欧洲电力线智能计量发展标准简介 .pdf

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1、总第 4 8卷第 5 4 8期 2 0 1 1 年第 8期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me nt at i o n Vo i 4 8 NO 5 4 8 Aug 2 0 11 欧洲电力线智能计量发展标准简介 朱满军 ， 王斌 ， 陶维青 -一 ， 汪丽丽 ( 1 合肥工业大学 电气与 自动化工程学院 ， 合肥 2 3 0 0 0 9 ； 2 安徽科大智能电网技术有限公 司， 合肥2 3 0 0 8 8 ) 摘要： 低压电力线载波通信采用低压电力线作为传输介质 ， 为通信网络“ 最后一公里” 问题提供了一个

2、很好的解 决方案 。本文介绍 了一个新 的基于O F D M技术 的低压电力线载波通信标准电力线智能计量发展 ( P o w e r 一 l i n e I n t e l l i g e n t Me t e r i n g E v o l u t i o n ， P R I ME) ， 对P R I ME 的物理层 、 MA C 层和汇聚层进行了详细地描述 ， 重点论述了 M A C 层中继技术的实现。通过对国内外电力线载波通信技术发展的比较， 可以看出P R I M E 技术有利于市场的发 展 ， 满足 当前及未来低压电力线载波通信 的应用要求 。 关键词： 智能电网； 电力线智能计量发

3、展； 低压电力线载波通信； O F D M 中图分类号 ： T M9 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 9 2 0 5 T h e I n t r o d u c t i o n o f P o we r - l i n e I n t e l l i g e n t M e t e r i n g Ev o l u t i o n S t a n d a r d Z HU Ma n - j u n ， WA N G B i n ， T AO We i - q i n g 1 ,2 , WA N G L i - l

4、 i ( 1 S c h o o l o f E l e c t r i c E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， He f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H e f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a 2 An h u i C S G S ma r t G r i d T e c h n o l o g y C O ， L T D， He f e i 2 3 0 0 8 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：The l

5、 o wv o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n us i ng l o w v o l t a g e po we r l i n e a s t r a n s mi s s i o n me d i u n 1 ， p r o v i de s a g o o d s o l u t i o n f o r t h e “ l a s t mi l e ” i n c o mmun i c a t i o n n e t wo r k Th i s a r t i c l e i n t r

6、o d uc e s a n e w l o w-v o l t a g e p o w e r l i n e c a r r i e r c o mm u n i c a t i o n s t a n d a r d b a s e d o n O F D M- - P R I ME ( P o w e r - l i n e I n t e l l i g e n t Me t e r i n g E v o l u t i o n ) ； d e s c r i b e s t h e p h y s i c a l l a y e r ，MAC l a y e r a n d c

7、o n v e r g e n c e l a y e r o f P RI ME i n d e t a i l T h e n d e t a i l e d l i g h t i s s h e d o n r e l a y i mp l e me n t a t i o n i n t h e MAC l a y e r Th r o ug h t he c o mpa r i s o n o f p o we r l i ne c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n be t we e n ho me a n d a b r o a d W e

8、 c a n fi n d t h a t t h e P RI ME i s c o n d u c i v e t o t h e ma r k e t d e v e l o p me n t ，me e t i n g t h e r e q u i r e me n t a b o u t l o w v o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n a pp l i c a t i o n s i n t h e c u r r e nt a nd f ut u r e Ke y wo r d

9、s ：s ma r t g r i d ， P RI ME， l o w v o h a g e p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n ， OF DM 0引 言 智能计量作为智能电网的终端 ， 已越来越引起公 共事业部 门和政府的关注。 远程智能数据采集与监控 管理系统( A MR& A MM) 是智能 电网电能计量 的关 键技术 ， 它们通过在居 民用户和工业 、 商业用户处安 装智能电表， 自动采集全面和详细的计量信息， 根据 对负荷情况更细致、 实时的掌握 ， 指导电网建设 ， 既减 少用电高峰负荷需求的增长， 也降

10、低电网扩容和建设 的费用。以一种经济可靠的方式实现 自动抄表 ， 是建 设智能电网进程 中一个非常重要的环节。 用低压 电力 线载波通信方式实现自动抄表是目前最为理想的解 决方案。 但是， 低压电力线信道条件极其恶劣。 寻求一 种强健的通信方式作为物理层技术 ， 是实现低压电力 一92一 线载波抄表的关键_ l 1 。 基于正交频分复用( O rt h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s i o n Mu l t i p l e x i n g ， O F D M) 调制的多载波技术 ， 以其在恶劣信 道环境下独特的优势， 正成为新一代低压电力线载波

