???? 智能电网的概念在全球范围内逐渐得到广泛认同，而智能电表使电能的消费和供应实现优化、可控，已成为智能电网概念中必不可少的组成部分。近年来，智能电表陆续在许多国家展开大规模部署。欧盟已经决定在2020年前，在所有成员国完成80%用户的智能电表部署工作。在自动远程抄表通信技术中，相对于无线解决方案，欧洲更倾向于采用PLC技术。但不同国家采用的PLC方案可能不尽相同。法国已经启动了目前规模最大的的智能电表项目——Linky项目。法国电力集团（EDF）的子公司ERDF，计划于2012年至2017年之间在法国部署3,500万个智能电表。目前，ERDF已经选择了三家供应商，开始了实验部署阶段。在这个阶段中，将在试点城市和乡村安装30万只Linky电表和1万台集中器，安森美半导体的AMIS-49587已被供应商选中，作为PLC调制解调器。计划中，从2012年开始，ERDF将会展开大规模的部署工作。
Linky项目的技术规格要求
图1 Linky项目通信示意图
???? 在Linky项目中，从图1可以看到，多个用户端智能电表①与集中器②，采用PLC技术实现数据通信。集中器②与电力公司中央信息系统③之间则采用GPRS实现互联。
图2 开放系统互联（OSI）模型
???? 在ERDF规格中，用开放系统互联（OSI）模型（图2）描述了Linky PLC网络的协议，OSI模型显示，其采用了精简的3层结构，分别是物理层、数据链路层和应用层。物理层规定通信介质采用电力配电网，调制采用窄带S-FSK技术。数据链路层又分为MAC和LLC两个子层，MAC层处理对物理介质的访问和对物理设备的寻址。安森美半导体的AMIS-49587不仅完成物理层对S-FSK信号的收发，还包含对MAC层的处理。对这两层的管理遵从标准IEC 61334-5-1，网络管理CIASE遵从IEC 61334-4-511。ERDF要求整个智能电表系统具有互操作性，所以Linky项目应用协议统一遵从DLMS和COSEM协议。系统通信采用半双工形式，也就是电表在正确收到集中器发来的信息后，才可以发出应答信息。
??? Linky项目对物理层有一些规定：物理层遵从IEC 61334-5-1/EN 50065，调制方式采用S-FSK，两个S-FSK载频分别是63.3kHz和74kHz，波特率为2400bps，系统要求与配电线50Hz频率同步。
安森美半导体PLC解决方案
??? AMIS-49587是安森美半导体公司第二代PLC调制解调器产品，它与安森美第一代产品AMIS-30585引脚兼容，可以在不修改外围电路的情况下进行替换。AMIS-49587将通信速率提高到了2400bps。
图3 安森美PLC在电表上的解决方案
??? 图3描述了安森美PLC在电表上的解决方案，方案的核心是PLC调制解调器AMIS-49587。另外，针对PLC应用，安森美还开发了线路驱动器NCS5650，驱动电力线耦合变压器，将S-FSK信号放大并耦合到电力线上，NCS5650的电流驱动能力高达2A，只需要几个阻容器件，就可以配置成4阶低通滤波器，滤除掉载波频率以上的高频成分，防止其进入配电网。高阶滤波器的设置，是为了满足欧盟严格的电力线信号注入标准的要求，比如EN 50065。FSK的接收是将变压器耦合过来的信号经过AMIS-49587内部运放组成的滤波器进行高通滤波，滤除50Hz信号后，再在内部进行FSK解调以还原成数字信号。IEC 61334-5-1的系统需要与50Hz过零信号同步。AMIS-49587有过零检测引脚，对50Hz频率进行检测。如果系统对隔离有严格要求，50Hz检测信号可增加光电耦合器进行隔离。此外，安森美还可以在AD-DC、DC-DC或LDO电源浪涌保护以及EEPROM方面提供高性价比的方案。
图4 安森美PLC方案的原理图
??? 图4为PLC方案的原理图，由AMIS-49587和NCS5650组成的方案十分简单，从图中可以看到，除核心器件AMIS-49587、NCS5650以及耦合变压器外，绝大部分都是电阻和电容，整个方案只有39个元器件。
??? 根据欧洲电工标准化委员会标准EN50065的要求，把频率从9kHz到148.5kHz划分为四个频带，智能电表载波频段规定为9kHz~95kHz。
??? 在调制方式中，频移键控（FSK）很容易实现且成本很低，通过载波的频率变化传递数字信息。我们使用双载波调制技术，频率fm代表数据1，fs代表数据0。当两个载波频率分开的较远，比如大于10kHz后，两个载波信道的接收质量会相对独立，因此会更好的应对电网上常见的窄带干扰的影响。AMIS-49587采用的调制方式是扩频式的FSK，也叫做S-FSK，数据的发送是与配电线50Hz同步的。传输速率1200bps下，一个正弦周期可以发送24位数据，在传输速率达到2400bps时，可以传送48位的数据。
??? 在标准IEC 61334-5-1规定下，物理层调制只有S-FSK还不够。在配电线上，在噪声能量随频率分布比较平均的宽带干扰下，两个载频的接受信道的信噪比相似，接收端滤除掉其他频率。在f0（空号频率）和f1（传号频率）上，产生两个解调信号DS和DM，如果DS>DM，认为收到数据0，反之，则认为受到数据1。在这种情况下，接收器工作在FSK模式。如果遇到窄带干扰，使其中一个载频信道下的信噪比很差时，接收器将忽略这个信道，用另一个较好信道的解调信号与一个内部阈值T作比较。大于T认为收到数据1，否则就是收到数据0，此时接收器转换为幅移键控（ASK）模式。接收机每开始接收一个物理帧都会自动测算信噪比，分析信道的质量以决定解调方式。由于采用扩频FSK，两个信道的接收质量相对独立，配电线上常见的窄带干扰即使严重干扰了其中一个信道，系统也会利用另外一个较好的信道完成通信。
