在鄉(xiāng)村通過PLC解決智能電網(wǎng)通信問題

在智能電網(wǎng)中，必須使用可靠的通信框架來交換優(yōu)化功耗和成本效益所需的數(shù)據(jù)。 在低人口密度、距離和地形等因素往往限制其他通信方式的農(nóng)村地區(qū)，電力線通信 (PLC) 解決方案為數(shù)據(jù)通信提供了一種方便的工具。 對(duì)于期望在智能電表或電網(wǎng)能量收集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信的工程師而言，PLC 設(shè)計(jì)可以利用Atmel、Cypress Semiconductor、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 等制造商生產(chǎn)的器件。

在鄉(xiāng)村地區(qū)，電力線通常是確保可靠、高性價(jià)比智能電網(wǎng)通信的最佳選擇。 用戶終端在這些地區(qū)通常極為分散，而諸如無線等可替代方法的覆蓋距離又不足，有線鏈路或蜂窩寬帶還不能馬上投入使用或可靠性還不夠。 相比之下，PLC 可以提供一個(gè)可靠的高性價(jià)比機(jī)制，用于公用事業(yè)公司和用戶智能電表之間的數(shù)據(jù)交換。

PLC 設(shè)計(jì)

在典型的 PLC 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)中，模擬前端 (AFE) 和處理器提供關(guān)鍵功能（圖 1）。 當(dāng) AFE 處理模擬操作（包括信號(hào)傳輸和接收）時(shí)，處理器執(zhí)行與特定 PLC 協(xié)議關(guān)聯(lián)的通信軟件堆棧。

圖 1：除了耦合、帶通和電路保護(hù)之外，PLC 調(diào)制解調(diào)器還將用于傳輸和接收信號(hào)的模擬前端 (AFE) 與用于處理通信堆棧的 MCU 相結(jié)合。 （圖片由 Texas Instruments 友情提供）

要構(gòu)建 PLC 解決方案，設(shè)計(jì)人員可以將獨(dú)立的 AFE（如 Texas Instruments AFE030 和 AFE031）與外部 MCU（如 Texas Instruments 的 C2000 C28x Piccolo MCU）相結(jié)合。 利用這種方法，設(shè)計(jì)人員可以通過選擇較高性能的 MCU（如結(jié)合 C2000 C28x 內(nèi)核與 ARM Cortex-M3 的 Texas Instruments Concerto 多核 MCU）來擴(kuò)展 PLC 調(diào)制解調(diào)器性能。 事實(shí)上，對(duì)于更高級(jí)的調(diào)制方案（如下面所提到的正交頻分復(fù)用 (OFDM)），可能需要更高性能的多核處理器來處理更復(fù)雜的通信軟件堆棧。

或者，設(shè)計(jì)人員還可以采用各種將大部分 PLC 通信堆棧集成于單一芯片上的 PLC 解決方案。 例如，Cypress Semiconductor CY8CPLC10 集成了 PHY 層和更低層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧，而 CY8CPLC20 進(jìn)一步將 CY8CPLC10 的功能與能夠執(zhí)行更復(fù)雜 PLC 堆棧的 Cypress PSoC 內(nèi)核相集成（圖 2）。

圖 2：制造商提供了以提高集成度為特色的 PLC 解決方案。 例如，Cypress Semiconductor CY8CPLC10 集成了 PHY 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧，而 Cypress CY8CPLC20 將 CY8CPLC10 的功能與用于完整堆棧處理的 PSoC 內(nèi)核相集成。 （圖片由 Cypress Semiconductor 友情提供）

頻段

根據(jù)地區(qū)法規(guī)的規(guī)定，PLC 必須在特定頻段內(nèi)工作。 在北美和加拿大，F(xiàn)CC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）第 15 部分規(guī)定，PLC 在 10 kHz 至 490 kHz 頻段范圍內(nèi)工作。 在亞洲和日本，ARIB（電波產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)）規(guī)定，PLC 在 10 kHz 至 450 kHz 頻段范圍內(nèi)工作。 在歐洲，Cenelec（歐洲電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）EN50065 規(guī)定了低頻段范圍，包括用于 PLC 通信的 A 頻段（3 kHz 至 95 kHz）和 B 頻段（95 kHz 至 125 kHz），以及用于相關(guān)應(yīng)用的 C 頻段（125 kHz 至 140 kHz）和 D 頻段（140 kHz 至 148.5 kHz）。 在中國(guó)，EPRI（電力科學(xué)研究院）規(guī)定了 3 kHz 至 500 kHz 的頻段。

憑借獨(dú)立的 AFE 或集成式PLC 器件，制造商可以在各種器件系列中支持特定頻段和調(diào)制方案。 例如，TI AFE030 和 AFE031 支持 CENELEC EN50065 頻段 A、B、C、D，而 Cypress CY8CPLC10 和 CY8CPLC20 支持 CENELEC EN50065 及 FCC 第 15 部分操作。 同樣，STMicroelectronics 自己的 PLC 器件系列支持特定的區(qū)域頻段：例如，STMicroelectronics ST7538Q 和 ST7540 設(shè)計(jì)用于支持 Cenelec EN50065，而 ST 的 ST7580 支持 ARIB、Cenelec EN50065 和 FCC 第 15 部分。

電力線噪聲

在分配的頻段內(nèi)，PLC 系統(tǒng)必須應(yīng)對(duì)非常嘈雜的電氣環(huán)境。 電力線會(huì)受到不斷變化的噪聲來源干擾，包括脈沖噪聲、電機(jī)噪聲、電源諧波，以及當(dāng)消費(fèi)者打開和關(guān)閉不同電器、工具和設(shè)備時(shí)所產(chǎn)生的其他來源（圖 3）。

