近年來，在綠色節(jié)能意識(shí)的推動(dòng)下，以智能電表為核心的智能電網(wǎng)成為歐美日中等諸多國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。如歐盟委員會(huì)強(qiáng)制要求2022年前所有歐盟成員國(guó)的電表都替換為智能儀表。美國(guó)也計(jì)劃在每個(gè)家庭都安裝智能儀表。中國(guó)也在2009年5月開始提出構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的構(gòu)想，準(zhǔn)備投資高達(dá)4萬億元，計(jì)劃經(jīng)歷當(dāng)前的試點(diǎn)和2011年開始的全面建設(shè)等階段后，到2020年基本實(shí)現(xiàn)構(gòu)想。在此推動(dòng)下，電網(wǎng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)重要的革命，而不只是簡(jiǎn)單的技術(shù)演進(jìn)。
在智能電網(wǎng)中，智能電表發(fā)揮關(guān)鍵的作用，可以使用戶與電力系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。如一方面幫助電力機(jī)構(gòu)精確了解用戶的用電規(guī)律，為高峰用電或低谷用電設(shè)定差異化的電價(jià)；另一方面，用戶也可以合理調(diào)整自己的用電計(jì)劃，從而優(yōu)化電費(fèi)支出。從功能模塊來看，智能電表除了電源和計(jì)量模塊外，還涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，需采用安全可靠的存儲(chǔ)器；此外，雙向?qū)崟r(shí)通信是智能電網(wǎng)的重要特征，故通信模塊至關(guān)重要，需要選擇適合的通信方式及相應(yīng)的最佳解決方案。
表1：傳統(tǒng)電網(wǎng)與新的智能電網(wǎng)之間的簡(jiǎn)單對(duì)比
實(shí)際上，智能電網(wǎng)是一個(gè)龐大系統(tǒng)，涉及電力、通信及應(yīng)用等多個(gè)層次，以及局域網(wǎng)(LAN)和廣域網(wǎng)(WAN)等不同網(wǎng)絡(luò)類型。其中，LAN連接家庭或建筑物內(nèi)的不同類型的智能電表到數(shù)據(jù)集中器(concentrator)。就這一段的網(wǎng)絡(luò)連接而言，通常它們對(duì)通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本，常見的通信方式有無線射頻網(wǎng)絡(luò)，或有線的電力線載波(PLC)或電力線寬帶(BPL)等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國(guó)電網(wǎng)實(shí)際狀況等因素，同時(shí)先行先試國(guó)家的做法也會(huì)提供借鑒意義。
例如，在歐洲能源市場(chǎng)有重要影響力的法國(guó)電力(Electricité de France, EDF)于2009年中啟動(dòng)了當(dāng)前世界上最大的智能電表項(xiàng)目linky，計(jì)劃到2017年在法國(guó)部署3,500萬個(gè)智能電表。這個(gè)項(xiàng)目為智能電表到數(shù)據(jù)集中器之間的通信選擇了PLC技術(shù)，然后再利用通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到該公司的數(shù)據(jù)中心。考慮到中國(guó)的智能電網(wǎng)仍在試點(diǎn)階段，法國(guó)ERDF的選擇對(duì)中國(guó)等其他國(guó)家也具有借鑒意義。
圖1：法國(guó)EDF旗下公司法國(guó)配電公司(ERDF)的linky項(xiàng)目簡(jiǎn)略示意圖
PLC調(diào)制技術(shù)的選擇
雖然PLC技術(shù)提供了一種低成本的選擇，但電力線的初衷并不是用于通信，故在應(yīng)用PLC通信時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn)。特別是設(shè)計(jì)人員需要密切注意會(huì)出現(xiàn)的信號(hào)衰減和噪聲問題，反之也要求復(fù)雜的收發(fā)器技術(shù)。
為了抑制由噪聲導(dǎo)致的信號(hào)衰減，降低誤碼率，并改善頻率效率，有必要利用適合的信號(hào)調(diào)制技術(shù)。實(shí)際上，電力機(jī)構(gòu)在部署智能電表抄表系統(tǒng)時(shí)，有多種不同的調(diào)制方式，但主要的有三種，分別是正交頻分復(fù)用(OFDM)、相移鍵控(PSK)和擴(kuò)頻型頻移鍵控(S-FSK)。
