智能電網(wǎng)和智能電表的解決方案

　　智能電網(wǎng)建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò )基礎之上，旨在利用先進(jìn)傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)設備技術(shù)、先進(jìn)控制方法，以及先進(jìn)決策支持系統技術(shù)，實(shí)現電網(wǎng)可靠、 安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的高效運行。本文將談及智能電網(wǎng)及智能電表市場(chǎng)，并介紹作為應用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應商安森美半導體的智能電網(wǎng)及智能電表解決方案。

　　高速發(fā)展的智能電網(wǎng)及智能電表市場(chǎng)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)成為世界各國競相發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。發(fā)展智能電網(wǎng)也能讓公用事業(yè) 機構及用戶(hù)受益。如智能電網(wǎng)可幫助電力機構降低運營(yíng)支出、減少竊電、優(yōu)化運營(yíng)及即時(shí)響應用戶(hù)需求等。用戶(hù)也有機會(huì )享受到更靈活的定價(jià)，因網(wǎng)絡(luò )計量節省成本 及幫助實(shí)現家庭自動(dòng)化等。此外，智能電網(wǎng)的發(fā)展還面臨其它一些有利因素，如管制放松加劇競爭、各種無(wú)線(xiàn)標準(ZigBee、PLC、Wi-Fi、 WiMax和蜂窩移動(dòng)通信等)爭相涌現等。

　　在這些有利因素的推動(dòng)下，智能電網(wǎng)的發(fā)展前景頗受看好。以智能電表為例，預計全球出貨將從2008年的僅數百萬(wàn)部增長(cháng)至2014年的約5,000萬(wàn)部，年 復合增長(cháng)率(CAGR)高達48%。而從技術(shù)趨勢來(lái)看，未來(lái)將超向雙向實(shí)時(shí)通信、開(kāi)放式平臺/模塊化服務(wù)。系統集成也將是重要的未來(lái)趨勢，預計可更新、插 電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)以及家庭自動(dòng)化等將集成到智能電網(wǎng)系統之中。智能電表也將超向采用先進(jìn)計量體系(AMI)，并成為未來(lái)家庭區域網(wǎng)絡(luò ) (HAN)的組成部分。

　　安森美半導體基于A(yíng)MIS-49587和NCS5650的智能電表解決方案用于電能輸送的中低壓交流配電線(xiàn)也可作為數據通信的傳輸介質(zhì)。電力線(xiàn)載波(PLC)通信技術(shù)就是通過(guò)載波方式在配電線(xiàn)上高速傳輸模擬或數字信號的技術(shù)。利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信不需要重新布線(xiàn)，信號不會(huì )因為通過(guò)建筑物墻 壁被衰減和屏蔽，成本更為低廉，這使該技術(shù)在電表自動(dòng)抄表系統、燈光控制等諸多領(lǐng)域備受青睞。

　　安森美半導體針對低/中壓電力線(xiàn)數據通信開(kāi)發(fā)了擴頻型移頻鍵控(S-FSK)PLC調制解調器(Modem)——AMIS-49587。它是一個(gè)高集成 度、符合IEC61334標準的低功率PLC方案，適用于智能電網(wǎng)自動(dòng)讀表及管理、街道照明控制、智能電力插頭(powerplug)和建筑物自動(dòng)化等。 這是安森美半導體既早期的AMIS-30585之后發(fā)展到第二代PLC調制解調器產(chǎn)品，其核心是一個(gè)32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運 行S-FSK調制解調的算法，同時(shí)也管理與外部MCU的通信。該器件包含了所有S-FSK信號處理、MCU接口管理等模擬、數字部分。AMIS- 49587支持先進(jìn)計量體系(AMI)，用于公用事業(yè)機構與電表之間的雙向通信，支持遠程讀表、斷開(kāi)開(kāi)關(guān)連接及負載控制。目前全球26.5億部電表中僅有 約8%是自動(dòng)化電表，故AMIS-49587這樣的支持智能電表應用的調制解調器芯片應用前景非常廣闊。