圖 3：低壓電力線充斥著脈沖噪聲 (A) 及甚至來自電動(dòng)牙刷充電座等小家用電器的寬帶噪聲 (B)，這些噪聲來源隨消費(fèi)者的使用情況而變化。（圖 A 由 Texas Instruments 友情提供；圖 B 由 Echelon Corporation 友情提供）

的確，電力線噪聲變化極大：特定頻段可以在一段時(shí)間內(nèi)提供清晰的通信通道，不過很快會(huì)被用戶的家庭、辦公室或農(nóng)場(chǎng)設(shè)備發(fā)出的間歇噪聲淹沒。 因此，PLC 接收器必須經(jīng)常從具有非常不利的信噪比特征的來源中提取信號(hào)。

可用的 PLC 器件（包括 ST 的 ST7538Q、ST7540 和 ST7580）提供了二進(jìn)制頻移鍵控 (B-FSK)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)抗幅度波動(dòng)和近帶干擾性。 盡管 FSK 調(diào)制方案可以在較差的信噪比環(huán)境中提供良好的解決方案，但是影響大多數(shù)電力線的寬帶噪聲需要更強(qiáng)大的通信方案。

抗噪調(diào)制

為了緩解各種不同的電力線噪聲來源對(duì) PLC 信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，PLC 收發(fā)器（如 STMicroelectronics ST7570）提供了 IEC 61334（一種在電表使用 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)）中規(guī)定的擴(kuò)頻型頻移鍵控 (S-FSK) 調(diào)制。 對(duì)于要求更高的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以在 PLC 器件（如 ST 的 ST7590 和 TI 的 AFE030/31）中利用 OFDM 支持。 OFDM 使用多個(gè)通道，這使其特別適用于電力線通信等帶噪聲的應(yīng)用。

兩個(gè)主要的PLC 標(biāo)準(zhǔn)—PRIME（電力線智能計(jì)量發(fā)展）和 G3—規(guī)定，使用 OFDM 來減緩在嘈雜電力線上進(jìn)行的通信。 事實(shí)上，G3 提供了一種自適應(yīng)方法，允許符合規(guī)范的 PLC 器件在具有嚴(yán)重噪聲干擾的子頻段中關(guān)閉通信。 它在嘈雜環(huán)境中的穩(wěn)定性能使其不僅非常適合通過低壓線路為消費(fèi)者輸送電能，而且適合將變壓器之間的通信提供給數(shù)據(jù)集中器，這些集中器通常托管于將變壓器連接到公用事業(yè)變電站的中壓線路上。

由于這些協(xié)議的復(fù)雜性，符合規(guī)范的 PLC 調(diào)制解調(diào)器同樣需要更復(fù)雜的 PLC 器件。 例如，TI AFE031 PLC IC 支持 PRIME 和 G3，但是對(duì)于執(zhí)行相應(yīng)的通信軟件堆棧所需的關(guān)聯(lián)處理器，TI 建議使用高性能 MCU，例如其雙核 Concerto 系列 MCU。

在可用的集成式 PLC 器件中，Atmel 的 ATPL230A 和 ATPL250A 分別是符合 PRIME 和 G3 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 調(diào)制解調(diào)器 IC。 這兩種器件都設(shè)計(jì)為與高性能 MCU（如 Atmel SAM4C MCU 系列）一起工作。 對(duì)于尋求單芯片解決方案的設(shè)計(jì)人員而言，Atmel SAM4CP16B 雙核 ARM Cortex-M4 PLC MCU 同樣在集成 PHY 和 Atmel 提供的 PLC 通信堆棧的單個(gè) IC 中同時(shí)支持 PRIME 和 G3（圖 4）。

圖 4：對(duì)于 PRIME 和 G3 PLC 設(shè)計(jì)，工程師可以在包含 Atmel ATPL2x PLC 器件和 SAM4C MCU 的雙芯片集上或在 SAM4CP16B（提供與雙芯片集同等功能的單芯片解決方案）上進(jìn)行構(gòu)建。 （圖片由 Atmel 友情提供）

開發(fā)套件

為了幫助清理PLC 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員可以采用許多將關(guān)鍵 PLC IC、處理器和軟件相結(jié)合的開發(fā)套件。 Cypress Semiconductor Corp CY3274 開發(fā)套件為期望利用 Cypress CY8CPLC20 集成式 PLC 器件的開發(fā)人員提供了快速入門指南（見圖 2）。

STMicroelectronics STEVAL-IPP004V1 開發(fā)套件提供了一個(gè)基于 ST7590 PLC 器件和 ST 的 STM32F103 MCU（高性能 STM32 F1 ARM Cortex-M MCU 系列的成員之一）構(gòu)建的符合 PRIME 標(biāo)準(zhǔn)的完整模塊。

最后，TI TMDSPLCKIT-V3 C2000 電力線調(diào)制解調(diào)器開發(fā)人員套件將 AFE031、TMS320F28069 C28x Piccolo MCU 與PLC 軟件套件相結(jié)合，后者支持 S-FSK 和 OFDM，用于開發(fā)符合 PRIME 和 G3 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 解決方案。

結(jié)論

對(duì)于鄉(xiāng)村地區(qū)，PLC 可以提供一種用于將智能電表、家用電器和設(shè)備連入智能電網(wǎng)的有效解決方案。 然而，對(duì)于 PLC 設(shè)計(jì)人員來說，法規(guī)限制、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和電力線路特性混合在一起將是巨大的挑戰(zhàn)。 通過利用市售的 PLC IC 和 MCU，設(shè)計(jì)人員可以更輕松地實(shí)施耐用的 PLC 解決方案，能夠在低壓線路上工作，并跨接變壓器連接中壓電網(wǎng)。