1、低压电力载波通信发展方向1低压电力载波通信发展方向深圳市傲立信息技术有限公司 吴斌摘要：文中介绍了电力系统低压载波的需求及低压电力配电网的传输特性，通过对比国内外各种电力载波芯片指出低压电力载波发展方向是高性能 PLC 加上高性能 MCU 实现载波自动组网及路由。文中论 述了研发基于 OFDM 技术的 PLC 的必要性、关键技术及可能困难。关键词：电力载波 自动组网 OFDM1 研究意义目前，电力系统对低压电力载波系统的需求极其旺盛，这种需求来源于电力系统管理的变化。如今，原先的电力部已经分为 3 大电网公司，分别是国家电网公司（华北） ，南方电网公司（华南） 、西北电网公司（西北） ，各个电
2、网公司下面还管辖多个省的电力公司，省电力公司下面管辖着各个市电力局。从电力部、局到电网公司、电力公司的体制变化，使电力企业的效益最大化成为各电力部门的头等大事。同时，信息化已经成为这个时代的特点，电力企业生产信息 MIS 系统、营业 MIS 系统，用配电 GIS 系统、调度自动化系统均是各电力公司每年要重点投入的现代化系统。电力系统信息化要求电力系统配用电信息基础数据的及时获取，然而，大量的营业 MIS 所需要的基础数据即电表数据，如今却主要通过人工抄表完成，通过现代化的手段及时进行抄表成为当务之急。通过电力载波技术进行电力抄表及电力系统电流、电压等生产信息的监测无疑是最便捷的事情，这是因为，
3、电力线路属于电力企业的现有资源。电力企业需要自动抄表的另一原因是线损管理。如今，中国电网的电厂与输配电网分开，电力局的最大职能是买电、卖电，即从输电网买电，通过配电网将电卖到千家万户，电力公司的利润主要体现在一买一卖的差价上。电能在输送、分配过程中存在损失，电力系统称之为线损，线损分中压线损、变损及低压线损，中压线损指的是 10KV 损失，这个损失发生在二次变电所与10KV/400V 用户变压器之间，变损指的是变压器的损耗，低压线损指的是从用户变压器到用户电表之间的损失。线损计算的前提是各级电表数据的同时准确抄读，然而，目前电力企业主要通过人工进行电表抄收，抄表时间长达半月，通过这样的数据计算
4、的线损误差之大可想而知。电力系统又将线损分为物理线损和管理线损，物理线损是线路中确实发生的损耗，而管理线损是因为抄表的不及时甚至人为因素造成，比如，抄表员故意少抄、露抄以牟取个人利益，下面的供电分局故意扩大管理线损以获取更多的分局利益等。据统计，低压线路的物理线损约为 3左右，而管理线损高达 5左右。通过自动抄表，可以将这低压电力载波通信发展方向2部分损失降下来，从而提高供电公司的经济效益。举例说明，深圳供电公司每年的售电量约 400 亿度左右，5的管理线损则以亿计算。2、低压配电网的传输特性电力载波出现于上个世纪 20 年代左右，自从有电那天起，很多电力工程师都在研究如何通过电力线路传输配用
5、电信息，因为这样可以不必重新布设新的通信线路。电力线载波在 220KV 以上的输电线路得到非常成功的应用。通过电力载波，电力系统可以进行输电网的电力调度，可以进行电力载波语音传输，目前该技术仍然是高压输电的备用通信线路。电力载波在输电网能够应用成功，最主要的原因是输电网线路单一，从发电厂到一次变电所距离虽然远，但往往只有一条线路。同时，高压网络的电流小，干扰非常小。高压线路分支非常少，即使有分支，也可以在分支处增加阻波器以消除其对载波信号的泄漏。与高压输电网相比，低压配电网表现出完全不同的特点： 高噪声线路中有各种噪声，包括家用电器、工业电机、变频设备、开关电源等都会对电力载波进行干扰，经测试
6、，有的地方噪声电平可以达到0dBV 高衰减电力载波在低压配电网传输会产生极大的衰减，这种衰减主要由于低压配电线路的线径变化、材质变化及众多的分支引起，比如说，低压 220V 线路架空走线从变压器到用户有可能先采用 75 平方厘米的铝线，接着采用 50 平方厘米的铝线，最后用 35 平方厘米的铝线以降低线路成本，进用户前则采用 4 平方厘米的铜导线。同时低压用户数量较多，从几户到几百户不等，分布在以变压器为中心的周边地域，这样就必然在低压线路上形成众多的 T 型分支接头。线径变化、材质变化、分支接头都会造成电力载波信号的极大衰减及信号的反射。有人统计，这种信号的衰减最大可以到达 180dB/km