　　AMIS-49587是采用S-FSK調制方式及精確濾波的窄帶PLC收發(fā)器，可實(shí)現長(cháng)距離電力線(xiàn)的強固低數據率通信，以及2,400bps的半雙工可調 節速率通信。不到20kHz的低工作頻率及自動(dòng)中繼器(repeater)功能，令通信更加可靠，通信誤差比現有方案更低。該器件是目前唯一在工業(yè)現場(chǎng)有 超過(guò)8年的成功應用驗證的器件。

　　AMIS-49587利用安森美半導體的混合信號技術(shù)，在一個(gè)集成電路中集成了模擬調制解調器前端和數字后處理功能。其最突出的特點(diǎn)在于，作為PLC收發(fā) 器，除了完成物理層S-FSK信號的收發(fā)、調制解調外，它還包含了媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)子層的處理，使設計人員無(wú)需涉及PHY和MAC協(xié)議傳輸細節問(wèn) 題，把更多精力放在應用層的開(kāi)發(fā)，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。

　　智能電網(wǎng)建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò )基礎之上，旨在利用先進(jìn)傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)設備技術(shù)、先進(jìn)控制方法，以及先進(jìn)決策支持系統技術(shù)，實(shí)現電網(wǎng)可靠、 安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的高效運行。本文將談及智能電網(wǎng)及智能電表市場(chǎng)，并介紹作為應用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應商安森美半導體的智能電網(wǎng)及智能電表解決方案。

　　高速發(fā)展的智能電網(wǎng)及智能電表市場(chǎng)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)成為世界各國競相發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。發(fā)展智能電網(wǎng)也能讓公用事業(yè) 機構及用戶(hù)受益。如智能電網(wǎng)可幫助電力機構降低運營(yíng)支出、減少竊電、優(yōu)化運營(yíng)及即時(shí)響應用戶(hù)需求等。用戶(hù)也有機會(huì )享受到更靈活的定價(jià)，因網(wǎng)絡(luò )計量節省成本 及幫助實(shí)現家庭自動(dòng)化等。此外，智能電網(wǎng)的發(fā)展還面臨其它一些有利因素，如管制放松加劇競爭、各種無(wú)線(xiàn)標準(ZigBee、PLC、Wi-Fi、 WiMax和蜂窩移動(dòng)通信等)爭相涌現等。

　　在這些有利因素的推動(dòng)下，智能電網(wǎng)的發(fā)展前景頗受看好。以智能電表為例，預計全球出貨將從2008年的僅數百萬(wàn)部增長(cháng)至2014年的約5,000萬(wàn)部，年 復合增長(cháng)率(CAGR)高達48%。而從技術(shù)趨勢來(lái)看，未來(lái)將超向雙向實(shí)時(shí)通信、開(kāi)放式平臺/模塊化服務(wù)。系統集成也將是重要的未來(lái)趨勢，預計可更新、插 電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)以及家庭自動(dòng)化等將集成到智能電網(wǎng)系統之中。智能電表也將超向采用先進(jìn)計量體系(AMI)，并成為未來(lái)家庭區域網(wǎng)絡(luò ) (HAN)的組成部分。

　　安森美半導體基于A(yíng)MIS-49587和NCS5650的智能電表解決方案用于電能輸送的中低壓交流配電線(xiàn)也可作為數據通信的傳輸介質(zhì)。電力線(xiàn)載波(PLC)通信技術(shù)就是通過(guò)載波方式在配電線(xiàn)上高速傳輸模擬或數字信號的技術(shù)。利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信不需要重新布線(xiàn)，信號不會(huì )因為通過(guò)建筑物墻 壁被衰減和屏蔽，成本更為低廉，這使該技術(shù)在電表自動(dòng)抄表系統、燈光控制等諸多領(lǐng)域備受青睞。

　　安森美半導體針對低/中壓電力線(xiàn)數據通信開(kāi)發(fā)了擴頻型移頻鍵控(S-FSK)PLC調制解調器(Modem)——AMIS-49587。它是一個(gè)高集成 度、符合IEC61334標準的低功率PLC方案，適用于智能電網(wǎng)自動(dòng)讀表及管理、街道照明控制、智能電力插頭(powerplug)和建筑物自動(dòng)化等。 這是安森美半導體既早期的AMIS-30585之后發(fā)展到第二代PLC調制解調器產(chǎn)品，其核心是一個(gè)32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運 行S-FSK調制解調的算法，同時(shí)也管理與外部MCU的通信。該器件包含了所有S-FSK信號處理、MCU接口管理等模擬、數字部分。AMIS- 49587支持先進(jìn)計量體系(AMI)，用于公用事業(yè)機構與電表之間的雙向通信，支持遠程讀表、斷開(kāi)開(kāi)關(guān)連接及負載控制。目前全球26.5億部電表中僅有 約8%是自動(dòng)化電表，故AMIS-49587這樣的支持智能電表應用的調制解調器芯片應用前景非常廣闊。

