基于電力寬帶載波技術(shù)的智能插座

余錦業(yè)

【摘 要】 近年來，隨著電力載波通信技術(shù)的不斷發(fā)展，其傳輸帶寬和抗干擾性能都得到大幅度提升，其應(yīng)用范圍已不再局限于服務(wù)電力通信，在電力營(yíng)銷領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了電力載波通道特點(diǎn)，OFDM技術(shù)原理及其優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)介紹基于電力載波技術(shù)開發(fā)的智能插座，包括其組成原理和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，最后介紹了智能用電營(yíng)銷平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】 電力載波 智能插座 智能用電

電力線載波通信（Power Line Communications，PLC）技術(shù)能夠充分利用最為普及的電力網(wǎng)絡(luò)資源，在傳輸電力的同時(shí)，承載數(shù)據(jù)、語音和視頻等多項(xiàng)業(yè)務(wù)，具有建設(shè)速度快、投資少、無需室內(nèi)布線等特點(diǎn)，具備其他接入方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。載波通信技術(shù)加快發(fā)展。低壓電力線載波通信的核心問題是載波信號(hào)的調(diào)制（Modulate）與解調(diào)（Demodulate），也即電力載波調(diào)制與解調(diào)芯片（Modem）。隨著低壓電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，電力線載波通信的速率、傳送數(shù)據(jù)量、抗干擾能力都得到了很大的提高，為電力線載波通信市場(chǎng)化奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。傳輸可靠性明顯提高。一些新興的數(shù)字技術(shù)，例如擴(kuò)頻通信技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等在配電領(lǐng)域得到了綜合應(yīng)用，有效提高和改善了低壓配電網(wǎng)電力線載波通信的適應(yīng)性和可靠性，使電力線載波通信技術(shù)具有更為廣闊的發(fā)展?jié)摿?。同時(shí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐步制定。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100～450kHz；歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CENELEC）的EN50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3～148.5kHz；我國(guó)國(guó)家能源局DL/T 698.1規(guī)定電力行業(yè)載波頻帶為3～500kHz。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著貢獻(xiàn)。

1 電力寬帶載波技術(shù)原理

1.1 低壓電力線載波通道特點(diǎn)

1.1.1 信號(hào)衰減大

低壓配電網(wǎng)直接連接用戶，配電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況復(fù)雜，由于各節(jié)點(diǎn)阻抗不匹配，因而會(huì)產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象，使得信號(hào)的衰減變得極其復(fù)雜。高頻信號(hào)在低壓電力線上的衰減是電力載波通信遇到的一大困難。對(duì)高頻信號(hào)而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負(fù)載在這根線的任意位置隨機(jī)地連接或斷開。因此，高頻信號(hào)在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。這種衰減與通信距離及信號(hào)頻率有密切關(guān)系。同時(shí)，信號(hào)的衰減與頻率、工頻電源的相位有關(guān)。

1.1.2 噪聲干擾強(qiáng)

研究表明.低壓電力線上大量存在的強(qiáng)噪聲是限制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)質(zhì)傳輸?shù)闹饕系K之一。電力線上的干擾可近似分為四類：周期性連續(xù)干擾，周期性脈沖干擾，時(shí)不變連續(xù)干擾，隨機(jī)突發(fā)干擾，低壓電力線的干擾具有周期性，隨機(jī)性，多變性的特點(diǎn)。

1.1.3 時(shí)變性

低壓電力線直接面向進(jìn)戶，用戶接入負(fù)載變化情況十分復(fù)雜，難以預(yù)計(jì)，即在不同時(shí)刻，干擾的強(qiáng)度和頻率都不相同，在同一低壓電網(wǎng)內(nèi)，不同地點(diǎn)的干擾情況也不一樣。

1.2 正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)優(yōu)勢(shì)

