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技術文章

一款“合格”的智能電表應該如何設計？
DQZHAN技術訊：一款“合格”的智能電表應該如何設計？
平衡供需
電力公司面臨著**挑戰性的任務，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倍，資本高度密集的發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對高消費設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。
為何不使用無線網絡?
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，但在實踐中，在20-50米的短距離范圍內，它們都無法經濟高效地將信息反饋給電力公司。添加網狀網絡可以擴展 Zigbee 網絡的范圍，然而，在農村和城市郊區以及干擾較大的建筑結構中，電表之間的距離更大，為 ISM2.4GHz 頻段的無線通信帶來了挑戰。例如，一幢擁擠的多層公寓大樓會有復雜的覆蓋和連接問題，安裝和維護無線網絡的費用高昂。*新的 IEEE 802.15.4g 智能電力公司網絡(SUN)標準旨在利用各種頻段應對這些挑戰，但還未做好大規模部署準備。無線網絡*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。
電力通信
*顯而易見的通信路徑就是電線通信，為何不在供應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電設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制或頻移鍵控，平均速率為1 kb /s或更低，低數據傳輸速率可以實現信號的長距離傳送。這項技術被用來切入切出配電單元、檢查電網的完整性并為遠程發電和子站提供基本的語音通信。然而電表的數量要比配電單元多上數千個，這種方法無法有效擴展用于電力公司電表鏈接。
為了實現與電表的通信，需要更高的數據速率和一項可以在靈活的半自治通信網絡中支持多用戶的技術。G3-PLC 窄帶正交頻域復用(OFDM)電線通信標準專為此而設計，提供克服特殊電線通信挑戰的能力。該標準借鑒了多項無線技術，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等等。
電線本身**挑戰性，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絡上的其他設備或其他通信網絡，分為窄帶干擾或寬帶干擾。例如，工業機械、洗衣機、冰箱等使用的感應電動機經常有許多循環式平穩噪聲。廣泛應用于手機和筆記本電腦充電器的開關模式電源也有噪聲。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，網絡中某一個點的阻抗也會和其他地方的阻抗相當不同。接通、關斷設備可以瞬間改變網絡中某一個點的阻抗。通常情況下，電線阻抗的范圍為 0.1 至 200Ω?？偠灾?，電線信道是復雜和嘈雜的。圖1和圖2例舉了 G3-PLC 調制解調器在時域和時間-頻率域必須承受的電線噪聲。

圖1：對工業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調制解調器的 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雜結構。注意各種循環平穩噪聲成分及其光譜內容;(b) G3-PLC 調制解調器所見的 Cenelec‐A頻段內的電線噪聲。注意在62至72kHz的頻率范圍內120/240Hz噪聲分量強50dB。
飛思卡爾和智能電表
在飛思卡爾，我們的團隊為智能電表特別是電線通信開發技術 。我們使用電線調制解調器(PLM)建立通信網絡，包括一個配備嵌入式數字和模擬信號處理、一個模擬前端和一個線路耦合器(參見圖2)的微控制器。調制解調器根據 G3-PLC 標準實現 PHY，再加上我們開發出的專有信號處理，提高我們 PLM 的性能。模擬前端將調制解調信號處理器的數字輸出轉換為符合電線上信號規定的模擬電壓。然而，模擬前端的輸出是一種低電壓信號，需要通過線路驅動器被放大并使用第三種元素線路耦合器添加至電線。電線阻抗會發生很大的變化，所以通常會配置線路驅動器驅動電線信號，帶時變阻抗。我們面臨的整體挑戰是要建立一個系統，支持多用戶并在時變和嚴苛的信道條件下擁有良好的性能，并*大化降低成本。
通過模擬進行設計
顯然，硬件構建非常昂貴，我們的目標是要在組件選擇上做到萬無一失并一次成功。也就是說，模擬階段非常重要 -構建硬件之前，我們要在模擬中解決我們的系統問題。所以我們從使用MATLAB和Simulink(見圖4)編寫的廣泛的端到端系統級模型開始。

