電力線載波通信(PLC)芯片作為改造傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要手段,,并且作為物聯(lián)網(wǎng)通信的有力補(bǔ)充,,將隨智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)引來爆發(fā)增長。中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會CSIA預(yù)計至2014年,,總需求將達(dá)到5*萬片,,未來5年復(fù)合年增速(CAGR)將達(dá)到61%,國內(nèi)電力線載波芯片銷量預(yù)測見圖1,。需求增長來自三方面:首先受益于智能電網(wǎng)建設(shè),。電力線載波通信以電力線作為傳輸媒介,不需再次投資,,將成為智能電網(wǎng)通信的主要手段,,因此智能電網(wǎng)建設(shè)將直接帶來PLC 芯片的需求增長,如電能表需求增長在9%左右,。其次來自滲透率提升,。目前處于智能電網(wǎng)建設(shè)初期,PLC芯片利用率還很低,,但作為未來智能電網(wǎng)通信的主要技術(shù),,其滲透率必將大幅提升。如目前載波電能表的市場占比僅為5.2%,,但未來有望達(dá)到40%,。最后還將受益于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。電力線通信也將成為物聯(lián)網(wǎng)通信的主要補(bǔ)充,,未來PLC應(yīng)用中除智能電網(wǎng)的電能管理外,,物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)控制應(yīng)用將占16.8%,智能家居應(yīng)用將占8.0%,,安防監(jiān)控將占1%,。
電力載波通信芯片技術(shù)及市場[圖]" src="http://files.chinaaet.com/images/2011/05/18/5369573137661.jpg" style="width: 489px; height: 278px" />
圖1 國內(nèi)電力載波芯片銷量預(yù)測
二、電力線載波芯片的市場需求空間
預(yù)計到2014年,,我國電力線載波芯片的市場應(yīng)用份額中(見圖2),,除了應(yīng)用于智能電網(wǎng)的電能管理外,工業(yè)控制應(yīng)用將占16.8%,,智能家居應(yīng)用將占8.0%,安防監(jiān)控將占1%,。
圖2 2014 年我國電力線載波芯片應(yīng)用市場預(yù)測
1,、智能電網(wǎng)市場需求
配合中國的用電制度改革,以計算機(jī)為基礎(chǔ)的自動抄表系統(tǒng)成為電力部門響應(yīng)國家這一政策的解決方法,。自動抄表系統(tǒng)目前主要有有線通信技術(shù)和電力載 波通信技術(shù)兩種,。有線通信技術(shù)作為傳統(tǒng)方法,以其穩(wěn)定性占有優(yōu)勢,。但有線通信鋪線工程浩大,,而且容易被人為損壞;同時居民樓已建成,,再在墻壁表面拉線,不 能讓居民接受,。電力載波通信技術(shù)能有效解決上述問題,,它利用現(xiàn)有交流電源線作為通信線路,省去了不切實(shí)際的鋪線工程,,優(yōu)勢明顯,。自動抄表系統(tǒng)還適用于水表、煤氣表等家用生活表,。
目前主要通信方式有電力線載波,、無線通信、電話線,、光纖,、電纜等,各種通信方式對比見表1,。無線通信可靠性差,,不適合在惡劣環(huán)境中使用,尤其是 不適合電力公司以變壓器為單位的計量方式;光纖成本高,,安裝施工不便,,尤其在目前電網(wǎng)和通信網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)融合下,電力公司不可能再鋪光纜;電纜和電話線需要 將所有電表用導(dǎo)線連接,,建設(shè)成本高,,難以維護(hù),不適合大范圍使用,。電力線載波通信以已有的電力線為載體來傳送網(wǎng)絡(luò)信息,,因此幾乎不需要基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常 維護(hù)費(fèi)用,而且由于電力線在現(xiàn)代生活中已無處不在,,可不受布線困擾和無線環(huán)境影響,,實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋。
表1 各種通信方式對比
電力線載波通信技術(shù)發(fā)展成熟,,完全可以勝任未來智能電網(wǎng)通 信的需要,。電力線載波技術(shù)早在上世紀(jì)二十年代就已在歐美實(shí)現(xiàn),目前已成為通信標(biāo)準(zhǔn),,推廣條件成熟,。美國的Echelon 公司創(chuàng)立的LonWorks 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)中的LonTalk 通信協(xié)議,以及基于PLT-22 電力線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信號傳輸方式被FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)確定為北美PLC 通信標(biāo)準(zhǔn);歐洲意法半導(dǎo)體公司的PLC 通信技術(shù)被CENELEC(歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會)確定為歐洲PLC 通信標(biāo)準(zhǔn),。電力線載波技術(shù)通過發(fā)展選頻,、中繼、擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)基本上克服了電力線傳輸中存在的高衰落,、高干擾問題,。選頻可盡量避免選擇性衰落;中繼 則解決了電力線傳輸損耗較大的問題;擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)制提高了平均信噪比,,減小了信號誤碼率。國家電網(wǎng)的智能電表招標(biāo)情況來看,,載波表成為主流,,由此也驗(yàn)證 了電力線載波技術(shù)將是智能電網(wǎng)未來發(fā)展的方向。
2,、物聯(lián)網(wǎng)市場需求
