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第五講:PLC技術(shù)在智能電表上的應(yīng)用方案

發(fā)布時(shí)間:2011-11-04 來(lái)源:CNT Networks

中心議題:
  • PLC技術(shù)的發(fā)展與智能電表的緊密關(guān)系
  • 如何為智能電表選擇適合的PLC調(diào)制解調(diào)器方案
解決方案:
  • 應(yīng)用 NCP1014、NCP1015等AC-DC轉(zhuǎn)換器
  • 采用LM2596、NCP3063和CS51411等DC-DC轉(zhuǎn)換器

【class1】:全面剖析智能電表結(jié)構(gòu)和原理
http://forexsooq.com/art/artinfo/id/80013457?source=lecture

【class2】:詳解智能電表的主流計(jì)量芯片方案
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【class3】:非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
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【class4】:智能電表的電源管理及其省電設(shè)計(jì)方案
http://forexsooq.com/art/artinfo/id/80013574?source=lecture


在談到智能電表的應(yīng)用方面,可以說(shuō)它的應(yīng)用前景不得不說(shuō)是廣泛。智能電表是智能電網(wǎng)(特別是智能配電網(wǎng))數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一,承擔(dān)著原始數(shù)據(jù)的采集、計(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù),是實(shí)現(xiàn)信息集成、分析優(yōu)化和信息展現(xiàn)的基礎(chǔ)??梢哉f(shuō)它在構(gòu)建智能電網(wǎng)中是不可或缺的部分。

多年來(lái)人們致力于用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄讀電量和電能的智能化設(shè)備,也是構(gòu)成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表(AMR)系統(tǒng)的基本單元,而由智能電表組成的自動(dòng)抄表系統(tǒng)是 實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要一步。智能電表系統(tǒng)可以使電力供應(yīng)商在提高服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)降低管理成本,從而幫助公共事業(yè)服務(wù)提供者和政府降低電源損耗、優(yōu)化能源消耗、管理對(duì)寶貴能源的需求,并讓用戶有機(jī)會(huì)充分利用各種用電計(jì)劃(如分時(shí)電價(jià))來(lái)節(jié)省開(kāi)支和享受多種便利。完善的智能電表系統(tǒng)將極大地方便人們的日常生活,同時(shí)提高電力能源的有效分配和利用, 在建設(shè)“節(jié)能節(jié)約型”社會(huì)及“節(jié)能減排”的過(guò)程中產(chǎn)生巨大的商機(jī)和社會(huì)效益。

一、PLC技術(shù)的發(fā)展與智能電表的緊密關(guān)系

智能電表的實(shí)現(xiàn)使用了以下幾種主要技術(shù):電力線載波通信(PLC)技術(shù)、專用通信線路(如RS485總線技術(shù)等)以及無(wú)線通信技術(shù)等。目前電力線載波通信技術(shù)是AMR的主流技術(shù),因此智能電表的發(fā)展和推廣將與電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展有著緊密的關(guān)系。

而在綠色節(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(kāi)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(kāi)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)。

表2:傳統(tǒng)電網(wǎng)與新的智能電網(wǎng)之間的簡(jiǎn)單對(duì)比。

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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(jiàn)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。

圖3: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。


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(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??紤]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。

二.為智能電表選擇適合的PLC調(diào)制解調(diào)器方案

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(mark frequency, Fm) 63.3 kHz和空頻(space frequency, Fs) 74 kHz,傳輸速率2.4 Kbps,并與50 Hz電氣網(wǎng)絡(luò)頻率物理同步。
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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(kāi)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(kāi)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(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(kāi)發(fā)出全套互操作PLC方案,還 降低開(kāi)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(wú)需涉及PHY和MAC協(xié)定傳輸細(xì)節(jié)問(wèn)題,節(jié)省多達(dá)50%的軟件開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)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4:安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表的解決方案。
 
總結(jié):

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展,電網(wǎng)智能化的趨勢(shì)日益顯著。除了智能電表以外,電力線載波通信技術(shù)在智能樓宇、智能家居、城市路燈智能照明等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,作用也越來(lái)越重要。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。
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