正交頻分復(fù)用（OFDM）具有頻帶利用率高、抗噪聲干擾能力強(qiáng)、抗信道衰落好、易實(shí)現(xiàn)等一系列優(yōu)點(diǎn)；即便是在受到嚴(yán)重干擾的情況下，OFDM也可保證帶寬和傳輸效率，因而OFDM是目前電力載波寬帶通信的必然選擇。

電力載波通信由于以往載波技術(shù)頻段窄干擾多，其使用受到限制。正交頻分復(fù)用技術(shù)能有效克服電力載波通道的干擾與衰減，目前其傳輸帶寬可達(dá)到100兆，可以傳輸視頻等信號(hào)。因而能夠得到大規(guī)模廣泛應(yīng)用。是一種被電力載波通信行業(yè)普遍看好的高效多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

低壓電力線通信環(huán)境惡劣，具有阻抗變化大，時(shí)變性強(qiáng)，衰減大，噪聲干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，而多載波正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力以及較高的帶寬利用率，在克服窄帶干擾和頻率選擇性衰落方面具有很強(qiáng)的魯棒性。因此，OFDM技術(shù)是在低壓電力載波通信理想選擇。

1.3 正交頻分復(fù)用技術(shù)原理

正交頻分復(fù)用（oFDM）是一種多載波傳輸技術(shù)，它將可用頻譜分成多個(gè)子載波，每個(gè)子載波用一路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。在接收端在將數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，從而提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。

它的基本思想是通過相互重疊的子信道同時(shí)應(yīng)用并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及頻分復(fù)用技術(shù)（FDM）。并行數(shù)據(jù)傳輸可通過擴(kuò)展多信號(hào)的效率來有效抵抗脈沖干擾噪聲的影響。

OFDM調(diào)試和解調(diào)原理框圖如圖1和圖2所示。

1.4 基于OFDM技術(shù)電力載波通信模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)電力載波通道復(fù)雜噪聲，衰減特性，時(shí)變阻抗特性的信道環(huán)境，電力載波硬件平臺(tái)的選擇需要考慮處理能力，存儲(chǔ)容量，接口等因素，本項(xiàng)目選用MAXIM公司的專用芯片MAX2990和模擬前端芯片MAX2991. MAX2990內(nèi)部功能框圖如圖3所示。

圖4所示為電力載波系統(tǒng)框圖。

2 基于電力載波技術(shù)開發(fā)的智能插座

2.1 智能插座功能

智能插座可對(duì)所接電器設(shè)備電量進(jìn)行測(cè)量，并且通過智能電表回傳電力公司后臺(tái)，后臺(tái)可對(duì)電器設(shè)備的遠(yuǎn)程管理、電量監(jiān)測(cè)、設(shè)備保護(hù)等，插座自身具備抑制瞬流、過電壓、高次諧波等功能；具有抗干擾能力強(qiáng)、耐高壓沖擊、防雷、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)檢測(cè)到電流過載時(shí)自動(dòng)切斷負(fù)載，預(yù)防用電設(shè)備火災(zāi)事故的發(fā)生。其功能有：

（1）真正實(shí)現(xiàn)了“全采集、全費(fèi)控”的目標(biāo)；

（2）大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)雙向通訊；

（3）事件實(shí)時(shí)主動(dòng)上報(bào)；

（4）快速的自動(dòng)組網(wǎng)；

（5）具有抗干擾能力和自適應(yīng)能力；

（6）低功耗自動(dòng)控制技術(shù)；

（7）值得信賴的安全性；

（8）支持?jǐn)U展業(yè)務(wù)開發(fā)；

（9）強(qiáng)大的系統(tǒng)管理工具。

2.2 智能插座系統(tǒng)組成

如圖5所示，插座電源模塊經(jīng)火線和零線實(shí)現(xiàn)電信號(hào)采樣并送入計(jì)量模塊處理，計(jì)量模塊處理結(jié)果送到主控芯片處理，主控芯片經(jīng)過繼電器可對(duì)負(fù)載進(jìn)行開閉操作，主控芯片經(jīng)電力載波模塊和智能電表建立通信并上傳電量信息，用戶在按鍵對(duì)智能插座強(qiáng)行復(fù)位送電。電力公司后臺(tái)也可以下發(fā)命令（從智能電表到載波模塊），對(duì)用戶進(jìn)行停電操作。

