OFDM通信技术在智能电网中的实现

OFDM通信技术在智能电网中的实现

曹智欣

(国网冀北电力有限公司承德供电公司河北承德)

摘要：为了改善智能电网的通信速度和可靠性，将正交频分复用（OFDM）多载波电力线通信(PLC)技术应用与智能电网。研究了具有鲁棒模式的G3标准OFDM技术，通过6LoWPAN组网及路由技术接入集中器及表计构成自动抄表系统（AMR）,并对现场的信道环境及AMR系统进行了测试，测试结果表明：G3标准OFDM技术的通信速率及可靠性较频移键控扩频（S-FSK）方式具有明显的改善和提高。

关键词：OFDM；通信技术；智能电网

1概述

自动计量系统是使用智能电表通过多种通信介质，按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据、提供开放式双向通信的系统，是智能电网最基础和核心的部分。AMR要求高速可靠的通信。电力线通信技术是AMR系统主要的通信方式，这是因为通过在与传递电能同一路径的线路上确定通信链路，传递信息，不需要重新铺设专用的通信通路，所以投入少；并且电力线通信不会像有线的方式被密集的建筑物所阻挡，从而减少安装和维护费用。在长期单载波PLC技术垄断电力线通信技术市场后，最近，被称为G3和PRIME标准的基于OFDM窄带PLC技术进入了市场，提供高的通信速率，鲁棒的通信模式，灵活的通信方式，这些是AMR双向通信的关键。OFDM正交频分复用技术克服了S－FSK技术易受干扰和频带利用率低的问题，从而允许高效信道纠检错编码，提高了通信的鲁棒性和通信速率。PRIME是被西班牙电力和PRIME联盟所发起的OFDMPLC技术，PRIME工作频段是42～88kHz，属于欧洲标准CENELENCEN50065－1的A频段，调制方式有DBPSK\DQPSK\D8PSK，通信速率最高可达128.6Kbit/s；G3是被法国电力（ERDF）和美信公司（MAXIM）所推荐的OFDMPLC技术，G3的工作频段从CENELENCA扩展到CENELENCB\C\D、扩展到美国标准的FCC频段和日本标准的ARIB频段，调制方式除了DBPSK\DQPSK\D8PSK，还有鲁棒（ROBO）的调制方式，通信速率可达300Kbit/s。在我国，电力线负载主要集中于100kHz以下的低频段，所以在此频段的时频干扰和阻抗不匹配问题突出。本文选择工作频段较高，并且具有鲁棒模式的G3OFDM做为实现AMR系统的通信技术，重点论述了AMR系统的软件架构，及构建多表计AMR系统的路由技术，并对1台集中器三台载波表的AMR系统进行了典型环境的现场测试。

2AMR系统组成及路由技术

AMR系统是由集中器和智能电表通过电力线构成的双向互通的智能电网。其中G3OFDM作为通信终端，与集中器相连称为主模块，与表计相连称为从模块。G3标准规定了中压和低压电网的通信协议，。包括基于OFDM的物理层，确保能够在恶劣的信道环境中通信；基于IEEE802.15.4协议的MAC层，更好的适配较低的通信速率；基于6LoWPAN协议的自适应路由层，提供灵活高效的组网管理和路由技术；以及组合了IPv6和UDP的网络层。基于图1的协议模型，如果要实现多表计AMR系统，路由和组网技术是关键，G3OFDM采用符合6LoWPAN协议的路由技术。G3OFDM网络拓扑是MESH网，由全功能设备（FFD）组成，每个节点可以作为终端节点，也可作为中继节点[1]。在设备准备加入网络时，向周围的节点广播路由请求消息（RREQ），并在每个转发节点的路由表记录下一跳的地址和路由代价。当请求信息通过一定的路径到达协调器后，根据不同路径的路由代价选择最优路径，并由协调器发起路由响应（RREP），通过最短路径回到源节点。目前G3OFDM自动抄表系统的通信模式是：表和集中器可以实现双向半双工通信，表和表之间不能直接通信。在通信网络中，表作为全功能设备可以中继和转发路由信息，表的路由终端节点始终是作为协调器的集中器。在路由发现过程中，前向路由请求时计算路由代价并存储和转发路由代价。在路由响应时，根据路由代价确定路由通路。所以路由代价是实现G3OFDM路由的关键。6LoWPAN协议草案中关于路由代价的计算仍然待定，由6LoWPAN路由协议及此路由代价算法，可以确定最大14跳路由，并且路由代价跟据工作频段和调制模式的不同实时更新，所以在每种工作模式下均可保证表计至集中器的路径为最优[2]。

3AMR系统现场评测结果

集中器侧的G3模块称为主模块，表计侧的G3模块称为从模块。主从模块的通信路径由上节确定。此测试系统由一台集中器，实现自动抄表功能：集中器发抄表请求至某表，某表响应并发确定的数据包至集中器，集中器计算包错误率（PERs）。

2.1信道特性电力线网络分布广泛，信道特性非常复杂，用统一的数学模型难以描述。但是可以在确定的地点和时间，用电力线的频谱特性来直观地描述信道特性[3]。在完成AMR系统现场测试之前，用频谱仪抓取图4商居楼信道频谱特性。在频谱曲线中有背景噪声和窄带干扰，当频率范围从10～100kHz，窄带干扰比较大，当频率高于100kHz后，窄带干扰逐渐减小，背景噪声依然存在，但是功率低且平稳。

2.2商居楼测试结果

图1商居楼测试环境

图1显示了商居楼的测试环境，大楼地下1、2层包含商场、超市，从1楼至5楼是居民楼，集中器固定在地下2层的配电室，表计在不同的测试点间移动。在上节测试并分析了商住楼电力线信道特性。在测试中使用的G3OFDM模块的工作模式为：MOD3(CENELECBC，ROBO)，MOD4(CENELECBC，DBPSK)。当通信距离逐渐增加，PERs在MOD3和MOD4不断变化，但是趋势是相同的，在35m的距离比45m的距离高，但是45m的距离比60m的距离低，所以通信性能并不是随着测试距离的增加而恶化[4]。在通信距离90m时，PERs为100%，即发出的包全部丢失，通信完全失败。

结束语：

总之，发展智能电网要求高速的电力线通信技术，单载波和双载波的通信技术已经不能满足智能电网的双向通信需求，OFDM技术作为一种高速、可靠的多载波电力线技术，在智能电网中得到广泛应用。G3标准OFDM技术因为ROBO的通信模式，更高的扩展频段，在我国电网环境比较适用。所以本文选取G3标准OFDM技术，构建AMR系统。组成多表计AMR系统的关键是路由技术，采用6LoWPAN协议的路由技术，对路由代价的算法没有规定，本文根据G3标准，设计并实现了路由代价算法。在测试中选取典型的商居楼的测试环境，对1个集中器3个表计组成的AMR系统进行现场测试，测试结果显示ROBO模式的通信性能更可靠，CENELECBC频带更适于现场域通信。

参考文献：

[1]邵昱,李晨,王超,王珏,闫帅榜.智能电网下低压电力线通信的特性研究[J].广东电力,2014,27(02):100-104.

[2]刘正友.OFDM电力载波通信技术在智能家居中的应用[J].电工文摘,2014(05):34-37.

[3]郭禧斌,左明鑫,吴伯彪.OFDM技术在低压电力线载波通信中的应用现状[J].信息通信,2015(08):194-195.

[4]陶礼.基于LTE技术在智能电网中的应用研究[J].中国新通信,2018,20(14):88.