西门子贺州PLC模块总代理

电力线通信(PLC)半导体器件可以将普通电网转换为通信网络，进而实现智能电网。这种网络将电力公司与他们的客户连接在一起，使家庭具有能量意识(“智能家庭”)，并能够对电网上的状态作出反应。这包括了连接智能电表、智能电网监视器和街灯。

    由于存在强烈的噪声、不断变化的状态以及设备与标准的差异，在电网上实现通信非常困难。在这种极具挑战的环境中实现可靠的操作，以及与前期安装设备成功实现互操作都需要采用新的PLC技术。

    定义PLC

    电力线通信(PLC)也被称为电力线载波，涵盖所有使用电力线运载信息的系统。所有PLC系统工作时都会在配线系统上传送经过调制的载波信号。不同类型的PLC使用不同的频段，具体取决于电力配线的信号传输特性。由于电力配线系统的原始作用是传输交流(或直流)电力，因此电力线电路在配线系统上传播更高频率方面的性能非常有限。

    PLC系统中的数据速率变化范围很大。较高的数据速率通常意味着较短的距离。工作速率为每秒几兆位的局域网(LAN)也许只能覆盖几米范围。

    窄带电力线通信(NBPLC)是专门用于频率在500kHz以下的电力线通信传输的一个术语。特别是欧洲的CENELEC已将148.5kHz及以下的频率授权给了广为部署的PLC系统。

    在这个频率范围内，高压传输线可以将数据传输数百米至几公里的距离。这时的数据速率比较适中，在1kbit/s至200kbit/s范围之内。这些速率非常适合遥感遥测、数据采集和控制应用。

    窄带PLC应用

    窄带PLC可以应用于需要与连接着电力线的设备双向通信的任何地方。由于不懈的节能努力在电力分配和管理方面形成了新的投资领域，现在的窄带PLC比以往任何时候都要流行。这种现象就是所谓的智能电网。

    窄带PLC不是新生事物。但恰恰是近技术的发展、对机器到机器(M2M)连接不断增长的需求以及对更好的资源管理的认识才使得窄带PLC终获得了巨大的发展动力。

    ，窄带PLC常见的用途是将消费者连接到电力公司实现自动抄表(AMR)和负荷控制。这些系统一直是许多电力公司的，因为电力公司允许在他们控制的基础设施上传送数据。其它快速兴起的应用包括街灯控制(SLC)和智能电器等。

    窄带PLC还开始在使用需要监视和控制的电气连接设备的许多其它应用中寻找用武之地。许多潜在性的应用案例包括自动贩卖机、太阳能电池、电动充电等。

    电力线通信(PLC)半导体器件可以将普通电网转换为通信网络，进而实现智能电网。这种网络将电力公司与他们的客户连接在一起，使家庭具有能量意识(“智能家庭”)，并能够对电网上的状态作出反应。这包括了连接智能电表、智能电网监视器和街灯。

    智能电网：智能电网将采用电力线先进计量基础设施/自动抄表(AMI/AMR)技术。电力数据经过电力线传回到变电站，然后中继到电力公司主要办公室的中央计算机。这将被认为是一种固定的网络系统——由电力公司建立和维护并用于提供电能的配电网络。这样的系统主要用于电力抄表。一些提供商还连接煤气表和水表并馈进PLC类系统。电力线AMI/AMR系统远程实时读取客户电表，然后将数据传输到计费系统。AMI/ARM减少了抄表员每个月人工采集各种水电气表数据的需求。

    智能灯光控制：街灯是城市重要的资产，可以提供安全道路、富有吸引力的公共区域，并增强家庭、商务和城市中心的安全。但街灯的运维成本一般都非常高，而且消耗大量的电能(几乎占整个城市电能消耗的40%)。将街灯和PLC连接在一起可以减少现场操作的次数，降低电能消耗，提高总的发光效率，并延长灯泡寿命。

    智能家庭和电器：家庭自动化包括集中控制灯光、HVAC(加热、通风和空调)、电器和其它系统，从而提高便利性、舒适性、能效和安全性。由于家庭自动化系统的目标是将所有家庭电气设备相互连接在一起，因此PLC是一种理想的方法。

    太阳能：光伏电池板(太阳能电池板)必须加以仔细管理才能提供佳性能，这涉及到利用通信实现遥控和实时监视。遥控用于控制电池板倾斜度以便大限度地提高光照量，还用于控制单个电池板或整个电池场。实时监视方便维护监视、检测硅劣化/电池替换需求、气候条件、盗窃以及输出功率和效率。

    至电网：随着智能电网部署的展开，上升的燃油成本以及更高性价比的电动对电动充电站提出了更多的要求。这种至电网(V2G)基础设施的部署要求在充电站和计费与管理系统之间实现双向通信。PLC是理想的解决方案，因为它使用已经安装好的电力线，能够提供强大的安全性，并具有很大的扩容能力。

