采用数据集中器设计为智能电网提供电力线通信

数据集中器为智能电网架构中的自动化计量和信息系统提供通信关键。通常位于电网中的变压器或变电站级，数据集中器确保在传输来自智能电表的能量测量信息和来自电力公司的使用分析信息时的数据完整性和安全性。通常，这些系统使用基于MCU的复杂设计，这些设计依赖于最后一英里的电力线通信（PLC）到消费电表和能源管理系统。为了满足这些器件的广泛要求，工程师可以使用包括飞思卡尔半导体，Maxim Integrated，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商的可用AFE IC和MCU设计复杂的基于PLC的数据集中器。

数据集中器充当公用事业控制的智能电网分配网络和最终用户之间的接口，管理公用事业与特定地理区域内的多个智能电表之间的数据交换（图1）。在自动计量基础设施（AMI）和自动抄表（AMR）系统中，数据集中器（也称为数据集合器）提供测量，分析和收集能源使用所需的核心功能。然后，他们将该数据传送到中央数据库，以进行计费，故障排除和分析。

图1：自动计量和信息系统包括多级数据管理和通信，从硬件数据集中器开始，在公用事业和最终用户能源系统（包括智能电表）之间提供数据采集，处理和安全性。 （由西门子提供。）

数据集中器使公用事业公司能够使用智能电表的信息来更好地了解电网状态，包括对停电的即时了解。通过有关配电网的详细信息，电力公司可以评估电网中的过载和不平衡，以及更有效地检测故障。该信息还允许公用事业公司通过比较电网较高水平的测量功率与电网周边智能电表测量的功率来评估电网中的更多静态损耗。最终，详细的智能电表功率测量和上游监测和分析的结合将为公用事业客户提供更好的消耗和节电机会的知识，并告知他们有关网络状况的干扰。

通过将数据集中在多个智能电表和最终用户网络上，数据集中器有助于简化智能电表的设计，使这些系统能够专注于能源测量的关键任务。反过来，数据集中器负责提供将多个公用事业仪表连接到公用事业公司中央服务器所需的必要通信和网络功能。在其任务中，数据集中器同步跨多个仪表获得的数据，并确保用户认证和加密信息的安全数据传输。因此，数据集中器是复杂的系统，它结合了强大的处理能力和广泛的高度灵活的通信选项，支持为最广泛的终端系统和操作环境提供服务所需的各种数据传输功能（图2） ）。

图2：在连接选项中，数据集中器设计通常需要支持电力线通信和无线通信功能 - 以及对显示选项的不同程度的支持。 （德州仪器公司提供。）

数据集中器通常支持最终用户和公用事业端通信的无线和有线通信选项。在用户方面，有线通信通常包括电力线通信（PLC），以太网或甚至串行通信，这取决于特定操作环境的特定需求和限制。无线通信通常包括使用sub-GHz，2.4GHz或甚至蜂窝网络的低功率RF。在公用事业方面，集中器需要通过各种不同的方法灵活地连接到公用事业公司的服务器，因此他们需要支持广泛的通信选项，包括以太网，GSM，GPRS，WiMAX或电信网络。

基于MCU的设计

作为这些系统的核心，应用处理器充当中央主机，提供数据分析功能和数据通信。为了支持这些系统的设计，硅制造商提供了广泛的MCU选项。例如，德州仪器（TI）提供多种MCU解决方案，包括AM18xx，AM335x，TMS320C674x和OMAP-L1x应用处理器。

基于ARM926EJ-S 32位RISC处理器内核，TI Sitara AM18xx微处理器可满足具有各种片上外设的低功耗应用，包括以太网MAC，MDIO，UART，USB，I²C和SPI等其他。 TI器件将与ARM内核相关的存储器与128 KB的片上存储器，增强型DMA控制器3以及DDR2和EMIFA的外部存储器接口相结合。

TI Sitara AM335x处理器基于ARM®Cortex™-A8内核，包括SIMD并行处理协处理器。该器件将这种先进的处理核心与片上图形加速引擎和用于LCD和触摸屏设备的控制器相结合。这为需要更高级数据和图形处理和显示要求的数据集中器设计提供了一个全面的平台。除了多个片上连接外设选项外，该器件还提供硬件加密加速器，以支持数据集中器设计中更高的安全性。

对于面临更苛刻的数据和信号处理要求的数据集中器设计，TI TMS320C674x系列是一款支持固定和浮点处理的DSP。该器件的VLIW DSP内核具有64个32位寄存器，6个ALU和2个乘法单元。除了前面提到的设备上的各种连接外设外，TMS320C674x系列还提供安全启动功能，允许工程师保护其代码并防止第三方修改安全算法。

对于面临特别苛刻的处理要求的数据集中器应用，TI的OMAP-L1x系列结合了ARM ARM926EJS内核和TI C674x DSP内核。除双核外，OMAP-L1x系列还集成了AM18xx和TMS320C674x系列器件支持的多种片上外设。与TMS320C674x一样，OMAP-L1x系列提供安全启动功能，以保护Flash或EEPROM中的代码。

ARM926EJ-S™内核还为意法半导体和飞思卡尔半导体的MCU提供数据集中器解决方案的处理引擎。 STMicroelectronics SPEAr300，SPEAr310和SPEAr320 MCU将ARM内核与各种存储器接口和连接选项相结合。集成的加密协处理器可以从主处理器自主运行，以执行AES，DES，SHA-1和其他加密算法。

