電網與電力系統(tǒng)之間的相互性

楊曉霞

（云南建源電力設計有限公司，云南 昆明 650011）

電網對于電力系統(tǒng)的意義。①能有效地提高電力系統(tǒng)的安全性和供電可靠性。利用智能電網強大的“自愈”功能，可以準確、迅速地隔離故障元件，并且在較少人為干預的情況下使系統(tǒng)迅速恢復到正常狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)供電的安全性和可靠性。②實現(xiàn)電網的可持續(xù)發(fā)展。堅信智能電網建設可以促進電網技術創(chuàng)新，實現(xiàn)技術、設備、運行和管理等各個方面的提升，以適應電力市場需求，推動電網科學可持續(xù)發(fā)展。③減少有效裝機容量。利用我國不同地區(qū)電力負荷特性差異大的特點，通過智能化的統(tǒng)一調度，獲得錯峰和調峰等聯(lián)網效益；同時通過分時電價機制，引導用戶低谷用電，減小高峰負荷，從而減少有效裝機容量。④降低系統(tǒng)發(fā)電燃料費用。建設堅強智能電網，可以滿足煤電基地的集約化開發(fā)，優(yōu)化我國電源布局，從而降低燃料運輸成本；同時，通過降低負荷峰谷差，可提高火電機組使用效率，降低煤耗，減少發(fā)電成本。⑤提高電網設備利用效率。首先，通過改善電力負荷曲線，降低峰谷差，提高電網設備利用效率；其次，通過發(fā)揮自我診斷能力，延長電網基礎設施壽命。⑥降低線損。以特高壓輸電技術為重要基礎的堅強智能電網，將大大降低電能輸送中的損失率；智能調度系統(tǒng)、靈活輸電技術以及與用戶的實時雙向交互，都可以優(yōu)化潮流分布，減少線損；同時，分布式電源的建設與應用，也減少了電力遠距離傳輸的網損。

現(xiàn)在在某些國家，以及將來的更多國家，綠色能源對于電網的貢獻會越來越大。它在電網中所占的比率，由原來5%的水力發(fā)電，上升到有40%是太陽能和風能發(fā)電。在大部分綠色電能中，調節(jié)器要進行的控制很少。此外，電動交通工具也加入了變革的隊伍。電動交通工具的大規(guī)模推廣，將使電網的用電量加倍，并大規(guī)模地帶來了超大儲電能力。用電量的上升、綠色電能的推廣和不受控制的發(fā)電、電動交通工具的儲電能力被認為是電網的完美風暴。這個方案被稱為智能電網。它結合了嵌入式智能技術和實時通信與控制功能，能夠隨時與任何用戶進行實時通信并控制其負載。要實現(xiàn)這樣的通信功能，就需要采用以電網作為主要通信媒介的PLC技術。

PLC技術早在20年前就被用于中壓領域來控制電網。但在低壓側大規(guī)模使用PLC則是更近才開始的。PLC技術的一個典型成功案例，是意大利 ENEL供電公司采用一個基于 FSK和BPSK調制的窄帶PLC系統(tǒng)為3 500萬用戶構建一個AMM（自動電表管理）系統(tǒng)。此系統(tǒng)可每2個月自動抄讀一次3 500萬臺電表。但是它的平均波特率不夠，無法支持更多的實時通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協(xié)議的應用。

要進行更多的實時通信和控制，以及未來基于IPv6等通信協(xié)議的應用，就需要一種基于OFDM調制的新一代PLC技術。其中兩種主要的OFDM方案，就是現(xiàn)在的G3和PRIME技術。G3是一個由法國EDF電力公司發(fā)起，MAXIM和SAGEMCOM開發(fā)的方案。這個方案在2009年被公布，EDF計劃將在2013年試用2 000臺采用G3技術的電表。

PRIME是一個由PRIME聯(lián)盟推出的一個開放式多供應商的解決方案，該聯(lián)盟包含了 30多個由供電公司、表計廠家和ADD半導體、FUJITSU、STM和TI等晶片供應商組成的成員。其中的表廠包括 SAGEMCOM、ITRON、LANDIS＋GYR、ISKRA－MECO、ZIV和SOGECAM。IBERDROLA是第一家推廣此方案的供電公司，但現(xiàn)在 EDP、CEZMERENI和 ITRI也加入了這個陣營。

