???? 智能電網(wǎng)的概念在全球范圍內(nèi)逐漸得到廣泛認(rèn)同，而智能電表使電能的消費和供應(yīng)實現(xiàn)優(yōu)化、可控，已成為智能電網(wǎng)概念中必不可少的組成部分。近年來，智能電表陸續(xù)在許多國家展開大規(guī)模部署。歐盟已經(jīng)決定在2020年前，在所有成員國完成80%用戶的智能電表部署工作。在自動遠(yuǎn)程抄表通信技術(shù)中，相對于無線解決方案，歐洲更傾向于采用PLC技術(shù)。但不同國家采用的PLC方案可能不盡相同。法國已經(jīng)啟動了目前規(guī)模最大的的智能電表項目——Linky項目。法國電力集團（EDF）的子公司ERDF，計劃于2012年至2017年之間在法國部署3,500萬個智能電表。目前，ERDF已經(jīng)選擇了三家供應(yīng)商，開始了實驗部署階段。在這個階段中，將在試點城市和鄉(xiāng)村安裝30萬只Linky電表和1萬臺集中器，安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587已被供應(yīng)商選中，作為PLC調(diào)制解調(diào)器。計劃中，從2012年開始，ERDF將會展開大規(guī)模的部署工作。
Linky項目的技術(shù)規(guī)格要求
圖1 Linky項目通信示意圖
???? 在Linky項目中，從圖1可以看到，多個用戶端智能電表①與集中器②，采用PLC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。集中器②與電力公司中央信息系統(tǒng)③之間則采用GPRS實現(xiàn)互聯(lián)。
圖2 開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型
???? 在ERDF規(guī)格中，用開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型（圖2）描述了Linky PLC網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，OSI模型顯示，其采用了精簡的3層結(jié)構(gòu)，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層規(guī)定通信介質(zhì)采用電力配電網(wǎng)，調(diào)制采用窄帶S-FSK技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈路層又分為MAC和LLC兩個子層，MAC層處理對物理介質(zhì)的訪問和對物理設(shè)備的尋址。安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587不僅完成物理層對S-FSK信號的收發(fā)，還包含對MAC層的處理。對這兩層的管理遵從標(biāo)準(zhǔn)IEC 61334-5-1，網(wǎng)絡(luò)管理CIASE遵從IEC 61334-4-511。ERDF要求整個智能電表系統(tǒng)具有互操作性，所以Linky項目應(yīng)用協(xié)議統(tǒng)一遵從DLMS和COSEM協(xié)議。系統(tǒng)通信采用半雙工形式，也就是電表在正確收到集中器發(fā)來的信息后，才可以發(fā)出應(yīng)答信息。
??? Linky項目對物理層有一些規(guī)定：物理層遵從IEC 61334-5-1/EN 50065，調(diào)制方式采用S-FSK，兩個S-FSK載頻分別是63.3kHz和74kHz，波特率為2400bps，系統(tǒng)要求與配電線50Hz頻率同步。
安森美半導(dǎo)體PLC解決方案
??? AMIS-49587是安森美半導(dǎo)體公司第二代PLC調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品，它與安森美第一代產(chǎn)品AMIS-30585引腳兼容，可以在不修改外圍電路的情況下進(jìn)行替換。AMIS-49587將通信速率提高到了2400bps。
圖3 安森美PLC在電表上的解決方案
