6ES7223-1BF22-0XA8使用方法

6ES7223-1BF22-0XA8使用方法

近几年来，电力通信的发展一直是绿色能源的关注重点之一，随着电力电子技术进步，电力线的技术也愈加成熟，所以现在已经有大量厂商对这个技术所带来的新应用感到兴趣，例如智能电网、自动读表系统甚至智能家庭都被视为未来电力线发展的重要标的。因此，智能电网的出现，使得传统电力网络可以侦测电力供应及一般家庭电力的使用状况，藉此来调整电力的耗电量，达到节约能源，增强电网可靠性的目的。本文将针对智能电网的基本概念、技术发展及通信标准，提供一个概略性的介绍与整理。

    电力通信将无所不在

    为了掌握各区域用电的实时情报，电力线通信的涵盖范围非常广，从较底层的家庭用电到跨越电表至变电站的信息集中器(Concentrator)，或是更高的中压层通信都必需完整掌控，因此，更要确保不同电压段的通信质量，以提升系统的稳定性。

    因为技术日渐成熟，电力线的通信质量有着飞跃性的增长。随着应用不同，可以分成可远距离传送的窄频PLC(NarrowBandPowerlinecommunication)及短距离但高速度的宽带PLC(BroadBandpowerlinecommunication)，目前宽带PLC的物理层(PHYrate)传输速度己可达到200M(bps)。因此，智能家庭的应用又再次搬上台面，不仅从室外即可远程操控家中的电器，电费也不再只能依靠每两个月一次的账单，家中所有电器的用电信息可以随时掌控，再者，只要使用家中的插座即可直接上网，透过有线传输让家里通信不再有死角。

    可靠的长程通信工具

    窄频电力线，是电力线通信发展初期即存在的技术，适合用在较长距离的电力线通信技术。因通信使用500k(Hz)以下频带，较不易受到电力线先天环境的衰减，所以可以传送较长的距离，但也因此传输速率较慢，大多使用在电力监控，图1即为先进读表系统(AMI)的架构图。意大利ENEL电力公司采用一个基于FSK和BPSK调制的窄带PLC系统，建构一个3500万用户的自动电表管理系统即为经典的成功案例。

    图即为自动读表系统的通信环境示意图，闽台的电力系统大多是由变电站提供220v电源至各住户，所以数据集中器适合设置于变电站，再由光纤将各家的用电信息传至管理服务器，所以数字电表的电力信息必需透过图中红色电缆传到变电站的集中器，但此部分电缆建构时大多埋在地底下，难以评估其长度，以及是否连接其他电力设备，因此较适合使用窄频PLC作为解决方案。

    如上述，窄频电力线通信虽然并非新一代的技术，但随着通信技术增长，不论是通信速度或是对抗噪声的调变技术都有大幅增长。当下已有许多国家有制定自己的窄频通信规范，例如北美的美国联邦通信**FCC(9k~490kHz)，在欧洲，则由成立于比利时的CENELEC制定其规范(3kHz~148.5kHz)，以及日本电波产业会ARIB(10kHz~450kHz)等等。

    近来，许多之前使用在数字通信的调变技术都被拿到电力线通信上使用例如FSK、PSK、展频等等，其中较热门的莫过于使用多载波的OFDM调变技术，主要原因在于其抗信道衰减及噪声干扰的优异表现，也因此，欧洲的G3及PRIME两个窄频电力线解决方案都是采用这个技术。   无所不在的高速通信

    因为芯片制程技术进步及新调变技术表现优异，PLC通信的速度成功突破瓶颈，2006年，新的HomePlugAV规范使速度达到189M(bps)。自此，PLC通信技术不再被局限只能用于自动控制，而是真正进入高速信息通信的**。

    目前，HomePlug联盟正积极制定下一代新的通信标准HomePlugAV2，预期传输速率可达1G(bps)，且支持多重串流的1080p高画质影音、3D影音等等主流应用，预期在今年*3季问世。此外，在智能家庭方面，该组织日前拟定的HomePlugGreenPHY(GP)窄频标准已获选为美国家电制造商协会(AHAM)智能电网产品的主要通信协议，使得未来家庭电网的兼容性又大大提升。