IBERDROLA在2010年開始安裝10萬臺采用PRIME技術的電表。該供電公司還計劃在2010年年底發(fā)布一個需量為100萬臺電表的新標，并于未來3～5 a在西班牙完成1 000萬臺電表的安裝。其他一些供電公司也開始采用PRIME技術。G3和PRIME都是OFDM方案，但發(fā)展歷史有所不同。G3最初是采用了一塊由MAXIM設計的芯片，此芯片可提供適用于PHY層和某些現(xiàn)有軟件層的IEEE802.15.42006通信，適用于MAC層的6LowPAN和適用于網絡層的IPv6通信。

PRIME則是由一個供電公司、行業(yè)廠家和大學研究所構成的聯(lián)盟，合作開發(fā)一個新型OFDM電力線技術公開標準的產物。該聯(lián)盟采用一個針對PHY層的系統(tǒng)性設計流程，從滿足最基本的要求開始。接下來就是從噪聲等級、噪聲節(jié)奏、信號減弱和阻抗模式等要素來對物理媒介進行定義。行業(yè)廠家則開發(fā)用于這些目的的新型自動化產品，并和供電公司展開了多次合作。由此產生了一個包含了噪聲等級、噪聲節(jié)奏、信號減弱和阻抗模式等要素的大型數據庫和用于電網的精確數據統(tǒng)計模式。

第二步，他們通過模擬的方法，用這個模式來評估OFDM技術的頭實現(xiàn)、帶寬分配、子載波數量、子載波調制和誤差糾正等多個參數構成的不同組合，并采用新設備在實地測試中來評估最好的方案。經過多次的重復和大量的實地測試，他們根據歐洲電網的情況和供電公司的規(guī)格要求，選出最佳的參數組合。此外，MAC和上端通信層也是由一個包含了晶片供應商、表廠和供電公司的聯(lián)盟開發(fā)出來的。

經過努力，他們開發(fā)出了PHY、MAC和集中通信層。PHY層在臨近節(jié)點之間收發(fā)MPDU。它采用位于CENELECA頻段高頻率的47.363 kHz頻率帶寬，平均傳輸速率為70 kbps，最大速率可達120 kbps。在此條件下，網絡中各個節(jié)點之間可直接通信的概率為92%。其他時候，路由可以確保100%連接成功。

MAC層提供了系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接創(chuàng)建/維護和拓撲分辨等核心MAC功能。

服務專用型集中層（CL）可以對信息傳輸進行分類，將其和適合的MAC連接關聯(lián)起來。它可測定可能包含在MACSDU中的任何數據傳輸，也可具備有效負載頭壓縮功能。同時，采用多個子集中層來實現(xiàn)MACSUD中的各種不同的數據傳輸。

在基本FSK或BPSK方案中，信息是以單個載波來傳輸的。傳輸的波特率取決于帶寬的大小，而噪聲和選擇性減弱會限制通信。而在OFDM方案中，信息是通過多個子載波來傳輸的。傳輸的波特率取決于帶寬和DBPSK、DQPSK或D8PSK子載波調制的復雜性。通過采用多個子載波、編碼和糾錯，更好地消除了通信中的噪聲和選擇性減弱。

符號的大小是由采樣頻率以及子載波的數量決定的。符號越大，越能可靠地抑制脈沖噪聲。編碼提高了穩(wěn)定性，但也增加了復雜性和功耗。子載波越多，通信穩(wěn)定性就越高，但并不意味著波特率也越高。G3技術采用36個子載波、0.735 ms的分類符號、6.79 ms的序和9.5 ms的開頭，需要重復法和RS糾錯來提高通信穩(wěn)定性。PRIME采用了97個子載波、2.24 ms的長符號、2 ms的序和4.48 ms的開頭。為了避免重復法和RS糾錯的復雜性，它采用了能效高3倍的符號來提高通信穩(wěn)定性。這是一個能夠提供穩(wěn)定性，但成本更低的方案。

總之，傳統(tǒng)電網在向需要更高級通信能力的智能電網發(fā)展。PLC技術是實現(xiàn)必需功能和穩(wěn)定性的更便利的技術。PLC技術也在朝著OFDM方案變革，而G3和PRIME則是主要的兩個方案。