7、。 高时变 低压配电网电力载波信号的传输特性会随时间而变化，白天与黑夜不同，周一到周日不同，一年四季不同，甚至瞬间发生剧烈变化。信号的时变性是由于电力负荷的变化引起的。总之，低压配电网的复杂性远远超出我们对它的认知，我们很难用一个确定的数学模型来描述它。我们唯一的办法是将其看成一个黑匣子，通过外部的仿真来逐渐适应其变化。低压配电网络的以上特性造成了低压电力载波与高压输电网电力载波通信效果的截然不同，在高压输电网可以进行载波电话语音的几十公里甚至上百公里的完美传送，而低压配电网进行几百 BIT 的数据传输速率却很难得到理想的结果。3、低压电力载波在我国的发展历程低压电力载波在我国开始于上个世纪
8、80 年代，在 1998 年前后进行了大量的低压电力载波通信发展方向3研究，1998 年2003 年处于各地试点阶段，发展较慢，2003 年后有所发展，应用逐渐推广，2006 年后需求极大膨胀，现在处于电力载波发展的高峰期。1998 年国家为了刺激经济的增长，扩大内需，进行了为期近 5 年的城乡电网改造。电网改造主要集中在输配电线路、电能表计的改造，在这期间，大量的机械电表被性能更优的电子电能表替代。电子电能表使电力载波自动抄表成为可能，这时，有的地方电力公司拿出一部分资金进行了电力载波自动抄表试验。前期的试验结果可以用惨败来形容，大家往往在实验室通过简单测试通过后就大量安装在现场，到了现场后
9、出现了两种结果，即抄不到和抄不准。98 年前后大家都用的是国外芯片，比较典型的是 ST7536 ，INTELON 的 P300 及LM1839 等芯片，这些芯片应用过程中大家发现了诸多问题，在实际应用过程中存在通信盲点。中国电力载波在前 8 年的发展中应该说是走了一定的弯路，我们总希望找到一种芯片，或者一种调制方式，可以在低压配电网变压器供电范围内实现点对点的完全通信，即从变压器到每一个用户节点都能点对点的到达。在调制方式上，先后采用过 FSK 和 BPSK 调制方式，从单一频率的窄带通信到扩频通信，再回到窄带通信，从国外芯片再回归到国内芯片，大家反反复复做了很多试验。需要提一句的是，当年扩频
10、技术应用到电力载波时让大家无不兴奋，仿佛扩频技术会解决所有的电力载波问题，那时不谈扩频就意味没有进步，然而遗憾的是，在无线领域应用成功的扩频技术并没有给我们带来想要的效果，由于配电网广谱的噪声及对宽带信号的衰减，大家最后的结论是扩频芯片在很多环境下应用甚至不如窄带芯片。非常清楚的记得在 2002 年北京的电力行业年会上，有两家芯片公司几乎同时推出了国产的电力载波芯片，这两家公司就是青岛东软和北京福星晓程，说句实话，当年大家都没有想到这两家公司能够走到今天，更没有想到今天在国内电力载波芯片市场上我们的选择只能从这两家芯片选择。当时的情况是，国内的这两款芯片与国外比从调制方式上并没有什么不同，唯一
11、变化的是在芯片内集成了 DLT645 协议(基于 485 通讯方式的规约) ，并对该协议做了简单的修改，在协议里面定义了中继字节，这样，该芯片可以通过中继方式进行通信，中继最多可以达到 3 级。就是这一小小的变化，使低压电力载波从原先的不可用到今天的基本可用。电表厂家没有更好的选择，所以大家只有选择这两种芯片，芯片技术所不能及再通过其他技术进行补充。国产载波芯片在 80的应用环境，尤其在新建规范小区，基本可以满足电力公司的要求。但是，电力系统上电力载波集中抄表系统一定是需要整条 10KV 线路的所有电表，每个节点都要通过电力线路进行数据传输，若有部分数据无法抄回，电力部门计算线损就不能实现。另
12、外，电力网中还有很多数据需要实时传输，比如电压、电流的监测，防窃电等，更是需要数据的及时传送。4、国内外主流电力载波芯片介绍低压电力载波通信发展方向4以下电力载波芯片资料来源于载波芯片公司网上资料。1）福星晓程 PL3105 芯片10MIPS 10MHz OSC，8/16 位高性能低功耗微处理器8051 兼容内核 16Kbytes E 2PROM 片内程序存储器，支持ISP 1Kbytes SRAM 片内数据存储器严格的1T指令周期 256Byte SRAM 片内数据储存器由电源和备用电池双重供电，确保数据不丢失 2路 16 位-调制 A/D 转换器 2路可编程全双工串行口（可配置为红外及RS
13、485通讯模式） 3路16位定时/计数器 8个中断源，2级中断 1 路 8 位 PWM 调制 D/A 转换器直序扩频，DPSK 调制/解调，半双工电力载波通信单元，500/250Bps可选实时钟/日历单元，自动闰年闰月 424 段笔划式 LCD 驱动电路及 88 段笔划式 LED 驱动电路带有硬件方向判别逻辑的红外线脉冲探测驱动电路完善的上/掉电复位，电压监测及看门狗电路单一5V供电，典型电流为10mA 工业级温度标准: 4085 PQFP 64 封装电流通道内置可程序设定增益放大器（PGA）；内置双通道电流采样、正/负功指示数字逻辑电路；低压电力载波通信发展方向5内置有功功率和无功功率计量电
