通过正交频分复用和IEEE 1901.2克服智能电网通信挑战

虽然围绕智能电网的创建和部署仍然存在许多问题，但对可靠通信基础设施的需求是无可争辩的。IEEE 1901.2 标准的开发人员确定了低频电力线通信的困难信道条件特征，并使用先进的调制和信道编码技术实现了正交频分复用 （OFDM） 架构。这一策略有助于确保智能电网的通信网络稳健。

2009年智能电网通信标准IEEE P1901.2的想法开始形成。IEEE P1901.2的概念是众多一级半导体制造商和全球能源供应商合作的结果，他们寻求开发一种标准支持的公用事业通信解决方案，该解决方案在所有国家的所有介质中都是100%可靠的。使IEEE P1901.2成为现实是一项大胆而复杂的工作，继续需要所有相关人员的灵巧操作。

该标准的开发人员面临着一项艰巨的任务——既要满足现有和新增加的当前要求，又要满足 10 到 20 年的前瞻性要求。此外，该标准需要弥补关键的挑战和障碍，例如恶劣的低压、中压和变压器通道条件，这些条件传统上阻碍了高数据速率、稳健的直通变压器电力线通信（PLC）。可靠、高效的通信解决方案对于成功实现智能电网至关重要。

可编程控制器问题

更新公用电网通信所涉及的障碍可以追溯到很多年前。早在“智能电网”、“智能电表”、“电表”、“EV”（电动汽车）和“PEV”（插电式电动汽车）成为人们熟悉的术语之前，公用事业公司就开始研究其最基本的运营挑战之一的潜在解决方案：在恶劣的环境中可靠地保持高效通信。

对于低频 （LF） PLC，除了线路阻抗变化之外，负信噪比 （SNR） 条件是一个公认的预期问题;对于通过变压器的PLC，50dB或更高的信号衰减也很常见。通常，对于PLC，通道特性和参数随频率，位置，时间和连接到它的设备类型而变化。此外，电源线是一个非常频率选择性的通道，通道噪声、背景噪声和脉冲噪声通常发生在 50Hz/60Hz 处，群延迟持续长达数百微秒。

LF PLC必须工作的这些条件可以从线路上的测量中得到最好的理解，从低压线路上的通道噪声开始，如图1所示。

图1.低压线路上的信道噪声。图片由德州仪器提供。

添加了背景噪音：

 

ηC（ƒ） = 10(Κ - 3.95 × 10-5ƒ）

（公式1）

 

图 2 显示了其中 Κ 具有正态分布 N（μ，σ），μ = 5.64，σ = 0.5，ƒ 是以 Hz 为单位的频率。

图2.背景噪音。

图3显示了脉冲噪声，其中两个突发之间的时间是一个指数分布的随机变量，每个突发噪声的持续时间是另一个具有指数分布的随机变量。

图3.脉冲噪声分布。

OFDM 提供强大的通信

为了克服低频电力线中经常观察到的困难信道条件，IEEE 1901.2 LF PLC 采用正交频分复用 （OFDM） 架构，使用先进的调制和信道编码技术，以有效利用欧洲电工标准化委员会 （CENELEC）、无线电工业和商业协会 （ARIB） 和联邦通信委员会 （FCC） 频段的有限带宽。

这种 OFDM 架构有助于通过电力线通道进行深度鲁棒的通信。允许的带宽分为多个子通道，这些子通道可以看作是具有不同非干扰（正交）载波频率的许多独立相移键控（PSK）调制载波。此外，卷积和里德-所罗门（RS）编码提供冗余位，允许接收器恢复由背景和脉冲噪声引起的丢失位。然后使用时频交错方案来降低解码器输入端接收噪声的相关性，从而提供多样性。