　　AMIS-49587是采用S-FSK調制方式及精確濾波的窄帶PLC收發(fā)器，可實(shí)現長(cháng)距離電力線(xiàn)的強固低數據率通信，以及2,400bps的半雙工可調 節速率通信。不到20kHz的低工作頻率及自動(dòng)中繼器(repeater)功能，令通信更加可靠，通信誤差比現有方案更低。該器件是目前唯一在工業(yè)現場(chǎng)有 超過(guò)8年的成功應用驗證的器件。

　　AMIS-49587利用安森美半導體的混合信號技術(shù)，在一個(gè)集成電路中集成了模擬調制解調器前端和數字后處理功能。其最突出的特點(diǎn)在于，作為PLC收發(fā) 器，除了完成物理層S-FSK信號的收發(fā)、調制解調外，它還包含了媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)子層的處理，使設計人員無(wú)需涉及PHY和MAC協(xié)議傳輸細節問(wèn) 題，把更多精力放在應用層的開(kāi)發(fā)，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。

　　通過(guò)AMIS-49587進(jìn)行邏輯鏈路層(LLCLayer)數據包的交換，底層的幀頭、幀校驗等都會(huì )自動(dòng)添加。這在很大程度上減少了客戶(hù)軟件開(kāi)發(fā)工作 量，簡(jiǎn)化了設計，降低了開(kāi)發(fā)及應用成本，并加速上市進(jìn)程。這些優(yōu)勢使AMIS-49587成為完全滿(mǎn)足智能電網(wǎng)技術(shù)要求的PLC通信核心器件。

　　此外，安森美半導體也為智能電表PLC線(xiàn)路驅動(dòng)應用推出一款高能效的A/B類(lèi)低失真線(xiàn)路驅動(dòng)器——NCS5650。這器件的電源電壓(VCC)為單端6至 12V或雙平衡±3.0至6.0V。NCS5650的設計經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，接收PLC調制解調器輸送的信號，輸出段設計成能夠驅動(dòng)高達2A的電流，經(jīng)隔離變壓器或簡(jiǎn)單的線(xiàn)圈耦合至交流主電源。

　　NCS5650符合PLC線(xiàn)路驅動(dòng)器的應用要求，提供重要的應用優(yōu)勢。如這器件針對歐洲電工標準化委員會(huì )(CENELEC)用于智能電表的A、B、C和D 頻段進(jìn)行了優(yōu)化，符合EN-50065規范，可用于直接耦合或按1：1、2：1變壓比耦合。NCS5650獨特的2A驅動(dòng)能力確保在很低電力線(xiàn)阻抗時(shí)也可 保持有效的通信。

　　NCS5650在電氣性能上也頗具優(yōu)勢。兩級運算放大可以實(shí)現700kHz的全功率帶寬，諧波失真也很低，僅為0.015%／1kHz。這器件的功耗也很 低，軌到軌壓差僅為0.5V，靜態(tài)電流僅為20mA，關(guān)斷模式下的電流僅為150A。

　　圖1是采用AMIS-49587的PLC解決方案框圖。該方案主要由PLCModem、AMIS-49587、驅動(dòng)放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

　　圖中紅色箭頭為PLC信號的發(fā)送路徑。AMIS-49587調制出的S-FSK信號由NCS5650放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線(xiàn)上。變壓器實(shí)現電壓變換和 阻抗匹配，也可用于強弱電的隔離。NCS5650除了信號功率放大外，其兩級運放結構還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對電力線(xiàn)接入設備有嚴格限 制的歐洲，只有增加類(lèi)似的濾波器，才能保證系統對電力線(xiàn)的高頻干擾注入滿(mǎn)足EN50065規范的要求。