14、路；2）青岛东软电力载波芯片EASTSOFT ES16U系列芯片是专门为电力线介质作为通信信道而设计的扩频通信与数据处理芯片。该芯片具有通信可靠性高、处理数据准确、数据存储可靠、和安全的控制能力，且具有低成本、低功耗、外围器件少等特点。ES16U 是在稳定可靠的ES16T 芯片基础上而开发的新一代电力线载波扩频通信与数据处理芯片。其突出特点是采用了规范、实用、高效的网络通信协议，使整个通信系统的效率得到明显提升。由于应用层的设计与DL/T 6451997规范的紧密结合，带来了与复费率电能表和多功能电能表在数据标识、读写操作等方面的统一。ES16U 芯片实现了基于电力线通信网络的电子终端设备之间
15、的互通互连、有效的测量脉冲的数据处理、和对终端设备的控制能力。ES16U 芯片的应用主要集中在自动读表领域，为电力行业或其它公共事业部门提供了一种最佳的AMR 的解决方案。ES16U 系列芯片包括ES16U-10/5RM、ES16U-04/6RM、ES16U-02/6RM、ES16U-10/5RB、ES16U-04/6RB、ES16U-02/6RB六种型号。ES16U 芯片特点： 扩频通信技术、软件相关器和匹配滤波器，63位码序列； 高效率前向纠错、高性能数字信号处理技术；BFSK调制、半双工通信、码速率高达20.8k波特； 高效率帧中继转发机制，支持3级中继深度。可编程的网络地址; 接收信号
16、强度权重参数指示，为中继搜索算法提供支持，提高通信系统稳定性；低压电力载波通信发展方向6 三层网络结构（物理层、数据链路层、应用层）。其中，数据链路层协议规范是基于高级数据链路层协议HDLC，应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1997规范； 电能脉冲的数据处理和数据存储能力； 支持对磁保持继电器（ES16U-x/xxM系列）和断路保护器（ES16U-x/xxB）的控制，实现断送电（拉合闸）能力； 远程控制（断送电）指示和数据接收和发送指示； 直接驱动脉冲计数器，实现电能测量数据与显示指示数据同步，保证数据的一致性；3）ST7538 工作原理利用电力线作为通信介质的电力载波通信，具有极大的
17、方便性、免维护性、即插即用等优点，在很多情况下是人们首选的通信方式。ST7538是最近SGSTHOMSON公司在电力载波芯片ST7536、ST7537基础上推出的又一款半双工、同步/异步FSK（调频）调制解调器芯片。该芯片是为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的，与ST7536和ST7537相比，主要具有以下特点：*有8个工作频段，即：60kHz、66kHz、72kHz 、76kHz 、82.05kHz 、86kHz、110kHz 和132.5kHz ；*内部集成电力线驱动接口，并且提供电压控制和电流控制；*内部集成+5V 线性电源，可对外提供100mA电流；*可编程通信速率高达4800bps
18、；*提供过零检测功能；*具有看门狗功能；低压电力载波通信发展方向7*集成了一个片内运算放大器；*内部含有一个具有可校验和的、24 位可编程控制寄存器；*采用TQFP44封装。ST7538是采用FSK调制技术的高集成度电力载波芯片。内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接。内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过耦合变压器等少量外部器件即可连接到电力网中。ST7538还提供了看门狗、过零检测、运算放大器、时钟输出、超时溢出输出、+5V电源和+5V电源状态输出等，大大减少了ST7538 应用电路的外围器件数量。此外，该芯片符合欧洲CENELEC（EN5006