    目前PLC业界有3个比较大的标准组织，分别是HomePlug、UPA及CEPCA。HomePlug是由HomePlugPowerAlliance业界标准组织制定，主要成员是由美国PLC制造业者组成。UPA，全名UniversalPowerlineAssociation，是另一个宽带电力线通信标准，由西班牙DS2公司为中心所成立的业界标准组织。CEPCA消费电子电力线通信联盟，Panasonic为主的业界联盟组织，使用WaveletOFDM调变技术是与前两者较大的不同之处。上述三个宽带电力线规范以市场分布及联盟成员来区别大致可以分成HomePlug(美规)、UPA(欧规)、CEPCA(日规)。

    由于当下并没有一个**通用的业界标准，国际电信联盟（ITU-T）、IEEE便着手于此，希望不久将来宽带PLC可以像Ethernet或WiFi一样有一个通用的标准流通于市面上。

    新一代整合界面标准-G.hn

    G.hn是由ITU-T制定，并由HomeGrid论坛推动的新标准，目的在于统一PLC及其他所有家用的高速通信规格。G.hn能在短时间内迅速窜起除了可以同时兼容电力线、同轴电缆与电话线之外，在使用同轴电缆作为传输媒介时传输速率更可达到700M(bps)，其通信速度可用在更广泛且热门的应用之中也是业界看好其发展性的重点之一。

    电力通信先天的阻碍

    因为电力线本是为了供应用电而不是设计用于通信，所以要在这个环境下通信必须克服许多先天的不良因素。例如在变压器(11.4kv～220kv)到家用电表端间的通信，如同图2所示，即AMI系统的数据传送信道，在此环境中即可能遇到电力线通道在地下，无法预估长度或是分接予其他用户的情形，这些都可能导致通信上的困难。

    窄频电力线方面如同先前所述因为较不易受到环境衰减，所以大多使用在中压或是AMI的远距离传输，但也因为使用的传输频带较低(约在1M(Hz)以下)，所以容易受到电器噪声的影响。相较之下，窄频电力线受到的干扰，宽带电力线则是高频通道衰减较为严重。图4所示即为真实电力线的噪声量测，可以看出噪声多集中在低频带。图5显示是同场域量测的通道响应，从接收功率的分布情形得知部分可能受到的严重衰减而并非噪声干扰。当然，在室内使用之电力线通信也可能因为家中电器使用或是大负载电器而造成信号衰减，这些都是先天即存在且必须克服的不利因素。

    电力线通信不论是宽、窄频近年来都已成为绿色能源的要角。如同前述，小自家庭电力网络，大到都市电力系统，已订定的通信规范虽然很多，但因为各国的电力系统设计不同，使用的效果也不尽相同，不论是AMI系统或是智能电网都必须选定较合适的规范或是传输协议，甚至是制定出属于电力系统的专用规范。然而，这些都是必须经过大量实地测试之后才可以得出定论，在这过程中也需要政策的大力支持，因为智能电网涉及到的范围不仅仅是技术面，先期的推动还必须仰赖政策面，及补助政策以及制造商和企业的配合。因此，较终的议题还是回归到”人”身上，需要全民的支持，大家都有共识，才能达到较终结能减碳的良好目标。期许在不久将来，智能电网、智能家庭就可以成为大家耳熟能详且较生活化的技术

电力线通信(PLC)半导体器件可以将普通电网转换为通信网络，进而实现智能电网。这种网络将电力公司与他们的客户连接在一起，使家庭具有能量意识(“智能家庭”)，并能够对电网上的状态作出反应。这包括了连接智能电表、智能电网监视器和街灯。

    由于存在强烈的噪声、不断变化的状态以及设备与标准的差异，在电网上实现通信非常困难。在这种较具挑战的环境中实现可靠的操作，以及与前期安装设备成功实现互操作都需要采用新的PLC技术。

    定义PLC

    电力线通信(PLC)也被称为电力线载波，涵盖所有使用电力线运载信息的系统。所有PLC系统工作时都会在配线系统上传送经过调制的载波信号。不同类型的PLC使用不同的频段，具体取决于电力配线的信号传输特性。由于电力配线系统的原始作用是传输交流(或直流)电力，因此电力线电路在配线系统上传播更率方面的性能非常有限。