　　藍色箭頭表示接收路徑。變壓器從電力線(xiàn)耦合過(guò)來(lái)的信號經(jīng)AMIS-49587內置放大器構成的低通濾波器由內部ARM進(jìn)行FSK解調分析。圖中黑色箭頭是 50Hz的過(guò)零檢測信號引腳。系統依靠這個(gè)信號進(jìn)行同步定時(shí)。圖中藍色虛線(xiàn)內是電表內的應用處理器，負責應用層處理通信及計量。

　　該方案的供電十分簡(jiǎn)單：一路12V電源為線(xiàn)路放大器供電，用于驅動(dòng)PLC信號耦合變壓器;一路3.3V電源給AMIS-49587供電。

　　安森美半導體應用于智能電表的完整解決方案安森美半導體應用于智能電表的方案包含一系列標準產(chǎn)品、專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)及專(zhuān)用集成電路(ASIC)， 可以提供智能電表的4種基本功能，包括：電源/電源管理、計量、寄存及通信，具體產(chǎn)品包括功率因數控制器、交流-直流(AC-DC)控制器、直流-直流 (DC-DC)控制器、穩壓器，MOSFET、整流器、三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件(TRIAC)，PLC調制解調器、線(xiàn)路驅動(dòng)器及信號放大器，濾波、輸入/ 輸出(I/O)及數據保護，LCD背光驅動(dòng)器，EEPROM存儲器，及智能卡接口等。

　　圖2是由安森美半導體的多種器件(圖中綠色部分)構成的智能電表應用。

　　如圖2所示，構成智能電表應用的安森美半導體產(chǎn)品很多，除了上述AMIS-49587PLC調制解調器和NCS5650PLC線(xiàn)路驅動(dòng)器，還包括：輸入/ 輸出保護(用于電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)濾波的數據濾波器、ESD保護二極管及陣列、用于電流和電壓管理的電壓監測器)、輸入/輸出接口(數據濾波器、PLL時(shí)鐘產(chǎn)生器)、智能卡和SIM卡接口、I/O擴展器、電壓保護器件(二極管及整流器、瞬態(tài)電壓抑制器)、運算放大器和比較器、功率放 大器、電力線(xiàn)調制解調器、EEPROM和SRAM存儲器、LCD背光驅動(dòng)器及圖像/環(huán)境光傳感器、輸入橋整流器、穩壓開(kāi)關(guān)(交流-直流控制器和穩壓器)、 輸出整流/同步整流(肖特基二極管及整流器)、線(xiàn)性穩壓開(kāi)關(guān)(電壓參考、顯示驅動(dòng)器、控制器、線(xiàn)性穩壓器、轉換器、電荷泵)等。

　　其中，用于輸入/輸出保護的數據濾波器NUF2042XV6是專(zhuān)為需要線(xiàn)路終端、EMI濾波和ESD保護的應用開(kāi)發(fā)的單芯片器件，其雙向EMI可防止進(jìn) /出系統的噪聲，并節約元件成本。用于電壓保護的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)P6KE6系列可以防止電壓敏感元件受到高電壓、高能量瞬變的影響，具有良好的 鉗位能力、高浪涌能力、低阻抗齊納和快速響應時(shí)間等特點(diǎn)。

　　NOA1302是集成了16位ADC和2線(xiàn)I2C數字接口的寬動(dòng)態(tài)范圍環(huán)境光傳感器(ALS)， 采用可編程集成優(yōu)化噪聲性能，可在近0lux至超過(guò)100,000lux的范圍內提供線(xiàn)性響應;該傳感器采用安森美半導體專(zhuān)有的CMOS圖像傳感技術(shù)，提 供低噪聲和高動(dòng)態(tài)范圍輸出信號和類(lèi)似人眼反應的光響應。

　　總結在開(kāi)發(fā)智能電網(wǎng)和智能電表時(shí)，設計人員需要選擇適用的解決方案。安森美半導體為智能電網(wǎng)及智能電表應用提供的各種解決方案均符合各種標準及客戶(hù)規范， 具備簡(jiǎn)化設計、降低成本、降低耗電、提供可靠通信及加快上市進(jìn)程等諸多優(yōu)勢。