OFDM的理論帶寬較高，但實(shí)際上在低壓網(wǎng)絡(luò)中的噪聲條件下會(huì)損失很大一部分的帶寬，而且OFDM的應(yīng)用成本較高，工作時(shí)還消耗可觀的電能。PSK調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用成本很低，但不是特別可靠，性能會(huì)受到相位噪聲影響，而且無法充分覆蓋較長(zhǎng)距離。相比較而言，雖然S-FSK的數(shù)據(jù)率比OFDM低，但更勝任智能電表應(yīng)用。這種調(diào)制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)可靠的通信，同時(shí)應(yīng)用成本更低，消耗的電能也更少。因此，就當(dāng)前的智能電網(wǎng)PLC應(yīng)用而言，復(fù)雜度低、商用潛力更大及有可靠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用記錄的S-FSK調(diào)制技術(shù)無疑是更適合的選擇。
實(shí)際上，法國(guó)ERDF的linky項(xiàng)目規(guī)范中，物理層參考規(guī)范是IEC61334-5-1/EN50065，其中規(guī)定的調(diào)制技術(shù)就是S-FSK，通信頻率為標(biāo)記頻率(mark frequency, Fm) 63.3kHz和空頻(space frequency, Fs) 74kHz，傳輸速率2.4Kbps，并與50Hz電氣網(wǎng)絡(luò)頻率物理同步。
安森美半導(dǎo)體PLC調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
安森美半導(dǎo)體在開發(fā)PLC調(diào)制解調(diào)器方面擁有較長(zhǎng)的歷史。速率1.2 kb的AMIS-30585為早前推出，最初開發(fā)時(shí)就符合IEC 61334標(biāo)準(zhǔn)(SFSK規(guī)范)，迄今已歷經(jīng)8年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢驗(yàn)。新近推出的AMIS-49587是一款高集成度、符合標(biāo)準(zhǔn)的低功率PLC方案，支持PLC現(xiàn)場(chǎng)部署要求的4種不同模式，如NO_CONFIG、MASTER(集中器)、SLAVE(電表)和SPY(給測(cè)試人員的原始數(shù)據(jù))，非常適合智能電表以及智能街燈和智能插座等應(yīng)用。與AMIS-30585相比，AMIS-49587支持2.4 kb的更高半雙工可調(diào)節(jié)通信速率速率，符合諸如ERDF規(guī)范這樣的市場(chǎng)新要求，目前已經(jīng)獲得法國(guó)原設(shè)備制造商(OEM)的先期使用，在中國(guó)也已獲得數(shù)家領(lǐng)先電表客戶的選用。兩款器件引腳對(duì)引腳兼容，為客戶提供了更大的設(shè)計(jì)便利。
AMIS-49587符合IEC61334-5-1標(biāo)準(zhǔn)，為客戶提供眾多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。例如，這器件基于ARM7TDMI處理器內(nèi)核，同時(shí)包含物理接口收發(fā)器(PHY)和媒體訪問控制器(MAC)層，使其以單芯片方案結(jié)合了模擬調(diào)制解調(diào)器前端和數(shù)字后處理功能，而大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)方案需要復(fù)雜的嵌入式軟件來執(zhí)行與AMIS-49587相同的功能。設(shè)計(jì)人員使用AMIS-49587調(diào)制解調(diào)器，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，能在不到一個(gè)季度的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出全套互操作PLC方案，還降低開發(fā)及應(yīng)用成本。實(shí)際上，基于AMIS-49587的調(diào)制解調(diào)器方案中僅使用2顆IC(另一顆為NCS5650 2 A PLC線路驅(qū)動(dòng)器)，外加16顆電阻、17顆電容、2個(gè)二極管、1個(gè)晶體和1個(gè)脈沖變壓器，總元件數(shù)量?jī)H為39個(gè)，提供低物料單(BOM)成本。
此外，AMIS-49587采用S-FSK調(diào)制技術(shù)，結(jié)合高分辨率的濾波算法，配以自動(dòng)可信值/中繼器(repeater)功能，提供基于長(zhǎng)距離電力線的高可靠性數(shù)據(jù)通信。通信誤差比其它可選及現(xiàn)有方案更低。這器件藉板載低抖動(dòng)鎖相環(huán)(PLL)與交流主電源(mains)信號(hào)同步。由于包含16位分辨率的模擬前端，使器件具有極優(yōu)的噪聲免疫性和極高的接收靈敏度。