11、通 信的主流技术。 由欧洲多家电力公司、 仪表制造商、 半导 体制造商和公用事业公司组成的电力线智能计量发展 ( P o w e r - l i n e I n t e l l i g e n t Me t e r i n g E v o l u t i o n ， P R I ME ) 联 盟， 提出了基于O F D M电力线通信技术的P R I M E 解决方 案。P R I ME 议提出的最初设想， 是作为对符合成本效 益、面向未来需要的自动电表管理解决方案的应答 P R I ME 方案具有很好的开放性和互操作性 ， 减少 了市 场竞争 中的成本 ，已引起 电力行业 和市场的关注 J P

12、 R I ME 低 电压采样方案如图l 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第 4 8 卷第 5 4 8 期 2 0 1 1年第 8期 电测与仪表 E l e c t r i c a l M e a s u r e me n t I n s t r u me n t a i i o n Vo I 4 8 No 5 4 8 Au g 2 0 1 1 图1 P RI ME低 电压 采样 方案 Fi g 1 PRI ME l o w v o l t a g e s a mpl e s c e na r i o 1 o F D M的基本原理及P RI ME与OF D

13、M的关系 低压电力线载波是利用电力线进行通信的方式， 它的覆盖范围广泛 ， 只要有电力线的地方 即可进行通 信 ， 充分利用了电力线路和频率资源， 无需增加铺设 通信线路 ， 实施简单 ， 普及方便 ， 且也不存在运行成本 。 目前的电力线载波通信技术还存在很多局限性： 数据 速率低、 抗干扰能力差、 信道自适用能力差， 等等。这 也是 O F D M技术在电力线载波通信上得以迅速发展 及应用的主要原因。 O F D M是一种先进 的多载波数字调制技术 ， 近年 来 广泛用 于恶劣信道环境下现代通信 系统 的构建 。 O F D M 的基本原理是在工作频带 内， 以一定的频率 间 隔使用 ，

14、v 个相互正交的子载波( 通常为数百至数千 个子载波) ，需传输的数据经编码后分块被调制到 N 个子载波上发送 出去 。O F D M每个子载波所使用的调 制方法可不同。 各子载波可根据信道状况选择不同的 调制方式 ， I3 B P S K ( 二进制相位键控 ) 、 D P S K( 差分相 位键控 ) 、 8 P S K( 8 进制相位键控 ) 、 1 6 Q A M( 1 6 进 制正 交振幅控制) 、 6 4 Q A M ( 6 4 进制正交振幅控制)等 。 O F D M 是对多载波调制的一种改进， 其特点是各子载 波相互正交 ，所以扩频调制后 的频谱可相互重叠 ， 不 但减小了各子

15、载波问的相互干扰， 还大大提高了频谱 的利用率 。O F D M技术 因能有效对抗 多径传播 、 频率 选择性衰落和窄带噪声干扰而受到电力线通信研究 人员 重视 。 P R I M E 主要创新之一是使用O F D M 代替过去在窄 带电力线通信上使用的单信号载波。 在近几年的发展 期 间 ， P R I ME 逐渐成 为一个 完整 的智 能电网解决方 案 。P R I ME 协议具有的开放性 ， 使不同厂商的产品能 实现互连，这不仅降低了电力公司大规模A M R 建设 的成本， 同时其具有的技术前瞻性， 也适应未来智能 电网发展对通信速率的要求。 2 P 砌M E 概 述同 2 1 主要特

16、点 P R I ME 标 准是一个基于时下最先进技术制定的 物 理 ( P h y s i c a l ， P H Y)层 和 介质 访 问控制 ( Me d i u m A c c e s s C o n t r o l ， MA C) 层标准 ， 旨在确保 目前研发 的电 力设备能够满足未来市场的需求 ， 保障电力公司的巨 额投资。 P R I ME 基于O F D M技术 ， 应用于C E N E L E C A 频带 ( 3 9 5 k H z )范围内。此方案在I E C 一 6 1 3 3 4 和I E E E S t d 8 0 2 1 6 标准上做一些特殊 的改进 ， 以适应电

