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智能电网PLC应用:窄带单载波已经成熟,OFDM成未来趋势




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引言:PLC是智能电网通信的第一选择,在实现PLC的各种调制方式中,窄带单载波方案已有成熟应用,OFDM因为出色的抗干扰特性及宽带通信能力,将成为PLC技术的发展趋势。

“自知者智”,实现电网智能化,首先要建立在对电网自身以及终端用户情况充分了解的基础之上,这就需要电网具备双向通信功能。在实现智能电网通信的各种技术中,因利用现有电力线网络而无需重新布线,以及不存在微波传输固有的视距限制和其他无线传输方式受建筑物阻碍所带来的传输距离有限等问题,加之电力线本身就属于电力公司管辖,电力线载波(PLC)成为实现智能电网通信的首选技术。

目前在实现各种PLC的调制方式中,正交频分复用技术(OFDM)最受关注,而FSK等单载波方式在实际应用中已有大规模使用案例。具体选择何种技术实现智能电网PLC应用,需要衡量各种方案的成本、抗干扰能力、整体方案成熟度等各个方面。

智能电网通信及PLC的基本结构

下面以应用最广泛的远程抄表(AMR)为例说明。总体而言,智能电网通信可以分成以下三部分:广域网(WAN)、邻域网(NAN)和个域网(HAN)。广域网负责从电力公司的控制中心到下游集中器之间的长距离连接,这部分的通信可以由现有的蜂窝网络比如GPRS或者3G无线通信来满足,PLC也可成功用于WAN的中压部分。邻域网解决广域网和个域网之间的通信,在邻域网中,数据从多个个域网节点被采集,然后通过低压线路传到集中器,集中器再进一步把这些累积起来的数据传给电力公司控制中心。个域网提供安装在普通消费者家中或商业用户处的终端间的通信,这两部分通信完全可以采用PLC实现。三个部分间通过不同形式的网关连接,举例来说,WAN和NAN之间有集中器,NAN和HAN之间有电子式电表或采集器。集中器汇总电表数据并且将这些信息传给电力公司,电表收集家庭和企业的用电量并实现和采集器之间的通信或者本身就担任采集器的角色。

PLC分为三层,分别为物理层(PHY)、网络层和应用层。除了这三层,PLC中还需要一个耦合电路把PLC收发器和高压电力线连接起来。对于具体应用,主要的功能由应用层执行,比如智能电网应用,应用层负责收集用电信息并执行通/断控制,同时它也参与PLC通信传输数据给网络协议层。网络协议层将从应用层获取的数据转换成PLC网络可以理解的数据,它管理和控制通信的网络功能,比如寻址、确认以及数据包丢失情况下的数据重传等。

在采用FSK调制方式的PLC系统中,来自网络协议层的数据包被物理层调制解调器调制成FSK信号,随后该信号被放大并通过耦合电路传送到电力线上。

噪声、阻抗匹配、耦合是PLC面临的三大挑战

PLC的传输介质电力线对通信来说并不理想,其阻抗、干扰是实时变化的,这是因为电力线载波信道有各种不同的负载,这些负载具有以下特性:a. 负载的接入和断开随时间不断变化;b. 负载阻抗是频率的函数;c. 电器本身在用电过程中产生各种干扰,包括脉冲干扰、连续干扰、宽带干扰及窄带干扰,尤其在500kHz以下的频段。这些负载特性的综合效应,再加上电力线本身对信号的衰减,以及终端阻抗不匹配产生的信号反射,使得低压电力线载波信道呈现极不平坦的频率响应特性,且随时间而变化,同时受频率选择性、时变性干扰。此外,由于用电负载及负荷的不同,在不同的地区、不同的地点,这种频率响应特性及干扰特性也会不同。深圳力合微电子有限公司的刘鲲总经理举例道:“观察典型办公室环境下实测的电力线信道噪声与干扰如方波信号为50Hz交流整流后的波形,可以看到在交流50Hz峰值附近,该环境出现很强的周期性干扰,这些干扰一般由节能灯产生。”实际上,调光器、开关电源、电力线内部通话设备、通用串联线圈电动机如豆浆机这样的食物处理设备,都是电力线通信的噪声源。赛普拉斯公司一位PLC领域的专家表示:“这些噪声可以被归为两类,一类是脉冲噪声,另一类是持续性噪声。这两种噪声都会使PLC信号失真并导致丢包。”

