为智能电表的PLC通信选择调制解调器方案

中心议题： 
    * 电力PLC调制解调原理
    * 安森美半导体集成方案
解决方案：
    * 正交频分复用(OFDM)
    * 相移键控(PSK)
    * 扩频型频移键控(S-FSK)

近年来，在绿色节能意识的推动下，以智能电表为核心的智能电网成为欧美日中等诸多国家竞相发展的一个重点领域。如欧盟委员会强制要求2022年前所有欧盟成员国的电表都替换为智能仪表。美国也计划在每个家庭都安装智能仪表。中国也在2009年5月开始提出构建坚强智能电网的构想，准备投资高达4万亿元，计划经历当前的试点和2011年开始的全面建设等阶段后，到2020年基本实现构想。在此推动下，电网技术面临着一场重要的革命，而不只是简单的技术演进。

表1：传统电网与新的智能电网之间的简单对比。

在智能电网中，智能电表发挥关键的作用，可以使用户与电力系统之间实现互动。如一方面帮助电力机构精确了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电价；另一方面，用户也可以合理调整自己的用电计划，从而优化电费支出。从功能模块来看，智能电表除了电源和计量模块外，还涉及到数据存储功能，需采用安全可靠的存储器；此外，双向实时通信是智能电网的重要特征，故通信模块至关重要，需要选择适合的通信方式及相应的最佳解决方案。

实际上，智能电网是一个庞大系统，涉及电力、通信及应用等多个层次，以及局域网(LAN)和广域网(WAN)等不同网络类型。其中，LAN连接家庭或建筑物内的不同类型的智能电表到数据集中器(concentrator)。就这一段的网络连接而言，通常它们对通信速率的要求不高，最主要的考虑因素是降低成本，常见的通信方式有无线射频网络，或有线的电力线载波(PLC)或电力线宽带(BPL)等。具体采用何种通信方式，需要考虑各国电网实际状况等因素，同时先行先试国家的做法也会提供借鉴意义。

图1：法国EDF旗下公司法国配电公司(ERDF)的Linky项目简略示意图。

例如，在欧洲能源市场有重要影响力的法国电力(Electricité de France, EDF)于2009年中启动了当前世界上最大的智能电表项目Linky，计划到2017年在法国部署3,500万个智能电表。这个项目为智能电表到数据集中器之间的通信选择了PLC技术，然后再利用通用分组无线业务(GPRS)技术将数据传送到该公司的数据中心。考虑到中国的智能电网仍在试点阶段，法国ERDF的选择对中国等其他国家也具有借鉴意义。

PLC调制技术的选择虽然PLC技术提供了一种低成本的选择，但电力线的初衷并不是用于通信，故在应用PLC通信时也面临一些挑战。特别是设计人员需要密切注意会出现的信号衰减和噪声问题，反之也要求复杂的收发器技术。

为了抑制由噪声导致的信号衰减，降低误码率，并改善频率效率，有必要利用适合的信号调制技术。实际上，电力机构在部署智能电表抄表系统时，有多种不同的调制方式，但主要的有三种，分别是正交频分复用(OFDM)、相移键控(PSK)和扩频型频移键控(S-FSK)。

OFDM的理论带宽较高，但实际上在低压网络中的噪声条件下会损失很大一部分的带宽，而且OFDM的应用成本较高，工作时还消耗可观的电能。PSK调制技术的应用成本很低，但不是特别可靠，性能会受到相位噪声影响，而且无法充分覆盖较长距离。相比较而言，虽然S-FSK的数据率比OFDM低，但更胜任智能电表应用。这种调制技术能实现可靠的通信，同时应用成本更低，消耗的电能也更少。因此，就当前的智能电网PLC应用而言，复杂度低、商用潜力更大及有可靠现场应用记录的S-FSK调制技术无疑是更适合的选择。

实际上，法国ERDF的Linky项目规范中，物理层参考规范是IEC61334-5-1/EN50065，其中规定的调制技术就是S-FSK，通信频率为标记频率(mark frequency, Fm) 63.3 kHz和空频(space frequency, Fs) 74 kHz，传输速率2.4 Kbps，并与50 Hz电气网络频率物理同步。