19、5-1 ）和美国FCC标准。发送数据当RxTx为低时， ST7538处于发送数据状态。待发数据从TxD 脚进入ST7538，时钟上升沿时被采样，并送入FSK调制器调制。调制频率由控制寄存器bit0bit2决定，速率由控制寄存器bit3bit4决定。调制信号经D/A变化、滤波和自动电平控制电路（ALC），再通过差分放大器输同到电力线。当打开时间溢出功能，且发送数据时间超过1s或3s 时，TOUT变为高电平，同时发送状态自动转为接收状态。这样可以避免信道长时间被某一节点（ST7538）点用。接收数据当RxTx为高时， ST7538处于接收数据状态。信号由模拟输入端RAI脚进入 ST7538，经过一
20、个带宽10kHz 的带通滤波器，送入一个带有自动增益AGC 的放大器。该滤波器可以通过控制寄存器bit23 置零取消滤波功能。自动增益放大器可以根据电力线的信号强度自动调整。为提高信噪比，经过放大器的信号送入一个以通信频率为中心点、带宽为6kHz的窄带滤波器。此信号再经过解调、滤波和锁相，变成串行数字信号，输出给出ST7538相连的微处理器。低压电力载波通信发展方向84) ECHELON PL3120echlon窄带技术, 数字信号处理技术（Narrow Band technology with digital signal processing）：Echelon把噪声抑制和畸变纠正的专利算法
21、技术应用到数字信号处理内核中。这些性能使得收发器可以纠正电力线信号中多种多样的干扰，包括脉冲噪声，连续音频噪声、相位畸变等。结果是Echelon的智能电力线收发器甚至能成功地接收其他技术还不能探测到的信号。 双载波频率（Dual carrier frequency）：当首选载频被噪声阻塞的时候，独特的双载波频率功能自动地选择第二载波频率传送。 前向纠错（Forward Error Correction）：许多噪声源主要是通过损坏数据包的办法来干扰电力线信号。PL 3120和PL 3150智能收发器在循环亢余校验码的基础上，采用高效低消耗的前向纠错码(FEC)算法来克服错误包。 强大的输出放大器
22、（Powerful output amplifier）：外接高输出放大器的智能收发器可以发出满足世界发射要求的7V峰峰值信号。 宽广的动态范围（Wide dynamic range）：动态范围和接收器的灵敏度有关。PL3120和Pl3150 智能收发器的动态范围达到80dB 。在一条低噪安静的传输线上智能收发器可以接收衰减达104的信号。 5) homeplug 以下是我2000 年在电子技术应用发表的关于HOMEPLUG技术的介绍摘要：分析电力线上网的优缺点,阐述了 Home Plug 的目标、市场机遇、技术条件及任务。关键词：Home Plug 信息接入 家电上网低压电力载波通信发展方向9
23、Home Plug全称是Home Plug Power Line Alliance,译为家庭插电联盟。该联盟由松下、英特尔、惠普、夏普等13家公司于2000 年3 月成立,现已发展成为由90家公司组成的企业联盟。其宗旨是联合包括应用电子、消费电子、软件、硬件、零售等行业的著名公司,致力于为各种信息家电产品建立开放的电力线互联网络接入规范。其未来目标是, 只需在事先安装好的万能插座上插入电源插头即可构筑起局域网。新技术运用普通的电力线可以传输因特网的资料,所有电话、传真机、电脑及电视、摄像机等家用电器将来都可以直接用墙壁的电线插座互联在一起。其实早在1991年美国电子工业协会的Cebus 研究会
24、已经把电力线作为了三种家庭总线中的一种。致力于创造共同的家用电线网络通讯技术标准,Home Plug于 2001年 6月26日发布了该标准的第1 个版本“Home Plug 1.0”,数据传输速度为14Mbit/秒。按计划,遵循Home Plug的产品在2001年底亮相。1 电力线作为信息接入方式的优点因为在家庭的每个房间都有不止一个的电源插座,电力线网络是目前世界上最为广泛的网络之一。电力线网络由于它的易用性及低廉价格,必将成为改变人们生活方式的新的信息接入方式之一。用电力线作家庭互联网接入有其显著的优点：（1）数据传输速率快。理论上电线作为通信线路的通信速度, 根据不同的频率可达每秒3兆比
25、特或10 兆比特, 与光纤大致相同。一个民用220V线路的变压器只覆盖一定范围内的用户, 所以在同一条电力线上的资源不会因为用户太多而降低效率。在用户较少的情况下,可以把几个变压器线路区域内的用户联在一起,提高服务器的利用率;如果用户增多了 ,不同变压器区域内的用户又可以分开 ,使用本区域的主服务器,可使资源的利用率始终保持在较高的水准。配电网是一种低压电力载波通信发展方向10共享介质,即所有与之相连的用户都共享用一 “电缆”。在典型的城市配置中, 它则转化为与一个变压器相连的大约100到200个用户。（2）施工方便、一线两用, 价格低廉,延伸方便。电力线在家庭、公司及各种场所处处可达,比电缆
