余錦業(yè)

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

【關鍵詞】 電力載波 智能插座 智能用電

電力線載波通信（Power Line Communications，PLC）技術能夠充分利用最為普及的電力網絡資源，在傳輸電力的同時，承載數據、語音和視頻等多項業(yè)務，具有建設速度快、投資少、無需室內布線等特點，具備其他接入方式不可比擬的優(yōu)勢。載波通信技術加快發(fā)展。低壓電力線載波通信的核心問題是載波信號的調制（Modulate）與解調（Demodulate），也即電力載波調制與解調芯片（Modem）。隨著低壓電力線載波通信技術的發(fā)展進步，電力線載波通信的速率、傳送數據量、抗干擾能力都得到了很大的提高，為電力線載波通信市場化奠定了重要的物質基礎。傳輸可靠性明顯提高。一些新興的數字技術，例如擴頻通信技術、數字信號處理技術和計算機控制技術等在配電領域得到了綜合應用，有效提高和改善了低壓配電網電力線載波通信的適應性和可靠性，使電力線載波通信技術具有更為廣闊的發(fā)展?jié)摿?。同時行業(yè)標準逐步制定。美國聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100～450kHz；歐洲電氣標準委員會（CENELEC）的EN50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3～148.5kHz；我國國家能源局DL/T 698.1規(guī)定電力行業(yè)載波頻帶為3～500kHz。這些標準的建立為電力載波技術的發(fā)展做出了顯著貢獻。

1 電力寬帶載波技術原理

1.1 低壓電力線載波通道特點

1.1.1 信號衰減大

低壓配電網直接連接用戶，配電網絡各節(jié)點負荷情況復雜，由于各節(jié)點阻抗不匹配，因而會產生反射、諧振等現(xiàn)象，使得信號的衰減變得極其復雜。高頻信號在低壓電力線上的衰減是電力載波通信遇到的一大困難。對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質的負載在這根線的任意位置隨機地連接或斷開。因此，高頻信號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頻率有密切關系。同時，信號的衰減與頻率、工頻電源的相位有關。

1.1.2 噪聲干擾強

研究表明.低壓電力線上大量存在的強噪聲是限制實現(xiàn)數據優(yōu)質傳輸的主要障礙之一。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，時不變連續(xù)干擾，隨機突發(fā)干擾，低壓電力線的干擾具有周期性，隨機性，多變性的特點。

1.1.3 時變性

低壓電力線直接面向進戶，用戶接入負載變化情況十分復雜，難以預計，即在不同時刻，干擾的強度和頻率都不相同，在同一低壓電網內，不同地點的干擾情況也不一樣。

1.2 正交頻分復用OFDM技術優(yōu)勢

正交頻分復用（OFDM）具有頻帶利用率高、抗噪聲干擾能力強、抗信道衰落好、易實現(xiàn)等一系列優(yōu)點；即便是在受到嚴重干擾的情況下，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頻段窄干擾多，其使用受到限制。正交頻分復用技術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到100兆，可以傳輸視頻等信號。因而能夠得到大規(guī)模廣泛應用。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字調制技術。

低壓電力線通信環(huán)境惡劣，具有阻抗變化大，時變性強，衰減大，噪聲干擾強等特點，而多載波正交頻分復用（OFDM）調制技術具有較強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的魯棒性。因此，OFDM技術是在低壓電力載波通信理想選擇。

1.3 正交頻分復用技術原理

正交頻分復用（oFDM）是一種多載波傳輸技術，它將可用頻譜分成多個子載波，每個子載波用一路低速數據進行調制。在接收端在將數據進行合并，從而提高了數據的傳輸速率。

它的基本思想是通過相互重疊的子信道同時應用并行數據傳輸技術以及頻分復用技術（FDM）。并行數據傳輸可通過擴展多信號的效率來有效抵抗脈沖干擾噪聲的影響。

OFDM調試和解調原理框圖如圖1和圖2所示。

1.4 基于OFDM技術電力載波通信模塊設計

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

圖4所示為電力載波系統(tǒng)框圖。

2 基于電力載波技術開發(fā)的智能插座

2.1 智能插座功能

智能插座可對所接電器設備電量進行測量，并且通過智能電表回傳電力公司后臺，后臺可對電器設備的遠程管理、電量監(jiān)測、設備保護等，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、耐高壓沖擊、防雷、性能穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點。當檢測到電流過載時自動切斷負載，預防用電設備火災事故的發(fā)生。其功能有：

（1）真正實現(xiàn)了“全采集、全費控”的目標；

（2）大數據量實時雙向通訊；

（3）事件實時主動上報；

（4）快速的自動組網；

（5）具有抗干擾能力和自適應能力；

（6）低功耗自動控制技術；

（7）值得信賴的安全性；

（8）支持擴展業(yè)務開發(fā)；

（9）強大的系統(tǒng)管理工具。

2.2 智能插座系統(tǒng)組成

如圖5所示，插座電源模塊經火線和零線實現(xiàn)電信號采樣并送入計量模塊處理，計量模塊處理結果送到主控芯片處理，主控芯片經過繼電器可對負載進行開閉操作，主控芯片經電力載波模塊和智能電表建立通信并上傳電量信息，用戶在按鍵對智能插座強行復位送電。電力公司后臺也可以下發(fā)命令（從智能電表到載波模塊），對用戶進行停電操作。