    智能电网的网络特性

    有许多变量影响智能电网网络的通信特性，其中网络拓扑和连接网络的负荷也许是两个重要的变量。这种可变性意味着没有哪两个电力线网络具有完全相同的传输特性。

    通过电网通信信道实现增强的数据传送可靠性要求采用先进的通信机制来解决噪声问题。这样的机制还需要应付通信过程中被暂时或闭塞的许多频率。

    为了适应噪声可变性，PLC设备必须能够估计带内噪声电平以及每个载频点的接收信号强度，然后通过修改通信频率和调制机制来确保可能佳的数据传输效果。通过测量带内噪声和每个频率点的接收信号强度可以为通信系统选出佳频率。

    PLC技术

    低压(LV)和中压(MV)网络主要采用以下三种窄带通信技术中的一种：单载波调制，如二元相移键控(BPSK)和频移键控(FSK)；正交频分复用(OFDM)；直接序列扩频(DSSS)，再加上码分多址(CDMA)。

    应用为广泛的窄带PLC解决方案使用相对简单但具有特别高性价比的FSK和BPSK调制技术。这些技术组成了多种具有互操作性的标准的基础，其中的是Lon和DLMS标准。

    Lon在ANSI/EIA框架下实现了标准化，针对介质访问控制(MAC)层和物理层的标准号分别是EIA-709.1和EIA-702.2。DLMS在国际电子技术委员会(IEC)框架下实现了标准化，标准号是IEC62056和IEC61334。

    为了确保在有噪声的环境中可靠工作，FSK和BPSK器件必须测量带内噪声电平以及每个频率点的接收信号强度，然后由软件为可靠通信选择佳频率。例如，Semitech公司的SM6401PLC收发器就可以估计带内噪声电平和每个载频点的接收信号强度，然后由软件为数据传输选择优频率。

    通信技术的跨越式发展促进了更先进调制技术的开发和部署。例如，OFDM被证明特别高效，因为它能适应有噪声的环境，可以在CENELEC工作频段上实现更高鲁棒性、更强功能的通信网络。OFDM为PRIME联盟和G3-PLC等新标准的制订奠定了坚实基础。

    Semitech公司开发的SM2200是专门为支持低压(<100V)和中压(1kV至33kV)配电网络上的应用开发的先进OFDM解决方案之一(图1)。SM2200可以处理速率高达175kbit/s的数据，它将54个载波组成了18个独立的信道

 OFDM及OFDMA提升智能电网通信质量

    OFDM在有噪声的信道(如电网)上发送大量数字化数据。OFDM将信号分成多个更小的子信号，然后用不同(正交)的频率同时发送出去。每个更小的数据流再映射到各个数据子载波，并使用某种形式的相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM)(如BPSK或正交相移键控(QPSK))进行调制。

    除了具有很高的频谱效率外，OFDM系统还能减少信号传输中的串扰。另外，OFDM还能高效地克服由多径效应造成的干扰和选频衰落。

    虽然OFDM可以解决有噪声的智能电网环境中的通信问题，但与在这些非常恶劣的条件下实现可靠通信还有点距离。因此，为了提升可靠性，OFDM方法可以与多址机制结合起来实现正交频分多址(OFDMA)。

    在SM2200中，OFDMA的多址技术是通过将子载波的子集分配给各个数据流实现的(图2)。这样可以同时传送多个单独的数据流。

通过将子载波的子集分配给各个数据流实现

    OFDMA进一步改善了OFDM在抗衰落与干扰方面的鲁棒性。但更重要的是，单独的数据流可以用来与多个节点(电表)同时通信，或者通过冗余特性显著提高系统可靠性。

    本文小结

    恶劣的噪声、设备的变化以及不同标准使得电网通信十分困难。可靠的通信机制可以通过增加带宽和减少数据包重试次数提高吞吐量。这对智能电网实现来说特别重要，因为集中装置可以与更大数量的电表进行通信。这种吞吐量可以支持多种日常抄表，因而能对电网实现更好的控制。

    像BPSK和FSK等传统PLC技术在这些充满噪声的环境中是不够用的，这促使人们对OFDM调制解调器产生了浓厚的兴趣，因为它们能极大地改善通信带宽和可靠性。多址信道(或众所周知的OFDMA)可以将子载波的子集分配给单独的数据流，进而提供更大的频率灵活性

电力线通信(PLC)可以利用现有基础设施提供低成本的网络。数字信号控制器为PLC网络提供维持稳健信号所需的处理性能，其运行开销和片上外设可进一步降低系统成本。下文将对此作进行详细介绍。

      在环境非常恶劣的工厂或室外经常能见到照明、测量和其他控制应用，但在这些地方的网络通信若不采取常规方法则变得异常困难。因为恶劣的环境不仅对信号有相当大的干扰，而且在许多情况下，如果还没有专用通信布线的话，安装费用也非常昂贵。因此，建立控制网络通信的佳介质将是无处不在的电力线。