26、和固定电话网络更是广泛。例如, 用户能自由选择在家电任何有电插座的角落上网, 用量多大都不必担忧电话费 ,也不用花钱铺设电话线。2 用电力线实现信息互联需解决的问题因为电力线网络设计的目的是为了传输电能而不是为了进行数据传输,只是因近些年来市场的需求才提出用它作为家庭网络的信息接入方式之一。电力线的网络物理结构、电力线路的状况、线路中连接的各种家用电器的干扰、各种电器用电流特性都可能影响电力线网络通信的效果; 不同信号合方式对电力通信信号损失不同;电力线存在本身固有的脉冲干扰 ;电力线传输所存在明显的缺点就是噪声大和安全性低的问题。尽管电力线可以作为高速通信的一种备选介质,但电力系统的基础设备
27、并不具备提供高质量数据传输服务的功能,家庭电器产生的电磁波会对通信产生干扰, 这种联网方式也会影响短波收音机等。另外, 采用电网上网服务, 是一种“共享带宽 ”（shared bandwidth）的技术,用户上网时的速度,取决于当时会有多少用户上网。如果很多用户同时上网, 传输速度相对就较慢。目前,Home Plug主要采用Intellon的电力线载波技术,同时, 联合了微电子、芯片制造业、软硬件行业的大公司集中力量解决电力线通信过程中的抗干扰问题。3 Home Plug的目标家庭插电联盟的规范朝以下方面发展：（1）Home Plug产品应有竞争性的价格。低压电力载波通信发展方向11（2）采用
28、现有的家庭电力线网络作为通信媒介。（3）提供以太网速率的高速互联。（4）允许消费者在家庭的任何一个插座输出将计算机及其它设备方便地连接起来。（5）Home Plug规范与现有的以电力线路为通信媒介的其它协议不能冲突,其中包括X-10,CEBus,LonWorks。Home Plug的目标是让消费者通过该技术,使家庭的计算机、摄像机、音响、电话等设备以电力线共享高速的互联网连接。4 Home Plug的高层机遇非常清楚这样一个事实,日益增长的消费者希望他们家庭的计算机及各种家用电器都以宽带的速度联入网络,而他们并不关心采用什么样的媒介。有人估计2002年有超过50%的美国家庭至少有两台计算机需要
29、联入因特网。这方面 ,电力线网络由于其普遍性,易用性在信息的高速接入方面即将呈现出较大的优势。据美国Cahners In-Stat于2001 年5 月发现的调查,“使用电源线的家庭网络将呈迅猛增长态势。在美国市场,家庭网络IC的销售额在2005年前将以年平均77%的速度增长,电源线收发器 IC的销售额和出货量均有望获得高速成长”。5 Home Plug的可行性研究在推出“Home Plug 1.0”之间,2001年2月至2001年5月Home Plug 主要成员在美国和加拿大的许多地方选择了不同环境的500多个家庭进行现场试验。试验的电力线路超过10,000条, 现场试验的数据分析文件超过25
30、,000个。试验项目主要集中在电力线通信速率、信号抗干扰能力、与其它电力线通信协议的兼容性及数据传输的安全性等方面。参加现场试验的公司有：低压电力载波通信发展方向12Broadcom,Cisco,Cogency,ConEdison,Conexant,Enikia,Intel,Intellon,Motorola,Panasonic,RadioShack,Sharp,SON-Icblue,Telewise,Valence。Home Plug采用正交频分多路复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM技术） ,OFDM可以提高电力线网络传输
31、质量。它是一种多载波调制技术。传输质量的不稳定意味着电力线网络不能保证如语音和视频流这样的实时应用程序的传输质量。然而对于传输突发性Internet数据流它却是不理想的网络。即便是在配电网受到严重干扰的情况下,OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率,而且适当的纠错技术可确保可靠的数据传输。6 Home Plug的下一步任务Home Plug的下一步工作是提供符合“Homg Plug 1.0”要求的产品,让消费者利用家庭电源插头上网美梦成真。同时,家庭插电联盟要进行Home Plug的资格认证。对大众的Home Plug 知识培训是一项非常重要的工作 ,目的是让大家知道利用电力线上网,实现家
