四網(wǎng)融合之PLC技術(shù)在智能電表中的應(yīng)用

智能電表是多年來人們致力于用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄讀電量和電能的智能化設(shè)備，也是構(gòu)成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表(AMR)系統(tǒng)的基本單元，而由智能電表組成的自動(dòng)抄表系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要一步。

智能電表系統(tǒng)可以使電力供應(yīng)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(duì)寶貴能源的需求，并讓用戶有機(jī)會(huì)充分利用各種用電計(jì)劃(如分時(shí)電價(jià))來節(jié)省開支和享受多種便利。完善的智能電表系統(tǒng)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(shè)“節(jié)能節(jié)約型”社會(huì)及“節(jié)能減排”的過程中產(chǎn)生巨大的商機(jī)和社會(huì)效益。

智能電表的實(shí)現(xiàn)使用了以下幾種主要技術(shù)：電力線載波通信(PLC)技術(shù)、專用通信線路(如RS485總線技術(shù)等)以及無線通信技術(shù)等。目前電力線載波通信技術(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載波通信技術(shù)的發(fā)展有著緊密的關(guān)系。

電力線載波通信系統(tǒng)是以電力傳輸線作為傳輸載波信號(hào)的媒介，這看起來似乎是一種便于實(shí)施并推廣的方案，但是電力傳輸線不是理想的載波信號(hào)傳輸媒介。電力線對(duì)載波信號(hào)有很大的衰減，同時(shí)電力線上有很多用電裝置產(chǎn)生的干擾，其干擾的總功率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過載波信號(hào)的功率，有時(shí)高達(dá)數(shù)百倍，因此在電力線上建立可靠的通信系統(tǒng)非常具有挑戰(zhàn)意義。如果沒有良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，往往會(huì)導(dǎo)致通信完全失敗或僅能以極低的數(shù)據(jù)傳輸率進(jìn)行通信。

圖為 基于PLC技術(shù)智能電表系統(tǒng)功能

早期的電力線載波通信技術(shù)多以分立元件和通用的集成電路芯片實(shí)現(xiàn)。由于當(dāng)時(shí)硬件資源有限，不能利用先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來產(chǎn)生復(fù)雜的載波信號(hào)以及處理接收到的載波信號(hào)，更不用說在電力線上組成大規(guī)模的通信網(wǎng)絡(luò)了，所以早期的載波通信系統(tǒng)多僅能實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的簡(jiǎn)單通信以及小規(guī)模的系統(tǒng)。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電力載波技術(shù)逐漸采用專用的集成電路芯片來實(shí)現(xiàn)，并且從簡(jiǎn)單的專用芯片發(fā)展到具有內(nèi)嵌多個(gè)CPU內(nèi)核的多功能系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。先進(jìn)的載波通信芯片具有強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，使得大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)及管理成為可能。

盡管實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)的硬件條件及資源逐漸改善，但是由于電力線通信的特殊性，特別是中國(guó)的電力線狀況的特殊性，如果沒有一個(gè)良好的設(shè)計(jì)(包括數(shù)字信號(hào)處理算法以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理等)，電力線載波通信還是難以保證其性能的可靠，以及大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

這在十多年來中國(guó)電力線載波通信的發(fā)展歷史中有所體現(xiàn)。以前有的技術(shù)方案低估了電力線載波通信的困難，事先未經(jīng)過大量的研究分析和計(jì)算機(jī)模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)就投入使用，還有一些技術(shù)方案則照搬用于無線通信的技術(shù)方案或者某些在國(guó)外電力線上有效的電力線通信方案。

經(jīng)過這十多年來的摸索以及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的積累，越來越多的業(yè)內(nèi)人士逐漸達(dá)成了以下幾點(diǎn)共識(shí)：國(guó)外電力線上的有效技術(shù)在中國(guó)未必完全適用;在無線通信領(lǐng)域中有效的技術(shù)，未必能適用于電力線通信;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(jī)械地照搬不同區(qū)域和不同領(lǐng)域的技術(shù)或方案，第三點(diǎn)預(yù)示了電力載波通信技術(shù)發(fā)展的方向并提示我們沒有網(wǎng)絡(luò)功能的技術(shù)方案是很難大規(guī)模推廣并具競(jìng)爭(zhēng)力。今后，電力線載波技術(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(tǒng)的方向發(fā)展，控制響應(yīng)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，隨著各種電力線載波通信的應(yīng)用的加速發(fā)展，電力線資源的共享將成為一個(gè)突出的問題，因此一種有生命力的載波通信技術(shù)與系統(tǒng)方案，必須還能解決與各種電力線載波通信的應(yīng)用系統(tǒng)共享通信媒介的問題。

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(yīng)用的公司之一。作為一個(gè)電力載波通信專用芯片的設(shè)計(jì)公司，瑞斯康微電子公司始終視其芯片和系統(tǒng)的使用客戶的利益為第一。這個(gè)宗旨一直貫穿于整個(gè)芯片及系統(tǒng)的研發(fā)過程中，并延伸到芯片應(yīng)用參考電路及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)集成和測(cè)試、乃至批量生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝中，同時(shí)還為客戶考慮了今后系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。目前瑞斯康微電子公司已是中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)智能電表系統(tǒng)建設(shè)的主要電力載波芯片供應(yīng)商之一。

在芯片設(shè)計(jì)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(wèi)星通信等)的技術(shù)利弊，充分考慮到電力線的特殊性，特別是中國(guó)電網(wǎng)的特殊性，結(jié)合各種先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)并盡可能利用內(nèi)嵌微處理器的運(yùn)算能力，在抗干擾方面進(jìn)行了努力，經(jīng)過大量的計(jì)算機(jī)模擬分析后，最后確定比較全面的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方案。

在接下來的芯片設(shè)計(jì)過程中則充分發(fā)揮其前端和后端設(shè)計(jì)能力，結(jié)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(shè)計(jì)與定型。

瑞斯康微電子公司在通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容，還針對(duì)中國(guó)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)提供通常必須由專用的路由終端來完成的服務(wù)。

瑞斯康微電子公司的載波通信芯片除了給使用用戶提供透明的網(wǎng)絡(luò)通信通道，還為用戶提供了可用于各種應(yīng)用的硬件資源，包括供用戶專用的內(nèi)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(hào)端口等。使用這些資源，用戶可編寫自己的應(yīng)用程序，可傳送數(shù)據(jù)至上位機(jī)，還可直接控制某些物理開關(guān)量或者讀取外界狀態(tài)量等等。

RISE3000系列芯片是專用于智能控制網(wǎng)絡(luò)的系列SoC，它們能利用電力線作為通信媒介，將電力線上的用電設(shè)備聯(lián)成控制網(wǎng)絡(luò)。RISE3000系列的設(shè)計(jì)符合EIA_709.1，EIA-709.2和EN50065-1等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計(jì)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電力線載波芯片為例(見圖)，它內(nèi)部集成了載波通信的調(diào)制解調(diào)模塊，其物理層通信速率達(dá)5.5Kbps，并且內(nèi)嵌一個(gè)高速8位CPU，內(nèi)置12KB-SRAM內(nèi)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(fù)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(diào)制載波頻點(diǎn)和可編程脈寬調(diào)制(PWM)輸出等功能。

圖為 RISE3501電力線載波芯片內(nèi)部功能模塊

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

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

更多好文：21ic智能電網(wǎng)