???? 智能電網的概念在全球范圍內逐漸得到廣泛認同，而智能電表使電能的消費和供應實現優化、可控，已成為智能電網概念中必不可少的組成部分。近年來，智能電表陸續在許多國家展開大規模部署。歐盟已經決定在2020年前，在所有成員國完成80%用戶的智能電表部署工作。在自動遠程抄表通信技術中，相對于無線解決方案，歐洲更傾向于采用PLC技術。但不同國家采用的PLC方案可能不盡相同。法國已經啟動了目前規模最大的的智能電表項目——Linky項目。法國電力集團（EDF）的子公司ERDF，計劃于2012年至2017年之間在法國部署3,500萬個智能電表。目前，ERDF已經選擇了三家供應商，開始了實驗部署階段。在這個階段中，將在試點城市和鄉村安裝30萬只Linky電表和1萬臺集中器，安森美半導體的AMIS-49587已被供應商選中，作為PLC調制解調器。計劃中，從2012年開始，ERDF將會展開大規模的部署工作。
Linky項目的技術規格要求
圖1 Linky項目通信示意圖
???? 在Linky項目中，從圖1可以看到，多個用戶端智能電表①與集中器②，采用PLC技術實現數據通信。集中器②與電力公司中央信息系統③之間則采用GPRS實現互聯。
圖2 開放系統互聯（OSI）模型
???? 在ERDF規格中，用開放系統互聯（OSI）模型（圖2）描述了Linky PLC網絡的協議，OSI模型顯示，其采用了精簡的3層結構，分別是物理層、數據鏈路層和應用層。物理層規定通信介質采用電力配電網，調制采用窄帶S-FSK技術。數據鏈路層又分為MAC和LLC兩個子層，MAC層處理對物理介質的訪問和對物理設備的尋址。安森美半導體的AMIS-49587不僅完成物理層對S-FSK信號的收發，還包含對MAC層的處理。對這兩層的管理遵從標準IEC 61334-5-1，網絡管理CIASE遵從IEC 61334-4-511。ERDF要求整個智能電表系統具有互操作性，所以Linky項目應用協議統一遵從DLMS和COSEM協議。系統通信采用半雙工形式，也就是電表在正確收到集中器發來的信息后，才可以發出應答信息。
??? Linky項目對物理層有一些規定：物理層遵從IEC 61334-5-1/EN 50065，調制方式采用S-FSK，兩個S-FSK載頻分別是63.3kHz和74kHz，波特率為2400bps，系統要求與配電線50Hz頻率同步。
安森美半導體PLC解決方案
??? AMIS-49587是安森美半導體公司第二代PLC調制解調器產品，它與安森美第一代產品AMIS-30585引腳兼容，可以在不修改外圍電路的情況下進行替換。AMIS-49587將通信速率提高到了2400bps。
圖3 安森美PLC在電表上的解決方案
??? 圖3描述了安森美PLC在電表上的解決方案，方案的核心是PLC調制解調器AMIS-49587。另外，針對PLC應用，安森美還開發了線路驅動器NCS5650，驅動電力線耦合變壓器，將S-FSK信號放大并耦合到電力線上，NCS5650的電流驅動能力高達2A，只需要幾個阻容器件，就可以配置成4階低通濾波器，濾除掉載波頻率以上的高頻成分，防止其進入配電網。高階濾波器的設置，是為了滿足歐盟嚴格的電力線信號注入標準的要求，比如EN 50065。FSK的接收是將變壓器耦合過來的信號經過AMIS-49587內部運放組成的濾波器進行高通濾波，濾除50Hz信號后，再在內部進行FSK解調以還原成數字信號。IEC 61334-5-1的系統需要與50Hz過零信號同步。AMIS-49587有過零檢測引腳，對50Hz頻率進行檢測。如果系統對隔離有嚴格要求，50Hz檢測信號可增加光電耦合器進行隔離。此外，安森美還可以在AD-DC、DC-DC或LDO電源浪涌保護以及EEPROM方面提供高性價比的方案。
圖4 安森美PLC方案的原理圖
??? 圖4為PLC方案的原理圖，由AMIS-49587和NCS5650組成的方案十分簡單，從圖中可以看到，除核心器件AMIS-49587、NCS5650以及耦合變壓器外，絕大部分都是電阻和電容，整個方案只有39個元器件。
??? 根據歐洲電工標準化委員會標準EN50065的要求，把頻率從9kHz到148.5kHz劃分為四個頻帶，智能電表載波頻段規定為9kHz~95kHz。
??? 在調制方式中，頻移鍵控（FSK）很容易實現且成本很低，通過載波的頻率變化傳遞數字信息。我們使用雙載波調制技術，頻率fm代表數據1，fs代表數據0。當兩個載波頻率分開的較遠，比如大于10kHz后，兩個載波信道的接收質量會相對獨立，因此會更好的應對電網上常見的窄帶干擾的影響。AMIS-49587采用的調制方式是擴頻式的FSK，也叫做S-FSK，數據的發送是與配電線50Hz同步的。傳輸速率1200bps下，一個正弦周期可以發送24位數據，在傳輸速率達到2400bps時，可以傳送48位的數據。
??? 在標準IEC 61334-5-1規定下，物理層調制只有S-FSK還不夠。在配電線上，在噪聲能量隨頻率分布比較平均的寬帶干擾下，兩個載頻的接受信道的信噪比相似，接收端濾除掉其他頻率。在f0（空號頻率）和f1（傳號頻率）上，產生兩個解調信號DS和DM，如果DS>DM，認為收到數據0，反之，則認為受到數據1。在這種情況下，接收器工作在FSK模式。如果遇到窄帶干擾，使其中一個載頻信道下的信噪比很差時，接收器將忽略這個信道，用另一個較好信道的解調信號與一個內部閾值T作比較。大于T認為收到數據1，否則就是收到數據0，此時接收器轉換為幅移鍵控（ASK）模式。接收機每開始接收一個物理幀都會自動測算信噪比，分析信道的質量以決定解調方式。由于采用擴頻FSK，兩個信道的接收質量相對獨立，配電線上常見的窄帶干擾即使嚴重干擾了其中一個信道，系統也會利用另外一個較好的信道完成通信。