    PLC系统中的数据速率变化范围很大。较高的数据速率通常意味着较短的距离。工作速率为每秒几兆位的局域网(LAN)也许只能覆盖几米范围。

    窄带电力线通信(NBPLC)是专门用于频率在500kHz以下的电力线通信传输的一个术语。特别是欧洲的CENELEC已将148.5kHz及以下的频率授权给了广为部署的PLC系统。

    在这个频率范围内，高压传输线可以将数百米至几公里的距离。这时的数据速率比较适中，在1kbit/s至200kbit/s范围之内。这些速率非常适合遥感遥测、数据采集和控制应用。

    窄带PLC应用

    窄带PLC可以应用于需要与连接着电力线的设备双向通信的任何地方。由于不懈的节能努力在电力分配和管理方面形成了新的领域，现在的窄带PLC比以往任何时候都要流行。这种现象就是所谓的智能电网。

    窄带PLC不是新生事物。但恰恰是较近技术的发展、对机器到机器(M2M)连接不断增长的需求以及对更好的资源管理的认识才使得窄带PLC较终获得了巨大的发展动力。

    今天，窄带PLC较常见的用途是将消费者连接到电力公司实现自动抄表(AMR)和负荷控制。这些系统一直是许多电力公司的可以选择，因为电力公司允许在他们控制的基础设施上传送数据。其它快速兴起的应用包括街灯控制(SLC)和智能电器等。

    窄带PLC还开始在使用需要监视和控制的电气连接设备的许多其它应用中寻找用武之地。许多潜在性的应用案例包括自动贩卖机、太阳能电池、电动汽车充电等。

    电力线通信(PLC)半导体器件可以将普通电网转换为通信网络，进而实现智能电网。这种网络将电力公司与他们的客户连接在一起，使家庭具有能量意识(“智能家庭”)，并能够对电网上的状态作出反应。这包括了连接智能电表、智能电网监视器和街灯。

    由于存在强烈的噪声、不断变化的状态以及设备与标准的差异，在电网上实现通信非常困难。在这种较具挑战的环境中实现可靠的操作，以及与前期安装设备成功实现互操作都需要采用新的PLC技术。

    定义PLC

    电力线通信(PLC)也被称为电力线载波，涵盖所有使用电力线运载信息的系统。所有PLC系统工作时都会在配线系统上传送经过调制的载波信号。不同类型的PLC使用不同的频段，具体取决于电力配线的信号传输特性。由于电力配线系统的原始作用是传输交流(或直流)电力，因此电力线电路在配线系统上传播更率方面的性能非常有限。

    PLC系统中的数据速率变化范围很大。较高的数据速率通常意味着较短的距离。工作速率为每秒几兆位的局域网(LAN)也许只能覆盖几米范围。

    窄带电力线通信(NBPLC)是专门用于频率在500kHz以下的电力线通信传输的一个术语。特别是欧洲的CENELEC已将148.5kHz及以下的频率授权给了广为部署的PLC系统。

    在这个频率范围内，高压传输线可以将数百米至几公里的距离。这时的数据速率比较适中，在1kbit/s至200kbit/s范围之内。这些速率非常适合遥感遥测、数据采集和控制应用。

    窄带PLC应用

    窄带PLC可以应用于需要与连接着电力线的设备双向通信的任何地方。由于不懈的节能努力在电力分配和管理方面形成了新的领域，现在的窄带PLC比以往任何时候都要流行。这种现象就是所谓的智能电网。

    窄带PLC不是新生事物。但恰恰是较近技术的发展、对机器到机器(M2M)连接不断增长的需求以及对更好的资源管理的认识才使得窄带PLC较终获得了巨大的发展动力。

    今天，窄带PLC较常见的用途是将消费者连接到电力公司实现自动抄表(AMR)和负荷控制。这些系统一直是许多电力公司的可以选择，因为电力公司允许在他们控制的基础设施上传送数据。其它快速兴起的应用包括街灯控制(SLC)和智能电器等。

    窄带PLC还开始在使用需要监视和控制的电气连接设备的许多其它应用中寻找用武之地。许多潜在性的应用案例包括自动贩卖机、太阳能电池、电动汽车充电等。

    智能电网：智能电网将采用电力线先进计量基础设施/自动抄表(AMI/AMR)技术。电力数据经过电力线传回到变电站，然后中继到电力公司主要办公室的*计算机。这将被认为是一种固定的网络系统——由电力公司建立和维护并用于提供电能的配电网络。这样的系统主要用于电力抄表。一些提供商还连接煤气表和水表并馈进PLC类系统。电力线AMI/AMR系统远程实时读取客户电表，然后将到计费系统。AMI/ARM减少了抄表员每个月人工采集各种水电气表数据的需求。