17、力系统 的 特殊环境 。P R I ME 的各层结构如图2 所示。 控制和数据平面 管理平面 e 汇 聚 层(c L ) 一 MA C 层 管理实 访问点 体服务 媒 介 访问 控 制 ( M A C ) 层 访问 点 P H Y 服务 、 P l Y 层管 访问 点 L 理实体服 务访问点 物理 ( P I Y)层 图2 P R I ME 各层 结构 F i g 2 T h e s t r u c t u r e s o f P R I ME l a y e r s 由图2 可见 ， P R I ME的物理层发送 和接收相邻节 点问MA C协议数据单元 ( P r o t o c o l D

18、 a t a U n i t s ， P D U s ) 中的数据。原始数据速率最高可达1 3 0 k b p s 。 M AC 层提供 了系统通道 、 带宽分配 、 连接管理和 拓扑决议等功能 ， 它被定义为面向主从环境的连接和 对低压电力线环境 的优化。 汇聚层 ( C o n v e r g e n c e l a y e r ， C L ) 根据适 当的MAC 层连接， 对通信帧进行分类。这一层发挥着将任何适 合类型通信帧 映射进M A C 服务数据单元( S e r v i c e D a t a U n i t s ， S D U s ) 的作用。多个汇聚子层被定义用来 向MAC

19、服务数据单元提供不同类型的通信帧。 2 2物理 ( P HY) 层 P R I M E的物理层通过电力线进行数据传输。最 初计划是用在5 0 6 0 H z 输 电线路 ， 因为使用更高频率 的输电线路进行通信会带来一些技术上的难题 ： ( 1 ) 配电网通常由多种随机类型的导体组成， 最终形成不 同的阻抗负载。 这种配电网的阻抗具有随频率变化而 发生很大变换的特点； ( 2 )信道特性同样会随着时间 的推移而变化。含有不同类型电机的电器设备、 开关 电源和卤钨灯等， 会产生减少通信信号可靠性的脉冲 -93 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第 4 8卷第 5 4

20、 8期 2 0 1 1 年第 8期 电测与仪表 Ei e c t r i c a i M e a s ur e m e n t& I n s t r ume n t a t i o n V0 1 48 NO 5 4 8 Au g 2 0 1 1 循 H 卷 码 加 扰 交 织 子 反 里 图3物 理层 传 输模 块框 图 F i g 3 Di a g r a m o f PHY l a y e r t r a n s mi t t e r 噪声 ， 且地理位置的不 同也会带来噪音干扰 。 P R I M E 物理层基于所使用的组合方法 ， 最终形成 了高速 、 低成本的电力线通信系统 。这是一

21、个基于 自 适应调制O F D M、 前 向纠错和数据交错 的简单但功 能 强大的构想 。 物理层发送数据信息的原理框图如图3 所示。 在发送端 ， 物理层从M A C 接收输入信号， 经过循 环冗余校验后， 物理层的数据帧将被卷积编码和交错 编码，输出的信号用D B P S K、 D Q P S K 或D 8 P S K 进行差 分调制 ， 接下来是O F D M， 包 括反向快速傅里 叶变换 ( I F F T ) 和循环前缀 。 低压电力线在C E N E L E C A的较低频段往往呈现 低阻抗特性 ， 且还受到家用电器非线性负荷干扰等不 利影响。P R I ME 只采用4 5 k H

22、 z 9 0 k Hz 的频段范嗣。在 P R I ME 的工作频段 内， 共有9 7 个子载波( 1 个导频子载 波和9 6 个数据子载波 ) ， 它们在传输过程 中使用3 种数 字调制方式 ( B P S K、 Q P S K、 8 P S K) ， 理论 上 ， 它们 的数 据速率分别达 1 4 7 k b p s 、 9 4 k b p s 和1 4 1 k b p s 。 P R I M E 能够根据信道条件实现物理层数据的高 速传输 ， 其主要参数如表1 所示。 表1 P R I ME 物理层主要参数 T a b 1 T h e ma i n p a r a me t e r s

23、o f P RI ME P HY l a y e r 2 3 介质访 问控制( MA C) 层 P R I ME系统是由子网络组成 。 子网络是一个有两 个节点类型的树 ， 包括基本节点和服务节点。基本节 点在树的根部， 作为主要节点， 提供子网络之间的连 接管理着子网络的资源及其连接。 子网络中只有 一个基本节点 ，其他节点应遵循一定的程序注册 ， 并 成为子 网络的一员。 服务节点是树型网络的树叶或分枝点。子网络 中， 除基本节点外的所有节点都是服务节点。这些服 务节点开始处于断开状态， 并遵循特定的程序来建立 网络连接。 这些服务节点有两个功能 ： 连接到子 网络 ； 94 与相邻节点进

