在鄉村地區實現智慧電網通訊

智慧電網需要可靠的通訊架構交換必要數據，讓電力使用和成本效益達到最佳化。 鄉村地區具有低人口密度、距離和地形的問題，因此往往會限制其他通訊方法，而電力線通訊 (PLC) 解決方案可提供便利的數據通訊方法。 對於想在智慧儀表或併網能源採集系統中進行通訊的工程師來說，PLC 設計可以利用製造商現成的元件優勢，包括 Atmel、Cypress Semiconductor、STMicroelectronics 和 Texas Instruments。

在鄉村地區，電力線往往是確保可靠、高成本效益智慧電網通訊的最佳選項。 在這些地區，使用者端點的分佈在距離上相當分散，因此無線通訊等替代方案無法提供足夠的涵蓋範圍，且有線鏈路或行動寬頻也尚未開通或可靠度不足。 與這些替代方案不同的是，PLC 可以提供更具有成本效益、更可靠的機制，能在公用事業和消費者智慧儀表之間進行資料交換。

PLC 設計

在典型的 PLC 數據機設計中，類比前端 (AFE) 和處理器能提供關鍵功能（圖 1）。 當 AFE 處理訊號傳輸和接收等類比作業時，處理器會執行與特定 PLC 協定相關的通訊軟體堆疊。

圖 1：PLC 數據機除了具有耦合、帶通和電路保護，更結合了供訊號傳輸和接收使用的類比前端 (AFE) 和執行通訊軟體堆疊的 MCU。 （資料來源：Texas Instruments）

若要建立 PLC 解決方案，設計人員可以結合獨立 AFE（例如 Texas Instruments 的 AFE030 和 AFE031）以及與外部 MCU（例如 Texas Instruments 的 C2000 C28x Piccolo MCU）。 如此一來，設計人員就能選擇更高效能的 MCU 擴充 PLC 數據機的效能，例如 Texas Instruments 的 Concerto 多核心 MCU，其結合了 C2000 C28x 核心和 ARM Cortex-M3。 實際上，若要達到更加進階的調變機制，例如以下所述的正交分頻多工 (OFDM)，可能需要更高效能的多核心處理器才可處理更複雜的通訊軟體堆疊。

或者，設計人員也可以轉用其他在單一晶片上整合越來越多 PLC 通訊堆疊的 PLC 解決方案。 舉例來說，Cypress Semiconductor 的 CY8CPLC10 就整合了實體層和網路通訊協定堆疊的下層，而 CY8CPLC20 則更進一步整合 CY8CPLC10 的功能與 Cypress PSoC 核心，因此能執行更複雜的 PLC 堆疊（圖 2）。

圖 2：製造商提供的 PLC 解決方案，整合度越來越高。 舉例來說，Cypress Semiconductor 的 CY8CPLC10 整合了實體層和網路通訊協定堆疊，而 Cypress 的 CY8CPLC20 則整合 CY8CPLC10 的功能以及 PSoC 核心，能提供完整的堆疊處理。 （資料來源：Cypress Semiconductor）

頻帶

PLC 工作頻率需遵循區域規範限制在特定頻帶。 在北美與加拿大，PLC 必須依照聯邦通訊委員會 (FCC) 第 15 條規定在 10 kHz 至 490 kHz 頻帶中工作。 在亞洲與日本則須依照電波產業會 (ARIB) 的規定，在 10 kHz 至 450 kHz 頻帶中工作。 在歐洲，歐洲電子技術標準委員會 (CENELEC) 的 EN50065 針對 PLC 通訊規定使用低頻率頻帶，包含 A 頻帶（3 kHz 至 95 kHz）和 B 頻帶（95 kHz 至 125 kHz），並針對相關應用規定使用 C 頻帶（125 kHz 至 140 kHz）和 D 頻帶（140 kHz 至 148.5 kHz）。 在中國，電力科學研究院 (EPRI) 規定使用 3 kHz 至 500 kHz 頻帶。

不論是獨立 AFE 還是整合式 PLC 元件，製造商都有不同的元件系列能支援特定頻帶與調變機制。 舉例來說，TI 的 AFE030 和 AFE031 支援 CENELEC EN50065 頻帶 A、B、C、D，而 Cypress 的 CY8CPLC10 和 CY8CPLC20 則支援 CENELEC EN50065 和 FCC 第 15 條的作業。 同樣地，STMicroelectronics 的 PLC 元件系列也支援特定區域的頻帶。例如 STMicroelectronics 的 ST7538Q 和 ST7540 設計就支援 CENELEC EN50065，而 ST 的 ST7580 則支援 ARIB、CENELEC EN50065 和 FCC 第 15 條。

電力線雜訊

PLC 系統必須在所屬頻率頻帶中與充滿雜訊的電子環境抗衡。 電力線受到持續變化的雜訊來源干擾，包含脈衝雜訊、馬達雜訊以及來自電源供應器的諧波，以及消費者開啟及關閉不同的電器、工具和設備時所產生的其他雜訊來源（圖 3）。

