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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

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-21     來(lái)源:[標(biāo)簽:出處]     作者:[標(biāo)簽:作者]     瀏覽次數(shù):125
核心提示:

  近年來(lái),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(wàn)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(lái)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。 

  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(wú)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(ElectricitédeFrance,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(wàn)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(wú)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。 

  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(wèn)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(wú)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(wú)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(markfrequency,Fm)63.3kHz和空頻(spacefrequency,Fs)74kHz,傳輸速率2.4Kbps,并與50Hz電氣網(wǎng)絡(luò)頻率物理同步。 

  半導(dǎo)體PLC調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì) 

  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1.2kb的AMIS-30585為早前推出,最初開發(fā)時(shí)就符合IEC61334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2.4kb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(wèn)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(lái)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NCS56502APLC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

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