??? 圖3描述了安森美PLC在電表上的解決方案，方案的核心是PLC調(diào)制解調(diào)器AMIS-49587。另外，針對PLC應(yīng)用，安森美還開發(fā)了線路驅(qū)動器NCS5650，驅(qū)動電力線耦合變壓器，將S-FSK信號放大并耦合到電力線上，NCS5650的電流驅(qū)動能力高達(dá)2A，只需要幾個阻容器件，就可以配置成4階低通濾波器，濾除掉載波頻率以上的高頻成分，防止其進(jìn)入配電網(wǎng)。高階濾波器的設(shè)置，是為了滿足歐盟嚴(yán)格的電力線信號注入標(biāo)準(zhǔn)的要求，比如EN 50065。FSK的接收是將變壓器耦合過來的信號經(jīng)過AMIS-49587內(nèi)部運放組成的濾波器進(jìn)行高通濾波，濾除50Hz信號后，再在內(nèi)部進(jìn)行FSK解調(diào)以還原成數(shù)字信號。IEC 61334-5-1的系統(tǒng)需要與50Hz過零信號同步。AMIS-49587有過零檢測引腳，對50Hz頻率進(jìn)行檢測。如果系統(tǒng)對隔離有嚴(yán)格要求，50Hz檢測信號可增加光電耦合器進(jìn)行隔離。此外，安森美還可以在AD-DC、DC-DC或LDO電源浪涌保護(hù)以及EEPROM方面提供高性價比的方案。
圖4 安森美PLC方案的原理圖
??? 圖4為PLC方案的原理圖，由AMIS-49587和NCS5650組成的方案十分簡單，從圖中可以看到，除核心器件AMIS-49587、NCS5650以及耦合變壓器外，絕大部分都是電阻和電容，整個方案只有39個元器件。
??? 根據(jù)歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會標(biāo)準(zhǔn)EN50065的要求，把頻率從9kHz到148.5kHz劃分為四個頻帶，智能電表載波頻段規(guī)定為9kHz~95kHz。
??? 在調(diào)制方式中，頻移鍵控（FSK）很容易實現(xiàn)且成本很低，通過載波的頻率變化傳遞數(shù)字信息。我們使用雙載波調(diào)制技術(shù)，頻率fm代表數(shù)據(jù)1，fs代表數(shù)據(jù)0。當(dāng)兩個載波頻率分開的較遠(yuǎn)，比如大于10kHz后，兩個載波信道的接收質(zhì)量會相對獨立，因此會更好的應(yīng)對電網(wǎng)上常見的窄帶干擾的影響。AMIS-49587采用的調(diào)制方式是擴頻式的FSK，也叫做S-FSK，數(shù)據(jù)的發(fā)送是與配電線50Hz同步的。傳輸速率1200bps下，一個正弦周期可以發(fā)送24位數(shù)據(jù)，在傳輸速率達(dá)到2400bps時，可以傳送48位的數(shù)據(jù)。
??? 在標(biāo)準(zhǔn)IEC 61334-5-1規(guī)定下，物理層調(diào)制只有S-FSK還不夠。在配電線上，在噪聲能量隨頻率分布比較平均的寬帶干擾下，兩個載頻的接受信道的信噪比相似，接收端濾除掉其他頻率。在f0（空號頻率）和f1（傳號頻率）上，產(chǎn)生兩個解調(diào)信號DS和DM，如果DS>DM，認(rèn)為收到數(shù)據(jù)0，反之，則認(rèn)為受到數(shù)據(jù)1。在這種情況下，接收器工作在FSK模式。如果遇到窄帶干擾，使其中一個載頻信道下的信噪比很差時，接收器將忽略這個信道，用另一個較好信道的解調(diào)信號與一個內(nèi)部閾值T作比較。大于T認(rèn)為收到數(shù)據(jù)1，否則就是收到數(shù)據(jù)0，此時接收器轉(zhuǎn)換為幅移鍵控（ASK）模式。接收機每開始接收一個物理幀都會自動測算信噪比，分析信道的質(zhì)量以決定解調(diào)方式。由于采用擴頻FSK，兩個信道的接收質(zhì)量相對獨立，配電線上常見的窄帶干擾即使嚴(yán)重干擾了其中一個信道，系統(tǒng)也會利用另外一個較好的信道完成通信。
AMIS-49587已包含了物理層和MAC層的控制，客戶不用太關(guān)注物理幀的細(xì)節(jié)，然而了解一下物理幀的構(gòu)成可以幫助我們理解IEC 61334-5-1系統(tǒng)的中繼機制。物理幀由前導(dǎo)碼、起始定界符、數(shù)據(jù)和暫停組成，物理幀每一個幀對應(yīng)時間上的長度叫做一個時隙（time slot）或時間片。在2400bps下，一個物理幀也就是一個時隙對應(yīng)長度為150ms。物理幀的起始點我們稱作時隙指示器，IEC61334 S-FSK系統(tǒng)與配電線50Hz同步。物理幀起始處時隙指示器對應(yīng)50Hz過零信號，也就是說物理幀的發(fā)送是與50Hz過零嚴(yán)格同步的。
??? 在兩個節(jié)點間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸中，長距離給發(fā)送信號帶來嚴(yán)重的衰減。提高接收機的靈敏度，只能有限的解決問題。因為如果信號衰減到噪聲電平相當(dāng)或以下時，將不再起作用。提高發(fā)送功率可以改善這個狀況，但又可能給電網(wǎng)帶來更多的干擾。通常，各國對此都有嚴(yán)格的限制。增加中繼節(jié)點是通行的方法，圖5中，集中器要與遠(yuǎn)端3號模塊進(jìn)行通信，中間模塊1和2充當(dāng)中繼器，使信號電平得到提升并始終在噪聲電平之上，最終將信息傳遞到模塊3。
