引言

隨著太陽能裝置數(shù)量的增加，系統(tǒng)監(jiān)控和安全的重要性也隨之提高。在這種趨勢下，有線通信起著關(guān)鍵作用。支持 NEC 2014、NEC2017 和 UL1741 模塊級快速關(guān)斷的 SunSpec? 快速關(guān)斷 (RSD) 等安全標準構(gòu)建于有線通信接口之上。除了大多數(shù)安裝中都嚴格要求的快速關(guān)斷功能外，許多系統(tǒng)中還添加了模塊級電力電子 (MLPE) 監(jiān)控。

圖 1 所示為不同太陽能裝置中實現(xiàn)的典型電力線通信選項。這些裝置可分為直流線路上的通信（紅色）和交流線路上的通信（藍色）。區(qū)別主要在于數(shù)據(jù)信號如何在發(fā)送器處耦合到電力線，以及如何在接收器側(cè)提取信號。

另一個區(qū)分選項是從太陽能電池板到逆變器的通信和到電網(wǎng)的通信。逆變器和 MLPE 之間的通信用于監(jiān)控 PV 電池板運行條件、故障檢測和快速關(guān)斷。這適用于與電源優(yōu)化器和其他 MLPE 通信的串式逆變器，或在匯流箱中或直接在串輸入處收集串或面板信息的商用串式或中央逆變器。面向電網(wǎng)的第二個通信選項通常用于監(jiān)測和控制多個串式逆變器（由電網(wǎng)運營商執(zhí)行以控制功率級別，從而實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定性），或在住宅用例中同步微型逆變器以形成分相或三相交流電網(wǎng)，或?qū)⒉僮餍畔膯蝹€微型逆變器發(fā)送到數(shù)據(jù)聚合器。

圖 1 太陽能裝置中 PLC 的典型配置

窄帶與寬帶 PLC

國際標準和規(guī)范規(guī)定了可用于電力線通信的頻段。一般而言，分為窄帶和寬帶 PLC 這兩類。

窄帶 PLC 使用高達 500kHz 的載波頻率。表 1 展示了不同地區(qū)的可用頻帶。窄帶 PLC 能夠進行更遠距離的通信，通常用于智能儀表。因此，窄帶 PLC 非常適合太陽能，以便在從 PV 電池板到串式逆變器輸入的更遠距離進行通信。

寬帶 PLC 使用高于 2MHz 的頻率，因此可提供更高的數(shù)據(jù)速率，并且與窄帶 PLC 相比具有更小的覆蓋范圍，功耗明顯更高。表 2 顯示了簡要比較。

窄帶 PLC 中使用的調(diào)制方案

電力線通信使用了不同的調(diào)制方案。窄帶應(yīng)用開關(guān)鍵控 (OOK)、移頻鍵控 (FSK) 和正交頻分復(fù)用 (OFDM) 是最常見的調(diào)制，而在寬帶 PLC 中主要使用 OFDM。本章將更詳細地介紹這三種調(diào)制技術(shù)。

開關(guān)鍵控 (OOK)

這種簡單的調(diào)制形式通過傳輸定義的載波頻率（例如對于邏輯“0”）或不發(fā)送邏輯“1”（請參閱圖 2）來對二進制 1 和 0 進行編碼。調(diào)制和解調(diào)都可以通過 THVD8000 等簡單的收發(fā)器完成，無需在微控制器或處理器中進行任何額外的數(shù)字解碼。為了具有足夠的驅(qū)動能力，當需要使用長電纜時，需要使用 THS6222 或 THS6232 等線路驅(qū)動器 OPAMP 以及耦合電路。

圖 2 OOK 的電力線編碼示例

TIDA-010935 是展示 OOK 如何用于太陽能應(yīng)用的參考設(shè)計。此參考設(shè)計具有運行簡單 OOK 調(diào)制所需的所有電路。該設(shè)計內(nèi)置了可由 MSPM0 MCU 控制的 BoosterPack 配置，但也可以使用其他 MCU BoosterPack。

移頻鍵控 (FSK)

在移頻鍵控 (FSK) 中，使用不同的載波頻率對符號中的數(shù)據(jù)進行編碼。符號是指可通過通信通道傳輸?shù)淖钌贁?shù)據(jù)量。根據(jù)使用的頻率數(shù)量，每個符號可以傳輸多個位。在非常簡單形式的二進制 FSK (BFSK) 中，只使用兩種頻率。其中一個用于傳輸邏輯“0”，另一個頻率用于傳輸邏輯“1”。在這種情況下，這些載波被稱為標記頻率和空間頻率。BFSK 的一種變體是在 SunSpec RSD 中使用的展頻型移頻鍵控 (S-FSK)。在 S-FSK 中，標記頻率和空間頻率的間隔足夠遠，以避免窄帶干擾對兩個頻率造成干擾。這樣，即使兩個頻率之一被系統(tǒng)中的干擾信號阻斷，接收器仍然可以恢復(fù)數(shù)據(jù)。圖 3 所示為 S-FSK 的圖示。

