在乡村实现智能电网通信
时间：10-02
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为了交换优化功耗和成本效益所需的数据，智能电网必须使用可靠的通信框架。但是在农村/山区等地区，低人口密度、距离和地形等因素往往限制其他通信方式，电力线通信 (PLC) 解决方案为数据通信提供了一种方便的工具。 对于期望在智能电表或电网能量收集系统中实现通信的工程师而言，PLC 设计可以利用 Atmel、Cypress Semiconductor、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 等制造商生产的器件。
在乡村地区，电力线通常是确保可靠、高性价比智能电网通信的最佳选择。 用户终端在这些地区通常极为分散，而诸如无线等可替代方法的覆盖距离又不足，有线链路或蜂窝宽带还不能马上投入使用或可靠性还不够。 相比之下，PLC 可以提供一个可靠的高性价比机制，用于公用事业公司和用户智能电表之间的数据交换。
PLC 设计
在典型的 PLC 调制解调器设计中，模拟前端 (AFE) 和处理器提供关键功能（图 1）。 当 AFE 处理模拟操作（包括信号传输和接收）时，处理器执行与特定 PLC 协议关联的通信软件堆栈。
要构建 PLC 解决方案，设计人员可以将独立的 AFE（如 Texas Instruments AFE030 和 AFE031）与外部 MCU（如 Texas Instruments 的 C2000 C28x Piccolo MCU）相结合。 利用这种方法，设计人员可以通过选择较高性能的 MCU（如结合 C2000 C28x 内核与 ARM Cortex-M3 的 Texas Instruments Concerto 多核 MCU）来扩展 PLC 调制解调器性能。 事实上，对于更高级的调制方案（如下面所提到的正交频分复用 (OFDM)），可能需要更高性能的多核处理器来处理更复杂的通信软件堆栈。
或者，设计人员还可以采用各种将大部分 PLC 通信堆栈集成于单一芯片上的 PLC 解决方案。 例如，Cypress Semiconductor CY8CPLC10 集成了 PHY 层和更低层的网络协议堆栈，而 CY8CPLC20 进一步将 CY8CPLC10 的功能与能够执行更复杂 PLC 堆栈的 Cypress PSoC 内核相集成（图 2）。
频段
根据地区法规的规定，PLC 必须在特定频段内工作。 在北美和加拿大，FCC（联邦通信委员会）第 15 部分规定，PLC 在 10 kHz 至 490 kHz 频段范围内工作。 在亚洲和日本，ARIB（电波产业协会）规定，PLC 在 10 kHz 至 450 kHz 频段范围内工作。 在欧洲，Cenelec（欧洲电子技术标准化委员会）EN50065 规定了低频段范围，包括用于 PLC 通信的 A 频段（3 kHz 至 95 kHz）和 B 频段（95 kHz 至 125 kHz），以及用于相关应用的 C 频段（125 kHz 至 140 kHz）和 D 频段（140 kHz 至 148.5 kHz）。 在中国，EPRI（电力科学研究院）规定了 3 kHz 至 500 kHz 的频段。
凭借独立的 AFE 或集成式 PLC 器件，制造商可以在各种器件系列中支持特定频段和调制方案。 例如，TI AFE030 和 AFE031 支持 CENELEC EN50065 频段 A、B、C、D，而 Cypress CY8CPLC10 和 CY8CPLC20 支持 CENELEC EN50065 及 FCC 第 15 部分操作。 同样，STMicroelectronics 自己的 PLC 器件系列支持特定的区域频段：例如，STMicroelectronics ST7538Q 和 ST7540 设计用于支持 Cenelec EN50065，而 ST 的 ST7580 支持 ARIB、Cenelec EN50065 和 FCC 第 15 部分。
电力线噪声
