如何設(shè)計一款“合格”的智能電表？

　　電力公司面臨著極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，即以固定的供電電量滿足高度可變的需求。高峰期間，電力需求可能是平常的數(shù)倍，資本高度密集的發(fā)電廠很難完全滿足這種電力需求。為消費者提供激勵性的分時電價或?qū)Ω呦M設(shè)備的用電時間進行遠程管理是更有效可控的平衡電力供需的方式。要提供分時電價，電力公司必須清楚了解用戶消耗電力的時間情況，也就是說，必須有連接電力公司和用戶電表的通信路徑。

　　為何不使用無線網(wǎng)絡(luò)？

　　顯然，無線標準可以用于電力公司電表通信，但有些問題。有人建議使用基于 ZigBee 的 2.4 GHz 技術(shù)，但在實踐中，在20-50米的短距離范圍內(nèi)，它們都無法經(jīng)濟高效地將信息反饋給電力公司。添加網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以擴展 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的范圍，然而，在農(nóng)村和城市郊區(qū)以及干擾較大的建筑結(jié)構(gòu)中，電表之間的距離更大，為 ISM2.4GHz 頻段的無線通信帶來了挑戰(zhàn)。例如，一幢擁擠的多層公寓大樓會有復(fù)雜的覆蓋和連接問題，安裝和維護無線網(wǎng)絡(luò)的費用高昂。最新的 IEEE 802.15.4g 智能電力公司網(wǎng)絡(luò)（SUN）標準旨在利用各種頻段應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，但還未做好大規(guī)模部署準備。無線網(wǎng)絡(luò)最大的缺陷是需要使用稀缺而寶貴的頻譜，這可能是非常昂貴而且/或者并非隨時可用。

　　電線通信

　　最顯而易見的通信路徑就是電線通信，為何不在供應(yīng)電力時捎帶一個信號呢？

　　長期以來，電力公司一直使用電線與發(fā)電設(shè)備進行通信并提供子站之間的語音通信，包括在高壓線上添加一個信號。這些信號通常采用振幅調(diào)制或頻移鍵控，平均速率為1 kb /s或更低，低數(shù)據(jù)傳輸速率可以實現(xiàn)信號的長距離傳送。這項技術(shù)被用來切入切出配電單元、檢查電網(wǎng)的完整性并為遠程發(fā)電和子站提供基本的語音通信。然而電表的數(shù)量要比配電單元多上數(shù)千個，這種方法無法有效擴展用于電力公司電表鏈接。

　　為了實現(xiàn)與電表的通信，需要更高的數(shù)據(jù)速率和一項可以在靈活的半自治通信網(wǎng)絡(luò)中支持多用戶的技術(shù)。G3-PLC 窄帶正交頻域復(fù)用（OFDM）電線通信標準專為此而設(shè)計，提供克服特殊電線通信挑戰(zhàn)的能力。該標準借鑒了多項無線技術(shù)，例如OFDM通信、Reed‐Solomon等前向糾錯機制、Viterbi 卷積解碼以及時間和頻域交織技術(shù)等等。

　　電線本身極具挑戰(zhàn)性，在許多方面比無線信道還要嘈雜。電線上的噪聲是高度非平穩(wěn)的，配備一個Gaussian組件（類似于無線），另配備一個非 Gaussian 脈沖噪聲分量（與無線非常不同），可以是周期性的或非周期性的（圖1）。電線上的干擾可以來自網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備或其他通信網(wǎng)絡(luò)，分為窄帶干擾或?qū)拵Ц蓴_。例如，工業(yè)機械、洗衣機、冰箱等使用的感應(yīng)電動機經(jīng)常有許多循環(huán)式平穩(wěn)噪聲。廣泛應(yīng)用于手機和筆記本電腦充電器的開關(guān)模式電源也有噪聲。因為電線是物理媒介，它們會受到分支影響; 即使在同一所房子里，網(wǎng)絡(luò)中某一個點的阻抗也會和其他地方的阻抗相當不同。接通、關(guān)斷設(shè)備可以瞬間改變網(wǎng)絡(luò)中某一個點的阻抗。通常情況下，電線阻抗的范圍為 0.1 至 200Ω?？偠灾?，電線信道是復(fù)雜和嘈雜的。圖1和圖2例舉了 G3-PLC 調(diào)制解調(diào)器在時域和時間-頻率域必須承受的電線噪聲。

　　圖1：對工業(yè)建筑中典型電線噪聲的時域捕獲（a）原電線噪聲樣本，（b） G3-PLC調(diào)制解調(diào)器的 Cenelec‐A頻段電線噪聲

　　圖2：（a）原電線噪聲的時間頻率攝譜儀顯示了電線噪聲的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。注意各種循環(huán)平穩(wěn)噪聲成分及其光譜內(nèi)容；（b） G3-PLC 調(diào)制解調(diào)器所見的 Cenelec‐A頻段內(nèi)的電線噪聲。注意在62至72kHz的頻率范圍內(nèi)120/240Hz噪聲分量強50dB。