采用數據集中器設計為智能電網提供電力線通信

數據集中器為智能電網架構中的自動化計量和信息系統提供通信關鍵。通常位于電網中的變壓器或變電站級，數據集中器確保在傳輸來自智能電表的能量測量信息和來自電力公司的使用分析信息時的數據完整性和安全性。通常，這些系統使用基于MCU的復雜設計，這些設計依賴于最后一英里的電力線通信（PLC）到消費電表和能源管理系統。為了滿足這些器件的廣泛要求，工程師可以使用包括飛思卡爾半導體，Maxim Integrated，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商的可用AFE IC和MCU設計復雜的基于PLC的數據集中器。

數據集中器充當公用事業(yè)控制的智能電網分配網絡和最終用戶之間的接口，管理公用事業(yè)與特定地理區(qū)域內的多個智能電表之間的數據交換（圖1）。在自動計量基礎設施（AMI）和自動抄表（AMR）系統中，數據集中器（也稱為數據集合器）提供測量，分析和收集能源使用所需的核心功能。然后，他們將該數據傳送到中央數據庫，以進行計費，故障排除和分析。

圖1：自動計量和信息系統包括多級數據管理和通信，從硬件數據集中器開始，在公用事業(yè)和最終用戶能源系統（包括智能電表）之間提供數據采集，處理和安全性。 （由西門子提供。）

數據集中器使公用事業(yè)公司能夠使用智能電表的信息來更好地了解電網狀態(tài)，包括對停電的即時了解。通過有關配電網的詳細信息，電力公司可以評估電網中的過載和不平衡，以及更有效地檢測故障。該信息還允許公用事業(yè)公司通過比較電網較高水平的測量功率與電網周邊智能電表測量的功率來評估電網中的更多靜態(tài)損耗。最終，詳細的智能電表功率測量和上游監(jiān)測和分析的結合將為公用事業(yè)客戶提供更好的消耗和節(jié)電機會的知識，并告知他們有關網絡狀況的干擾。

通過將數據集中在多個智能電表和最終用戶網絡上，數據集中器有助于簡化智能電表的設計，使這些系統能夠專注于能源測量的關鍵任務。反過來，數據集中器負責提供將多個公用事業(yè)儀表連接到公用事業(yè)公司中央服務器所需的必要通信和網絡功能。在其任務中，數據集中器同步跨多個儀表獲得的數據，并確保用戶認證和加密信息的安全數據傳輸。因此，數據集中器是復雜的系統，它結合了強大的處理能力和廣泛的高度靈活的通信選項，支持為最廣泛的終端系統和操作環(huán)境提供服務所需的各種數據傳輸功能（圖2） ）。

圖2：在連接選項中，數據集中器設計通常需要支持電力線通信和無線通信功能 - 以及對顯示選項的不同程度的支持。 （德州儀器公司提供。）

數據集中器通常支持最終用戶和公用事業(yè)端通信的無線和有線通信選項。在用戶方面，有線通信通常包括電力線通信（PLC），以太網或甚至串行通信，這取決于特定操作環(huán)境的特定需求和限制。無線通信通常包括使用sub-GHz，2.4GHz或甚至蜂窩網絡的低功率RF。在公用事業(yè)方面，集中器需要通過各種不同的方法靈活地連接到公用事業(yè)公司的服務器，因此他們需要支持廣泛的通信選項，包括以太網，GSM，GPRS，WiMAX或電信網絡。

基于MCU的設計

作為這些系統的核心，應用處理器充當中央主機，提供數據分析功能和數據通信。為了支持這些系統的設計，硅制造商提供了廣泛的MCU選項。例如，德州儀器（TI）提供多種MCU解決方案，包括AM18xx，AM335x，TMS320C674x和OMAP-L1x應用處理器。

基于ARM926EJ-S 32位RISC處理器內核，TI Sitara AM18xx微處理器可滿足具有各種片上外設的低功耗應用，包括以太網MAC，MDIO，UART，USB，I2C和SPI等其他。 TI器件將與ARM內核相關的存儲器與128 KB的片上存儲器，增強型DMA控制器3以及DDR2和EMIFA的外部存儲器接口相結合。

TI Sitara AM335x處理器基于ARM?Cortex?-A8內核，包括SIMD并行處理協處理器。該器件將這種先進的處理核心與片上圖形加速引擎和用于LCD和觸摸屏設備的控制器相結合。這為需要更高級數據和圖形處理和顯示要求的數據集中器設計提供了一個全面的平臺。除了多個片上連接外設選項外，該器件還提供硬件加密加速器，以支持數據集中器設計中更高的安全性。

對于面臨更苛刻的數據和信號處理要求的數據集中器設計，TI TMS320C674x系列是一款支持固定和浮點處理的DSP。該器件的VLIW DSP內核具有64個32位寄存器，6個ALU和2個乘法單元。除了前面提到的設備上的各種連接外設外，TMS320C674x系列還提供安全啟動功能，允許工程師保護其代碼并防止第三方修改安全算法。

對于面臨特別苛刻的處理要求的數據集中器應用，TI的OMAP-L1x系列結合了ARM ARM926EJS內核和TI C674x DSP內核。除雙核外，OMAP-L1x系列還集成了AM18xx和TMS320C674x系列器件支持的多種片上外設。與TMS320C674x一樣，OMAP-L1x系列提供安全啟動功能，以保護Flash或EEPROM中的代碼。

ARM926EJ-S?內核還為意法半導體和飛思卡爾半導體的MCU提供數據集中器解決方案的處理引擎。 STMicroelectronics SPEAr300，SPEAr310和SPEAr320 MCU將ARM內核與各種存儲器接口和連接選項相結合。集成的加密協處理器可以從主處理器自主運行，以執(zhí)行AES，DES，SHA-1和其他加密算法。

