基于C2000 的集成电力线载波通信功能(PLC)光伏逆变系统

　　摘要

　　通信功能作为光伏逆变系统不可或缺的重要组成部分，其主要用于对分布式逆变器状态的远程监测和控制。电力线载波通信(以下简称“PLC”)是指将已有的电力线网络作为通信媒介实现通信的一种方法，将 PLC 功能加入光伏逆变系统，相对于其他类型通信方法而言，可以更好地降低成本、简化系统复杂性。本文着重介绍一种基于TI 的 TMS320F28035(以下简称“F28035”)和TMS320F28069(以下简称“F28069”)的单芯片光伏逆变器+PLC 解决方案，并给出系统框图及软件流程图。

　　1 具有PLC 通信功能的光伏逆变器应用介绍

　　太阳能作为一种可再生能源，近两年已经在国内外成功用于并网发电。光伏逆变设备从功率上来看大致可划分为三个等级：输出功率大于6KW 的三相大功率逆变器、输出功率在1KW 至6KW 之间的单相中型逆变器以及输出功率在 200W 至 500W 的微逆变器。大功率逆变器的成本高，效率相对较低，并且一般采用集中式拓扑，所以其对通信功能的需求量较少。与之相比，中小功率逆变器近年来在光伏发电市场上受到了更多的关注。

　　由于中小型逆变器本身功率不大，所以其更多用于微电网中的分布式太阳能发电系统。作为微电网的一个节点，其会在某个区域内有较大数量和较广范围的分布，例如在欧美地区，很多家庭会在屋顶安装这样的中小功率逆变器;在火车站或者工厂的屋顶会使用大量的中小型逆变器来搭建小型电站等等。这样就需要对一定区域内的逆变器进行管理，以便其更有效、安全、稳定的工作并且提供及时的需求和响应，而管理方法就是配以通信模块，以便通过上位机监测所有逆变器状态，并及时进行控制和调度。

　　无论是白天或者夜晚，我们都需要实时了解控制器的情况，例如逆变器当前工作状态、太阳能电池板的最大功率点追踪情况、当天/当月/当年等的发电千瓦时、当前输出功率/电压/电流等数据都需要被监控。如果使用中小功率逆变器搭建大功率的发电设备，则还会涉及单个发电设备功率因数的调节、防孤岛保护以及多个逆变器之间的相位同步等参数的控制。

　　从目前来看，最常见的方法就是通过无线(RF)或者RS485 技术通信。PLC 利用已有的电力线进行传输数据，不需要像 485 总线那样重新铺设新的线路，并且还可以在低成本的情况下实现有效的通信，其相对于 RF 可靠性更高，但相对于 RS485 在鲁棒性上则需要更多的设计优化。通过加入PLC 模块，光伏逆变系统就成为为微电网的一个节点，可以接受任何在智能电网上传输的数据，有利于今后进一步的功能扩展。

　　图 1 使用PLC 通信的光伏逆变设备区域系统结构

　　图 1 就是一种带有 PLC 功能的光伏发电设备的区域系统框图，在一定区域内给并网的光伏逆变设备安装 PLC 收发设备后，以电力线为总线来通信的拓扑结构。在距离和数量一定的设备之间，需要一个收发调制解调器来进行区域内的数据处理，并且还可以为其扩展上位机从而将数据通过上层网络进行传输。

　　2 PLC 方案介绍

　　2.1 PLC 概况及TI PLC 方案介绍

　　PLC 技术总体来说可以分为宽带(Broad-band)PLC 和窄带(Narrow-band)PLC 两大类，宽带PLC 速度一般大于1MBPS，应用于Internet 互联网等local area network 广域网连接的场合;窄带PLC(以下简称“NBPLC”)适用于长距离、低传输速度、只需窄带控制或者宽数据采集的场合 [1] 。而中小型光伏逆变设备往往对于其通信模块需要数据高可靠性以及低成本的要求，所以 NB PLC 会更适合于该应用。

