如何設(shè)計(jì)一款“合格”的智能電表？ - 全文

　　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(fèi)者提供激勵(lì)性的分時(shí)電價(jià)或?qū)Ω呦M(fèi)設(shè)備的用電時(shí)間進(jìn)行遠(yuǎn)程管理是更有效可控的平衡電力供需的方式。要提供分時(shí)電價(jià)，電力公司必須清楚了解用戶消耗電力的時(shí)間情況，也就是說(shuō)，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(wú)線網(wǎng)絡(luò)？

　　顯然，無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)可以用于電力公司電表通信，但有些問(wèn)題。有人建議使用基于 ZigBee 的 2.4 GHz 技術(shù)，但在實(shí)踐中，在20-50米的短距離范圍內(nèi)，它們都無(wú)法經(jīng)濟(jì)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(kuò)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(wú)線通信帶來(lái)了挑戰(zhàn)。例如，一幢擁擠的多層公寓大樓會(huì)有復(fù)雜的覆蓋和連接問(wèn)題，安裝和維護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用高昂。最新的 IEEE 802.15.4g 智能電力公司網(wǎng)絡(luò)（SUN）標(biāo)準(zhǔn)旨在利用各種頻段應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，但還未做好大規(guī)模部署準(zhǔn)備。無(wú)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(shí)可用。

　　電線通信

　　最顯而易見(jiàn)的通信路徑就是電線通信，為何不在供應(yīng)電力時(shí)捎帶一個(gè)信號(hào)呢？

　　長(zhǎng)期以來(lái)，電力公司一直使用電線與發(fā)電設(shè)備進(jìn)行通信并提供子站之間的語(yǔ)音通信，包括在高壓線上添加一個(gè)信號(hào)。這些信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的長(zhǎng)距離傳送。這項(xiàng)技術(shù)被用來(lái)切入切出配電單元、檢查電網(wǎng)的完整性并為遠(yuǎn)程發(fā)電和子站提供基本的語(yǔ)音通信。然而電表的數(shù)量要比配電單元多上數(shù)千個(gè)，這種方法無(wú)法有效擴(kuò)展用于電力公司電表鏈接。

　　為了實(shí)現(xiàn)與電表的通信，需要更高的數(shù)據(jù)速率和一項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)專為此而設(shè)計(jì)，提供克服特殊電線通信挑戰(zhàn)的能力。該標(biāo)準(zhǔn)借鑒了多項(xiàng)無(wú)線技術(shù)，例如OFDM通信、Reed‐Solomon等前向糾錯(cuò)機(jī)制、Viterbi 卷積解碼以及時(shí)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(wú)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(gè)Gaussian組件（類似于無(wú)線），另配備一個(gè)非 Gaussian 脈沖噪聲分量（與無(wú)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(lái)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(jī)械、洗衣機(jī)、冰箱等使用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常有許多循環(huán)式平穩(wěn)噪聲。廣泛應(yīng)用于手機(jī)和筆記本電腦充電器的開(kāi)關(guān)模式電源也有噪聲。因?yàn)殡娋€是物理媒介，它們會(huì)受到分支影響; 即使在同一所房子里，網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)點(diǎn)的阻抗也會(huì)和其他地方的阻抗相當(dāng)不同。接通、關(guān)斷設(shè)備可以瞬間改變網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)點(diǎn)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(shí)域和時(shí)間-頻率域必須承受的電線噪聲。

　　圖1：對(duì)工業(yè)建筑中典型電線噪聲的時(shí)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(shí)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(jiàn)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(qiáng)50dB。

　　飛思卡爾和智能電表

　　在飛思卡爾，我們的團(tuán)隊(duì)為智能電表特別是電線通信開(kāi)發(fā)技術(shù) 。我們使用電線調(diào)制解調(diào)器（PLM）建立通信網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)配備嵌入式數(shù)字和模擬信號(hào)處理、一個(gè)模擬前端和一個(gè)線路耦合器（參見(jiàn)圖2）的微控制器。調(diào)制解調(diào)器根據(jù) G3-PLC 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn) PHY，再加上我們開(kāi)發(fā)出的專有信號(hào)處理，提高我們 PLM 的性能。模擬前端將調(diào)制解調(diào)信號(hào)處理器的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為符合電線上信號(hào)規(guī)定的模擬電壓。然而，模擬前端的輸出是一種低電壓信號(hào)，需要通過(guò)線路驅(qū)動(dòng)器被放大并使用第三種元素線路耦合器添加至電線。電線阻抗會(huì)發(fā)生很大的變化，所以通常會(huì)配置線路驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電線信號(hào)，帶時(shí)變阻抗。我們面臨的整體挑戰(zhàn)是要建立一個(gè)系統(tǒng)，支持多用戶并在時(shí)變和嚴(yán)苛的信道條件下?lián)碛辛己玫男阅?，并最大化降低成本?/p>

