雖然圍繞智能電網的創建和部署仍然存在許多問題，但對可靠通信基礎設施的需求是無可爭辯的。IEEE 1901.2 標準的開發人員確定了低頻電力線通信的困難信道條件特征，并使用先進的調制和信道編碼技術實現了正交頻分復用 （OFDM） 架構。這一策略有助于確保智能電網的通信網絡穩健。

2009年智能電網通信標準IEEE P1901.2的想法開始形成。IEEE P1901.2的概念是眾多一級半導體制造商和全球能源供應商合作的結果，他們尋求開發一種標準支持的公用事業通信解決方案，該解決方案在所有國家的所有介質中都是100%可靠的。使IEEE P1901.2成為現實是一項大膽而復雜的工作，繼續需要所有相關人員的靈巧操作。

該標準的開發人員面臨著一項艱巨的任務——既要滿足現有和新增加的當前要求，又要滿足 10 到 20 年的前瞻性要求。此外，該標準需要彌補關鍵的挑戰和障礙，例如惡劣的低壓、中壓和變壓器通道條件，這些條件傳統上阻礙了高數據速率、穩健的直通變壓器電力線通信（PLC）。可靠、高效的通信解決方案對于成功實現智能電網至關重要。

可編程控制器問題

更新公用電網通信所涉及的障礙可以追溯到很多年前。早在“智能電網”、“智能電表”、“電表”、“EV”（電動汽車）和“PEV”（插電式電動汽車）成為人們熟悉的術語之前，公用事業公司就開始研究其最基本的運營挑戰之一的潛在解決方案：在惡劣的環境中可靠地保持高效通信。

對于低頻 （LF） PLC，除了線路阻抗變化之外，負信噪比 （SNR） 條件是一個公認的預期問題;對于通過變壓器的PLC，50dB或更高的信號衰減也很常見。通常，對于PLC，通道特性和參數隨頻率，位置，時間和連接到它的設備類型而變化。此外，電源線是一個非常頻率選擇性的通道，通道噪聲、背景噪聲和脈沖噪聲通常發生在 50Hz/60Hz 處，群延遲持續長達數百微秒。

LF PLC必須工作的這些條件可以從線路上的測量中得到最好的理解，從低壓線路上的通道噪聲開始，如圖1所示。

圖1.低壓線路上的信道噪聲。圖片由德州儀器提供。

添加了背景噪音：

圖 2 顯示了其中 Κ 具有正態分布 N（μ，σ），μ = 5.64，σ = 0.5，? 是以 Hz 為單位的頻率。

圖2.背景噪音。

圖3顯示了脈沖噪聲，其中兩個突發之間的時間是一個指數分布的隨機變量，每個突發噪聲的持續時間是另一個具有指數分布的隨機變量。

圖3.脈沖噪聲分布。

OFDM 提供強大的通信

為了克服低頻電力線中經常觀察到的困難信道條件，IEEE 1901.2 LF PLC 采用正交頻分復用 （OFDM） 架構，使用先進的調制和信道編碼技術，以有效利用歐洲電工標準化委員會 （CENELEC）、無線電工業和商業協會 （ARIB） 和聯邦通信委員會 （FCC） 頻段的有限帶寬。

這種 OFDM 架構有助于通過電力線通道進行深度魯棒的通信。允許的帶寬分為多個子通道，這些子通道可以看作是具有不同非干擾（正交）載波頻率的許多獨立相移鍵控（PSK）調制載波。此外，卷積和里德-所羅門（RS）編碼提供冗余位，允許接收器恢復由背景和脈沖噪聲引起的丟失位。然后使用時頻交錯方案來降低解碼器輸入端接收噪聲的相關性，從而提供多樣性。