　　目前 PLC 调制技术主要有三大类：单载波类(例如 FSK)、扩展频谱类(例如 S-FSK)、多载波类(例如 OFDM)。前两种从调制方式上看大体可以概括为单载波调制方法，是目前使用比较多的一种技术，其特点就是原理简单，但是速度较慢、鲁棒性也较低。而多载波即 OFDM(正交频分复用调制)是一种更加稳定且数据速率更高的调制技术，其原理就是在单一信道、同一时域传输过程中同时会有多个频率的载波信号进行传输，并且每个载波可以根据需求采用不同的调制方式。相对于单载波调制技术，其优点如下：1)低于 500 KHz 的 PLC 信号能够穿越变压器，因此具有很好的传播特性;2)NB PLC 在使用 MCU 或 DSP 实现时具有较好的成本效益;3)在窄带干扰(以下简称“NBI”)和短脉冲干扰(Impulse)下有很强的鲁棒性(Robustness);4)频率选择性信道的响应(阻抗特性)较好;5)能够与已有的单载波技术(FSK, S-FSK)共存 [1] 。6)无需与主电网过零点同步，因此可以用于直流应用 (如微逆)。

　　图 2 NB PLC 的调制方式

　　当前，基于OFDM 技术的NB PLC 的PRIME/G3 标准已经进入了实际部署阶段。而IEEE P1901.2和ITU-T G.hnem 两大国际标准也即将制定完成。TI 在OFDM 的软件开发上有很好的积累，提供了一系列针对各种不同标准的固件库，开发人员使用这些固件库的函数来进行开发时，不需要关心其底层设计的复杂时序，并且可以高效灵活的根据自己的需求进行产品定制。图3 是TI 的PLC 开发软件库(plcSUITE)。

　　图 3 PLC Suite 结构框图

　　TI 提供的plcSUITETM 软件库解决方案中，包括了已经实际部署PRIME/G3 协议栈，以及TI 定义的PLC Lite 标准。PLC Lite 是TI 在PRIME 标准上进行优化得到的一个基于OFDM 的软件库，下一节会具体介绍其特性。除了提供软件开发固件库外，TI 还提供整套的解决方案包括硬件模拟前端模块，如图4所示，C2000 可以作为数字调制解调及网络协议栈实现的处理器，可以使用plcSUITETM 中提供的库来进行软件开发，并且将调制好的物理层信号通过SPI 发送至作为模拟前端的AFE031/AFE030，然后通过AF031/AFE030 将数据信号耦合至电力线发送。

　　图 4 TI NB PLC 解决方案

　　2.2 TI PLC Lite 标准介绍 [2]

　　PRIME 和G3 标准在制定之初，主要应用对象是类似远程抄表等终端节点多且距离远、传输数据量大的应用，所以在PRIME 和G3 标准中会包括物理层、媒体层、逻辑链路层、以及更上层(例如在适配层支持IPV6 及IEC61334-32 等)网络层协议。而对于光伏逆变设备，其数据量不大并且在当前大多数应用中，其组网方式相对较简单所以并不需要一个复杂网络协议栈。TI 定义了一个低成本且相对简单的标准PLCLite 以应用于光伏逆变、路灯控制等相对简单灵活的网络。而PLC Lite 本身是由PRIME 标准优化而来，所以其稳定性也可以得到保证。其特性如下：(1) 可使用TMS320F28035 contorlCARD 或TMS320F28069 contorlCARD 作为主控模块;(2)支持PLC Add-on AFE031 模拟前端驱动模块;(3)支持47K~90K 半频段(欧洲CENELEC A 频段标准)、40K~150K 半频段(24K 欧洲CENELEC A /B/C/D 频段标准);(4)最高传输速率为21Kpbs(不使用前向纠错)、11Kpbs(使用前向纠错);(5)采用OFDM 调制方式、使用前向纠错功能、每个频率载波采用DBPSK 调制技术;(6)40K~90K 频段子载波数量为97 路(1 路导频，96 路数据);(7)带有重复码纠错功能、CRC8 错误校验、重复码和RS 前向纠错算法;(8)可通过UART 发送指令进行调试;(9)可编程控制AFE031 增益;(10)具有PRIME 标准物理层特性、增强的NBI 性能以及支持MAC 层扩展。

　　图5 PLC Lite 物理层特性参数