噪声客观存在,因此当PLC信号到达接收器时,信号的信噪比必须足够大才能够被接收器正确解调。然而正如安森美半导体公司应用工程经理刘耀辉所言:“电磁兼容规范限制了PLC信号的发射电平,使得不能通过单纯提高发射信号强度来提升通信效果。”那么该如何克服噪声的影响呢?赛普拉斯的专家表示,有多种技术可以克服脉冲噪声的影响,比如具有确认机制的双向通信,包括错误侦测和数据重传等。具体来说,如果由于脉冲噪声的影响而没有收到确认信息,发射机会重传数据包直到知道成功收到确认信息为止。“如果在PLC系统的频率范围内有大幅度持续的噪声,最好的隔离方法是将他们从PLC接收机中移出,或者在噪声产生设备的电源上加上电感模块,使噪声频率低于接收机的信噪比。”他补充道。当然,采用不同的调制方式会对抗干扰性能产生关键性的影响,留待稍后笔者对比不同调制方式的优劣时再加以分析。

和噪声干扰同时存在的还有阻抗匹配问题,终端阻抗不匹配产生的信号反射也是一种干扰。当不同的用电设备插入插座时,电力线的阻抗就会产生变化。赛普拉斯的专家认为,阻抗的动态变化是PLC需要解决的老问题。PLC发射机和接收机需要设计为可以预先感知这些电力线上的阻抗变化,以保证信号传输的性能。他指出:“使发射机和电力线阻抗匹配对保证信号在电力线上的最大化传输有利,高接收机阻抗则可以确保接收的信号损失最小。”损耗是衡量PLC的重要指标,噪声和阻抗匹配问题解决得越好,损耗就越少。

将调制解调器出来的信号恰当地耦合到电力线上非常重要,必须采用适当的方法以使耦合损耗最小。美信公司PLC通信事业部总经理Michael Navid表示:“虽然业界尤其是中国的电力通信行业对耦合方法并不陌生,但恰当耦合所需的知识对于优化性能确实非常重要。”耦合需要变压器帮忙,把PLC信号从一个相位耦合到另外一个相位上。两种常用的耦合方法是电容耦合和无线耦合,电容耦合技术需要给变压器连接一个能够跨越这两个相位的电容,系统允许PLC信号通过;无线耦合则使用射频通信技术,在发射时把PLC信号从一个相位移到另外一个相位,无线耦合对原有系统的改变更少,因此也是更优的选择。

窄带单载波已有成熟应用,OFDM是未来发展趋势

上文提到的噪声抑制问题,采用不同的调制方式会对噪声抑制产生根本性的影响。刘鲲表示:“单载波窄带调制技术的最大缺陷是对于时变频率选择性衰落及干扰不具备自适应能力,因而在通信可靠性上呈现很大的局限性。多载波调制技术由于将数据信息调制到多个载波上,当某个频点深度衰落或被干扰时,其他频点可能仍处在较好的传输条件下,因而通过纠错后编码完整的数据信息仍然可以被正确接收。单载波窄带调制技术主要包括FSK、BPSK、跳频、直接序列扩频等,多载波调制技术的代表有力合微电子正交四载波、ECHELON智能双频等。”美信的PLC方案也采用OFDM多载波调制技术。

窄带单载波在全球已有成熟的部署,赛普拉斯的专家表示:“FSK历史悠久并且依然是最常用的方式,这主要归因于该方式成本低廉且易于开发,例如意大利就部署了一个非常大的FSK调制方式抄表系统。”如果站在系统的角度看,对于PLC应用,成熟可靠的网络协议是不可或缺的。刘耀辉就指出:“目前知名的窄带方案大多依托一套完备的网络协议,比如安森美半导体PLC方案依托IEC 61334标准,采用该方案的抄表系统在欧洲工业现场已有超过8年的可靠运行。”而窄带FSK调制方式也可以在一定程度上实现多载波的抗干扰效果,如安森美的PLC Modem AMIS-49587采用S-FSK和ASK自动切换的方式来应对最常见的窄带干扰,一般情况下,PLC Modem工作在所谓S-FSK调制方式,两个载频分开得较远(>10kHz),如果有窄带干扰影响了某一个载频,调制解调器还可以利用另一个载频通信,此时调制解调器工作在ASK调制方式。