在分配的频段内，PLC 系统必须应对非常嘈杂的电气环境。 电力线会受到不断变化的噪声来源干扰，包括脉冲噪声、电机噪声、电源谐波，以及当消费者打开和关闭不同电器、工具和设备时所产生的其他来源（图 3）。
的确，电力线噪声变化极大：特定频段可以在一段时间内提供清晰的通信通道，不过很快会被用户的家庭、办公室或农场设备发出的间歇噪声淹没。 因此，PLC 接收器必须经常从具有非常不利的信噪比特征的来源中提取信号。
可用的 PLC 器件（包括 ST 的 ST7538Q、ST7540 和 ST7580）提供了二进制频移键控 (B-FSK)，该技术可实现抗幅度波动和近带干扰性。 尽管 FSK 调制方案可以在较差的信噪比环境中提供良好的解决方案，但是影响大多数电力线的宽带噪声需要更强大的通信方案。
抗噪调制
为了缓解各种不同的电力线噪声来源对 PLC 信号传输的影响，PLC 收发器（如 STMicroelectronics ST7570）提供了 IEC 61334（一种在电表使用 PLC 的标准）中规定的扩频型频移键控 (S-FSK) 调制。 对于要求更高的应用，设计人员可以在 PLC 器件（如 ST 的 ST7590 和 TI 的 AFE030/31）中利用 OFDM 支持。 OFDM 使用多个通道，这使其特别适用于电力线通信等带噪声的应用。
两个主要的 PLC 标准—PRIME（电力线智能计量发展）和 G3—规定，使用 OFDM 来减缓在嘈杂电力线上进行的通信。 事实上，G3 提供了一种自适应方法，允许符合规范的 PLC 器件在具有严重噪声干扰的子频段中关闭通信。 它在嘈杂环境中的稳定性能使其不仅非常适合通过低压线路为消费者输送电能，而且适合将变压器之间的通信提供给数据集中器，这些集中器通常托管于将变压器连接到公用事业变电站的中压线路上。
由于这些协议的复杂性，符合规范的 PLC 调制解调器同样需要更复杂的 PLC 器件。 例如，TI AFE031 PLC IC 支持 PRIME 和 G3，但是对于执行相应的通信软件堆栈所需的关联处理器，TI 建议使用高性能 MCU，例如其双核 Concerto 系列 MCU。
在可用的集成式 PLC 器件中，Atmel 的 ATPL230A 和 ATPL250A 分别是符合 PRIME 和 G3 标准的 PLC 调制解调器 IC。 这两种器件都设计为与高性能 MCU（如 Atmel SAM4C MCU 系列）一起工作。 对于寻求单芯片解决方案的设计人员而言，Atmel SAM4CP16B 双核 ARM Cortex-M4 PLC MCU 同样在集成 PHY 和 Atmel 提供的 PLC 通信堆栈的单个 IC 中同时支持 PRIME 和 G3（图 4）。
为了帮助清理 PLC 设计的复杂性，设计人员可以采用许多将关键 PLC IC、处理器和软件相结合的开发套件。 Cypress Semiconductor CorpCY3274 开发套件为期望利用 Cypress CY8CPLC20 集成式 PLC 器件的开发人员提供了快速入门指南（见图 2）。
STMicroelectronics STEVAL-IPP004V1 开发套件提供了一个基于 ST7590 PLC 器件和 ST 的 STM32F103 MCU（高性能 STM32 F1 ARM Cortex-M MCU 系列的成员之一）构建的符合 PRIME 标准的完整模块。
最后，TI TMDSPLCKIT-V3 C2000 电力线调制解调器开发人员套件将 AFE031、TMS320F28069 C28x Piccolo MCU 与 PLC 软件套件相结合，后者支持 S-FSK 和 OFDM，用于开发符合 PRIME 和 G3 标准的 PLC 解决方案。
结论
对于乡村地区，PLC 可以提供一种用于将智能电表、家用电器和设备连入智能电网的有效解决方案。 然而，对于 PLC 设计人员来说，法规限制、国际标准和电力线路特性混合在一起将是巨大的挑战。 通过利用市售的 PLC IC 和 MCU，设计人员可以更轻松地实施耐用的 PLC 解决方案，能够在低压线路上工作，并跨接变压器连接中压电网。