該系統對由差分編碼相位調制產生的復值信號點執行逆快速傅里葉變換（IFFT），包括差分二進制（DBPSK）、差分正交（DQPSK）和差分八元（D8PSK），并分配給生成OFDM信號的各個子載波。OFDM 符號是通過在 IFFT 生成的每個塊的開頭附加一個循環前綴來構建的。選擇循環前綴的長度，使信道群延遲不會引起連續的OFDM符號或相鄰子載波干擾，并使用盲信道估計器技術進行鏈路自適應。根據接收到的信號質量，接收器決定使用哪種調制方案。此外，該系統區分信噪比差的子載波，并且不會在其上傳輸數據。 系統框圖如圖4所示。

圖4.前向糾錯框圖。

每個模塊在消除通道中的噪聲方面都起著重要作用。前向糾錯（FEC）編碼器包括一個擾頻，后跟一個RS編碼器和一個卷積編碼器。在魯棒模式下，在卷積編碼器之后使用額外的編碼器重復碼（RC）在卷積編碼器的輸出端重復位。

加擾器塊為數據和幀控制標頭 （FCH） 提供隨機分布。數據和 FCH 流是“異或”的，使用以下生成器多項式使用重復的偽隨機噪聲序列：

如圖 5 所示。

圖5.數據加擾器。

加擾器中的位在開始處理每個物理幀時初始化為所有其他位，并且加擾器針對 FCH 和數據重新初始化。加擾器不是 FEC 的關鍵部分;但是，重要的是成為一個經過驗證的解決方案，能夠生成具有良好自相關的非常隨機的序列。

來自擾頻器的數據由縮短的系統 RS 代碼編碼：

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

代碼生成器多項式：

（公式3）

場發生器多項式：p（x） = x8 + x4 + x3 + x2 + 1

對于卷積編碼，使用二分之一的速率，約束為 K = 7，并在幀末尾插入六個尾位，將編碼器返回到狀態零，如圖 6 所示。

圖6.卷積編碼器。

對于圖 7 中得到的性能圖，決定使用哪種解決方案是基于仔細的仿真和研究，比較其他方法（如低密度奇偶校驗代碼）。

圖7.模擬 BER 與 SNR 性能改進，并增加了糾錯功能。

使用以下參數，所有結果都顯示了串聯代碼對于LF PLC系統中典型的低塊大小的優勢：

塊大小（標題和日期）

FEC 編碼器 - 串聯（指定編碼速率為二分之一、三分之一等）

重復率（例如，1、2、4、8）

通道響應（如可變或平坦）

目標錯誤率（擦除、0%、5%、10% 等）

由此產生的IEEE 1901.2解決方案結合了多種糾錯機制，以確保使用RS解碼（糾正脈沖噪聲引起的錯誤）和Viterbi解碼（糾正白噪聲引起的錯誤）進行可靠通信，并結合重復編碼和時間/頻率交錯，以提高魯棒性，以對抗脈沖噪聲，干擾音和頻率衰落。

IEEE 1901.2 和智能電網

世界正在繼續朝著更智能、更可靠、更自我修復的電網的實際實施方向發展，它對行業和消費者的好處都是眾所周知的，也是有據可查的。從輸配電到家庭自動化，它有望實現更清潔、更安全、更可靠的能源未來。然而，廣泛部署尚未成為現實，我們如何最終實現智能電網的問題仍在回答中。

顯而易見的是，新興的智能電網將需要強大的技術框架，能夠管理與其部署和運營相關的各種復雜性。智能電網最重要的關鍵任務推動因素之一是可靠的通信基礎設施;沒有這一基本基礎，無處不在的實施將繼續受到阻礙。

由于電力線是傳統電網中最普遍的元素之一，PLC是實現支持智能電網所需的龐大通信網絡的理想且經濟高效的解決方案。事實上，PLC已經代表了智能計量中最廣泛采用的通信介質。然而，為了繼續推進智能電網的發展，需要廣泛采用靈活、前瞻性和全球公認的通信標準，如IEEE 1902.1。

隨著這些標準的可用性和采用，可以克服智能電網面臨的復雜挑戰。事實上，智能電網所預示的前景、潛力和機遇將真正觸手可及。

審核編輯：郭婷