PLC技術(shù)在智能電表中的應用

智能電表是多年來人們致力于用于實現(xiàn)遠程抄讀電量和電能的智能化設(shè)備，也是構(gòu)成遠程自動抄表(AMR)系統(tǒng)的基本單元，而由智能電表組成的自動抄表系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要一步。智能電表系統(tǒng)可以使電力供應商在提高服務質(zhì)量的同時降低管理成本，從而幫助公共事業(yè)服務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，并讓用戶有機會充分利用各種用電計劃(如分時電價)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”社會及“節(jié)能減排”的過程中產(chǎn)生巨大的商機和社會效益。

智能電表的實現(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的媒介，這看起來似乎是一種便于實施并推廣的方案，但是電力傳輸線不是理想的載波信號傳輸媒介。電力線對載波信號有很大的衰減，同時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遠超過載波信號的功率，有時高達數(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，往往會導致通信完全失敗或僅能以極低的數(shù)據(jù)傳輸率進行通信。

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現(xiàn)。由于當時硬件資源有限，不能利用先進數(shù)字信號處理技術(shù)來產(chǎn)生復雜的載波信號以及處理接收到的載波信號，更不用說在電力線上組成大規(guī)模的通信網(wǎng)絡了，所以早期的載波通信系統(tǒng)多僅能實現(xiàn)“點對點”的簡單通信以及小規(guī)模的系統(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，先進的電力載波技術(shù)逐漸采用專用的集成電路芯片來實現(xiàn)，并且從簡單的專用芯片發(fā)展到具有內(nèi)嵌多個CPU內(nèi)核的多功能系統(tǒng)級芯片(SoC)。先進的載波通信芯片具有強大的計算處理能力，使得大規(guī)模通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)及管理成為可能。

盡管實現(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，特別是中國的電力線狀況的特殊性，如果沒有一個良好的設(shè)計(包括數(shù)字信號處理算法以及網(wǎng)絡系統(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)模的推廣應用。這在十多年來中國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算機模擬及現(xiàn)場實驗就投入使用，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)驗教訓的積累，越來越多的業(yè)內(nèi)人士逐漸達成了以下幾點共識：國外電力線上的有效技術(shù)在中國未必完全適用；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；一個有生命力的電力載波通信技術(shù)方案必須引入網(wǎng)絡通信的要素。

以上的前兩點告訴我們不能機械地照搬不同區(qū)域和不同領(lǐng)域的技術(shù)或方案，第三點預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)絡功能的技術(shù)方案是很難大規(guī)模推廣并具競爭力。今后，電力線載波技術(shù)將進一步提高集成度并降低成本，同時還會向多功能綜合網(wǎng)絡系統(tǒng)的方向發(fā)展，控制響應速度或通信速度將進一步得到提高，而分布式處理模式將大大加快這一進程。此外，隨著各種電力線載波通信的應用的加速發(fā)展，電力線資源的共享將成為一個突出的問題，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用的公司之一。作為一個電力載波通信專用芯片的設(shè)計公司，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。這個宗旨一直貫穿于整個芯片及系統(tǒng)的研發(fā)過程中，并延伸到芯片應用參考電路及系統(tǒng)的設(shè)計集成和測試、乃至批量生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝中，同時還為客戶考慮了今后系統(tǒng)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(tǒng)建設(shè)的主要電力載波芯片供應商之一。

在芯片設(shè)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，特別是中國電網(wǎng)的特殊性，結(jié)合各種先進數(shù)字信號處理技術(shù)并盡可能利用內(nèi)嵌微處理器的運算能力，在抗干擾方面進行了努力，經(jīng)過大量的計算機模擬分析后，最后確定比較全面的最優(yōu)實現(xiàn)方案。在接下來的芯片設(shè)計過程中則充分發(fā)揮其前端和后端設(shè)計能力，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)計與定型。

瑞斯康微電子公司在通信協(xié)議的實現(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。這使得每一個通信終端除完成它本身的通信功能外，還可為整個網(wǎng)絡提供通常必須由專用的路由終端來完成的服務。

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)絡通信通道，還為用戶提供了可用于各種應用的硬件資源，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端口等。使用這些資源，用戶可編寫自己的應用程序，可傳送數(shù)據(jù)至上位機，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。RISE3000系列的設(shè)計符合EIA_709.1，EIA-709.2和EN50065-1等國際標準，同時增加了自動路由協(xié)議層，并以其性能優(yōu)越的物理層設(shè)計及完善的網(wǎng)絡通信協(xié)議，保證了可靠的網(wǎng)絡通信性能。

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5.5Kbps，并且內(nèi)嵌一個高速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個軟件可配置GPIO口、8個可配置復用輸入輸出端口以及3個16位定時器等，具有可編程BPSK調(diào)制載波頻點和可編程脈寬調(diào)制(PWM)輸出等功能。

圖：RISE3501電力線載波芯片內(nèi)部功能模塊。

隨著城市現(xiàn)代化進程的發(fā)展，電網(wǎng)智能化的趨勢日益顯著。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led/' target='_blank'>照明等領(lǐng)域的應用越來越廣泛，作用也越來越重要。瑞斯康微電子公司將一如既往，進一步加強與各行各業(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)在智能電表中的應用以及智能電表的進一步的推廣和普及貢獻它的一份力量。