圖 3：低電壓電力線充滿了會隨著消費性用途而變的雜訊來源，即便是電動牙刷充電座等小型家用物品也會產生脈衝雜訊 (A) 和廣頻雜訊 (B)。（資料來源：A：Texas Instruments；B：Echelon Corporation）

的確，電力線雜訊的變化極大：特定頻帶可在一段時間內提供無干擾的通訊頻道，不過很快會被使用者住家、辦公室或農場中的間歇性雜訊掩蓋。 所以 PLC 接收器必須經常從具有極差訊噪比特性的訊號來源中擷取訊號。

目前可用的 PLC 元件包含 ST 的 ST7538Q、ST7540 和 ST7580，皆提供二進制頻移鍵控 (B-FSK)，能達到振幅波動和近帶干擾耐受能力。 雖然 FSK 調變機制可在訊噪比不佳的環境中提供良好解決方案，但仍需要更完善的通訊機制才可因應影響多數電力線的廣頻雜訊。

抗噪調變

為了減輕各種不同的電力線雜訊來源對於 PLC 訊號傳輸的影響，STMicroelectronics 的 ST7570 等 PLC 收發器提供符合公用事業儀表 PLC 標準 IEC 61334 所規定的展頻頻移鍵控 (S-FSK) 調變。 針對更高需求的應用，設計人員可以利用 ST 的 ST7590 和 TI 的 AFE030/31 等 PLC 元件中的 OFDM 支援。 OFDM 使用多個頻道，因此特別適用於電力線通訊等充滿雜訊應用。

電力線智慧電表進化 (PRIME) 和 G3 這兩項主要的 PLC 標準，能指定使用 OFDM，以便在有雜訊的電力線中輕鬆進行通訊。 事實上，G3 採用自適性方法，讓合規 PLC 元件在強烈雜訊干擾下關閉子帶中的通訊。 即便在高雜訊環境中也具有耐用性能，因此不只適用於為消費者供電的低壓電力線，也適合在變壓器至數據集中器之間提供通訊，其通常架設在連接變壓器與公用事業變電所的中電壓電力線上。

基於這些協定的複雜性，因此合規 PLC 數據機需要同等複雜的 PLC 元件。 舉例來說，TI 的 AFE031 PLC IC 支援 PRIME 和 G3，但是為了讓相關的必要處理器執行各自的通訊軟體堆疊，TI 建議使用高效能 MCU，例如雙核心 Concerto 系列。

在現成可用的整合式 PLC 元件中，Atmel 的 ATPL230A 和 ATPL250A PLC 數據機 IC 分別相容於 PRIME 與 G3。 這兩個元件在設計上可搭配高效能 MCU 作業，例如 Atmel 的 SAM4C MCU 系列。 對想要單晶片解決方案的設計人員而言，Atmel 的 SAM4CP16B 雙核心 ARM Cortex-M4 架構 PLC MCU 同樣能以單一 IC 支援 PRIME 和 G3，並且整合了實體層和 Atmel 提供的 PLC 通訊堆疊（圖 4）。

圖 4：若要達到 PRIME 和 G3 PLC 設計，工程師可以打造含有 Atmel 的 ATPL2x PLC 元件和 SAM4C MCU 的雙晶片架構，或是採用 SAM4CP16B 單晶片解決方案提供與雙晶片組相同的功能。 （資料來源：Atmel）

開發套件

為了協助釐清 PLC 設計的複雜度，設計人員可以採用幾個結合關鍵 PLC IC、處理器和軟體的開發套件。 Cypress Semiconductor Corp 的 CY3274 開發套件針對想要運用 Cypress 的 CY8CPLC20 整合型 PLC 元件的開發者提供快速入門（請參閱圖 2）。

STMicroelectronics 的 STEVAL-IPP004V1 開發套件提供完整的 PRIME 相容模組，其涵蓋 ST7590 PLC 元件和 ST 的 STM32F103 MCU，其屬於高效能 STM32 F1 ARM Cortex-M 架構 MCU 系列成員。

最後，TI 的 TMDSPLCKIT-V3 C2000 電力線數據機開發套件結合 AFE031 和 TMS320F28069 C28x Piccolo MCU，並含有支援 S-FSK 和 OFDM 的 PLC 軟體套裝，可開發符合 PRIME 或 G3 的 PLC 解決方案。

結論

在鄉村地區，PLC 可以提供有效的解決方案，將智慧儀表、家用裝置和設備與智慧電網連結。 然而，對 PLC 設計人員而言，法規限制、國際標準與電力線特性會帶來嚴峻的挑戰。 透過現成可用的 PLC IC 和 MCU，設計人員可以更輕易地達到耐用的 PLC 解決方案，能在低電壓線路上操作，並橫跨變壓器至中電壓電網。

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