飞思卡尔半导体采用基于ARM926EJ-S-core的i.MX28 MCU系列以及基于PowerQUICC®IIPro处理器的MPC8308 MCU解决数据集中器设计问题。除了这些通用主机MCU，飞思卡尔还为数据集中器应用提供双核P1025通信处理器（图3）。 P1025是基于Power Architecture技术的QorIQ设备，提供双核解决方案，允许应用和通信共存。除了支持功能齐全的操作系统外，P1025还为数据集中器等高级应用程序提供虚拟机管理程序支持。

图3：飞思卡尔P1025双核通信处理器将双e500内核与完整的片上接口相结合，可创建高效的数据集中器设计解决方案。 （由飞思卡尔半导体公司提供。）

电力线通信

在下游方面，与智能电表和客户能源管理系统的通信可以使用有线或无线通信。有线通信通常依赖于PLC，尽管这些通信的性质可能差别很大。

电力线通信通过使用用于电力传输的相同介质来传送关于电力使用的数据，提供了一种方便的数据传输方法。然而，电源线是噪声环境，噪声中的大部分能量集中在短时域突发中，这些突发发生在与电源AC周期过零相同的时段 - 美国为8.33 ms虽然具体的噪声分布从一个站点到下一个站点可能会有很大差异，能量分布往往会在较高频率下降（图4）。

图4：除了来自不同源的非脉冲噪声外，电源线信号还面临与电源AC周期过零相关的脉冲噪声。 （德州仪器公司提供。）

在处理客户方的配电网络拓扑时出现了进一步的困难。例如，在美国和日本，个别配电变压器仅支持少数房屋，特别是在人口密度低的地区，如农村地区。为了最大限度地降低这些情况下的成本，集中器最好位于中压（MV）侧，要求信号穿过每个配电变压器，以建立低压（LV）侧仪表与集中器之间的通信。

MV侧的噪声跟随LV侧噪声的大部分特性，但是将信号从MV传递到LV可以在频率选择的基础上显着衰减信号，这种信号因站点而异。因此，要在MV-LV变压器上运行，有效的方法应提供跨越30至450 kHz频段的通信。

旨在支持MV-LV边界的通信，G3-PLC是PLC的全球标准，支持10至490 kHz频段，提供可跨越MV-LV变压器的远程通信方式，减少数量特定地理区域所需的数据集中器。

该标准规定支持在通过MV-LV变压器时解决较高频率下的整体衰减和频率相关衰减。在这里，发射机有望调整其整体信号电平并调整其功率谱，而接收机则提供模拟和数字AGC（自动增益控制），以提供足够的增益来补偿整体衰减。对于衰减特别严重的环境，PLC-G3系统可以作为LV侧的中继器工作 - 解码来自MV侧的接收帧，并在LV侧以更高的信号电平重发它们，以补偿引入的衰减由变压器。

G3-PLC采用基于802.15.4的MAC层和AES-128安全性，可在不影响安全性的情况下实现互操作性。此外，该标准可以与S-FSK和BPL等技术共存，同时还提供更强大的通信能力，能够在低至-1 dB SNR的嘈杂环境中运行。

PLC解决方案

工程师可以使用TI的C2000 32位MCU系列中的TI OPA365 CMOS功率放大器，TI PGA112可编程增益放大器（PGA）以及C28x Delfino或Piccolo MCU等可用模拟组件创建PLC解决方案（图2）。

TI在其AFE031 IC中集成了G3 PLC所需的完整模拟信号链。 AFE031专门设计为PLC AFE，包括一个集成接收器，能够检测低至20μVrms的信号，同时提供所需的可编程增益控制，以适应与电源线和电源线噪声电平变化相关的不断变化的输入信号条件。该器件的功率放大器采用7至24 V单电源供电，而模拟和数字信号电路采用3.3 V单电源供电。与TI C2000 MCU一起，该器件只需极少的外部电路即可提供完整的PLC系统解决方案（图5）。

图5：专为PLC应用而设计，德州仪器AFE031 AFE集成了完整的模拟信号链，用于PLC Tx和Rx功能，通过其串行接口与主机TI C2000 MCU进行通信。 （由Texas Instruments提供。）

作为PLC-G3规范的原作者，Maxim通过一对芯片提供自己的PLC解决方案 - MAX2991 AFE和MAX2990基带调制解调器。 MAX2991 AFE收发器IC集成了专用的PLC模拟信号链，提供发送和接收路径（图6）。

图6：Maxim Integrated MAX2991 AFE收发器IC中，发送路径将OFDM调制信号注入电源线，而接收路径则提供接收信号的信号增强，滤波和数字化。 （由Maxim Integrated提供。）

专为OFDM（正交频分复用）调制信号在电力线上传输而设计，MAX2991 AFE IC工作在10至490 kHz频段，并提供可编程滤波器，使工程师能够确保符合CENELEC，FCC和ARIB标准使用相同的设备。

MAX2990 PLC调制解调器IC与MAX2991 AFE配合使用，可提供完整的PLC解决方案。 MAX2990将Maxim的MAXQ 16位RISC内核与PHY功能，串行接口（包括SPI，I²C和UART）相结合。除了Jammer取消功能外，该设备还包括一个DES加密/解密的安全引擎。