　　圖3：電線模型規(guī)格及性評(píng)估的模擬/建模策略

　　通過(guò)模擬進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　顯然，硬件構(gòu)建非常昂貴，我們的目標(biāo)是要在組件選擇上做到萬(wàn)無(wú)一失并一次成功。也就是說(shuō)，模擬階段非常重要 -構(gòu)建硬件之前，我們要在模擬中解決我們的系統(tǒng)問(wèn)題。所以我們從使用MATLAB和Simulink（見(jiàn)圖4）編寫(xiě)的廣泛的端到端系統(tǒng)級(jí)模型開(kāi)始。

　　圖4：在Matlab / Simulink中實(shí)現(xiàn)G3-PLC傳輸模型

　　首先，我們模擬系統(tǒng)的數(shù)字部分。和大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)一樣，G3-PLC會(huì)指定傳輸算法，參見(jiàn)圖4，但接收端的細(xì)節(jié)較少。接收到的信號(hào)到達(dá)G3-PLC指定的物理層之前，我們需要確保我們編寫(xiě)的信號(hào)恢復(fù)算法能夠提取噪聲和線上反射的信號(hào)。我們?cè)贛ATLAB中模仿那些算法并使用我們的系統(tǒng)建模在實(shí)際硬件部署之前動(dòng)態(tài)地驗(yàn)證廣泛條件下的算法性能。我們還進(jìn)行模擬，研究在調(diào)制解調(diào)器前端增強(qiáng)性能所要進(jìn)行的改變并降低整個(gè)系統(tǒng)使用的物料和成本。

　　除了數(shù)字模擬之外，我們需要為嵌入在調(diào)制解調(diào)器芯片中的模擬信號(hào)處理以及外部模擬前端的組件建模。模擬組件的性能和價(jià)格各不相同。Simulink模擬可用來(lái)確定位于電線調(diào)制解調(diào)器外部的前端組件的關(guān)鍵規(guī)格并檢查組件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。每個(gè)系統(tǒng)包括多個(gè)模擬、混合信號(hào)和數(shù)字元件，我們需要對(duì)它們之間的相互作用進(jìn)行建模和模擬。每個(gè)系統(tǒng)組件都有特定的線性度、信號(hào)帶寬和頻率響應(yīng)。非線性度會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，因此我們需要檢查IP2、IP3、P1dB和頻譜再生（見(jiàn)圖5）。選擇某些組件有時(shí)會(huì)意想不到地阻礙系統(tǒng)性能。如果無(wú)法改變組件，我們可能需要在系統(tǒng)中的某個(gè)地方糾正其非線性度。在系統(tǒng)級(jí)別，我們關(guān)注的是增益控制算法的性能，我們要評(píng)估使用真正電線時(shí)的BER和接收器靈敏度。當(dāng)然，我們的目標(biāo)是要以最低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)我們的需求，因此要進(jìn)行大量的模擬，模擬速度也變得至關(guān)重要。我們?cè)赟imulink中使用一個(gè)廣泛的端到端混合信號(hào)誤碼率（BER）模擬，運(yùn)用簡(jiǎn)單的Gaussian噪聲信道模型削減計(jì)算成本。

　　圖5：傳輸線預(yù)驅(qū)動(dòng)階段的線性分析（a）IP3的要求， （b） IP2要求

　　我們使用類似的流程來(lái)指定線路耦合器的組件。根據(jù)我們想要的電線通信類型，可以耦合到110V或220V的低電壓或者甚至是一個(gè)6kV或22kV的中壓電線。在線路耦合器內(nèi)可能進(jìn)行數(shù)個(gè)組件取舍，因此我們使用模擬來(lái)對(duì)其性能影響建模和調(diào)查。我們的輸出也受到規(guī)定約束。CENELEC（歐洲電氣工程標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)）規(guī)定我們?cè)谡麄€(gè)帶寬上可以添加至220V電線的最大信號(hào)為134dBμV。我們的組件選擇流程之一是核查組件是否在這一范圍內(nèi)并滿足帶內(nèi)和帶外的頻譜要求。　　