飛思卡爾半導體采用基于ARM926EJ-S-core的i.MX28 MCU系列以及基于PowerQUICC?IIPro處理器的MPC8308 MCU解決數據集中器設計問題。除了這些通用主機MCU，飛思卡爾還為數據集中器應用提供雙核P1025通信處理器（圖3）。 P1025是基于Power Architecture技術的QorIQ設備，提供雙核解決方案，允許應用和通信共存。除了支持功能齊全的操作系統外，P1025還為數據集中器等高級應用程序提供虛擬機管理程序支持。

圖3：飛思卡爾P1025雙核通信處理器將雙e500內核與完整的片上接口相結合，可創(chuàng)建高效的數據集中器設計解決方案。 （由飛思卡爾半導體公司提供。）

電力線通信

在下游方面，與智能電表和客戶能源管理系統的通信可以使用有線或無線通信。有線通信通常依賴于PLC，盡管這些通信的性質可能差別很大。

電力線通信通過使用用于電力傳輸的相同介質來傳送關于電力使用的數據，提供了一種方便的數據傳輸方法。然而，電源線是噪聲環(huán)境，噪聲中的大部分能量集中在短時域突發(fā)中，這些突發(fā)發(fā)生在與電源AC周期過零相同的時段 - 美國為8.33 ms雖然具體的噪聲分布從一個站點到下一個站點可能會有很大差異，能量分布往往會在較高頻率下降（圖4）。

圖4：除了來自不同源的非脈沖噪聲外，電源線信號還面臨與電源AC周期過零相關的脈沖噪聲。 （德州儀器公司提供。）

在處理客戶方的配電網絡拓撲時出現了進一步的困難。例如，在美國和日本，個別配電變壓器僅支持少數房屋，特別是在人口密度低的地區(qū)，如農村地區(qū)。為了最大限度地降低這些情況下的成本，集中器最好位于中壓（MV）側，要求信號穿過每個配電變壓器，以建立低壓（LV）側儀表與集中器之間的通信。

MV側的噪聲跟隨LV側噪聲的大部分特性，但是將信號從MV傳遞到LV可以在頻率選擇的基礎上顯著衰減信號，這種信號因站點而異。因此，要在MV-LV變壓器上運行，有效的方法應提供跨越30至450 kHz頻段的通信。

旨在支持MV-LV邊界的通信，G3-PLC是PLC的全球標準，支持10至490 kHz頻段，提供可跨越MV-LV變壓器的遠程通信方式，減少數量特定地理區(qū)域所需的數據集中器。

該標準規(guī)定支持在通過MV-LV變壓器時解決較高頻率下的整體衰減和頻率相關衰減。在這里，發(fā)射機有望調整其整體信號電平并調整其功率譜，而接收機則提供模擬和數字AGC（自動增益控制），以提供足夠的增益來補償整體衰減。對于衰減特別嚴重的環(huán)境，PLC-G3系統可以作為LV側的中繼器工作 - 解碼來自MV側的接收幀，并在LV側以更高的信號電平重發(fā)它們，以補償引入的衰減由變壓器。

G3-PLC采用基于802.15.4的MAC層和AES-128安全性，可在不影響安全性的情況下實現互操作性。此外，該標準可以與S-FSK和BPL等技術共存，同時還提供更強大的通信能力，能夠在低至-1 dB SNR的嘈雜環(huán)境中運行。

PLC解決方案

工程師可以使用TI的C2000 32位MCU系列中的TI OPA365 CMOS功率放大器，TI PGA112可編程增益放大器（PGA）以及C28x Delfino或Piccolo MCU等可用模擬組件創(chuàng)建PLC解決方案（圖2）。

TI在其AFE031 IC中集成了G3 PLC所需的完整模擬信號鏈。 AFE031專門設計為PLC AFE，包括一個集成接收器，能夠檢測低至20μVrms的信號，同時提供所需的可編程增益控制，以適應與電源線和電源線噪聲電平變化相關的不斷變化的輸入信號條件。該器件的功率放大器采用7至24 V單電源供電，而模擬和數字信號電路采用3.3 V單電源供電。與TI C2000 MCU一起，該器件只需極少的外部電路即可提供完整的PLC系統解決方案（圖5）。

圖5：專為PLC應用而設計，德州儀器AFE031 AFE集成了完整的模擬信號鏈，用于PLC Tx和Rx功能，通過其串行接口與主機TI C2000 MCU進行通信。 （由Texas Instruments提供。）

作為PLC-G3規(guī)范的原作者，Maxim通過一對芯片提供自己的PLC解決方案 - MAX2991 AFE和MAX2990基帶調制解調器。 MAX2991 AFE收發(fā)器IC集成了專用的PLC模擬信號鏈，提供發(fā)送和接收路徑（圖6）。

圖6：Maxim Integrated MAX2991 AFE收發(fā)器IC中，發(fā)送路徑將OFDM調制信號注入電源線，而接收路徑則提供接收信號的信號增強，濾波和數字化。 （由Maxim Integrated提供。）

專為OFDM（正交頻分復用）調制信號在電力線上傳輸而設計，MAX2991 AFE IC工作在10至490 kHz頻段，并提供可編程濾波器，使工程師能夠確保符合CENELEC，FCC和ARIB標準使用相同的設備。

MAX2990 PLC調制解調器IC與MAX2991 AFE配合使用，可提供完整的PLC解決方案。 MAX2990將Maxim的MAXQ 16位RISC內核與PHY功能，串行接口（包括SPI，I2C和UART）相結合。除了Jammer取消功能外，該設備還包括一個DES加密/解密的安全引擎。