AMIS-49587已包含了物理层和MAC层的控制，客户不用太关注物理帧的细节，然而了解一下物理帧的构成可以帮助我们理解IEC 61334-5-1系统的中继机制。物理帧由前导码、起始定界符、数据和暂停组成，物理帧每一个帧对应时间上的长度叫做一个时隙（time slot）或时间片。在2400bps下，一个物理帧也就是一个时隙对应长度为150ms。物理帧的起始点我们称作时隙指示器，IEC61334 S-FSK系统与配电线50Hz同步。物理帧起始处时隙指示器对应50Hz过零信号，也就是说物理帧的发送是与50Hz过零严格同步的。
??? 在两个节点间进行数据传输中，长距离给发送信号带来严重的衰减。提高接收机的灵敏度，只能有限的解决问题。因为如果信号衰减到噪声电平相当或以下时，将不再起作用。提高发送功率可以改善这个状况，但又可能给电网带来更多的干扰。通常，各国对此都有严格的限制。增加中继节点是通行的方法，图5中，集中器要与远端3号模块进行通信，中间模块1和2充当中继器，使信号电平得到提升并始终在噪声电平之上，最终将信息传递到模块3。
关于中继，IEC 61334 S-FSK系统有自己独到的特点。其核心概念是每个节点都可以被配置成其他节点的中继器，转发时采用和声方式，即所有参与转发的节点在同一时刻发送完全同样的内容。这一点是靠整个系统以50Hz过零作为同步依据来实现的。中继方式带有可信值，初始可信值由集中器设定，决定节点重复、和声转发的次数，数值越大，信息能够传送的距离越远。每次集中器都会根据目的模块返回帧内的可信值信息来确定下次访问该模块时的初始可信值。从而实现动态的路由管理。
??? 由于采用了上文中的带可信值管理的中继，IEC 61334-5-1组成的通信系统中，不需要再由人工确定复杂的路由列表，因为系统会自动找到最佳的路由路径，这将给现场施工安装带来极大的方便，由于集中器会根据回应帧调整可信值，使系统根据线路状态动态调整路由机制。
??? 为了应对PLC网络中不同的应用，AMIS-49587具有主机模式、从机模式以及监听模式，以方便被配置成集中器、电表或测试设备，配置工作在上电时由外部MCU来完成。AMIS-49587与MCU的接口为通用串行方式，半双工，采用不归零码，数据为8个数据位加一个停止位，可编程的波特率从4.8kbps到38.4kbps，芯片电平为3.3V，但是收发口可以直接与5V系统相连。
??? 利用AMIS-49587组建的PLC系统具有多项优势：首先，集成物理层和MAC层的处理，极大地使客户减少了软件编制的工作量，客户在使用这款收发器传送或接收数据时，不需要太多关注协议的细节，使客户可以把更多的精力放在应用层的开发，系统整体开发时间大大缩短；其次，S-FSK、ASK的结合，及16位模拟前端的应用，保证了在各种噪声干扰下的信号识别；再加上极具特色的全自动可信值管理中继算法，使长距离通信变得高效可靠；AMIS-49587方案简单，适合单相及三相应用；在方案的功耗上，也比采用DSP的方案要小很多。这些特点，使安森美半导体的PLC解决方案非常适用于自动化抄表、灯光控制、家用电器以及其他区域集中控制等场合。
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问答选编
问：影响电力载波通信噪声有哪些？
答：主要有类似白噪声的宽带噪声及窄带脉冲噪声。
问：电力线载波通信基本的调制方式包括哪些？
答：调制方式比较多：FSK、PSK以及OFDM等。
问：扩频型频移键控 (S-FSK)和频移键控(FSK)有什么区别?
答：S-FSK和FSK的区别在于SFSK将fs和fm的距离彼此拉远（扩展），通过增大空号频率信号和传号频率信号的距离，使它们的传输质量相对独立。
问：在用于远程抄表时，PLC主要采用的通讯接口和协议包括哪些？
答：以欧洲为例，底层的协议有IEC61334，应用层可以是IEC62056。在中国，没有规定底层协议，应用层目前大家参考DLT645。
问：在智能电表应用中，因为现在家里用的开关电源类产品居多，电力线上噪声太大，这部分如何处理的？
答：主要采用FSK/ASK自动切换以及AMIS-49587内部运行数字处理算法提高灵敏度。
问：S-FSK调制是根据频率的不同来区分0和1信号吗？
答：是的，用不同的调制频率来代表0和1。
问：目前的通信在局部地区会采用无线通信模式吗？比如WiFi、ZigBee等？
答：只是通信的话，PLC、WiFi、ZigBee都可以。但是领域不同，实现方式不同。一般在抄表，路灯控制上国内都采用PLC，在国外有采用GPRS抄表的方式，ZigBee也有。
问：目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有哪些？
答：目前最受关注的是OFDM技术。
问：如何考虑线路驱动器NCS5650的发热问题？需要加散热器吗？
答：PCB需要尽量提供大面积的铜箔用于散热，不需要散热片。