AMIS-49587的易用性也很突出。由于內(nèi)嵌協(xié)議處理功能，使設(shè)計(jì)人員無需涉及PHY和MAC協(xié)定傳輸細(xì)節(jié)問題，節(jié)省多達(dá)50%的軟件開發(fā)耗費(fèi)，從而加快上市時(shí)間，降低總成本。這器件藉串行接口直接連接至用戶主微控制器(MCU)。
AMIS-49587同時(shí)兼容于單相和多相電表，滿足客戶不同需求。此外，其能耗也比基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的方案更低，非常適合智能電表至集中器的PLC通信應(yīng)用。為了幫助設(shè)計(jì)人員加快開發(fā)進(jìn)程，安森美半導(dǎo)體還提供評(píng)估套件AMIS49587EVK，方便用戶開發(fā)。這套件內(nèi)含2個(gè)PLC調(diào)制解調(diào)器，用于在客戶端與服務(wù)器端之間配置通信；還包含開源圖形用戶界面，用于配置端到端通信。
安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供完整方案
與普通電表相比，智能電表無疑是更為復(fù)雜的系統(tǒng)。而安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供完整的解決方案，除了上述用于通信應(yīng)用的PLC調(diào)制解調(diào)器和線路驅(qū)動(dòng)器方案外，還提供用于電源管理、測(cè)量和存儲(chǔ)等關(guān)鍵功能的解決方案。如在電源管理模塊，可以應(yīng)用安森美半導(dǎo)體的NCP1014、NCP1015等AC-DC轉(zhuǎn)換器，LM2596、NCP3063和CS51411等DC/DC轉(zhuǎn)換器，MC78L05、MC7805、CAT6217和CAT6219等低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，以及NTMFS4823等中壓及高壓FET。此外，在智能電表應(yīng)用中，也可采用安森美半導(dǎo)體系列EEPROM、SDRM等存儲(chǔ)器，以及ESD/TVS、SIM卡接口、邏輯、USB保護(hù)、監(jiān)控、I/O擴(kuò)展、時(shí)鐘和溫度傳感器等。
圖2：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表的解決方案
本文小結(jié)
在方興未艾的智能電網(wǎng)應(yīng)用中，智能電表發(fā)揮關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)人員需要為智能電表與數(shù)據(jù)集中器之間的通信選擇適合的通信方式，而PLC已經(jīng)成為業(yè)界先導(dǎo)公司及先期試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇，頗具示范及借鑒意義。設(shè)計(jì)人員需要為PLC通信選擇調(diào)制解調(diào)器方案。安森美半導(dǎo)體用于PLC的調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)及客戶規(guī)范，并提供眾多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本、降低耗電、提供可靠通信及加快上市進(jìn)程等。安森美半導(dǎo)體更為智能電表應(yīng)用提供包括電源/電源管理及保護(hù)、通信、測(cè)量和存儲(chǔ)等關(guān)鍵功能的完整解決方案，方便客戶的選擇，幫助他們降低采購(gòu)成本及加快產(chǎn)品上市。
相關(guān)資料：
1、《電力線載波(PLC)技術(shù)及解決方案》，安森美半導(dǎo)體
2、《智能電網(wǎng)》演講資料，Laurent Jenck，2010年5月，安森美半導(dǎo)體
3、AMIS-49587數(shù)據(jù)手冊(cè)，www.onsemi.cn/pub/Collateral/AMIS-49587-D.PDF，安森美半導(dǎo)體
4、AMIS-30585數(shù)據(jù)手冊(cè)，www.onsemi.cn/pub/Collateral/AMIS-30586-D.PDF，安森美半導(dǎo)體
5、PLC調(diào)制解調(diào)器AMIS-49587圖形用戶界面，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/AMIS49587%20GUI.ZIP
