如何为智能电表选择适合的PLC调制解调器方案

中心议题：
    *  以智能电表为核心的智能电网前景展望
    *  PLC调制技术的选择

近年来，以智能电表为核心的智能电网成为欧美日中等诸多国家竞相发展的一个热点领域。欧盟委员强制要求2022年前所有欧盟成员国的电表都替换为智能仪表。美国也计划在每个家庭都安装智能仪表。中国在2009年5月开始提出构建坚强智能电网的构想，准备投资高达4万亿元，计划到2020年基本实现构想。在此推动下，电网技术面临着一场重要的革命，而不只是简单的技术演进。


表1：传统电网与新的智能电网之间的简单对比

在智能电网中，智能电表发挥关键的作用，可以使用户与电力系统之间实现互动。如一方面帮助电力机构精确了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电价；另一方面，用户也可以合理调整自己的用电计划，从而优化电费支出。从功能模块来看，智能电表除了电源和计量模块外，还涉及到数据存储功能，需采用安全可靠的存储器；此外，双向实时通信是智能电网的重要特征，故通信模块至关重要，需要选择适合的通信方式及相应的最佳解决方案。

智能电网建设是一个庞大的系统，涉及电力、通信及应用多个层次，以及局域网(LAN)和广域网(WAN)等不同网络类型。其中，LAN连接家庭或建筑物内不同类型的智能电表到数据集中器(concentrator)。就这一段的网络连接而言，通常它们对通信速率的要求不高，最主要的考虑因素是降低成本。常见的通信方式有无线射频网络、有线电力线载波(PLC)或电力线宽带(BPL)等。具体采用何种通信方式，需要考虑各国电网实际状况等因素，同时，最先试行国家的做法也会提供借鉴意义。

 
图1：法国EDF旗下公司法国配电公司(ERDF)的Linky项目简略示意图

在欧洲能源市场有重要影响力的法国电力(Electricité de France, EDF)，于2009年中启动了当前世界上最大的智能电表项目Linky，计划到2017年在法国部署3500万个智能电表。这个项目为智能电表到数据集中器之间的通信选择了PLC技术，然后再利用通用分组无线业务(GPRS)技术将数据传送到该公司的数据中心。考虑到中国的智能电网仍在试点阶段，法国ERDF的选择对中国具有借鉴意义。

PLC调制技术的选择

虽然PLC技术提供了一种低成本的选择，但电力线的初衷并不是用于通信，故在应用PLC通信时也面临一些挑战。特别是设计人员需要密切注意会出现的信号衰减和噪声问题，反之也要求复杂的收发器技术。

为了抑制由噪声导致的信号衰减，降低误码率，并改善频率效率，有必要利用适合的信号调制技术。实际上，电力机构在部署智能电表抄表系统时，主要有三种调制方式，分别是正交频分复用(OFDM)、相移键控(PSK)和扩频型频移键控(S-FSK)。

OFDM的理论带宽较高，但实际上在低压网络的噪声条件下会损失很大一部分带宽，而且OFDM的应用成本较高，工作时还消耗可观的电能。PSK调制技术的应用成本很低，但不是特别可靠，性能会受到相位噪声影响，而且无法充分覆盖较长距离。相比较而言，虽然S-FSK的数据率比OFDM低，但更胜任智能电表应用。这种调制技术能实现可靠的通信，同时应用成本更低，消耗的电能也更少。因此，就当前的智能电网PLC应用而言，复杂度低、商用潜力更大及有可靠现场应用记录的S-FSK调制技术无疑是更适合的选择。

实际上，法国ERDF的Linky项目规范中，物理层参考规范是IEC61334-5-1/EN50065，其中规定的调制技术就是S-FSK，通信频率为标记频率(mark frequency, Fm) 63.3 kHz和空频(space frequency, Fs) 74 kHz，传输速率2.4 Kbps，并与50 Hz电气网络频率物理同步。