32、用电器的电力线互联的时代即将到来。虽然Home Plug成立时间不长,而且家用电器上网目前还有一些技术上的问题急需解决,但Home Plug联盟阵容强大, 并且涉及行业很多。对我国的电力行业而言, 加入 Home Plug目前无疑是个非常好的机会。由于Home Plug是一个非盈利的组织, 通过访问网站www.homeplug.org就很容易成为它的成员。5、低压配电网电力载波的发展方向低压配电网电力载波技术在中国经过近 10 年的应用，可以用心酸能形容其所走过的历程。原因在于，真正研究技术的人太少，我们国家的电表企业原先都是做机械表，98 年电子电能表项目上马时，大量的懂机械的人开始熟悉电子
33、电能表的生产工艺，好在电子表元器件少，基本上属于单芯片，而且 ADI 公司将电能表的 PCB 都给出了，所以对大家来说，难度没有想象的那么大，即使这样，当年，电子电能表刚推出时也出现过大量的质量问题，基本集中在字轮推动，电容选择等低级问题上。电子电能表出现后，由于电子电能表提供了脉冲低压电力载波通信发展方向13输出，所有大家认为，能够计量脉冲数后加上载波芯片就可以进行电力线的远程抄表了，所以当年做电力载波的绝大数工程师是搞机械的出生。电力载波通信首先是一门通信技术、其次是仪表技术，最后才是电表的技术。所以，要搞好低压电力载波通信，首先要清楚通信原理，其次要熟悉仪表技术，最后要明白电能表计量原理
34、。全国目前注册的电能表厂家有上千家，电能表工程师数以万计，但真正研发电力载体通信技术的电表公司技术人员屈指可数。目前国内低压电力载波通信芯片市场上，青岛东软占约 40份额、福星晓程约占 40份额，ST7538 约占 10份额，其它芯片约占 10份额，ST7538 属于透明传输芯片，之前的版本是 ST7536，ST 公司在国内既没有完善的技术支持，也没有抄表方案提供。青岛东软及福星晓程不但提供了载波芯片，而且提供全套的外围方案设计，青岛东软甚至提供后台软件（东软是一个软件公司） 。前面讲过，在低压电力载波通信上，靠点对点的通信无法实现位于变压器的集中器与分散的用户电表的直接通信，必须靠中继和路由
35、完成。青岛东软及福星晓程都是采用改进的 DLT645 规约来进行中继通信，即通过将 645 规约中添加一个字节实现中继，中继深度最多 3 级。通过中继实现电力载波的数据传输接力应该说是有创意的设计。这种设计，既可以利用现存的645 规约（该规约用于多功能表通信）而无需考虑协议的稳定性，也有利于在电力载波上与多功能表的直接通信。东软与晓程的电力载波芯片及方案属于中继方案，在 80的电网环境下，尤其在城市新建小区下应用有其可行性。为了说明电力载波方案的发展方向，这里举例说明，假设在一个用户变压器范围内有 500 户电能表，500 户电能表远近不同分布在变压器周边，数据集中器安装于变压器附近，集中器
36、与电能表之间通过电力载波进行通信，由于配电线路的衰减及线路中的噪声，集中器并不能点对点的与所有电能表直接通信。假如，集中器首先与 500 只电表中的 100 只电表成功进行了数据交换，当然，这个过程属于点对点的半双工方式，这是通信的第一级。之后，由已经通信成功的 100 只表去寻找剩下的 400 只电表，假设这个过程通信成功 50 只电表，这个过程属于中继的第 2 级，最后，再利用 400 只电表找 100 只电表再找 50 只电表再寻找剩余的电表。这种算法是遍历枚举的方式，其运算量呈级数增加，经常看到这种技术在现场运算几日还未找到合适的路径，即使终于找到路径，也有可能由于配电网的时变性而同样
37、让路径无效。东软、晓程技术的主要缺点：1）从根本上讲，这两种技术顶多属于中继技术。集中器中存有各个电表的中继路径表，所有的中继过程完全由集中器完成，载波电表中没有中继路径，所以，通信只能是主从式，只能由集中器发起，电表不能进行数据的主动上传，而事实上，电表有很多信息需要主动上传，如报警信息，自动安装信息等。低压电力载波通信发展方向142）通过集中器进行的中继深度只能到 3 级，更深的中继，主从式协议很难定义，集中器也没有办法运算。3 级的中继有很多地方的配电网无法让集中器信号抵达所有电表。在现场中我们曾经碰到过不到 800M 的距离，从集中器到末梢电表共 11 只电表却需要 9 级中继的线路。