　　一旦我們有了備用模擬組件，我們需要了解系統(tǒng)在一系列操作條件下是否穩(wěn)健。也就是說(shuō)，比起簡(jiǎn)單的Gaussian模型，我們需要一個(gè)更為精密的信道模型。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)廣泛的電線信道模型，包括脈沖噪聲、頻率選擇性噪聲、Gaussian噪聲和其他效果。該模型比簡(jiǎn)單的Gaussian信道模型精密細(xì)致得多，但需要增加計(jì)算能力。因?yàn)楦艿男诺滥Ｐ托枰L(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，我們將其用于出現(xiàn)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)快要結(jié)束時(shí)、更為精密的系統(tǒng)建模。我們廣泛應(yīng)用這個(gè)模型，檢查系統(tǒng)是否符合我們的需求。在實(shí)踐中，我們使用MATLAB腳本對(duì)模型運(yùn)行參數(shù)掃描。

　
　圖6： 孤立清潔的電線上G3-PLC窄帶OFDM電線通信系統(tǒng)的誤幀率

　　調(diào)制方案取決于信道條件。G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)包括不同的調(diào)制類型，可以根據(jù)接收信號(hào)的信噪比靈活選擇。例如，噪聲較多時(shí)，可選擇ROBO 或 DBPSK ，噪聲較小時(shí)可選擇 DQPSK，信道噪聲極小時(shí)可選擇D8PSK。系統(tǒng)必須能夠根據(jù)電線上的噪聲電平在不同的調(diào)制方案之間動(dòng)態(tài)切換，所以全系統(tǒng)的評(píng)估工作必需包括對(duì)此特性的測(cè)試（見(jiàn)圖6）。

　　在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們的模擬需求會(huì)發(fā)生變化，因此模型的復(fù)雜性也會(huì)隨之變化。起初，我們需要在發(fā)送和接收物理層之間模擬一個(gè)直接連接，之后我們需要加入前端模型、信道模型、線路耦合器模型等。為了使生活更輕松，我們創(chuàng)建了一個(gè)可配置的MATLAB模型，能夠針對(duì)我們需要的模擬架構(gòu)進(jìn)行模型配置。我們?cè)诠ぞ咧兄付ㄒM哪些組件以及如何連接。例如，我們可以指定要將發(fā)送物理層模型（用 MATLAB 編寫(xiě)）連接到一個(gè)模擬前端（用 Simulink 編寫(xiě)），包括線路耦合器模型。我們的工具就會(huì)實(shí)現(xiàn)所有必要的連接。

　　當(dāng)然，設(shè)計(jì)作品會(huì)最終告一段落，是時(shí)間完成組件并構(gòu)建真正硬件的時(shí)候了。構(gòu)建之后，需要對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試，所以我們?cè)俅问褂媚M環(huán)境驗(yàn)證硬件特性。我們的模型可以針對(duì)廣泛的操作條件生成測(cè)試向量。我們也會(huì)對(duì)我們硬件、MATLAB物理層模型及其在噪聲環(huán)境下的性能進(jìn)行逐步比較。我們的 MATLAB 模型精確到比特，所以我們的模型和硬件在處理鏈的各個(gè)階段及對(duì)所有數(shù)據(jù)輸入表現(xiàn)都將一致。

　　電力的平衡

　　在不久的將來(lái)，智能電表會(huì)是一項(xiàng)重要技術(shù)，但是模擬、數(shù)字和電線系統(tǒng)的結(jié)合給我們帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。我們必須在這些組件之間實(shí)現(xiàn)電力的平衡-模仿速度對(duì)及時(shí)構(gòu)建系統(tǒng)至關(guān)重要。

　　目前，我們正通過(guò)試點(diǎn)項(xiàng)目對(duì)使用 G3-PLC 通信技術(shù)的智能電表進(jìn)行評(píng)估。我們的目標(biāo)是促進(jìn)該技術(shù)的普及。未來(lái)幾年，該項(xiàng)技術(shù)將走進(jìn)千家萬(wàn)戶。

　　作者：飛思卡爾半導(dǎo)體微控制器產(chǎn)品部卓越連接中心杰出技術(shù)人員Khurram Waheed

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