圖 3 用于 S-FSK 的時域編碼

為了進行解調(diào)，信號采樣值至少是最高載波頻率的兩倍。這通常由也運行解調(diào)算法的微控制器完成。解調(diào)算法僅對指定的載波頻率敏感，這使算法能夠抵抗寬帶噪聲，但在確切的載波頻率下不受窄帶干擾。對于太陽能應(yīng)用，重要的是使電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開關(guān)頻率遠離所選載波頻率，以免影響通信通道。

TIDA-060001 參考設(shè)計已實現(xiàn)了適用于 SunSpec 快速關(guān)斷發(fā)送器或接收器的 S-FSK。該設(shè)計采用集成模擬前端 IC：AFE031。C2000-WARE-SDK 中的 TMS320F280049C 可獲得 FSK 調(diào)制和解調(diào)所需的所有軟件，從而使其易于移植到 C2000 系列的其他成員。例如，在太陽能電源優(yōu)化器參考設(shè)計 TIDA-010949 中，快速關(guān)斷接收器軟件已移植到 TMS320F2800137。由于電源優(yōu)化器的運行頻率為 300kHz，這個頻率遠離此通信示例中使用的載波頻率，因此該參考設(shè)計非常穩(wěn)健。

正交頻分多路復(fù)用接入 (OFDM)

本文最后介紹的調(diào)制技術(shù)是 OFDM。在 OFDM 中，數(shù)據(jù)流被分割并通過多個子載波傳輸。正交子載波用于保證它們之間的干擾盡可能小。每個子載波使用傳統(tǒng)的調(diào)制方案進行調(diào)制，如相移鍵控 (PSK) 或差分相移鍵控 (DPSK)。使用多個密集分布的子載波會顯著提高數(shù)據(jù)速率。使用 OFDM 的一個例子是智能儀表，其中像 G3 和 PRIME 等標準使用具有 100 多個子載波的 OFDM。這可以在窄帶運行中實現(xiàn)高達幾百 Kb 的數(shù)據(jù)速率。OFDM 還可用于提高嘈雜環(huán)境中的穩(wěn)健性，這在太陽能應(yīng)用中很常見。監(jiān)控子載波上的信號質(zhì)量并移除信噪比不佳或使用多個子載波冗余的子載波可提高整體穩(wěn)健性。

圖 4 和圖 5 展示了使用四個子載波的 OFDM 調(diào)制示例。每個子載波使用 PSK 對一個位進行編碼。所有這些信號都將相加并進行傳輸。選擇正交子載波的影響顯示在頻域中。載波頻率的峰值出現(xiàn)在其他子載波的過零處。這可以更大限度地減少碼間串擾 (ISI)，換言之，可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)健性。

圖 4 時域中的 OFDM 信號

圖 5 頻域中的 OFDM 信號

圖 6 中給出了具有 C2000 MCU 和 AFE031 的 PLC 收發(fā)器的可能實現(xiàn)方案。為了進行發(fā)送操作，MCU 通過 SPI 控制 AFE031 內(nèi)的 DAC。DAC 輸出還被濾波，然后放大并耦合到電力線。對于接收路徑，傳入信號將通過線路耦合電路傳播、進入可編程增益級 (PGA1)、再次進行帶通濾波，再由額外的可編程增益級 (PGA2) 放大，然后由 MCU 的內(nèi)部 ADC 進行采樣。所有用于編碼和解碼信號的軟件都在 MCU 上運行（例如，TMS320F28069 或 TMS320F28P550）。

圖 6 交流電源的簡化線路耦合電路

可以進行多個 MCU 分區(qū)，如圖 7 所示。在專用 MCU 上運行 PLC SW，并具有用于其他功能（如數(shù)字電源控制）的單獨 MCU。或者將全部功能組合到一個 MCU 中，以便在不同中斷服務(wù)例程中運行電力線通信協(xié)議和數(shù)字電源控制。

圖 7 針對電力線通信的 MCU 選項

總結(jié)

在太陽能應(yīng)用中，窄帶 PLC 有不同的調(diào)制方案。表 3 中總結(jié)了優(yōu)缺點。對于簡單的低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，OOK 就足夠了。FSK 增加了一些額外的穩(wěn)健性，因此非常適合具有低數(shù)據(jù)速率要求的安全應(yīng)用。在監(jiān)測系統(tǒng)中，大量節(jié)點正在將更多數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)聚合，因此 FSK 和 OOK 的帶寬是不夠的。在這些系統(tǒng)中，OFDM 是一個不錯的選擇。