38、3）东软和晓程的芯片的均采用 BPSK 方式进行调制解调，并进行了扩频，但现场验证，这种调制方式的点对点通信能力并不理想。Echelon 公司基于 LONWORKS 的电力载波芯片技术可以算得上电力载波的里程碑技术。LONWORKS 是一系列协议、规范及组织的总称，LONWORKS的最核心的标准称之为 LONTALK 协议，LON 是 LOCAL OPERATION NETWORK 的缩写。据说，当年 ECHELON 的创始人看到 TCP/IP 将全球 PC无缝互联后，萌发了通过一种协议将全球仪表无缝互联的理想，所以，LONTALK 可以看成仪器仪表领域的 TCP/IP 协议，与互联网相同的是
39、，LONTALK 仍然采用 OSI 的七层网络结构，但简单了许多。与互联网不同的是，LONTALK 是基于低速网络，强调的是稳定可靠而不是数据的高速传输。LONTALK 目前在楼宇自动话、工业控制等方面得到非常广泛的应用，并成为很多国家的行业标准，LONTALK 虽然支持各种传输介质，但目前应用得最广泛的还是双绞线介质。ECHELON 公司在电力线的机会得益于 2000 年左右的意大利 ENEL 电网公司的全球招标。ENEL 是意大利的“国家电网公司” ，在大约 2000 年时有一个庞大的项目，需要将全国近 3000 万只电表实现自动抄表，当时，ENEL 看中的技术先是 ST7538，但当他们
40、了解到 LONWORKS 后，迅速将目标转向基于LONTALK 的 ECHELON 电力载波芯片 PL3120。目前，意大利 ENEL 公司项目已经完成，将其近 3000 万只电表连接在一起，ECHELON 公司在意大利项目中看到了 LONTALK 协议在电力通信方面的巨大商业价值，专门成立了针对电力系统的 NES 工程部，负责全球的低压配电网的集中抄表及配网管理项目。虽然 LONTALK 属于国际标准，大家都可以去按照自己的办法实现 LONTALK，但如何在 LONTALK 协议基础上实现节点的自动组网、自动路由却是ECHELON 公司的技术秘密。ECHELON 公司的芯片商业化推广在欧美很
41、是成功，目前，其产品已经成为欧盟的标准产品。要使用 PL3120，首先要接受其近10 美元的价格，其次，开发过程中要购买将近 100 万人民币的各种开发工具，这两个方面，导致 EHELON 公司在中国大陆近 3 年的推广中几乎没有成效，但PL3120 却指明了低压电力载波的下一步发展方向。即：低压配电网电力载波属于分布式网络，成功的通信必须依赖可靠的点对点通信及组网和自动路由实现。成功的点对点通信依据现代化的通信手段实现，组网需要可靠的协议保证，自动路由算法需要依据现场环境进行深入研究。如图 1 所示为 EHELON 公司的基于 LONWORKS 电力载波芯片 PL3120 体低压电力载波通信
42、发展方向15系结构图，芯片在结构上主要分为 4 大块，分别为PLC、CPU 1、 CPU2、CPU 3，PLC 部分为窄带的电力载波调制解调，采用 BPSK 方式进行通信，CPU1、CPU2 及 CPU3 分别为 8 位的单片机，其中 CPU1、CPU2 解析LONWORKS 协议的 16 层，CPU3 实现 LONTALK 的应用层，供用户接口用，PL3120 内部集成了 4K FLASH。EHELON 公司通过意大利项目，将其电力载波自动路由、自动组网技术集成于 NES 项目中，对外保密。ECHELON 的基于 LONWORKS 的电力载波芯片让我们看到了电力载波在低压配电网的成功应用，概
43、括起来以下几个方面促使了它的成功：1）LONTALK 是国际化的标准，基于 OSI 的七层协议保证了稳定可靠的仪表信息传输，同时，大家基于同一标准保证了互换性，LONTALK 在链路层定义了 CSMA 冲突检测，为信息的并发，主动上报提供了协议保证；2）ECHELON 通过大量测试，采用了窄带的 PLC 方式而没有采用国内芯片的扩频方式，在数据传输速率上可以达到 5.5K（国内芯片只有几百 BYTE/s） ，在同样通信速率下提高了抗干扰能力；3）在 LONTALK 基础上，通过意大利 ENEL 公司项目大量的实践，ECHELON 公司积累了大量的低压配电网自动组网及路由方案，使低压配电网电力载