24、行数据交换。服务节点可动态地在“ 终 端” 功能和“ 交换” 功能间进行变换 。功能状态的变化 发生在子网络预定义的事件出现的基础上。 如 图4 所 示 ，服务 节 点 的功 能状 态 是 ： ( 】 ) 断 开服务节点开始处于断开状态 。在此状态下 ， 服 务节点既不能连接 ， 也不能与其他节点交换数据。服 务节点的一个主要功能是寻找附近的操作网络 ， 并尝 试加入到网络中 ； ( 2 ) 终端在这种状态下 ， 服务节 点与子网络建立连接 ，但不能与其他节点交换数据 ； ( 3 ) 交换此状态下 ， 服务节点可执行所有终端功 能。 此外 ， 它有能力 与子 网络中的其他设备交换数据 。 图4

25、 服务节点的状态功能 Fi g4 F un c t i o n a l s t a t e s o f a s e r v i c e n o d e MA C 层树型子 网络拓扑结构如 5 所示 。每个 子 网络仅含有一个基本节点A， 其他节点将尝试注册到 基本节点上 。图5 中， 只有节点B、 C、 D和E 能够注册 I 子网络 ， 这些节点注册成功后 ， 由“ 断开” 状态变 为“ 终 端 ” 状态 。节点F、 G 和H不能直接连接到基本节点 A， 它们向节点B 、 D 发送广播请求，然后节点B 、 D 向基本 节点A 发送升级请求 ，基本节点A 响应此请求并升级 节点B、 D。此后 ，

26、 节点F 、 G 和H 可通过交换节点B、 D j 基本节点A建立连接 ， 如此 ， 扩大了子网路 的范同 图5子 网络拓 扑结 构 Fi g 5 S u b-n e t wo r k t o po l o g y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第 4 8卷第 5 4 8期 2 0 1 1 年第 8期 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e nt a t i o n V0 1 4 8 N 0 5 4 8 Au g 2 01 1 MA C 层提供了所有必要 的功能， 以管理P R

27、I ME网 络和子网络 ， 具体包括寻址 、 同步 、 网络结构的动态管 理( 终端的升级和降级) 、 设备注册管理 、 信道访问仲 裁 、 随机分布序列产生加密密钥 ， 等等。 MA C 层被定义为面向主从配置的连接层 ， 其作用 是优化低压电力传输线环境。此外， M A C 层具有的逐 步自动请求重发( A R Q ) 机制可用于对错误的控制， 在 需要时 ， MA C 层可请求物理层重发数据 。 在安全方面， P R I M E 使用灵活的密钥管理和1 2 8 的高级加密标准 ( A E S ) ， 以保障加密 、 认证的安全性和数据的完整性 。 2 4汇聚( C L ) 层 C L 层

28、与M AC 层相连 ，该层控$ 1J MA C 层 中服务数 据包的走向， 提供管理M A C 核心功能、 带宽分配、 连接 管理和网络拓扑决议等功能。 C L 层 分 为 两个 子层 ： ( 1 )公共 部 分 汇 聚子 层 ( C o mmo n P a r t C o n v e r g e n c e S u b l a v e r ， C P C S ) ， 提供 了 一套 通用服 务 ； ( 2 )特定业务 汇聚子层 ( S e r v i c e S p e c i f i c C o n v e r g e n c e S u b l a y e r ， S S C S ) ，

29、 包含具体到一 个应用层的服务。C L 层的原理结构如图6 所示。 f l I j J f J # 】 f i 舵 J J # k J J I P v 4 特 定 j】 I E C 4 - 3 2 特I I 新 协 议 特 定i 业务 汇聚 1 定业务 聚 1 1 业务 1 予层 e I 子层 汇聚子层 特定业务 聚子层 程序分段与重组 ( 服务访问点) 公共部分汇 聚 lf层 C L f MA C I 图6汇聚层结构框 图 F i g 6 D i a g r a m o f c o n v e r g e n c e l a y e r 汇聚层有两种方式可选 ： 一种是基于I E C 6 1

