怎樣為智能電表選擇合適的PLC調(diào)制解調(diào)器
近年來,以智能電表為核心的智能電網(wǎng)成為歐美日中等諸多國家競相發(fā)展的一個熱點領(lǐng)域。歐盟委員強制要求2022年前所有歐盟成員國的電表都替換為智能儀表。美國也計劃在每個家庭都安裝智能儀表。中國在2009年5月開始提出構(gòu)建堅強智能電網(wǎng)的構(gòu)想,準(zhǔn)備投資高達(dá)4萬億元,計劃到2020年基本實現(xiàn)構(gòu)想。在此推動下,電網(wǎng)技術(shù)面臨著一場重要的革命,而不只是簡單的技術(shù)演進。
表1:傳統(tǒng)電網(wǎng)與新的智能電網(wǎng)之間的簡單對比
在智能電網(wǎng)中,智能電表發(fā)揮關(guān)鍵的作用,可以使用戶與電力系統(tǒng)之間實現(xiàn)互動。如一方面幫助電力機構(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;另一方面,用戶也可以合理調(diào)整自己的用電計劃,從而優(yōu)化電費支出。從功能模塊來看,智能電表除了電源和計量模塊外,還涉及到數(shù)據(jù)存儲功能,需采用安全可靠的存儲器;此外,雙向?qū)崟r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)是一個龐大的系統(tǒng),涉及電力、通信及應(yīng)用多個層次,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)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,通常它們對通信速率的要求不高,最主要的考慮因素是降低成本。常見的通信方式有無線射頻網(wǎng)絡(luò)、有線電力線載波(PLC)或電力線寬帶(BPL)等。具體采用何種通信方式,需要考慮各國電網(wǎng)實際狀況等因素,同時,最先試行國家的做法也會提供借鑒意義。
圖1:法國EDF旗下公司法國配電公司(ERDF)的Linky項目簡略示意圖
在歐洲能源市場有重要影響力的法國電力(Electricité de France, EDF),于2009年中啟動了當(dāng)前世界上最大的智能電表項目Linky,計劃到2017年在法國部署3500萬個智能電表。這個項目為智能電表到數(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]到中國的智能電網(wǎng)仍在試點階段,法國ERDF的選擇對中國具有借鑒意義。
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,但電力線的初衷并不是用于通信,故在應(yīng)用PLC通信時也面臨一些挑戰(zhàn)。特別是設(shè)計人員需要密切注意會出現(xiàn)的信號衰減和噪聲問題,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)致的信號衰減,降低誤碼率,并改善頻率效率,有必要利用適合的信號調(diào)制技術(shù)。實際上,電力機構(gòu)在部署智能電表抄表系統(tǒng)時,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)和擴頻型頻移鍵控(S-FSK)。
OFDM的理論帶寬較高,但實際上在低壓網(wǎng)絡(luò)的噪聲條件下會損失很大一部分帶寬,而且OFDM的應(yīng)用成本較高,工作時還消耗可觀的電能。PSK調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用成本很低,但不是特別可靠,性能會受到相位噪聲影響,而且無法充分覆蓋較長距離。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)能實現(xiàn)可靠的通信,同時應(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)場應(yīng)用記錄的S-FSK調(diào)制技術(shù)無疑是更適合的選擇。
實際上,法國ERDF的Linky項目規(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。