為智能電表選擇適合的PLC調制解調器方案

近年來(lái)，在綠色節能意識的推動(dòng)下，以智能電表為核心的智能電網(wǎng)成為歐美日中等諸多國家競相發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。如歐盟委員會(huì )強制要求2022年前所有歐盟成員國的電表都替換為智能儀表。美國也計劃在每個(gè)家庭都安裝智能儀表。中國也在2009年5月開(kāi)始提出構建堅強智能電網(wǎng)的構想，準備投資高達4萬(wàn)億元，計劃經(jīng)歷當前的試點(diǎn)和2011年開(kāi)始的全面建設等階段后，到2020年基本實(shí)現構想。在此推動(dòng)下，電網(wǎng)技術(shù)面臨著(zhù)一場(chǎng)重要的革命，而不只是簡(jiǎn)單的技術(shù)演進(jìn)。

表1：傳統電網(wǎng)與新的智能電網(wǎng)之間的簡(jiǎn)單對比。

在智能電網(wǎng)中，智能電表發(fā)揮關(guān)鍵的作用，可以使用戶(hù)與電力系統之間實(shí)現互動(dòng)。如一方面幫助電力機構精確了解用戶(hù)的用電規律，為高峰用電或低谷用電設定差異化的電價(jià)；另一方面，用戶(hù)也可以合理調整自己的用電計劃，從而優(yōu)化電費支出。從功能模塊來(lái)看，智能電表除了電源和計量模塊外，還涉及到數據存儲功能，需采用安全可靠的存儲器；此外，雙向實(shí)時(shí)通信是智能電網(wǎng)的重要特征，故通信模塊至關(guān)重要，需要選擇適合的通信方式及相應的最佳解決方案。

實(shí)際上，智能電網(wǎng)是一個(gè)龐大系統，涉及電力、通信及應用等多個(gè)層次，以及局域網(wǎng)(LAN)和廣域網(wǎng)(WAN)等不同網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型。其中，LAN連接家庭或建筑物內的不同類(lèi)型的智能電表到數據集中器(concentrator)。就這一段的網(wǎng)絡(luò )連接而言，通常它們對通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本，常見(jiàn)的通信方式有無(wú)線(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò )，或有線(xiàn)的電力線(xiàn)載波(PLC)或電力線(xiàn)寬帶(BPL )等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國電網(wǎng)實(shí)際狀況等因素，同時(shí)先行先試國家的做法也會(huì )提供借鑒意義。

圖1：法國EDF旗下公司法國配電公司(ERDF)的Linky項目簡(jiǎn)略示意圖。

例如，在歐洲能源市場(chǎng)有重要影響力的法國電力(Electricité de France, EDF)于2009年中啟動(dòng)了當前世界上最大的智能電表項目Linky，計劃到2017年在法國部署3,500萬(wàn)個(gè)智能電表。這個(gè)項目為智能電表到數據集中器之間的通信選擇了PLC技術(shù)，然后再利用通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)將數據傳送到該公司的數據中心?？紤]到中國的智能電網(wǎng)仍在試點(diǎn)階段，法國ERDF的選擇對中國等其他國家也具有借鑒意義。

PLC調制技術(shù)的選擇
雖然PLC技術(shù)提供了一種低成本的選擇，但電力線(xiàn)的初衷并不是用于通信，故在應用PLC通信時(shí)也面臨一些挑戰。特別是設計人員需要密切注意會(huì )出現的信號衰減和噪聲問(wèn)題，反之也要求復雜的收發(fā)器技術(shù)。

為了抑制由噪聲導致的信號衰減，降低誤碼率，并改善頻率效率，有必要利用適合的信號調制技術(shù)。實(shí)際上，電力機構在部署智能電表抄表系統時(shí)，有多種不同的調制方式，但主要的有三種，分別是正交頻分復用(OFDM)、相移鍵控(PSK)和擴頻型頻移鍵控(S-FSK)。

OFDM的理論帶寬較高，但實(shí)際上在低壓網(wǎng)絡(luò )中的噪聲條件下會(huì )損失很大一部分的帶寬，而且OFDM的應用成本較高，工作時(shí)還消耗可觀(guān)的電能。PSK調制技術(shù)的應用成本很低，但不是特別可靠，性能會(huì )受到相位噪聲影響，而且無(wú)法充分覆蓋較長(cháng)距離。相比較而言，雖然S-FSK的數據率比OFDM低，但更勝任智能電表應用。這種調制技術(shù)能實(shí)現可靠的通信，同時(shí)應用成本更低，消耗的電能也更少。因此，就當前的智能電網(wǎng)PLC應用而言，復雜度低、商用潛力更大及有可靠現場(chǎng)應用記錄的S-FSK調制技術(shù)無(wú)疑是更適合的選擇。

實(shí)際上，法國ERDF的Linky項目規范中，物理層參考規范是IEC61334-5-1/EN50065，其中規定的調制技術(shù)就是S-FSK，通信頻率為標記頻率(mark frequency, Fm) 63.3 kHz和空頻(space frequency, Fs) 74 kHz，傳輸速率2.4 Kbps，并與50 Hz電氣網(wǎng)絡(luò )頻率物理同步。

安森美半導體PLC調制解調器的應用優(yōu)勢
安森美半導體在開(kāi)發(fā)PLC調制解調器方面擁有較長(cháng)的歷史。速率1.2 kb的AMIS-30585為早前推出，最初開(kāi)發(fā)時(shí)就符合IEC 61334標準(SFSK規范)，迄今已歷經(jīng)8年的現場(chǎng)應用檢驗。新近推出的AMIS-49587是一款高集成度、符合標準的低功率PLC方案，支持PLC現場(chǎng)部署要求的4種不同模式，如NO_CONFIG、MASTER(集中器)、SLAVE(電表)和SPY(給測試人員的原始數據)，非常適合智能電表以及智能街燈和智能插座等應用。與AMIS-30585相比，AMIS-49587支持2.4 kb的更高半雙工可調節通信速率速率，符合諸如ERDF規范這樣的市場(chǎng)新要求，目前已經(jīng)獲得法國原設備制造商(OEM)的先期使用，在中國也已獲得數家領(lǐng)先電表客戶(hù)的選用。兩款器件引腳對引腳兼容，為客戶(hù)提供了更大的設計便利。

AMIS-49587符合IEC61334-5-1標準，為客戶(hù)提供眾多應用優(yōu)勢。例如，這器件基于A(yíng)RM7TDMI處理器內核，同時(shí)包含物理接口收發(fā)器(PHY)和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)層，使其以單芯片方案結合了模擬調制解調器前端和數字后處理功能，而大多數競爭方案需要復雜的嵌入式軟件來(lái)執行與AMIS-49587相同的功能。設計人員使用AMIS-49587調制解調器，可以簡(jiǎn)化設計，能在不到一個(gè)季度的時(shí)間內開(kāi)發(fā)出全套互操作PLC方案，還降低開(kāi)發(fā)及應用成本。實(shí)際上，基于A(yíng)MIS-49587的調制解調器方案中僅使用2顆IC(另一顆為NCS5650 2 A PLC線(xiàn)路驅動(dòng)器)，外加16顆電阻、17顆電容、2個(gè)二極管、1個(gè)晶體和1個(gè)脈沖變壓器，總元件數量?jì)H為39個(gè)，提供低物料單(BOM)成本。