30、 3 3 4 4 3 2 的逻辑链路控制协议，通过此协议， P R I M E 节点 可方便地与大多数现有智能电表经通信接口实现通 信。另一种是带有互联网协议 的I P v 4 方式 ，允许 P R I ME 有效地传送I P v 4 数据。 3 国内外低压 电力线载波通信发展 国内对电力线通信标准的制修定工作起步较晚， 本世纪初才开始着手， 但发展速度较快。我国大规模 开展低压电力线载波应用技术研究始于本世纪初， 低 压载波技术在我国的主要应用为使用窄带的电能计 量数据的自 动集抄系统、 家居自动化和使用宽带的电 力传输线上网。由于低压载波技术发展较快， 国内目 前还未制定出专门的低压载波通

31、信标准。 国外自2 0 0 0 年以来， 在制定低压电力线通信标准 方面已有多个组织在开展工作， 其中较有代表性的是 I E E E 面向B P L 标准的P 1 9 0 1 3 2 作组 、北美的H o m e p l u g 电力线联盟 、 欧洲的U P A( 通用电力线协会 ) 和O P E R A ( 开放P L C 欧洲研究联盟 ) l 7 l。欧洲是全球低压电力线 载波 技术研发及 市场应 用最 发达 的地 区 ，由欧 洲 P R I ME 联盟制定的P R I ME 电力线集 抄标 准有望成 为 欧盟标准。西班牙电力公司I B E R D R O L A于2 0 1 0 年起 已

32、开始安装 1 0 万台采用P R I ME 技术标准的电能表 ， 并 计划在3 5 年内在西班牙完成1 0 0 0 万块相应电能表的 安装。 4 结束语 传统的低压电力线载波技术采用简单的固定频 点窄带或扩频调制技术， 使用于数据速率低、 实时眭 要求不高的简单抄表系统。 新一代用户用电信息采集 及管理系统对数据速率、 可靠性 、 安全性 、 实时生 都提 出了更高要求 ， 应采用更先进的技术 ， 以大大提高低 压电力线载波通信的性能。 P R I M E 联盟的目标是建立 一套包容性强 的国际标准 ， 以允许不 同制造商进行协 同工作 ， 从而加大智能电表市场的竞争 。P R I ME 是实

33、 现各种设备制造商产品之间的互操作性的开放式标 准 ， 以此推动新市场增长 ， 让这个产业上下游所有企 业( 电力公司、 用电客户等) 成为P R I M E 标准的最终受 益者 参 考 文 献 【 1 张浩 ， 蔡万升， 郭经红 基 ： O F D M的低压电力线载波抄表系统l J 1 电 力系统通信 ， 2 0 1 0 ， 3 J ( 2 1 0 ) ： 9 - 1 3 Z H AN G Ha o ，C A I Wa n s h e n g GU O J i n g h o n g L o w v o l t a g e P L C S y s t e m f o r A MR B a s

34、 e d o n O F D M【 J 1 T e l e c o mm u n i c a t i o n s fo r E l e c t r i c P o w e r S y s t e m 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 1 0 ) ： 9 1 3 【 2 1 I n i g o B e r g a n z a ， A l b e rt o S e n d i o n P r i me ： P o we r l i n e I n t e l l i g e n t Me t e r i n g E v o l u t i o n J J C I R E D S e m i n

35、a t 2 0 0 8 ： S m a r t G r i d s r D i s t r i b u t i o n ， 2 0 0 8 6 ： l 一 3 【 3 1 徐伟， 王斌 ， 姜元建_ 氐 压电力线载波通信技术彳 E 用电信息采集系统 中的应用 J 1 电测 与仪表 ， 2 0 1 0， 4 7 ( 7 A) ： 4 4 4 7 X U We t ， WAN G B i n ， J I A N G Y u a n - j t a n P o we r L i n e C a r r i c i C o mmu n i e a t i o n T e c h n o l o g y

36、 a n d i t s Ap p l i c a t i o n s i n El e c t r i c En e r g y Da t a Ac q u i s i t i o n S y s t e m l J E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t I n s t r u me n t a t i o n 2 0 1 0 ， 4 7 ( 7 A) ： 4 4 4 7 、 4 】 刘俊萍 基于0 F D M 的调制解调技术 J 1 湖南l业大学学报， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 3) ： 6 0 6 2 L I U J u n - p i n

37、 g OFDM Ba s e d Mo d u l a i i o n a n d De mo d u l a t i o n Te c h n i q u e s 【 J 】 _J o u r n a l o f Hu n m l U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 3) ： 6 0 6 2 【 5 1 Mi g u e l A r r i b a s ， A i t o r Ar z u a g a ， I n i g o B e r g a n z a ， e t a 1 D r a f t S t a n d a r d for 一95。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m