窄带单载波方案在成本上也具备一定的优势。传统意义上使用OFDM技术尤其是宽带OFDM技术会带来成本的提升,这是因为基于OFDM技术的PLC方案通常采用多达几十组的载波频率,由于载波的冗余使其对窄带干扰具有较好的抑制能力,通讯速率可以相应提高,信道带宽的利用率也较高,但以目前的技术水平,相对通常基于mcu的窄带方案,OFDM调制解调需要复杂得多的算法和很高的精度。安森美和赛普拉斯的的专家都认为,OFDM一般必须使用DSP进行处理,这在成本和功耗上需要增加许多。当然,如果只是窄带的OFDM,MCU也可胜任,比如力合和美信的OFDM多载波方案都是基于MCU来实现的。

在窄带单载波领域,如上面提到的,目前安森美提供的是S-FSK/ASK双模的解决方案,安森美半导体AMIS-30585在AMR领域已有多年成功应用。AMIS-49587是与其引脚兼容的新一代PLC Modem,采用S-FSK/ASK模式,通讯速率达到2,400bps,同样依托于IEC 61334规范,采用独到的智能自适应中继方案。而赛普拉斯可以提供基于FSK调制的单载波PLC解决方案,该方案是从PHY调制解调器、网络层协议到完整的耦合电路参考设计的全套解决方案,它包括三个器件:CY8PLC10、CY8CPLC20和CY8CLED16P01,其中,CY8CPLC20是一个可编程的SoC,它集成了PHY调制解调器和网络协议。赛普拉斯在业内第一个真正实现了可编程的PLC解决方案,CY8CPLC20既具备可编程SoC可编程特性和灵活特性,同时又具备PLC所需的性能。

虽然窄带单载波方案已有成熟的应用,但OFDM多载波调制因其出色的抗窄带噪声性能,以及在提供宽带PLC上所具备的巨大潜力,代表了未来的技术发展方向,尤其是在中国这样电网质量较差的国家更是如此。Navid就表示:“OFDM代替单载波调制方式是全球PLC领域的发展趋势。OFDM的带宽更宽,可以传递更多数据,这意味着传感器上的测量数据可以被更频繁地来回传递,数据可以做安全加密,更多的终端可以被寻址,从而增加了数据容量,且可以采用更先进的数据重传技术以提高可靠性。”另外,OFDM具备的纠错技术如Vitirbi和Reed Solomon可以被用于恢复错误的码元,从而提高传输的成功率。

而美信采用OFDM方式的MAX2990是一颗SoC芯片,基于美信16位MAXQ MCU内核,芯片包含了PHY和MAC。这样的架构保证该方案能够以非常低的成本实现复杂的OFDM技术。此外,美信还新推出了PLC模拟前端MAX2991。美信还将在2011年推出支持G3标准的OFDM PLC解决方案MAX2992,该芯片进一步发展了MAX2990芯片的技术。安森美在提供目前成熟的PLC方案的同时,也在研制多载波、高速率的PLC产品,以及OFDM的PLC调制解调器。

OFDM两大主流标准对比

在OFDM PLC领域,一些公司已经实验了多种技术,最著名的两种竞争技术是Prime和G3 标准。这两个标准都使用OFDM技术,只是实现的方法不同。两者之间还有许多共同点,比如都是开放的标准,都被很多欧洲大的公共事业公司支持,都有很多领先半导体公司能够提供相应方案,也都有很多大的表厂支持,颇有些势均力敌的味道。但据Navid介绍,G3采用了一些独有的技术来提高数据速率可靠性和易用性,比如自适应的色调映射(tone mapping),这些技术监视不同子信道并且在最好的信道上安排最多的传输,因此消除了在差道上的尝试,能够提高数据速率。G3还有强壮的运行模式,确保在噪声较大信道上的高可靠性传输。G3还具备更多的纠错技术,它使用两层纠错技术去恢复由于突发噪声带来的错误码元。
 

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