AMIS-49587已包含了物理層和MAC層的控制，客戶不用太關注物理幀的細節，然而了解一下物理幀的構成可以幫助我們理解IEC 61334-5-1系統的中繼機制。物理幀由前導碼、起始定界符、數據和暫停組成，物理幀每一個幀對應時間上的長度叫做一個時隙（time slot）或時間片。在2400bps下，一個物理幀也就是一個時隙對應長度為150ms。物理幀的起始點我們稱作時隙指示器，IEC61334 S-FSK系統與配電線50Hz同步。物理幀起始處時隙指示器對應50Hz過零信號，也就是說物理幀的發送是與50Hz過零嚴格同步的。
??? 在兩個節點間進行數據傳輸中，長距離給發送信號帶來嚴重的衰減。提高接收機的靈敏度，只能有限的解決問題。因為如果信號衰減到噪聲電平相當或以下時，將不再起作用。提高發送功率可以改善這個狀況，但又可能給電網帶來更多的干擾。通常，各國對此都有嚴格的限制。增加中繼節點是通行的方法，圖5中，集中器要與遠端3號模塊進行通信，中間模塊1和2充當中繼器，使信號電平得到提升并始終在噪聲電平之上，最終將信息傳遞到模塊3。
關于中繼，IEC 61334 S-FSK系統有自己獨到的特點。其核心概念是每個節點都可以被配置成其他節點的中繼器，轉發時采用和聲方式，即所有參與轉發的節點在同一時刻發送完全同樣的內容。這一點是靠整個系統以50Hz過零作為同步依據來實現的。中繼方式帶有可信值，初始可信值由集中器設定，決定節點重復、和聲轉發的次數，數值越大，信息能夠傳送的距離越遠。每次集中器都會根據目的模塊返回幀內的可信值信息來確定下次訪問該模塊時的初始可信值。從而實現動態的路由管理。
??? 由于采用了上文中的帶可信值管理的中繼，IEC 61334-5-1組成的通信系統中，不需要再由人工確定復雜的路由列表，因為系統會自動找到最佳的路由路徑，這將給現場施工安裝帶來極大的方便，由于集中器會根據回應幀調整可信值，使系統根據線路狀態動態調整路由機制。
??? 為了應對PLC網絡中不同的應用，AMIS-49587具有主機模式、從機模式以及監聽模式，以方便被配置成集中器、電表或測試設備，配置工作在上電時由外部MCU來完成。AMIS-49587與MCU的接口為通用串行方式，半雙工，采用不歸零碼，數據為8個數據位加一個停止位，可編程的波特率從4.8kbps到38.4kbps，芯片電平為3.3V，但是收發口可以直接與5V系統相連。
??? 利用AMIS-49587組建的PLC系統具有多項優勢：首先，集成物理層和MAC層的處理，極大地使客戶減少了軟件編制的工作量，客戶在使用這款收發器傳送或接收數據時，不需要太多關注協議的細節，使客戶可以把更多的精力放在應用層的開發，系統整體開發時間大大縮短；其次，S-FSK、ASK的結合，及16位模擬前端的應用，保證了在各種噪聲干擾下的信號識別；再加上極具特色的全自動可信值管理中繼算法，使長距離通信變得高效可靠；AMIS-49587方案簡單，適合單相及三相應用；在方案的功耗上，也比采用DSP的方案要小很多。這些特點，使安森美半導體的PLC解決方案非常適用于自動化抄表、燈光控制、家用電器以及其他區域集中控制等場合。
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問答選編
問：影響電力載波通信噪聲有哪些？
答：主要有類似白噪聲的寬帶噪聲及窄帶脈沖噪聲。
問：電力線載波通信基本的調制方式包括哪些？
答：調制方式比較多：FSK、PSK以及OFDM等。
問：擴頻型頻移鍵控 (S-FSK)和頻移鍵控(FSK)有什么區別?
答：S-FSK和FSK的區別在于SFSK將fs和fm的距離彼此拉遠（擴展），通過增大空號頻率信號和傳號頻率信號的距離，使它們的傳輸質量相對獨立。
問：在用于遠程抄表時，PLC主要采用的通訊接口和協議包括哪些？
答：以歐洲為例，底層的協議有IEC61334，應用層可以是IEC62056。在中國，沒有規定底層協議，應用層目前大家參考DLT645。
問：在智能電表應用中，因為現在家里用的開關電源類產品居多，電力線上噪聲太大，這部分如何處理的？
答：主要采用FSK/ASK自動切換以及AMIS-49587內部運行數字處理算法提高靈敏度。
問：S-FSK調制是根據頻率的不同來區分0和1信號嗎？
答：是的，用不同的調制頻率來代表0和1。
問：目前的通信在局部地區會采用無線通信模式嗎？比如WiFi、ZigBee等？
答：只是通信的話，PLC、WiFi、ZigBee都可以。但是領域不同，實現方式不同。一般在抄表，路燈控制上國內都采用PLC，在國外有采用GPRS抄表的方式，ZigBee也有。
問：目前電力線載波通信常用的擴頻技術主要有哪些？
答：目前最受關注的是OFDM技術。
問：如何考慮線路驅動器NCS5650的發熱問題？需要加散熱器嗎？
答：PCB需要盡量提供大面積的銅箔用于散熱，不需要散熱片。