載波芯片采用華為海思開發(fā)的寬帶載波芯片HI3911。該芯片符合國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范，與國(guó)網(wǎng)智能電表和集中器接口完全兼容，傳輸帶寬可達(dá)到27MHZ.寬帶載波在實(shí)時(shí)性、通信速率、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)上有明顯優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在業(yè)務(wù)上，主要是抄通率達(dá)到100%（排除其他非線路問題），智能插座將信息回傳到后臺(tái)后，電力公司后臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)費(fèi)控、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)充值，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)線損分析等。

計(jì)量芯片采用深圳合力為公司的HLW8014芯片開發(fā)，HLW8014為單相多功能計(jì)量芯片，能夠測(cè)量有功功率、有功電能，提供有功功率（2路）和電流有效值（2路）、電壓有效值、線頻率、功率因數(shù)、過零中斷和正弦波比較等。并提供有功總能量和正負(fù)能量獨(dú)立計(jì)量功能，可實(shí)現(xiàn)靈活的防竊電方案。提供SPI串行接口，方便與外部MCU之間的通訊。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

載波技術(shù)指標(biāo)。

2.3.1關(guān)鍵指標(biāo)

（1）物理層速率100Kbit/s～16Mbit/s；

（2）應(yīng)用層速率30Kbit/s～4Mbit/s；

（3）芯片工作功耗<600mW，待機(jī)功耗<100mW；

（4）表側(cè)通信模塊工作功耗<1.2W，待機(jī)功耗<250mW。

2.3.2 物理層特性

（1）工作頻率范圍200KHz～12.5MHz，帶寬2MHz，并支持頻率擴(kuò)展；

（2）采用OFDM技術(shù)，子載波支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM調(diào)制；

（3）子載波自適應(yīng)調(diào)制；

（4）支持FEC和CRC功能，強(qiáng)大的去噪和糾錯(cuò)能力；

（5）針對(duì)復(fù)雜電力信道設(shè)計(jì)的高魯棒性幀結(jié)構(gòu)；

（6）可在 240 VAC， 120 VAC， 24 VAC或直流電力線上穩(wěn)定工作，最大傳輸距離大于1Km。

2.3.3 MAC特性

（1）支持TDMA和CSMA/CA，提供沖突避免機(jī)制；

（2）支持?jǐn)?shù)據(jù)分段和重組，提高傳輸效率；

（3）支持?jǐn)?shù)據(jù)重傳機(jī)制；

（4）支持AES/3DES/DES數(shù)據(jù)加解密；

（5）支持4級(jí)QoS，滿足不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求。

2.3.4 組網(wǎng)特性

（1）支持自動(dòng)快速組網(wǎng)；

（2）支持終端個(gè)數(shù)1000個(gè)；

（3）支持自動(dòng)中繼，最大可支持15級(jí)中繼；

（4）支持動(dòng)態(tài)路由，多路徑尋址；

（5）支持靜態(tài)路由。

2.3.5 網(wǎng)絡(luò)共存

（1）支持ITU G.9972 ISP協(xié)議，與家庭互聯(lián)設(shè)備共存；

（2）支持集中器級(jí)聯(lián)，支持跨臺(tái)變識(shí)別、避免串?dāng)_CPU；

（3） 高性能的ARM處理器，工作頻率266MHz；

（4）內(nèi)嵌I-Cache 8KB、D-Cache 8KB、ITCM（4KB）。

2.3.6 存儲(chǔ)接口

（1）內(nèi)嵌SDRAM存儲(chǔ)器，最大支持16MB；

（2）支持SPI外接存儲(chǔ)器。

2.3.7 外圍接口

（1）1個(gè)MII接口，支持10/100Mbit/s網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展（Hi3911C支持）；

