng)支持IP協(xié)議，可滿足信息互聯(lián)的需要。接入子網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)末端，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)不同能源終端與骨干網(wǎng)的通信，還可以與其他用戶終端進(jìn)行互聯(lián)。

為了使能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)各級互聯(lián)，還需要借助多種不同的通信技術(shù)。骨干通信網(wǎng)采用光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）或同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）等技術(shù)；接入子網(wǎng)采用有線、無線通信技術(shù)；公網(wǎng)無線通信可采用5G或4G通信技術(shù)，信息安全性高；光纖通信采用以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）技術(shù)，專網(wǎng)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(xiàn)10 km的信息傳輸，信息安全性較高。分布式能源系統(tǒng)的正常運(yùn)行要求內(nèi)部不同設(shè)備間實現(xiàn)信息交互，通過建立安全、可靠的通信渠道，滿足電網(wǎng)保護(hù)和控制業(yè)務(wù)的需要。對分布式能源的運(yùn)行參數(shù)和并網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，包括并網(wǎng)點電壓、電流、頻率、無功功率以及有功功率等[3]。不同智能設(shè)備間的通信應(yīng)通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，確保數(shù)據(jù)信息的高速、可靠傳輸。

2 電力線通信基理與在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 電力線載波通信基本原理

與電力線載波衰減相關(guān)的因素較多，主要有輸入阻抗、電網(wǎng)負(fù)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(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點數(shù)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(dǎo)致的。受電力線不平衡及負(fù)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(xiàn)象，通信信號衰減會跟著頻率升高而變大，中間區(qū)段衰減特性要優(yōu)于區(qū)間兩側(cè)。當(dāng)頻率低于100 kHz時有著較小的衰減，但衰減狀態(tài)并不穩(wěn)定；頻率為100～400 kHz時狀態(tài)表現(xiàn)較為穩(wěn)定，是一種線性比例關(guān)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(fā)送和接收裝置兩者間的電網(wǎng)等效阻抗，會對發(fā)送裝置效率和網(wǎng)絡(luò)輸入功率產(chǎn)生影響。信道阻抗特性與信號發(fā)送和接收效率有關(guān)，信號發(fā)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有關(guān)，分布電感和電容的存在會導(dǎo)致輸入阻抗隨著信號頻率變大而減小，負(fù)載類型不同導(dǎo)致不同頻率阻抗發(fā)生改變，阻抗幅值會在共振頻率附近區(qū)間發(fā)生改變。輸入阻抗在電力線的不同位置有著不同的數(shù)據(jù)，存在阻抗低谷區(qū)。

多節(jié)點與分支會使電力線中存在很多阻抗不連續(xù)點，信號會在節(jié)點中出現(xiàn)反射，無法從發(fā)射端輸送至接收端。傳輸過程中存在多徑傳播，會導(dǎo)致傳輸?shù)男盘柍霈F(xiàn)頻率選擇性衰減。傳遞函數(shù)為：

式中，ai為路徑i具備的加權(quán)系數(shù)；E(f,di)是衰減，與路徑長度、頻率、衰耗參數(shù)有著直接關(guān)系；ri是路徑i的延時。將信道均作為衰減進(jìn)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(shè)備發(fā)送至通信終端的信號作為數(shù)據(jù)下行信號，而從通信終端上傳至子站信號作為數(shù)據(jù)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(diào)制信號[5]。傳感器采集到信號后，通信主站設(shè)備上行解調(diào)設(shè)備會對10 kV線路電流畸變信號進(jìn)行解調(diào)。電力線工頻通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力線工頻通信結(jié)構(gòu)

上行信號調(diào)制電路中，可控硅會在電壓過零點持續(xù)關(guān)斷。關(guān)斷時間內(nèi)，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(diào)制電流進(jìn)行疊加，可以實現(xiàn)一次調(diào)制。在下行調(diào)制電路中，調(diào)制變壓器、可控硅和驅(qū)動器件共同建立起工頻通信電路，調(diào)制電流信號經(jīng)過主變壓器漏感抗時會產(chǎn)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(shù)據(jù)解調(diào)兩個環(huán)節(jié)，通過電壓過零點是否發(fā)生改變來進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。當(dāng)電力線工頻通信采用主從模式時，則無需對信號進(jìn)行同步檢測。按照信號傳輸協(xié)議，主站通信設(shè)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(shè)置檢測窗口，對電流信號差分累計值的正負(fù)進(jìn)行識別。采用時頻聯(lián)合分析法可以發(fā)現(xiàn)，收發(fā)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(fā)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(chǎn)生的延遲。電力線工頻通信在發(fā)送端電壓過0點來進(jìn)行信號調(diào)制，可有效減小調(diào)制功率。受負(fù)載、線路阻抗等因素的影響，信號收發(fā)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(shù)倍，但相位差卻不大。

2.3 電力線通信在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分析

能源互聯(lián)網(wǎng)中存在著數(shù)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(jìn)行有效監(jiān)控和優(yōu)化管理，更合理地分配電力系統(tǒng)資源。電力線工頻通信采用電壓和電流波形畸變信號來進(jìn)行信息傳輸。載波通信以高頻信號進(jìn)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(nèi)傳輸。結(jié)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(jìn)行結(jié)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(wǎng)投切導(dǎo)致電網(wǎng)阻抗發(fā)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(wǎng)需要應(yīng)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(shù)作為前提條件，研發(fā)一種可以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)信道特性的信號檢測技術(shù)，結(jié)合電力線工頻通信和載波通信技術(shù)來建立數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，滿足多種類型監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸需要，為用電設(shè)備遠(yuǎn)程控制提供穩(wěn)定可靠的信息傳輸方法。電力線通信技術(shù)可用于監(jiān)測電網(wǎng)故障并及時處理，也可用于對配電網(wǎng)的優(yōu)化，確保能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運(yùn)行。

3 結(jié) 論

為確保能源互聯(lián)網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要采用科學(xué)合理的通信方式。電力線通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、衰減小以及傳輸速度快等優(yōu)點，可滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中多種應(yīng)用場景的需求。通過深入分析能源互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)和通信需求，對電力線通信在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討研究，從而有效保障能源互聯(lián)網(wǎng)通信正常運(yùn)行，推動相關(guān)行業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。