圖4：在Matlab / Simulink中實現G3-PLC傳輸模型
首先，我們模擬系統的數字部分。和大多數標準一樣，G3-PLC會指定傳輸算法，參見圖4，但接收端的細節較少。接收到的信號到達G3-PLC指定的物理層之前，我們需要確保我們編寫的信號恢復算法能夠提取噪聲和線上反射的信號。我們在MATLAB中模仿那些算法并使用我們的系統建模在實際硬件部署之前動態地驗證廣泛條件下的算法性能。我們還進行模擬，研究在調制解調器前端增強性能所要進行的改變并降低整個系統使用的物料和成本。
除了數字模擬之外，我們需要為嵌入在調制解調器芯片中的模擬信號處理以及外部模擬前端的組件建模。模擬組件的性能和價格各不相同。Simulink模擬可用來確定位于電線調制解調器外部的前端組件的關鍵規格并檢查組件對系統性能的影響。每個系統包括多個模擬、混合信號和數字元件，我們需要對它們之間的相互作用進行建模和模擬。每個系統組件都有特定的線性度、信號帶寬和頻率響應。非線性度會嚴重影響系統的性能，因此我們需要檢查IP2、IP3、P1dB和頻譜再生(見圖5)。選擇某些組件有時會意想不到地阻礙系統性能。如果無法改變組件，我們可能需要在系統中的某個地方糾正其非線性度。在系統級別，我們關注的是增益控制算法的性能，我們要評估使用真正電線時的BER和接收器靈敏度。當然，我們的目標是要以*低的價格實現我們的需求，因此要進行大量的模擬，模擬速度也變得至關重要。我們在Simulink中使用一個廣泛的端到端混合信號誤碼率(BER)模擬，運用簡單的Gaussian噪聲信道模型削減計算成本。
我們使用類似的流程來指定線路耦合器的組件。根據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6kV或22kV的中壓電線。在線路耦合器內可能進行數個組件取舍，因此我們使用模擬來對其性能影響建模和調查。我們的輸出也受到規定約束。CENELEC(歐洲電氣工程標準化機構)規定我們在整個帶寬上可以添加至220V電線的*大信號為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并滿足帶內和帶外的頻譜要求。
一旦我們有了備用模擬組件，我們需要了解系統在一系列操作條件下是否穩健。也就是說，比起簡單的Gaussian模型，我們需要一個更為精密的信道模型。我們開發了一個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。該模型比簡單的Gaussian信道模型精密細致得多，但需要增加計算能力。因為更精密的信道模型需要更長的運行時間，我們將其用于出現在系統開發快要結束時、更為精密的系統建模。我們廣泛應用這個模型，檢查系統是否符合我們的需求。在實踐中，我們使用MATLAB腳本對模型運行參數掃描。
調制方案取決于信道條件。G3-PLC標準包括不同的調制類型，可以根據接收信號的信噪比靈活選擇。例如，噪聲較多時，可選擇ROBO 或 DBPSK ，噪聲較小時可選擇 DQPSK，信道噪聲極小時可選擇D8PSK。系統必須能夠根據電線上的噪聲電平在不同的調制方案之間動態切換，所以全系統的評估工作必需包括對此特性的測試(見圖6)。
在開發過程中，我們的模擬需求會發生變化，因此模型的復雜性也會隨之變化。起初，我們需要在發送和接收物理層之間模擬一個直接連接，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，我們創建了一個可配置的MATLAB模型，能夠針對我們需要的模擬架構進行模型配置。我們在工具中指定要模擬哪些組件以及如何連接。例如，我們可以指定要將發送物理層模型(用 MATLAB 編寫)連接到一個模擬前端(用 Simulink 編寫)，包括線路耦合器模型。我們的工具就會實現所有必要的連接。
當然，設計作品會*終告一段落，是時間完成組件并構建真正硬件的時候了。構建之后，需要對硬件進行測試，所以我們再次使用模擬環境驗證硬件特性。我們的模型可以針對廣泛的操作條件生成測試向量。我們也會對我們硬件、MATLAB物理層模型及其在噪聲環境下的性能進行逐步比較。我們的 MATLAB 模型**到比特，所以我們的模型和硬件在處理鏈的各個階段及對所有數據輸入表現都將一致。
電力的平衡
在不久的將來，智能電表會是一項重要技術，但是模擬、數字和電線系統的結合給我們帶來了獨特的挑戰。我們必須在這些組件之間實現電力的平衡-模仿速度對及時構建系統至關重要。
目前，我們正通過試點項目對使用 G3-PLC 通信技術的智能電表進行評估。我們的目標是促進該技術的普及。未來幾年，該項技術將走進千家萬戶。(作者：飛思卡爾半導體微控制器產品部**連接中心杰出技術人員Khurram Waheed)

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