載波芯片采用華為海思開發(fā)的寬帶載波芯片HI3911。該芯片符合國家電網技術規(guī)范，與國網智能電表和集中器接口完全兼容，傳輸帶寬可達到27MHZ.寬帶載波在實時性、通信速率、動態(tài)組網上有明顯優(yōu)勢，體現(xiàn)在業(yè)務上，主要是抄通率達到100%（排除其他非線路問題），智能插座將信息回傳到后臺后，電力公司后臺實現(xiàn)實時費控、遠程實時充值，實現(xiàn)臺區(qū)線損分析等。

計量芯片采用深圳合力為公司的HLW8014芯片開發(fā)，HLW8014為單相多功能計量芯片，能夠測量有功功率、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、過零中斷和正弦波比較等。并提供有功總能量和正負能量獨立計量功能，可實現(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 技術指標

載波技術指標。

2.3.1關鍵指標

（1）物理層速率100Kbit/s～16Mbit/s；

（2）應用層速率30Kbit/s～4Mbit/s；

（3）芯片工作功耗<600mW，待機功耗<100mW；

（4）表側通信模塊工作功耗<1.2W，待機功耗<250mW。

2.3.2 物理層特性

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

（2）采用OFDM技術，子載波支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM調制；

（3）子載波自適應調制；

（4）支持FEC和CRC功能，強大的去噪和糾錯能力；

（5）針對復雜電力信道設計的高魯棒性幀結構；

（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，提供沖突避免機制；

（2）支持數據分段和重組，提高傳輸效率；

（3）支持數據重傳機制；

（4）支持AES/3DES/DES數據加解密；

（5）支持4級QoS，滿足不同業(yè)務服務質量需求。

2.3.4 組網特性

（1）支持自動快速組網；

（2）支持終端個數1000個；

（3）支持自動中繼，最大可支持15級中繼；

（4）支持動態(tài)路由，多路徑尋址；

（5）支持靜態(tài)路由。

2.3.5 網絡共存

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

（2）支持集中器級聯(lián)，支持跨臺變識別、避免串擾CPU；

（3） 高性能的ARM處理器，工作頻率266MHz；

（4）內嵌I-Cache 8KB、D-Cache 8KB、ITCM（4KB）。

2.3.6 存儲接口

（1）內嵌SDRAM存儲器，最大支持16MB；

（2）支持SPI外接存儲器。

2.3.7 外圍接口

（1）1個MII接口，支持10/100Mbit/s網絡擴展（Hi3911C支持）；

（2）1個SPI Master/Slave接口（Hi3911C支持）；

（3）4個UART接口；

（4）32個GPIO接口；

（5）1個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 電力載波技術優(yōu)勢

（1）信號絡覆蓋范圍廣，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）符合國家電網公司技術標準，與智能電表、集中器接口完全兼容，可與電力公司后臺建立通信；

（5）因為帶寬大，可以支持用戶上網和視頻等多種業(yè)務，各種家電也可以通過智能插座連接，構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）下一代載波技術可以支持ANDROID操作系統(tǒng)，可作為信息節(jié)點。

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

2.5.1 能源管理模塊功能

（1）從能耗統(tǒng)計呈現(xiàn)、能耗分析、分項計量體系，自定義分析、電能耗分析、時間對比分析多個角度實現(xiàn)能源全面管理；

（2）從城市、園區(qū)、建筑、樓層；集團、公司、部門；能源種類和計量結構等多維度進行能源分析；

（3）全面兼容國家和產業(yè)相關標準。

2.5.2 告警功能模塊功能

（1）設備報警分類管理，對報警分為一般報警、重要報警、嚴重超限報警和重要嚴重超限報警4類管理統(tǒng)計；

（2）實施統(tǒng)計報警結果；

（3）對重要報警結果自動觸發(fā)短信、郵件提醒；

（4）記錄報警處理過程和人員；

（5）記錄處理時間和措施。

2.5.3 設備管理模塊功能

（1）對主要設備參數進行實時監(jiān)控；

（2）及時發(fā)現(xiàn)設備故障；

（3）及時發(fā)現(xiàn)設備效率的重大變化；

（4）深入挖掘設備運行策略，改善運行效果，保障節(jié)能高效安全運行。

2.5.4 能效管理平臺包含如下功能

（1）專家管理模塊功能：從能耗統(tǒng)計呈現(xiàn)、能耗分析、分項計量體系，自定義分析、電能耗分析、時間對比分析多個角度實現(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、公司、部門；能源種類和計量結構等多維度進行能源分析。

（3）全面兼容國家和產業(yè)相關標準。

能效管理平臺做為智能配電網的組成部分，和技術支持平臺及營銷平臺實現(xiàn)有機互動和相互支持。

3 結語

由于電力載波具有信號覆蓋范圍廣，信號可靠，節(jié)省設備投資等優(yōu)點，因為會在電力營銷系統(tǒng)中獲得大范圍應用推廣，為主動配網建設和電網大數據分析提供堅強保障！