安森美半导体PLC调制解调器的应用优势安森美半导体在开发PLC调制解调器方面拥有较长的历史。速率1.2 kb的AMIS-30585为早前推出，最初开发时就符合IEC 61334标准(SFSK规范)，迄今已历经8年的现场应用检验。新近推出的AMIS-49587是一款高集成度、符合标准的低功率PLC方案，支持PLC现场部署要求的4种不同模式，如NO_CONFIG、MASTER(集中器)、SLAVE(电表)和SPY(给测试人员的原始数据)，非常适合智能电表以及智能街灯和智能插座等应用。与AMIS-30585相比，AMIS-49587支持2.4 kb的更高半双工可调节通信速率速率，符合诸如ERDF规范这样的市场新要求，目前已经获得法国原设备制造商(OEM)的先期使用，在中国也已获得数家领先电表客户的选用。两款器件引脚对引脚兼容，为客户提供了更大的设计便利。

AMIS-49587符合IEC61334-5-1标准，为客户提供众多应用优势。例如，这器件基于ARM7TDMI处理器内核，同时包含物理接口收发器(PHY)和媒体访问控制器(MAC)层，使其以单芯片方案结合了模拟调制解调器前端和数字后处理功能，而大多数竞争方案需要复杂的嵌入式软件来执行与AMIS-49587相同的功能。设计人员使用AMIS-49587调制解调器，可以简化设计，能在不到一个季度的时间内开发出全套互操作PLC方案，还降低开发及应用成本。实际上，基于AMIS-49587的调制解调器方案中仅使用2颗IC(另一颗为NCS5650 2 A PLC线路驱动器)，外加16颗电阻、17颗电容、2个二极管、1个晶体和1个脉冲变压器，总元件数量仅为39个，提供低物料单(BOM)成本。

此外，AMIS-49587采用S-FSK调制技术，结合高分辨率的滤波算法，配以自动可信值/中继器(repeater)功能，提供基于长距离电力线的高可靠性数据通信。通信误差比其它可选及现有方案更低。这器件藉板载低抖动锁相环(PLL)与交流主电源(mains)信号同步。由于包含16位分辨率的模拟前端，使器件具有极优的噪声免疫性和极高的接收灵敏度。

AMIS-49587的易用性也很突出。由于内嵌协议处理功能，使设计人员无需涉及PHY和MAC协定传输细节问题，节省多达50%的软件开发耗费，从而加快上市时间，降低总成本。这器件藉串行接口直接连接至用户主微控制器(MCU)。AMIS-49587同时兼容于单相和多相电表，满足客户不同需求。此外，其能耗也比基于数字信号处理器(DSP)的方案更低，非常适合智能电表至集中器的PLC通信应用。为了帮助设计人员加快开发进程，安森美半导体还提供评估套件AMIS49587EVK，方便用户开发。这套件内含2个PLC调制解调器，用于在客户端与服务器端之间配置通信；还包含开源图形用户界面，用于配置端到端通信。

安森美半导体为智能电表应用提供完整方案与普通电表相比，智能电表无疑是更为复杂的系统。而安森美半导体为智能电表应用提供完整的解决方案，除了上述用于通信应用的PLC调制解调器和线路驱动器方案外，还提供用于电源管理、测量和存储等关键功能的解决方案。如在电源管理模块，可以应用安森美半导体的NCP1014、NCP1015等AC-DC转换器，LM2596、NCP3063和CS51411等DC-DC转换器，MC78L05、MC7805、CAT6217和CAT6219等低压降(LDO)稳压器，以及NTMFS4823等中压及高压FET。此外，在智能电表应用中，也可采用安森美半导体系列EEPROM、SDRM等存储器，以及ESD/TVS、SIM卡接口、逻辑、USB保护、监控、I/O扩展、时钟和温度传感器等。

图2：安森美半导体应用于智能电表的解决方案。

在方兴未艾的智能电网应用中，智能电表发挥关键作用。设计人员需要为智能电表与数据集中器之间的通信选择适合的通信方式，而PLC已经成为业界先导公司及先期试验项目的选择，颇具示范及借鉴意义。设计人员需要为PLC通信选择调制解调器方案。安森美半导体用于PLC的调制解调器产品符合标准及客户规范，并提供众多应用优势，如简化设计、降低成本、降低耗电、提供可靠通信及加快上市进程等。安森美半导体更为智能电表应用提供包括电源/电源管理及保护、通信、测量和存储等关键功能的完整解决方案，方便客户的选择，帮助他们降低采购成本及加快产品上市。