44、波节点真正形成了一个载波网络，而不是国内芯片应用的中继。这一部分成为了 ECHELON 公司最大的技术秘密和商业秘密。PL3120 有这么多的优势，在国内电力行业推广却几乎没有什么进展，主要原因在于：1）PL3120 价格昂贵，光芯片的价格需约 80 元人民币，与国内芯片约 30元人民币相差很远；2）PL3120 的开发必须基于 ECHELON 的开发工具 NODEBULDER 实现，该开发工具连同其它测试工具，需要先期投入近百万人民币；3）开发者需要花费大量的时间学习 ECHELON 的 NODEBULDER 开发环PLCCPU1CPU3CPU2图 1 ECHLON PL3120 体系结构低
45、压电力载波通信发展方向16境 NUERAL C 语言；4）ECHELON 公司并不提供低压配电网的自动组网及路由方案，开发者应用 PL3120 进行组网和路由必须一切从零开始，而且，组网和路由应该在 OSI的网络层完成，但 PL3120 已经固化了 LONTALK 协议，所以组网及路由用户只能在应用层完成，这种难度可想而知。事实上，ECHELON 公司在其 NES 系统中，PL3120 固化了与标准 LONTALK 协议不一样的协议栈。意大利 ENEL 公司的 LONWORKS 电表绝大多数生产代工在深圳开发科技公司完成，当年，此项目加工合同额近 2.3 亿美金，轰动了大陆的电表行业，开发科技
46、公司在代加工过程中，深深懂得 LONWORKS 对行业的影响，曾经组织了近 100 人的 LONWORKS 研发队伍，由于最核心的芯片控制在 ECHELON公司，无论多大的订单也没有价格的优势，开发科技最终解散了 LONWORKS项目组。2004 年，开发科技 LONWORKS 项目组核心成员离开开发科技后，组建了新的公司，研发了国产的基于 LONWORKS 的电力载波芯片。软银风投看中了该芯片的商业价值，于 2006 年投入了 800 万美金，该公司更名为瑞斯康微电子。国产基于 LONWORKS 的电力载波芯片如图 2 所示，从图中可以看出，RISE3120 芯片主要由 3 部分组成，及 P
47、LC、CPU1 和 CPU2。其中 PLC 部分与PL3120 一样采用 BPSK 方式，传输速率也为 5.5K，但没有采用 PL3120 的双频调制。RISE3120 的 CPU 减至 2 个，其中 CPU1 负责 LONTALK 的 16 层解析，CPU2 负责第 7 层应用程序的开发。CPU 数量的减少很容易理解，瑞斯康的芯片研发时间比 ECHELON 公司迟了近 10 年，现在的单片机内核无论从运算速度，指令精简、RAM 大小都远远高于 10 年前的技术。RISE3120 的协议栈、自动路由及组网方案是在芯片成功流片后编程完成。与国产芯片比，RISE3120 实现了 LONTALK 协
48、议，属于可以组网及路由的方案，而不是中继方案。与 PL3120 相必，使用 RISE3120 通过 C51 即可完成，开发简单，同时，RISE3120 固化了组网方案及路由协议。PLCCPU1CPU2图 2 瑞斯康 RISE 3120 体系结构低压电力载波通信发展方向17傲立公司目前是瑞斯康微电子最大的技术合作伙伴，在目前众多合作厂家中，傲立与瑞斯康微电子合作最深入，傲立给瑞斯康提出了众多重大改进方案，傲立在众多合作厂家中唯一率先推出了样表与集中器并成功应用在哈尔滨电业局现场的白家堡及薛家屯现场。而这两个现场曾经由不少于 30 家的国内外载波芯片及技术曾经测试，但除了 ECHELON 技术及瑞
49、斯康芯片技术外结果都是失败。我所知道的参与测试的芯片分别有东软，晓程、海通及 ST7538，测试的电表厂家数十家。尽管傲立公司将 RISE3120 样表安装到现场并成功应用，但我们却同样为其前景所担忧，基于以下几点：1）RISE3120 外围封装了 128PIN，管脚间距极密，生产难度很大，外围器件众多，由于工艺的原因，FLASH 必须外置，线路板需要 4 层，大大增加了载波电表的成本。高成本使其市场推广有极大难度。2）RISE3120 尽管固化了自动路由、组网协议，但瑞斯康的方案未必最佳，很多方案需要在实践过程中调整，瑞斯康显然没有这个精力。3）无论是 ECHELON 的 PL3120 还是瑞斯康的 RISE3120，其 PLC 部分并没有显示出多强的点对点通信能力。点对点通信能力是组网的基础，好多恶劣环境该芯片同样无能为力。6 我们的低压电力载波方案如图 3 所示为我们的低压电力载波体系结构。系统由两部分组成，一部分为高性能的电力载波芯片，该芯片应该具有非常强的点对点通信能力，具有先进的调制解调方式，该芯片应该不能固化任何协议，必须是一个透明传输的载波芯片。另一部分为高性能的单片机，该单片机具有丰富的资源，包括内置FLASH，E2PROM （用
