太阳能系统监控中的电力线通信技术

随着太阳能装置数量的增加，系统监控和安全的重要性也日益凸显。有线通信在此背景下扮演了关键角色，特别是支持NEC 2014、NEC 2017 和 UL1741模块级快速关断(SunSpec® RSD)等标准的安全措施，都构建在有线通信接口之上。

太阳能系统的通信架构

图1展示了不同太阳能装置中实现的典型电力线通信选项。这些方案可以分为直流线路（红色）和交流线路（蓝色）上的通信。其区别在于数据信号如何在发送器处耦合到电力线，以及如何在接收器侧提取信号。此外，还有两种主要的通信方向：从太阳能电池板到逆变器，以及面向电网的通信。前者用于监控PV电池板运行条件、故障检测和快速关断；后者则主要用于监测和控制多个串式逆变器或同步微型逆变器以形成分相或三相交流电网。

图 1：基于激光雷达的点云的图形表示

窄带与宽带PLC

国际标准和规范规定了可用于电力线通信的频段，通常分为窄带和宽带两类。窄带PLC使用高达500kHz的载波频率，适合智能仪表和长距离通信。宽带PLC则使用高于2MHz的频率，提供更高的数据速率但覆盖范围较小且功耗更高。

表1和表2分别展示了窄带和宽带PLC的标准与比较。窄带PLC因其较低的频率和较远的传输距离，在太阳能应用中具有显著优势。

表1

表2

调制方案分析

电力线通信采用了多种调制方案。窄带应用中常见的有开关键控(OOK)、移频键控(FSK)和正交频分复用(OFDM)，而宽带PLC主要使用OFDM。

OOK：通过传输定义的载波频率来编码二进制1和0。它简单易实现，适合低数据速率应用。

FSK：使用不同的载波频率对符号中的数据进行编码。S-FSK是FSK的一种变体，广泛应用于SunSpec RSD，能够有效抵抗窄带干扰。

OFDM：将数据流分割并通过多个子载波传输，适用于高数据速率和嘈杂环境中的稳健通信。

实际应用案例

TIDA-010935参考设计展示了OOK如何用于太阳能应用，而TIDA-060001实现了适用于SunSpec快速关断的S-FSK。对于需要高数据速率和抗噪性能的应用，OFDM是一个理想选择。例如，G3和PRIME标准利用OFDM在窄带操作中实现高达几百Kb的数据速率。

PLC收发器实现

图2给出了一个基于C2000 MCU和AFE031的PLC收发器实现方案。发送操作中，MCU通过SPI控制AFE031内的DAC，输出经过滤波放大后耦合到电力线。接收路径则包括传入信号的耦合、增益调整、滤波及ADC采样。

图2

图3展示了针对电力线通信的不同MCU分区策略，可以根据具体需求选择合适的配置方式。

图3

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结论

在太阳能应用中，窄带PLC提供了多种调制方案。表3总结了各方案的优缺点。对于简单的低数据速率应用，OOK足够使用；FSK增加了额外的稳健性，适合安全应用；而在需要高数据速率的监测系统中，OFDM则是更佳的选择。通过合理选择调制方案和技术架构，可以有效提升太阳能系统的监控和安全性，为未来的智能能源管理奠定坚实基础。