摘要：光伏发电技术是一种经济又清洁的可再生能源，在世界范围内是能源革命中的一个重要发展方向。为保证光伏发电系统的稳定和正常运行并实现能源互联网体系的构建，需要将光伏板、逆变器等器件上的数据信息传输至控制中心，甚至根据通信系统实现无线程序更新等功能。本文主要研究电力线载波技术在光伏发电系统中运用的若干性问题，包括原理，调制以及数据耦合等。
关键词：电力线载波，光伏发电，信号调制，阻抗匹配
Abstract: Photovoltaic power technology is an economical and clean renewable energy， which is an important development direction of the energy revolution in the world. In order to ensure the stability and normal operation of photovoltaic power generation system and realize the construction of Internet system of energy， the data information on photovoltaic panels and inverter devices should be transferred to the control center， even according to the communication system to realize the program updates on line. This paper mainly studies some relevant technologies on the application of power line carrier technology in photovoltaic power generation system， including principle， modulation and data coupling.
Key Words: Power line carrier， PV power generation， signal modulation， impedance matching
1 引言
根据Mercom Captital公司发布的统计报告，2015年中国市场的太阳能装机总量为15.1GW，占全球太阳能装机量的29.5%；2016年的数据上升至34GW，占世界总量的44.7%；至2021年，全球太阳能装机总量将突破100GW，成为世界能源供应的主力军[1-2]。因此，我国政府对光伏发电技术的发展出台了众多相关政策引导。我国政府于2015年出台“互联网+”的指导政策，并于2017年发布《国务院关于积极推进 “互联网+”行动的指导意见》，将 “互联网+智慧能源”作为相关领域的重点发展计划，除此之外《物联网“十二五”发展规划》、《中国制造2025》都为光伏能源联网的发展提供了有利的政策和规划。通讯系统作为光伏发电技术发展进程中不可缺少的部分，其发展对光伏技术的发展具有重要意义[3-4]。
本文针对电力线载波技术在光伏发电系统中的运用，在分析对比电力线载波技术和其他通讯技术方式的基础上研究了信号调制技术，在序列扩频的基础上提出了对Bernoulli序列进行重构、以提高和改进扩频序列混沌系数，并通过MATLAB仿真验证了其低误码率特性。
2 光伏发电系统通讯技术
在光伏发电系统中，短距离通讯方式根据传输媒介的不同可以分为有线通讯方式和无线通讯方式[7-9]。
2.1 无线通讯方式
a）WiFi。作为目前运用最普遍的一种通讯方式，其最大传输速率可达54Mbps，具有无线输入、传输范围广等优点，但成本较高，同时光伏发电系统中具有众多光伏面板以及电器等设备节点，因此必然带来巨大的成本，固然不适合在该系统广泛使用。
b）GPRS。其原理是以全球移动通信系统为基础，是一种无线分组交换技术，主要用在监控和无线数据采集系统中，其优点主要包括频带宽、覆盖范围广等特点，然而GPRS永远在线，且数据发送需要付费，其弊端与WiFi技术相同。
c）蓝牙。“蓝牙”是一种开放的短距离无线通信标准，具有传输距离短、快速实现跳频、时分复用、发射功率自适应等特点，但由于“蓝牙”使用“管理型网络洪泛技术”，在大规模网络中容易造成较高延迟和功耗开销等问题。
2.2 有线通讯方式
a）光纤通讯。光导纤维是光纤通讯方式的主要媒介，具有宽带长、信息容量大、传输损耗小，通讯距离长、信号质量受干扰小、较高保密性、线路质量轻等优点，但实际使用时需铺设光缆，因此不适合在光伏发电这样的庞大系统中使用。
b）工业数据总线通讯。以RS485为代表的总线通讯是目前光伏系统中常用的通讯方式，其优点组要包括有通讯可靠、稳定性能强等优点，但通讯速率相对较低，且需要大量人力铺设和维修，由于对前期的人工和后期的维修都存在较高要求，因此也不适合在光伏发电中广泛应用。
c）电力线载波通讯。电力线载波通讯技术（Power Line Communication，PLC）是以输电线为载波信号的传输媒介的通讯技术。其最大优点在于不需要为通讯架设额外的光纤、电缆等，而只要通过已经存在的电力线网络就能够直接完成数据传输，由此省去了线路铺设的投资、人工成本和维护成本。此外，PLC技术还具有实时在线和通讯范围广泛等优点。在庞大的光伏发电系统中，电力线载波的特殊传输媒介能够为通讯系统提供可靠的保障，同时省掉了前期的布线工作，是一种潜在的光伏发电系统数据传输技术[10-11]。
2.3 电力线载波技术特性
电力线载波技术具有衰减特性、噪声特性和阻抗特性，本节主要从这几个方面阐述低压电力线载波技术[12-14]。
a）衰减特性。电力线载波技术在数据传输的媒介上具有独特的优势，然而电力线并非数据传输的专有媒介，因此其数据衰减受到众多因素的干扰，其中主要包括：电网线路分支情况，信道介质，线路年限和老化情况以及长距离传输和耦合解耦器件。