在乡村地区，电力线通常是确保可靠、高性价比智能电网通信的最佳选择。 用户终端在这些地区通常极为分散，而诸如无线等可替代方法的覆盖距离又不足，有线链路或蜂窝宽带还不能马上投入使用或可靠性还不够。 相比之下，PLC 可以提供一个可靠的高性价比机制，用于公用事业公司和用户智能电表之间的数据交换。
PLC 设计
在典型的 PLC 调制解调器设计中，模拟前端 (AFE) 和处理器提供关键功能（图 1）。 当 AFE 处理模拟操作（包括信号传输和接收）时，处理器执行与特定 PLC 协议关联的通信软件堆栈。
图 1：除了耦合、带通和电路保护之外，PLC 调制解调器还将用于传输和接收信号的模拟前端 (AFE) 与用于处理通信堆栈的 MCU 相结合
要构建 PLC 解决方案，设计人员可以将独立的 AFE（如 Texas Instruments AFE030 和 AFE031）与外部 MCU（如 Texas Instruments 的 C2000 C28x Piccolo MCU）相结合。 利用这种方法，设计人员可以通过选择较高性能的 MCU（如结合 C2000 C28x 内核与 ARM Cortex-M3 的 Texas Instruments Concerto 多核 MCU）来扩展 PLC 调制解调器性能。 事实上，对于更高级的调制方案（如下面所提到的正交频分复用 (OFDM)），可能需要更高性能的多核处理器来处理更复杂的通信软件堆栈。
或者，设计人员还可以采用各种将大部分 PLC 通信堆栈集成于单一芯片上的 PLC 解决方案。 例如，Cypress Semiconductor CY8CPLC10 集成了 PHY 层和更低层的网络协议堆栈，而 CY8CPLC20 进一步将 CY8CPLC10 的功能与能够执行更复杂 PLC 堆栈的 Cypress PSoC 内核相集成（图 2）。
图 2：制造商提供了以提高集成度为特色的 PLC 解决方案。 例如，Cypress Semiconductor CY8CPLC10 集成了 PHY 和网络协议堆栈，而 Cypress CY8CPLC20 将 CY8CPLC10 的功能与用于完整堆栈处理的 PSoC 内核相集成。
频段
根据地区法规的规定，PLC 必须在特定频段内工作。 在北美和加拿大，FCC（联邦通信委员会）第 15 部分规定，PLC 在 10 kHz 至 490 kHz 频段范围内工作。 在亚洲和日本，ARIB（电波产业协会）规定，PLC 在 10 kHz 至 450 kHz 频段范围内工作。 在欧洲，Cenelec（欧洲电子技术标准化委员会）EN50065 规定了低频段范围，包括用于 PLC 通信的 A 频段（3 kHz 至 95 kHz）和 B 频段（95 kHz 至 125 kHz），以及用于相关应用的 C 频段（125 kHz 至 140 kHz）和 D 频段（140 kHz 至 148.5 kHz）。 在中国，EPRI（电力科学研究院）规定了 3 kHz 至 500 kHz 的频段。
凭借独立的 AFE 或集成式 PLC 器件，制造商可以在各种器件系列中支持特定频段和调制方案。 例如，TI AFE030 和 AFE031 支持 CENELEC EN50065 频段 A、B、C、D，而 Cypress CY8CPLC10 和 CY8CPLC20 支持 CENELEC EN50065 及 FCC 第 15 部分操作。 同样，STMicroelectronics 自己的 PLC 器件系列支持特定的区域频段：例如，STMicroelectronics ST7538Q 和 ST7540 设计用于支持 Cenelec EN50065，而 ST 的 ST7580 支持 ARIB、Cenelec EN50065 和 FCC 第 15 部分。
电力线噪声
在分配的频段内，PLC 系统必须应对非常嘈杂的电气环境。 电力线会受到不断变化的噪声来源干扰，包括脉冲噪声、电机噪声、电源谐波，以及当消费者打开和关闭不同电器、工具和设备时所产生的其他来源（图 3）。
图 3：低压电力线充斥着脉冲噪声 (A) 及甚至来自电动牙刷充电座等小家用电器的宽带噪声 (B)，这些噪声来源随消费者的使用情况而变化。