      PLC是各种网络工业、公共事业和商业应用中的监控网络的理想解决方案。然而为了达到较高的效率，PLC必须具备成本效益和稳健性。而要实现这些性能，系统开发人员可以借助于数字信号控制器所提供的强大性能和集成度。

      与使用专用传输线的传统网络不同，PLC网络可以通过现有的低压、中压和高压电力线在数公里范围内收发数据。基于高性能数字信号处理器(DSP)技术的数字信号控制器可在恶劣环境中的全规模网络上实现可靠的PLC吞吐量，使其能够监控所有的网络节点。

      高度集成的控制器还能降低系统成本和易于适应不断变化的网络需求。在工厂、公共事业分布系统、办公建筑群、矿山、海底电缆和其他恶劣环境中，数字信号控制器都可以在实时监控所需速率下支持高效的PLC传输。

      单芯片modem和应用软件

      在许多监控应用中，成本是首要考虑因素，因此这时系统的集成度越高越好。PLC系统功能可以被分成三部分：模拟前端(AFE)、调制解调器(modem)以及测量或控制应用软件。AFE主要用于接收和驱动信号，并将信号从电力信号中分离出来；modem则使用特定的频率和键控技术对通信信号进行调制和解调。虽然很多设计方案中的modem和应用软件采用不同的控制器，但数字信号控制器带给PLC设计的一个重要好处是其可以在单个器件中集成modem和应用软件。

      位于数字信号控制器核心的DSP可提供比价格相当的RISC MCU强得多的运算性能，这些性能足以用来执行modem和应用软件。另外，片上外设是针对控制需求特别选取的，其提供的是一种系统解决方案。数字信号控制器的性能和集成度可以减少元件使用数量和电路板空间，这对诸如可调光照明镇流器、电子表和电机驱动器等成本敏感的应用非常有利。另外，DSP的可编程性使得系统能更好地适应环境干扰，从而提高传输的可靠性，而DSP的额外MIPS性能还可以用来增加功率因数补偿等功能，从而使终端产品具有更高的能效。

      稳健的通信

      由于典型的PLC使用环境比较恶劣，因此传输必须高度稳健。在多种能传送位的物理层调制方案中，有两种特别适合工业监视和控制的方案，即频移键控(FSK)和二元相移键控(BPSK)。由于该两种方案都不依赖电力信号作为载波，因此可以用在任何频率、任何电压值的AC和DC电力线上。而当节点的供电中断时，只要控制通信电路的独立供电不间断，FSK和BPSK还能照常工作。

      FSK采用两个不同的频率发送信号，电平“1”时用74kHz，电平“0”时用63.3kHz；而BPSK则采用相同频率发送“1”和“0”，其相位差为180度。监控通信常用标准是CEA179，其指定BPSK发送频率为131.5kHz，波特率是5.5kbps或每个码元24个周期。虽然CEA-179没有对FSK加以规范，但它完全兼容该标准的协议栈，因此也可以使用CEA-179进行传输。在满足系统限制的前提下，数字信号控制器可以通过改变传输频率来避开干扰，从而提高通信性能。

      图1是专为可靠性进行设计的CEA-179数据包格式。该数据包和位的边界是用于位同步的24位向量，后面是指示数据起始位的11位字同步信号。发送器将每8位指令编码成一个11位的字，在接收器侧再将其并移位至存储器缓存。在PLC中，指令数据还增加了16位的循环冗余校验码(CRC)，EOP则使用重复的11位字进行识别。因此，CEA-179协议与BPSK和FSK的结合可确保稳健的PLC传输，并能为多节点的实时控制提供足够的带宽。

图1：CEA-179数据包格式。

      PLC设计

      下面给出了使用数字信号控制器直接实现PLC的设计实例。图2是用于诸如可调光镇流器等应用的AC环境下的PLC通信与控制系统框图。AFE接收器-发送器位于图的左边，modem和应用软件算法运行在中间的控制器上，右边则包含了应用电路。例如在一个电流解决方案中，一个测量芯片与C2000相连。测量芯片执行测量功能，C2000使用PLC发送测量数据。虽然本文重点放在FSK调制方面，但相同设计经过AFE和控制算法方面的少许修改也可以用于BPSK。

图2：PLC系统框图。

      上述设计中使用的数字信号控制器是一个带DSP内核的器件，该内核工作在100MHz时可提供100MIPS的性能。在一个普通应用中，约45MIPS用于modem，余下约55MIPS可用来运行应用软件。在34KB片上闪存和一次性可编程存储器中，12KB用于modem代码；12KB的数据存储器中的5KB用于modem；其余的存储器空间则全部用于应用软件。控制器还提供6个带独立定时器的脉宽调制(PWM)输出，可用于modem和应用软件的信令传输。12位ADC使用单通道对所接收的信号进行采样，剩余的15个通道则处于空闲状态。数字信号控制器还提供了SPI和SCI接口用于本地通信，另外还有30多个通用I/O通道