    智能灯光控制：街灯是城市较重要的资产，可以提供安全道路、富有吸引力的公共区域，并增强家庭、商务和城市中心的安全。但街灯的运维成本一般都非常高，而且消耗大量的电能(几乎占整个城市电能消耗的40%)。将街灯和PLC连接在一起可以减少现场操作的次数，降低电能消耗，提高总的发光效率，并延长灯泡寿命。

    智能家庭和电器：家庭自动化包括集中控制灯光、HVAC(加热、通风和空调)、电器和其它系统，从而提高便利性、舒适性、能效和安全性。由于家庭自动化系统的目标是将所有家庭电气设备相互连接在一起，因此PLC是一种理想的方法。

    太阳能：光伏电池板(太阳能电池板)必须加以仔细管理才能提供较佳性能，这涉及到利用通信实现遥控和实时监视。遥控用于控制电池板倾斜度以便较大限度地提高光照量，还用于控制单个电池板或整个电池场。实时监视方便维护监视、检测硅劣化/电池替换需求、气候条件、盗窃以及输出功率和效率。

    汽车至电网：随着智能电网部署的展开，上升的燃油成本以及更高性价比的电动汽车对电动汽车充电站提出了更多的要求。这种汽车至电网(V2G)基础设施的部署要求在充电站和计费与管理系统之间实现双向通信。PLC是理想的解决方案，因为它使用已经安装好的电力线，能够提供强大的安全性，并具有很大的扩容能力。

    智能电网的网络特性

    有许多变量影响智能电网网络的通信特性，其中网络拓扑和连接网络的负荷也许是两个较重要的变量。这种可变性意味着没有哪两个电力线网络具有完全相同的传输特性。

    通过电网通信信道实现增强的数据传送可靠性要求采用先进的通信机制来解决噪声问题。这样的机制还需要应付通信过程中被暂时或*闭塞的许多频率。

    为了适应噪声可变性，PLC设备必须能够估计带内噪声电平以及每个载频点的接收信号强度，然后通过修改通信频率和调制机制来确保可能较佳的效果。通过测量带内噪声和每个频率点的接收信号强度可以为通信系统选出较佳频率。

    PLC技术

    低压()和中压(MV)网络主要采用以下三种窄带通信技术中的一种：单载波调制，如二元相移键控(BPSK)和频移键控(FSK)；正交频分复用(OFDM)；直接序列扩频(DSSS)，再加上码分多址(CDMA)。

    应用较为广泛的窄带PLC解决方案使用相对简单但具有特别高性价比的FSK和BPSK调制技术。这些技术组成了多种具有互操作性的标准的基础，其中较*的是Lon和DLMS标准。

    Lon在ANSI/EIA框架下实现了标准化，针对介质访问控制()层和物理层的标准号分别是EIA-709.1和EIA-702.2。DLMS在国际电子技术**(IEC)框架下实现了标准化，标准号是IEC62056和IEC61334。

    为了确保在有噪声的环境中可靠工作，FSK和BPSK器件必须测量带内噪声电平以及每个频率点的接收信号强度，然后由软件为可靠通信选择较佳频率。例如，Semitech公司的SM6401PLC收发器就可以估计带内噪声电平和每个载频点的接收信号强度，然后由软件为选择较优频率。

    通信技术的跨越式发展促进了更先进调制技术的开发和部署。例如，OFDM被证明特别，因为它能适应有噪声的环境，可以在CENELEC工作频段上实现更高鲁棒性、更强功能的通信网络。OFDM为PRIME联盟和G3-PLC等新标准的制订奠定了坚实基础。

    Semitech公司开发的SM2200是专门为支持低压(<100V)和中压(1kV至33kV)配电网络上的应用开发的先进OFDM解决方案之一(图1)。SM2200可以处理速达175kbit/s的数据，它将54个载波组成了18个独立的信道

随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛，PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。

2.2 来自系统外引线的干扰

主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。

（1）来自电源的干扰

实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源，问题才得到解决。

PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，**隔离是不可能的。

（2）来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。

（3）来自接地系统混乱时的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

2.3 来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。