物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為電力線載波芯片提供容量巨大的新興市場,,目前物聯(lián)網(wǎng)處于加速啟動建設(shè)階段,對電力線載波芯片的需求將保持較高的增速,。
物聯(lián)網(wǎng)是個萬億級產(chǎn)業(yè),,帶來電力線網(wǎng)的應(yīng)用革命。物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是我國今后信息化建設(shè)的重心,,含蓋了工業(yè)生產(chǎn),、公共服務(wù)、社會管理,、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),、家居服務(wù)、軍事航天等眾多領(lǐng)域應(yīng)用,,預(yù)計到2020 年將形成一個萬億級產(chǎn)業(yè),。物聯(lián)網(wǎng)通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián),因此物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)必將為包括電力線網(wǎng)在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的應(yīng)用市場(見圖3),。
圖3 電力線載波芯片在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
加快建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)必將改造現(xiàn)有電力網(wǎng),,電力線載波芯片需求將急升。2009年 8月溫總理提出“感知中國”,,物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)步伐明顯加快,,利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)成為政府和企業(yè)的首選。電力線作為規(guī)模最大,、終端最多,、布線最方便的線路系 統(tǒng),只要通過電力線載波芯片改造為通信網(wǎng)絡(luò),,便能為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供覆蓋最廣,、成本最低的通信網(wǎng)絡(luò),不僅帶來社會效益,,也為電力公司帶來巨大的增值服務(wù)空 間,。
三、電力線通信需要強(qiáng)大載波芯片
電力線是給用電設(shè)備傳送電能,,而不是用來傳送數(shù)據(jù)的,所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制:
首先,,配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用,,所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送,。其次,三相電力線間有很大信號損失 (10dB-30dB),,一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸,。第三,不同信號耦合方式使電力載波信號的損失不同,,耦合方式有線-地耦合,,線-中線耦 合。線-地耦合方式與線-中線耦合方式相比,,電力載波信號少損失十幾分貝,,但線-地耦合方式不是所有地區(qū)的電力系統(tǒng)都適用。第四,,電力線自身的脈沖干擾,, 加大了應(yīng)用難度。第五,,電力線對載波信號有高削減,。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時,線路阻抗可達(dá)1歐姆以下,,造成對載波信號的高削減,。實(shí)踐中,當(dāng)電力線空載時,,點(diǎn) 對點(diǎn)載波信號可傳輸?shù)綆坠镆酝?,但?dāng)電力線上負(fù)荷很重時,只能傳輸幾十米,。因此,,需要進(jìn)一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅岣咻d波信號功率 會增加產(chǎn)品的成本和體積,,而且,,單一提高載波信號功率往往并不是最有效的方法。第六,,電力線上有高噪聲,。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備,阻性的,、感性 的,、容性的;有大功率的、小功率的,。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉,,就會給電力線上帶來各種噪聲干擾,而且幅度比較大,。用耦合電感從 電力線上耦合下來的噪聲一般就在10mV以上,,而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號會削減到1mV,,如不采用電力線專用modem芯片來解調(diào)數(shù)據(jù)信號,通信距離會相當(dāng) 短,。第七,,電力線可使數(shù)據(jù)信號變形。電力線是一個分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò),,不同點(diǎn)對數(shù)據(jù)信號影響不一樣,,同時電力線是時刻動態(tài)變化的,不同時間對數(shù)據(jù)信號影響也不 一樣,,這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號,,經(jīng)過電力線后,發(fā)生嚴(yán)重變形,,必須加以特殊處理,。
四、國內(nèi)現(xiàn)有電力載波通信芯片技術(shù)特點(diǎn)
中國的電*性,、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及居民住宅分布狀況使電力線載波通信在應(yīng)用方面與國外有一些不同之處,。近年來,不少國內(nèi)公司也推出了自己的電力線載波通 信芯片,,取得了一些可喜的突破?,F(xiàn)有的電力波通信芯片的技術(shù)特點(diǎn)可以從調(diào)制方式、傳輸速率,、通信頻率,、通信功率、EMI標(biāo)準(zhǔn),、芯片技術(shù)等方面進(jìn)行探討,。國 內(nèi)載波通信芯片參數(shù)見表2。
表2 國內(nèi)載波通信芯片參數(shù)表