關(guān)于中繼，IEC 61334 S-FSK系統(tǒng)有自己獨到的特點。其核心概念是每個節(jié)點都可以被配置成其他節(jié)點的中繼器，轉(zhuǎn)發(fā)時采用和聲方式，即所有參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點在同一時刻發(fā)送完全同樣的內(nèi)容。這一點是靠整個系統(tǒng)以50Hz過零作為同步依據(jù)來實現(xiàn)的。中繼方式帶有可信值，初始可信值由集中器設(shè)定，決定節(jié)點重復(fù)、和聲轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，數(shù)值越大，信息能夠傳送的距離越遠(yuǎn)。每次集中器都會根據(jù)目的模塊返回幀內(nèi)的可信值信息來確定下次訪問該模塊時的初始可信值。從而實現(xiàn)動態(tài)的路由管理。
??? 由于采用了上文中的帶可信值管理的中繼，IEC 61334-5-1組成的通信系統(tǒng)中，不需要再由人工確定復(fù)雜的路由列表，因為系統(tǒng)會自動找到最佳的路由路徑，這將給現(xiàn)場施工安裝帶來極大的方便，由于集中器會根據(jù)回應(yīng)幀調(diào)整可信值，使系統(tǒng)根據(jù)線路狀態(tài)動態(tài)調(diào)整路由機制。
??? 為了應(yīng)對PLC網(wǎng)絡(luò)中不同的應(yīng)用，AMIS-49587具有主機模式、從機模式以及監(jiān)聽模式，以方便被配置成集中器、電表或測試設(shè)備，配置工作在上電時由外部MCU來完成。AMIS-49587與MCU的接口為通用串行方式，半雙工，采用不歸零碼，數(shù)據(jù)為8個數(shù)據(jù)位加一個停止位，可編程的波特率從4.8kbps到38.4kbps，芯片電平為3.3V，但是收發(fā)口可以直接與5V系統(tǒng)相連。
??? 利用AMIS-49587組建的PLC系統(tǒng)具有多項優(yōu)勢：首先，集成物理層和MAC層的處理，極大地使客戶減少了軟件編制的工作量，客戶在使用這款收發(fā)器傳送或接收數(shù)據(jù)時，不需要太多關(guān)注協(xié)議的細(xì)節(jié)，使客戶可以把更多的精力放在應(yīng)用層的開發(fā)，系統(tǒng)整體開發(fā)時間大大縮短；其次，S-FSK、ASK的結(jié)合，及16位模擬前端的應(yīng)用，保證了在各種噪聲干擾下的信號識別；再加上極具特色的全自動可信值管理中繼算法，使長距離通信變得高效可靠；AMIS-49587方案簡單，適合單相及三相應(yīng)用；在方案的功耗上，也比采用DSP的方案要小很多。這些特點，使安森美半導(dǎo)體的PLC解決方案非常適用于自動化抄表、燈光控制、家用電器以及其他區(qū)域集中控制等場合。
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問答選編
問：影響電力載波通信噪聲有哪些？
答：主要有類似白噪聲的寬帶噪聲及窄帶脈沖噪聲。
問：電力線載波通信基本的調(diào)制方式包括哪些？
答：調(diào)制方式比較多：FSK、PSK以及OFDM等。
問：擴頻型頻移鍵控 (S-FSK)和頻移鍵控(FSK)有什么區(qū)別?
答：S-FSK和FSK的區(qū)別在于SFSK將fs和fm的距離彼此拉遠(yuǎn)（擴展），通過增大空號頻率信號和傳號頻率信號的距離，使它們的傳輸質(zhì)量相對獨立。
問：在用于遠(yuǎn)程抄表時，PLC主要采用的通訊接口和協(xié)議包括哪些？
答：以歐洲為例，底層的協(xié)議有IEC61334，應(yīng)用層可以是IEC62056。在中國，沒有規(guī)定底層協(xié)議，應(yīng)用層目前大家參考DLT645。
問：在智能電表應(yīng)用中，因為現(xiàn)在家里用的開關(guān)電源類產(chǎn)品居多，電力線上噪聲太大，這部分如何處理的？
答：主要采用FSK/ASK自動切換以及AMIS-49587內(nèi)部運行數(shù)字處理算法提高靈敏度。
問：S-FSK調(diào)制是根據(jù)頻率的不同來區(qū)分0和1信號嗎？
答：是的，用不同的調(diào)制頻率來代表0和1。
問：目前的通信在局部地區(qū)會采用無線通信模式嗎？比如WiFi、ZigBee等？
答：只是通信的話，PLC、WiFi、ZigBee都可以。但是領(lǐng)域不同，實現(xiàn)方式不同。一般在抄表，路燈控制上國內(nèi)都采用PLC，在國外有采用GPRS抄表的方式，ZigBee也有。
問：目前電力線載波通信常用的擴頻技術(shù)主要有哪些？
答：目前最受關(guān)注的是OFDM技術(shù)。
問：如何考慮線路驅(qū)動器NCS5650的發(fā)熱問題？需要加散熱器嗎？
答：PCB需要盡量提供大面積的銅箔用于散熱，不需要散熱片。
