四網(wǎng)融合之PLC技術(shù)在智能電表中的應用

智能電表是多年來(lái)人們致力于用于實(shí)現遠程抄讀電量和電能的智能化設備，也是構成遠程自動(dòng)抄表(AMR)系統的基本單元，而由智能電表組成的自動(dòng)抄表系統是實(shí)現智能電網(wǎng)的重要一步。

智能電表系統可以使電力供應商在提高服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)降低管理成本，從而幫助公共事業(yè)服務(wù)提供者和政府降低電源損耗、優(yōu)化能源消耗、管理對寶貴能源的需求，并讓用戶(hù)有機會(huì )充分利用各種用電計劃(如分時(shí)電價(jià))來(lái)節省開(kāi)支和享受多種便利。完善的智能電表系統將極大地方便人們的日常生活，同時(shí)提高電力能源的有效分配和利用，在建設“節能節約型”社會(huì )及“節能減排”的過(guò)程中產(chǎn)生巨大的商機和社會(huì )效益。

智能電表的實(shí)現使用了以下幾種主要技術(shù)：電力線(xiàn)載波通信(PLC)技術(shù)、專(zhuān)用通信線(xiàn)路(如RS485總線(xiàn)技術(shù)等)以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等。目前電力線(xiàn)載波通信技術(shù)是AMR的主流技術(shù)，因此智能電表的發(fā)展和推廣將與電力線(xiàn)載波通信技術(shù)的發(fā)展有著(zhù)緊密的關(guān)系。

電力線(xiàn)載波通信系統是以電力傳輸線(xiàn)作為傳輸載波信號的媒介，這看起來(lái)似乎是一種便于實(shí)施并推廣的方案，但是電力傳輸線(xiàn)不是理想的載波信號傳輸媒介。電力線(xiàn)對載波信號有很大的衰減，同時(shí)電力線(xiàn)上有很多用電裝置產(chǎn)生的干擾，其干擾的總功率可能遠遠超過(guò)載波信號的功率，有時(shí)高達數百倍，因此在電力線(xiàn)上建立可靠的通信系統非常具有挑戰意義。如果沒(méi)有良好的系統設計，往往會(huì )導致通信完全失敗或僅能以極低的數據傳輸率進(jìn)行通信。

圖為 基于PLC技術(shù)智能電表系統功能

早期的電力線(xiàn)載波通信技術(shù)多以分立元件和通用的集成電路芯片實(shí)現。由于當時(shí)硬件資源有限，不能利用先進(jìn)數字信號處理技術(shù)來(lái)產(chǎn)生復雜的載波信號以及處理接收到的載波信號，更不用說(shuō)在電力線(xiàn)上組成大規模的通信網(wǎng)絡(luò )了，所以早期的載波通信系統多僅能實(shí)現“點(diǎn)對點(diǎn)”的簡(jiǎn)單通信以及小規模的系統。

隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電力載波技術(shù)逐漸采用專(zhuān)用的集成電路芯片來(lái)實(shí)現，并且從簡(jiǎn)單的專(zhuān)用芯片發(fā)展到具有內嵌多個(gè)CPU內核的多功能系統級芯片(SoC)。先進(jìn)的載波通信芯片具有強大的計算處理能力，使得大規模通信網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現及管理成為可能。

盡管實(shí)現通信技術(shù)的硬件條件及資源逐漸改善，但是由于電力線(xiàn)通信的特殊性，特別是中國的電力線(xiàn)狀況的特殊性，如果沒(méi)有一個(gè)良好的設計(包括數字信號處理算法以及網(wǎng)絡(luò )系統管理等)，電力線(xiàn)載波通信還是難以保證其性能的可靠，以及大規模的推廣應用。

這在十多年來(lái)中國電力線(xiàn)載波通信的發(fā)展歷史中有所體現。以前有的技術(shù)方案低估了電力線(xiàn)載波通信的困難，事先未經(jīng)過(guò)大量的研究分析和計算機模擬及現場(chǎng)實(shí)驗就投入使用，還有一些技術(shù)方案則照搬用于無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)方案或者某些在國外電力線(xiàn)上有效的電力線(xiàn)通信方案。

經(jīng)過(guò)這十多年來(lái)的摸索以及經(jīng)驗教訓的積累，越來(lái)越多的業(yè)內人士逐漸達成了以下幾點(diǎn)共識：國外電力線(xiàn)上的有效技術(shù)在中國未必完全適用;在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中有效的技術(shù)，未必能適用于電力線(xiàn)通信;一個(gè)有生命力的電力載波通信技術(shù)方案必須引入網(wǎng)絡(luò )通信的要素。

以上的前兩點(diǎn)告訴我們不能機械地照搬不同區域和不同領(lǐng)域的技術(shù)或方案，第三點(diǎn)預示了電力載波通信技術(shù)發(fā)展的方向并提示我們沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )功能的技術(shù)方案是很難大規模推廣并具競爭力。今后，電力線(xiàn)載波技術(shù)將進(jìn)一步提高集成度并降低成本，同時(shí)還會(huì )向多功能綜合網(wǎng)絡(luò )系統的方向發(fā)展，控制響應速度或通信速度將進(jìn)一步得到提高，而分布式處理模式將大大加快這一進(jìn)程。