1,、調(diào)制方式與傳輸速率
目前電力線載波通信常用的擴(kuò)頻技術(shù)主要有:直接序列擴(kuò)頻,、線性調(diào)頻Chirp和正交頻分復(fù)用OFDM等。此外,,跳頻FH,、跳時TH以及上述各種方式的組合擴(kuò)頻技術(shù)也較為常用。
國內(nèi)載波通信產(chǎn)品主要采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。其中東軟為FSK,,15 位直序列擴(kuò)頻通信;福星曉程DPSK 63 位直序擴(kuò)頻;彌亞微為QPSK擴(kuò)頻調(diào)相,、過零同步、分時傳輸;鼎信為二進(jìn)制連續(xù)相位移頻FSK,,過零同步、分時傳輸,。
上述各家的擴(kuò)頻技術(shù)各有不同特點(diǎn),。對載波通信芯片性能最直接影響在于可靠性和傳輸速率。目前這四家中,,傳輸速率分別為彌亞微,,同時提供200、 400,、800,、1600bps四種可變速率;東軟:330bps;福星曉程:250/500bps;鼎信:100bps。按照現(xiàn)階段現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用狀況來 看100至500bps速水平僅能用于普通抄表功能,,如果涉及到遠(yuǎn)程控制(斷送電)和管理功能則需要提供更高速率保證,。
2、通信頻率
關(guān)于通信頻率,,在美國由聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100~450kHZ;在歐洲由歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會的EN50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3~148.5kHZ,。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著的貢獻(xiàn),目前全球AMR系統(tǒng)均采用該頻段標(biāo)準(zhǔn),。
國內(nèi)載波通信芯片中符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)的為2家,,分別是福星曉程120KHz和彌亞微57.6KHz/76.8KHz/115.2KHz三種可選。
3,、通信功率及EMI指標(biāo)
國內(nèi)東軟,、福星曉程、鼎信等多數(shù)載波通信方案為了針對國內(nèi)電力信道環(huán)境中的衰減,,均采取加大通信傳輸功率等做法,。在實(shí)際產(chǎn)品化的過程中,基本上 做到3W至5W,,有的電表廠甚至做到了8W,,這種做法是絕對不可取的。首先,,這種做法導(dǎo)致電表產(chǎn)生的功耗損失無疑增加的線損,,造成大量的能源浪費(fèi),這也有 悖于國網(wǎng)公司上集抄系統(tǒng)的初衷;其次,,如此大的功率傳輸將會嚴(yán)重污染電力線信道環(huán)境,,我們原來是惡劣的電力線信道環(huán)境的受害者,現(xiàn)在卻也能成為最大的制造 者。
就目前研究了解的情況,,國內(nèi)只有彌亞微的載波芯片Mi200E采取低功耗設(shè)計,。其發(fā)送信號時的功率僅為0.4W,在保證可靠的通信性能的同時該芯片EMI等相關(guān)指標(biāo)滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn),。
4,、芯片技術(shù)
嚴(yán)格意義上講,國內(nèi)載波通信方案供應(yīng)商并不完全都是芯片設(shè)計研發(fā)企業(yè),,像東軟和鼎信均是采用MOTROLA的MC3361+單片機(jī)通過軟件完成 物理層,、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的模式,。其優(yōu)點(diǎn)是降低了研發(fā)難度,,但該模式會導(dǎo)致其核心技術(shù)(相關(guān)軟件)容易泄密或被解密,安全性值得探討,。福星曉程和彌亞微均 是完全自主開發(fā)的載波通信芯片產(chǎn)品,。
五、促進(jìn)電力線載波芯片的發(fā)展
目前比較認(rèn)同的芯片方案是:采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù),、多階的模擬和數(shù)字濾波,、AGC自動控制、DSP算法*噪音強(qiáng)度,。但國際遠(yuǎn)傳電表市場的發(fā)展,,也對國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)提出更高要求。針對遠(yuǎn)傳電表市場,,我個人認(rèn)為電力線載波通信芯片要做到以下幾點(diǎn):
1,、穩(wěn)定可靠性不高
電力線通信(PLC)在歐美等地區(qū)集抄方案(AMR)中的應(yīng)用已有幾十年的歷史,使用效果非常好,。盡管國內(nèi)對電力線通信關(guān)注度非常高,,但在中國 本地還沒有取得明顯的成績。其中最大的障礙之一是其通信的穩(wěn)定可靠性,,這是所有基于載波抄表方案必須解決的一個迫切問題,,而且在解決這個問題時,不能提高 解決方案成本,。
2,、解決通信距離問題
在線路負(fù)荷較重的情況下,通信距離能達(dá)到300米到500米,,也就是說加一兩級中繼,,在同一配電變壓器下解決通信距離問題。
3,、把電力線載波通信芯片集成到電表中
電力線載波通信芯片集成到遠(yuǎn)傳電表中,,傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)用集中器采集電表脈沖,,再轉(zhuǎn)換成電表讀數(shù),造成了自動抄表系統(tǒng)讀數(shù)與電表實(shí)際讀數(shù)不一致,,在繳費(fèi)時,,用戶會有疑問,使目前自動抄表系統(tǒng)未能發(fā)揮應(yīng)有作用,。隨著電子電表的普及,,把電力線載波通信芯片集成到電表中,就可從根本上解決上述問題,。目前,,有不少公司在研發(fā)全電子電表的單芯片解決方案,這是國內(nèi)外一大趨勢,。
4、標(biāo)準(zhǔn)制定迫在眉睫
把電力線載波通信芯片集成到遠(yuǎn)傳電表中,,如何保證不同廠家電表能相容于同一系統(tǒng)中,,又使得通信標(biāo)準(zhǔn)的制定迫在眉睫。