该系统对由差分编码相位调制产生的复值信号点执行逆快速傅里叶变换（IFFT），包括差分二进制（DBPSK）、差分正交（DQPSK）和差分八元（D8PSK），并分配给生成OFDM信号的各个子载波。OFDM 符号是通过在 IFFT 生成的每个块的开头附加一个循环前缀来构建的。选择循环前缀的长度，使信道群延迟不会引起连续的OFDM符号或相邻子载波干扰，并使用盲信道估计器技术进行链路自适应。根据接收到的信号质量，接收器决定使用哪种调制方案。此外，该系统区分信噪比差的子载波，并且不会在其上传输数据。 系统框图如图4所示。

图4.前向纠错框图。

每个模块在消除通道中的噪声方面都起着重要作用。前向纠错（FEC）编码器包括一个扰频，后跟一个RS编码器和一个卷积编码器。在鲁棒模式下，在卷积编码器之后使用额外的编码器重复码（RC）在卷积编码器的输出端重复位。

加扰器块为数据和帧控制标头 （FCH） 提供随机分布。数据和 FCH 流是“异或”的，使用以下生成器多项式使用重复的伪随机噪声序列：

 

S（x） = x7⊕ x4⊕ 1

（公式2）

 

如图 5 所示。

图5.数据加扰器。

加扰器中的位在开始处理每个物理帧时初始化为所有其他位，并且加扰器针对 FCH 和数据重新初始化。加扰器不是 FEC 的关键部分;但是，重要的是成为一个经过验证的解决方案，能够生成具有良好自相关的非常随机的序列。

来自扰频器的数据由缩短的系统 RS 代码编码：

RS （n = 255， k = 239， t = 8） 或 RS （n = 255， k = 247， t = 4）;在鲁棒模式下，使用 T = 4

代码生成器多项式：

 

（公式3）

 

场发生器多项式：p（x） = x8 + x4 + x3 + x2 + 1

对于卷积编码，使用二分之一的速率，约束为 K = 7，并在帧末尾插入六个尾位，将编码器返回到状态零，如图 6 所示。

图6.卷积编码器。

对于图 7 中得到的性能图，决定使用哪种解决方案是基于仔细的仿真和研究，比较其他方法（如低密度奇偶校验代码）。

图7.模拟 BER 与 SNR 性能改进，并增加了纠错功能。

使用以下参数，所有结果都显示了串联代码对于LF PLC系统中典型的低块大小的优势：

块大小（标题和日期）

FEC 编码器 - 串联（指定编码速率为二分之一、三分之一等）

重复率（例如，1、2、4、8）

通道响应（如可变或平坦）

目标错误率（擦除、0%、5%、10% 等）

由此产生的IEEE 1901.2解决方案结合了多种纠错机制，以确保使用RS解码（纠正脉冲噪声引起的错误）和Viterbi解码（纠正白噪声引起的错误）进行可靠通信，并结合重复编码和时间/频率交错，以提高鲁棒性，以对抗脉冲噪声，干扰音和频率衰落。

IEEE 1901.2 和智能电网

世界正在继续朝着更智能、更可靠、更自我修复的电网的实际实施方向发展，它对行业和消费者的好处都是众所周知的，也是有据可查的。从输配电到家庭自动化，它有望实现更清洁、更安全、更可靠的能源未来。然而，广泛部署尚未成为现实，我们如何最终实现智能电网的问题仍在回答中。

显而易见的是，新兴的智能电网将需要强大的技术框架，能够管理与其部署和运营相关的各种复杂性。智能电网最重要的关键任务推动因素之一是可靠的通信基础设施;没有这一基本基础，无处不在的实施将继续受到阻碍。

由于电力线是传统电网中最普遍的元素之一，PLC是实现支持智能电网所需的庞大通信网络的理想且经济高效的解决方案。事实上，PLC已经代表了智能计量中最广泛采用的通信介质。然而，为了继续推进智能电网的发展，需要广泛采用灵活、前瞻性和全球公认的通信标准，如IEEE 1902.1。

随着这些标准的可用性和采用，可以克服智能电网面临的复杂挑战。事实上，智能电网所预示的前景、潜力和机遇将真正触手可及。

审核编辑：郭婷