b）噪声干扰。电力线传输媒介所处的天气、闪电等问题会对电力线信号的传输产生噪声。同时，在电网内部，电网结构、电力系统负载情况以及电力网络本身存在的噪声也会对电力线信号的传输产生影响。其中，电网内部的噪声对数据传输产生的影响尤为严重。
c）阻抗特性。由于电力网络属于开放性网络，电网中存在众多分支。因此，随着电网用户自行添加不同介质的传输媒介以及添加不同特性的负载，使得网络的阻抗特性尤为复杂。然而，大量研究和实验表明，在电网中，当数据传输频率在1~30MHz以内时，输入阻抗随着频率的增加而增大。因此对相应网络的阻抗预测和阻抗进行匹配是保证电力线载波技术的光伏发电系统中运用的一大关键技术。目前，国外一些专业学者已经计算出用于计算阻抗并进行阻抗匹配的算法，然而，由于我国的电网质量相对较差，电网供电以及负载情况存在很大的差异性，因此国外学者所研究的相关算法在我国并不适用。我国学者在研究相关技术时，通常将电网阻抗设置为75Ω[10]。
3 电力线载波调制方案研究
3.1 键控法调制技术
传统通信中，最为常用的键控法有频移键控（Frequency-shift Keying，FSK）、相移键控（Phase-shift Keying，PSK）以及幅移键控（Amplitude-shift Keying，ASK）。FSK，PSK和ASK的原理如图1所示，通过正弦信号的三个主要属性，即频率，相位和赋值的变化来表示所要传递的信息 [15]。
（a）频移键控示意图
（b）相移键控示意图
（c）幅移键控示意图
图1 键控调制技术原理图
3.2 正交频分复用技术（OFDM）
正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种多载波通信技术，任意两条在OFDM通讯系统中的子信道在时域上叠加之后所得的结果为“0”；同时在频域上最大限制的使用了信道宽度[16]。正交频分复用技术在时域上的特性能够通过式（3.1）表示，其中，N表示信道个数。
（3.1）
（3.2）
T表示符号周期， W表示的是信号宽度，两者之间的关系可表示为式（3.3）：
（3.3）
（3.4）
式中，R代表数据的传输速率，其单位是bit/s，M表示调制字符的量，此时，频谱效率的值可由式（3.5）计算得到，其单位为bit/s/Hz：
（3.5）
在OFDM技术中，通过（3.6）表示符号周期T与信号宽带之间的关系。
（3.6）
根据上述分析可以得到，在OFDM技术中，可用式（3.7）表示频谱效率。
（3.7）
根据式（3.5）以及（3.7）的推倒计算可知，在OFDM中，可以通过提高信道个数的方式，来提高频谱效率。式（3.7）用来表示一个OFDM的符号。
（3.8）
其中，T表示信号的时间宽度，fi是第i个子信道上的载波频率，
。OFDM的基本框图可表示为图2。
图2 OFDM传输技术基本框图
3.3 扩频调制技术
a) 扩频调制原理。扩频通信的基本原理是在数据传输的发射端通过独立的扩频序列对经过调制的数字信号进行二次调制，使得信息传输所占用的带宽与原始数据相比增长了上百倍，然后经过载波调制再通过数据传输媒介发送出去；在数据传输的接收端，通过同样的码序列解扩经过调制的信号，然后经过滤波和解码，将接收到的信息还原至有效数据，其原理如图3所示[17]。
图3 扩频通信原理图
根据扩频通讯原理可知，数字信号经过扩频调制和载波调制，在经过有噪声的信道时，与噪声相耦合，在接收端，数字信号与噪声一起经过解扩，由于噪声和数字信号一样经过了频谱扩展，因此其功率密度减小，再经过滤波处理后噪声的功率密度已经大幅度衰减。
在扩频通信技术中，数据信号经过扩频序列对需要传输的数据信号进行频率扩展，有利于降低信号传输过程中之信噪比。因此在扩频通信技术中，合理的选用和处理扩频序列是该技术的核心问题。传统的扩频通信技术中使用的扩频序列包括m序列和Gold序列，这些序列存在的问题在于低复杂度、有限的码字数量、较差的保密性等。因此寻求性能优良的、高复杂度、不易截获的序列成为扩频技术发展中的热点，在这个过程中，混沌扩频通讯的研究脱颖而出[16]。
b) 差分混沌键控技术。目前，常用的混沌数字键控技术主要有混沌通断键控（COOK）、混沌键控（CSK）和差分混沌键控（DCSK）。COOK和CSK在通讯速率和数据加密上要优于DCSK，属于相干检测法；DCSK属于非相干检测，混沌序列无需同步，根据数据接收的特性来判断原始数据传输。差分混沌键控的原理是引入了参考调制方式，对原始数据传输的每个比特采用两段混沌信号表示。具体操作是将前T/2的混沌序列作为参考信号，将后T/2的混沌序列作为数据信号，当参考信号和数据信号相等时，即表示该比特数据为“1”，当参考信号和比特数据相反时，即表示该比特数据为“0”。DCSK的通信原理如图4所示[18]。
图4 差分混沌键控系统框图
在图4中，将基本脉冲信号用r(t)表示，脉冲周期用T表示，b∈{1，-1}代表传输数据第k个比特数据的特性，tdelay代表前后脉冲边沿的相对延时的值，那么，DCSK的调制模型可用式（3.9）表示。
（3.9）
在混沌通信系统中，混沌映射用于产生混沌序列，常用的混沌映射有Logistic混沌映射、Cubic混沌映射、Skew tent混沌映射、Henon混沌映射以及Bernoulli混沌映射等。在光伏发电系统中，通讯系统对数据传输的安全性有严格的要求，电力线载波通过合适的序列扩频不仅能够有效的增加通讯速率，还能通过序列的随机性/混沌性保证数据传输的安全。
4 总结
本文对电力线载波原理、特性进行了介绍，并与其他常用通讯方式的相关特点进行了分析对比。本文同时分析了了几种常用的信号调制方式，从数据传输的高速率要求和安全特性分析了电力线载波技术的光伏发电系统中运用的可行性和优越性
参考文献：
[1]中华人民共和国国家能源局. 2015年光伏发电相关统计数据[R]. 2016.2.5.
