隨著對清潔能源的需求不斷增長，太陽能裝置的數量也在急劇增加。在這樣的背景下，系統監控和安全的重要性愈發凸顯。有線通信在太陽能系統中扮演著關鍵角色，像支持 NEC 2014、NEC2017 和 UL1741 模塊級快速關斷的 SunSpec 快速關斷 (RSD) 等安全標準，都是構建于有線通信接口之上的。除了快速關斷功能（這在大多數安裝中是嚴格要求的），許多系統還增加了模塊級電力電子 (MLPE) 監控功能。

太陽能裝置中的電力線通信選項

圖 1 展示了不同太陽能裝置中實現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）。其區別主要體現在數據信號在發送器處如何耦合到電力線，以及在接收器側如何提取信號。
從通信方向來看，有從太陽能電池板到逆變器的通信，還有到電網的通信。逆變器和 MLPE 之間的通信主要用于監控 PV 電池板的運行條件、進行故障檢測和實現快速關斷。這適用于與電源優化器和其他 MLPE 通信的串式逆變器，或者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。而面向電網的通信通常用于監測和控制多個串式逆變器（由電網運營商執行以控制功率級別，從而實現電網穩定性），或者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，又或者將操作信息從單個微型逆變器發送到數據聚合器。

圖 1：基于激光雷達的點云的圖形表示

窄帶與寬帶 PLC

國際標準和規范對可用于電力線通信的頻段做出了規定，一般可分為窄帶和寬帶 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，因此非常適合太陽能應用，可在從 PV 電池板到串式逆變器輸入的更遠距離進行通信。

表 1：窄帶 PLC 標準與頻帶
寬帶 PLC 使用高于 2MHz 的頻率，可提供更高的數據速率，但覆蓋范圍更小，且功耗明顯更高。表 2 對窄帶和寬帶 PLC 進行了簡要比較。

表 2：窄帶和寬帶 PLC 的比較

窄帶 PLC 中使用的調制方案

電力線通信采用了多種不同的調制方案。在窄帶應用中，開關鍵控 (OOK)、移頻鍵控 (FSK) 和正交頻分復用 (OFDM) 是常見的調制方式，而寬帶 PLC 中主要使用 OFDM。下面將詳細介紹這三種調制技術。

開關鍵控（OOK）

這是一種簡單的調制形式，通過傳輸定義的載波頻率（例如對于邏輯 “0”）或不發送（表示邏輯 “1”）來對二進制 1 和 0 進行編碼，如圖 2 所示。調制和解調可以通過 THVD8000 等簡單的收發器完成，無需在微控制器或處理器中進行額外的數字解碼。當需要使用長電纜時，為了具備足夠的驅動能力，需要使用 THS6222 或 THS6232 等線路驅動器 OPAMP 以及耦合電路。

圖 2：OOK 的電力編碼示例
TIDA - 010935 是一個展示 OOK 如何用于太陽能應用的參考設計，該設計具備運行簡單 OOK 調制所需的所有電路。它內置了可由 MSPM0 MCU 控制的 BoosterPack 配置，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據進行編碼。符號是指可通過通信通道傳輸的少數據量，根據使用的頻率數量，每個符號可以傳輸多個位。在簡單的二進制 FSK (BFSK) 中，只使用兩種頻率，分別用于傳輸邏輯 “0” 和邏輯 “1”，這兩個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，這樣即使其中一個頻率被系統中的干擾信號阻斷，接收器仍然可以恢復數據，如圖 3 所示。

圖 3：用于 S - FSK 的時域編碼
為了進行解調，信號采樣值至少是載波頻率的兩倍，這通常由運行解調算法的微控制器完成。解調算法僅對指定的載波頻率敏感，能夠抵抗寬帶噪聲，但在確切的載波頻率下不受窄帶干擾。在太陽能應用中，要使電源轉換系統的開關頻率遠離所選載波頻率，以免影響通信通道。
TIDA - 060001 參考設計實現了適用于 SunSpec 快速關斷發送器或接收器的 S - FSK，該設計采用集成模擬前端 IC：AFE031。C2000 - WARE - SDK 中的 TMS320F280049C 可獲得 FSK 調制和解調所需的所有軟件，便于移植到 C2000 系列的其他成員。例如，在太陽能電源優化器參考設計 TIDA - 010949 中，快速關斷接收器軟件已移植到 TMS320F2800137，由于電源優化器的運行頻率為 300kHz，遠離此通信示例中使用的載波頻率，所以該參考設計非常穩健。

正交頻分多路復用接入 (OFDM)

OFDM 是本文介紹的一種調制技術。在 OFDM 中，數據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的調制方案進行調制，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可以顯著提高數據速率，例如在智能儀表中，像 G3 和 PRIME 等標準使用具有 100 多個子載波的 OFDM，可在窄帶運行中實現高達幾百 Kb 的數據速率。OFDM 還可用于提高嘈雜環境中的穩健性，這在太陽能應用中很常見。通過監控子載波上的信號質量并移除信噪比不佳的子載波，或者使用多個子載波冗余，可提高整體穩健性。
圖 4 和圖 5 展示了使用四個子載波的 OFDM 調制示例，每個子載波使用 PSK 對一個位進行編碼，所有這些信號相加后進行傳輸。選擇正交子載波的影響在頻域中體現，載波頻率的峰值出現在其他子載波的過零處，這可以限度地減少碼間串擾 (ISI)，提高數據傳輸的穩健性。

圖 4：時域中的 OFDM 信號

圖 5：頻域中的 OFDM 信號
圖 6 給出了具有 C2000 MCU 和 AFE031 的 PLC 收發器的可能實現方案。在發送操作時，MCU 通過 SPI 控制 AFE031 內的 DAC，DAC 輸出經過濾波、放大后耦合到電力線。在接收路徑中，傳入信號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，由額外的可編程增益級 (PGA2) 放大，然后由 MCU 的內部 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，如圖 7 所示。可以在專用 MCU 上運行 PLC SW，并使用單獨的 MCU 實現其他功能（如數字電源控制）；也可以將全部功能組合到一個 MCU 中，在不同中斷服務例程中運行電力線通信協議和數字電源控制。