（2）1個(gè)SPI Master/Slave接口（Hi3911C支持）；

（3）4個(gè)UART接口；

（4）32個(gè)GPIO接口；

（5）1個(gè)I2C接口。

2.3.8 封裝

（1）Hi3911T：QFN64 9mm×9mm 0.5mm封裝；

（2）Hi3911C：Epad-LQFP128 14mm×14mm 0.4mm封裝；

（3）工作溫度：-40℃～+85℃；

（4）工作電壓：IO 3.3V、Core 1.2V。

2.4 電力載波技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）信號(hào)絡(luò)覆蓋范圍廣，無需重新布線；

（2）相比光纖通信，電力寬帶載波可以極大減少設(shè)備投資；

（3）相比無線通信，其受干擾少，通信可靠性高；

（4）符合國(guó)家電網(wǎng)公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與智能電表、集中器接口完全兼容，可與電力公司后臺(tái)建立通信；

（5）因?yàn)閹挻?，可以支持用戶上網(wǎng)和視頻等多種業(yè)務(wù)，各種家電也可以通過智能插座連接，構(gòu)建家庭電力載波通信生態(tài)圈，可以用來做智能家居統(tǒng)一接口；

（6）下一代載波技術(shù)可以支持ANDROID操作系統(tǒng)，可作為信息節(jié)點(diǎn)。

2.5 智能用電平臺(tái)電力公司營(yíng)銷后臺(tái)上建立用戶能源監(jiān)控系統(tǒng)

2.5.1 能源管理模塊功能

（1）從能耗統(tǒng)計(jì)呈現(xiàn)、能耗分析、分項(xiàng)計(jì)量體系，自定義分析、電能耗分析、時(shí)間對(duì)比分析多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)能源全面管理；

（2）從城市、園區(qū)、建筑、樓層；集團(tuán)、公司、部門；能源種類和計(jì)量結(jié)構(gòu)等多維度進(jìn)行能源分析；

（3）全面兼容國(guó)家和產(chǎn)業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.5.2 告警功能模塊功能

（1）設(shè)備報(bào)警分類管理，對(duì)報(bào)警分為一般報(bào)警、重要報(bào)警、嚴(yán)重超限報(bào)警和重要嚴(yán)重超限報(bào)警4類管理統(tǒng)計(jì)；

（2）實(shí)施統(tǒng)計(jì)報(bào)警結(jié)果；

（3）對(duì)重要報(bào)警結(jié)果自動(dòng)觸發(fā)短信、郵件提醒；

（4）記錄報(bào)警處理過程和人員；

（5）記錄處理時(shí)間和措施。

2.5.3 設(shè)備管理模塊功能

（1）對(duì)主要設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

（2）及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障；

（3）及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備效率的重大變化；

（4）深入挖掘設(shè)備運(yùn)行策略，改善運(yùn)行效果，保障節(jié)能高效安全運(yùn)行。

2.5.4 能效管理平臺(tái)包含如下功能

（1）專家管理模塊功能：從能耗統(tǒng)計(jì)呈現(xiàn)、能耗分析、分項(xiàng)計(jì)量體系，自定義分析、電能耗分析、時(shí)間對(duì)比分析多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)能源全面管理；如圖6所示。

（2）從城市、園區(qū)、建筑、樓層；集團(tuán)、公司、部門；能源種類和計(jì)量結(jié)構(gòu)等多維度進(jìn)行能源分析。

（3）全面兼容國(guó)家和產(chǎn)業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

能效管理平臺(tái)做為智能配電網(wǎng)的組成部分，和技術(shù)支持平臺(tái)及營(yíng)銷平臺(tái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)互動(dòng)和相互支持。

3 結(jié)語

由于電力載波具有信號(hào)覆蓋范圍廣，信號(hào)可靠，節(jié)省設(shè)備投資等優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闀?huì)在電力營(yíng)銷系統(tǒng)中獲得大范圍應(yīng)用推廣，為主動(dòng)配網(wǎng)建設(shè)和電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析提供堅(jiān)強(qiáng)保障！