[2]中华人民共和国国家能源局. 2016年光伏发电相关统计数据[R]. 2017.2.4.
[3]董朝阳， 赵俊华， 文福栓. 从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架[J]. 电气系统自动化， 2014，(12):1-11
[4]张乐平，叶轩，王吉等. 分布式发电系统中的数据采集方法研究[J]. 可再生能源，2017，35(8): 1203-1207.
[5]中华人民共和国国家能源局. 电力发展“十三五”规划[R]. 2016.11.7.
[6]陈同浩，刘永成，李坤，等. 基于 ZigBee 的分布式光伏发电监控系统的设计与实现[J]. 自动化技术与应用， 2017， 36(10): 73-76.
[7]陈启鑫，刘敦楠，林今，等. 能源互联网的商业模式与市场机制（一）[J]. 电网技术，2015(11): 3050-3056.
[8]Ricardo Mazza Zago， Fabiano Fruett. A low-cost solar generation monitoring system suitable for internet of things [C].//2nd International Symposium on Instrumentation Systems， Circuits and Transducers (INSCIT). IEEE, 2017: 1-6.
[9]Saroj Mondal, Roy Paily. On-Chip Photovoltaic Power Harvesting System with Low-Overhead Adaptive MPPT for IoT Nodes [J]. IEEE Internet of Things Journal， 2017(4)，pp:1624-1633.
[10]张友运. 影响电力线载波通信信道特性的相关因素[J]. 无线互联科技， 2017 (14): 7-8.
[11]胡江，樊明哲. 我国电力线载波通信技术的发展及现状分析[J]. 科技资讯， 2017 (19): 30-31.
[12]Songnong L， Dong L， Hongliang S， et al. Modeling of High-Frequency Low Voltage Power Line Carrier Communication Channel[C].//2017 International Conference on Computer Network， Electronic and Automation (ICCNEA). IEEE， 2017: 396-399.
[13]Jun Y， Hongliang S， Songnong L， et al. Simulation Study Low Voltage Power Line Carrier Communication in Noisy Environments[C].//2017 International Conference on Computer Network， Electronic and Automation (ICCNEA). IEEE， 2017: 392-395.
[14]Hongliang S， Songnong L， Jun Y， et al. Research on Low Voltage Power Line Carrier Communication Test Environment[C].//2017 International Conference on Computer Network， Electronic and Automation (ICCNEA). IEEE， 2017: 495-498.
[15]Snyders A J， van Rensburg P A J， Ferreira H C. M-FSK Carrier Gain Adjustment for Improved Power-Line Communications [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2010， 25(2): 674-679.
[16]Xiang C， Runze W， Min C. Research of OFDM power line carrier communication based on AMI [J]. 2011.
[17]王芳， 张士兵， 王振朝. 低压电力线载波通信调制解调技术研究[J]. 電視技術， 2010， 34(5): 69-72.
[18]Sarkar S J， Kundu P K， Sarkar G. Comparison of the performance of DCSK for PLCC with and without data compression[C].//Intelligent Control Power and Instrumentation (ICICPI)， International Conference on. IEEE， 2016: 246-250.
作者简介：
郝喜锋（1984- ），男，工程师，主要研究方向为光伏发电系统数据传输技术，E-mail:haoxifeng@csic711.com
论文作者:郝喜锋,代玉涛,卫冬升
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/7/31
标签：电力线论文; 载波论文; 技术论文; 混沌论文; 通讯论文; 光伏论文; 序列论文; 《电力设备》2018年第11期论文;