此外，隨著(zhù)各種電力線(xiàn)載波通信的應用的加速發(fā)展，電力線(xiàn)資源的共享將成為一個(gè)突出的問(wèn)題，因此一種有生命力的載波通信技術(shù)與系統方案，必須還能解決與各種電力線(xiàn)載波通信的應用系統共享通信媒介的問(wèn)題。

瑞斯康微電子(深圳)有限公司是諸多致力于推廣電力載波通信應用的公司之一。作為一個(gè)電力載波通信專(zhuān)用芯片的設計公司，瑞斯康微電子公司始終視其芯片和系統的使用客戶(hù)的利益為第一。這個(gè)宗旨一直貫穿于整個(gè)芯片及系統的研發(fā)過(guò)程中，并延伸到芯片應用參考電路及系統的設計集成和測試、乃至批量生產(chǎn)和現場(chǎng)安裝中，同時(shí)還為客戶(hù)考慮了今后系統的維護和升級。目前瑞斯康微電子公司已是中國國家電網(wǎng)智能電表系統建設的主要電力載波芯片供應商之一。

在芯片設計前期，瑞斯康微電子公司做了廣泛的研究，借鑒了各種用于其它通信領(lǐng)域(如移動(dòng)通信、衛星通信等)的技術(shù)利弊，充分考慮到電力線(xiàn)的特殊性，特別是中國電網(wǎng)的特殊性，結合各種先進(jìn)數字信號處理技術(shù)并盡可能利用內嵌微處理器的運算能力，在抗干擾方面進(jìn)行了努力，經(jīng)過(guò)大量的計算機模擬分析后，最后確定比較全面的最優(yōu)實(shí)現方案。

在接下來(lái)的芯片設計過(guò)程中則充分發(fā)揮其前端和后端設計能力，結合合作伙伴的芯片封裝和制造能力，完成了RISE3000系列芯片的設計與定型。

瑞斯康微電子公司在通信協(xié)議的實(shí)現和完善上投入了大量的人力和物力，使此通信協(xié)議不僅與國際標準協(xié)議兼容，還針對中國電力網(wǎng)的特殊需求，加入了路由控制層等。這使得每一個(gè)通信終端除完成它本身的通信功能外，還可為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )提供通常必須由專(zhuān)用的路由終端來(lái)完成的服務(wù)。

瑞斯康微電子公司的載波通信芯片除了給使用用戶(hù)提供透明的網(wǎng)絡(luò )通信通道，還為用戶(hù)提供了可用于各種應用的硬件資源，包括供用戶(hù)專(zhuān)用的內嵌微處理器、串口通信接口、足夠的輸入輸出控制端口以及多路外部中斷信號端口等。使用這些資源，用戶(hù)可編寫(xiě)自己的應用程序，可傳送數據至上位機，還可直接控制某些物理開(kāi)關(guān)量或者讀取外界狀態(tài)量等等。

RISE3000系列芯片是專(zhuān)用于智能控制網(wǎng)絡(luò )的系列SoC，它們能利用電力線(xiàn)作為通信媒介，將電力線(xiàn)上的用電設備聯(lián)成控制網(wǎng)絡(luò )。RISE3000系列的設計符合EIA_709.1，EIA-709.2和EN50065-1等國際標準，同時(shí)增加了自動(dòng)路由協(xié)議層，并以其性能優(yōu)越的物理層設計及完善的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，保證了可靠的網(wǎng)絡(luò )通信性能。

以RISE3501電力線(xiàn)載波芯片為例(見(jiàn)圖)，它內部集成了載波通信的調制解調模塊，其物理層通信速率達5.5Kbps，并且內嵌一個(gè)高速8位CPU，內置12KB-SRAM內存和64KB-FLASH閃存。此外，該器件還擁有8個(gè)軟件可配置GPIO口、8個(gè)可配置復用輸入輸出端口以及3個(gè)16位定時(shí)器等，具有可編程BPSK調制載波頻點(diǎn)和可編程脈寬調制(PWM)輸出等功能。

圖為 RISE3501電力線(xiàn)載波芯片內部功能模塊

隨著(zhù)城市現代化進(jìn)程的發(fā)展，電網(wǎng)智能化的趨勢日益顯著(zhù)。除了智能電表以外，電力線(xiàn)載波通信技術(shù)在智能樓宇、智能家居、城市路燈智能照明等領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，作用也越來(lái)越重要。

瑞斯康微電子公司將一如既往，進(jìn)一步加強與各行各業(yè)的企業(yè)和專(zhuān)家們的合作，繼續為電力線(xiàn)載波通信技術(shù)在智能電表中的應用以及智能電表的進(jìn)一步的推廣和普及貢獻它的一份力量。

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