怎樣為智能電表選擇合適的PLC調(diào)制解調(diào)器

近年來(lái)，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)熱點(diǎn)領(lǐng)域。歐盟委員強(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)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1：傳統(tǒng)電網(wǎng)與新的智能電網(wǎng)之間的簡(jiǎn)單對(duì)比

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(hù)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(hù)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(hù)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。

智能電網(wǎng)建設(shè)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，涉及電力、通信及應(yīng)用多個(gè)層次，以及局域網(wǎng)(LAN)和廣域網(wǎng)(WAN)等不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。其中，LAN連接家庭或建筑物內(nèi)不同類(lèi)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(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò)、有線(xiàn)電力線(xiàn)載波(PLC)或電力線(xiàn)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)，最先試行國(guó)家的做法也會(huì)提供借鑒意義。

圖1：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

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3500萬(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(xiàn)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)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(xiàn)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)，主要有三種調(diào)制方式，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)的噪聲條件下會(huì)損失很大一部分帶寬，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。