的确，电力线噪声变化极大：特定频段可以在一段时间内提供清晰的通信通道，不过很快会被用户的家庭、办公室或农场设备发出的间歇噪声淹没。 因此，PLC 接收器必须经常从具有非常不利的信噪比特征的来源中提取信号。
可用的 PLC 器件（包括 ST 的 ST7538Q、ST7540 和 ST7580）提供了二进制频移键控 (B-FSK)，该技术可实现抗幅度波动和近带干扰性。 尽管 FSK 调制方案可以在较差的信噪比环境中提供良好的解决方案，但是影响大多数电力线的宽带噪声需要更强大的通信方案。
抗噪调制
为了缓解各种不同的电力线噪声来源对 PLC 信号传输的影响，PLC 收发器（如 STMicroelectronics ST7570）提供了 IEC 61334（一种在电表使用 PLC 的标准）中规定的扩频型频移键控 (S-FSK) 调制。 对于要求更高的应用，设计人员可以在 PLC 器件（如 ST 的 ST7590 和 TI 的 AFE030/31）中利用 OFDM 支持。 OFDM 使用多个通道，这使其特别适用于电力线通信等带噪声的应用。
两个主要的 PLC 标准—PRIME（电力线智能计量发展）和 G3—规定，使用 OFDM 来减缓在嘈杂电力线上进行的通信。 事实上，G3 提供了一种自适应方法，允许符合规范的 PLC 器件在具有严重噪声干扰的子频段中关闭通信。 它在嘈杂环境中的稳定性能使其不仅非常适合通过低压线路为消费者输送电能，而且适合将变压器之间的通信提供给数据集中器，这些集中器通常托管于将变压器连接到公用事业变电站的中压线路上。
由于这些协议的复杂性，符合规范的 PLC 调制解调器同样需要更复杂的 PLC 器件。 例如，TI AFE031 PLC IC 支持 PRIME 和 G3，但是对于执行相应的通信软件堆栈所需的关联处理器，TI 建议使用高性能 MCU，例如其双核 Concerto 系列 MCU。
在可用的集成式 PLC 器件中，Atmel 的 ATPL230A 和 ATPL250A 分别是符合 PRIME 和 G3 标准的 PLC 调制解调器 IC。 这两种器件都设计为与高性能 MCU（如 Atmel SAM4C MCU 系列）一起工作。 对于寻求单芯片解决方案的设计人员而言，Atmel SAM4CP16B 双核 ARM Cortex-M4 PLC MCU 同样在集成 PHY 和 Atmel 提供的 PLC 通信堆栈的单个 IC 中同时支持 PRIME 和 G3（图 4）。
图 4：对于 PRIME 和 G3 PLC 设计，工程师可以在包含 Atmel ATPL2x PLC 器件和 SAM4C MCU 的双芯片集上或在 SAM4CP16B（提供与双芯片集同等功能的单芯片解决方案）上进行构建。
为了帮助清理 PLC 设计的复杂性，设计人员可以采用许多将关键 PLC IC、处理器和软件相结合的开发套件。 Cypress Semiconductor CorpCY3274 开发套件为期望利用 Cypress CY8CPLC20 集成式 PLC 器件的开发人员提供了快速入门指南（见图 2）。
STMicroelectronics STEVAL-IPP004V1 开发套件提供了一个基于 ST7590 PLC 器件和 ST 的 STM32F103 MCU（高性能 STM32 F1 ARM Cortex-M MCU 系列的成员之一）构建的符合 PRIME 标准的完整模块。
最后，TI TMDSPLCKIT-V3 C2000 电力线调制解调器开发人员套件将 AFE031、TMS320F28069 C28x Piccolo MCU 与 PLC 软件套件相结合，后者支持 S-FSK 和 OFDM，用于开发符合 PRIME 和 G3 标准的 PLC 解决方案。
结论
对于乡村地区，PLC 可以提供一种用于将智能电表、家用电器和设备连入智能电网的有效解决方案。 然而，对于 PLC 设计人员来说，法规限制、国际标准和电力线路特性混合在一起将是巨大的挑战。 通过利用市售的 PLC IC 和 MCU，设计人员可以更轻松地实施耐用的 PLC 解决方案，能够在低压线路上工作，并跨接变压器连接中压电网。