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电力线载波通信国内电力载波通信芯片技术及市场

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一、电力线载波芯片市场前景

电力线载波通信(PLC)芯片作为改造传统电网的主要手段,并且作为物联网通信的有力补充,将随智能电网和物联网的全面建设引来爆发增长。中国半导体行业协会CSIA预计至2014年,总需求将达到5*万片,未来5年复合年增速(CAGR)将达到61%,国内电力线载波芯片销量预测见图1。需求增长来自三方面:首先受益于智能电网建设。电力线载波通信以电力线作为传输媒介,不需再次投资,将成为智能电网通信的主要手段,因此智能电网建设将直接带来PLC芯片的需求增长,如电能表需求增长在9%左右。其次来自渗透率提升。目前处于智能电网建设初期,PLC芯片利用率还很低,但作为未来智能电网通信的主要技术,其渗透率必将大幅提升。如目前载波电能表的市场占比仅为5.2%,但未来有望达到40%。最后还将受益于物联网建设。电力线通信也将成为物联网通信的主要补充,未来PLC应用中除智能电网的电能管理外,物联网的工业控制应用将占16.8%,智能家居应用将占8.0%,安防监控将占1%。

二、电力线载波芯片的市场需求空间

预计到2014年,我国电力线载波芯片的市场应用份额中(见图2),除了应用于智能电网的电能管理外,工业控制应用将占16.8%,智能家居应用将占8.0%,安防监控将占1%。

1、智能电网市场需求

配合中国的用电制度改革,以计算机为基础的自动抄表系统成为电力部门响应国家这一政策的解决方法。自动抄表系统目前主要有有线通信技术和电力载波通信技术两种。有线通信技术作为传统方法,以其稳定性占有优势。但有线通信铺线工程浩大,而且容易被人为损坏;同时居民楼已建成,再在墙壁表面拉线,不能让居民接受。电力载波通信技术能有效解决上述问题,它利用现有交流电源线作为通信线路,省去了不切实际的铺线工程,优势明显。自动抄表系统还适用于水表、煤气表等家用生活表。

目前主要通信方式有电力线载波、无线通信、电话线、光纤、电缆等,各种通信方式对比见表1。无线通信可靠性差,不适合在恶劣环境中使用,尤其是不适合电力公司以变压器为单位的计量方式;光纤成本高,安装施工不便,尤其在目前电网和通信网无法实现融合下,电力公司不可能再铺光缆;电缆和电话线需要将所有电表用导线连接,建设成本高,难以维护,不适合大范围使用。电力线载波通信以已有的电力线为载体来传送网络信息,因此几乎不需要基础建设投资和日常维护费用,而且由于电力线在现代生活中已无处不在,可不受布线困扰和无线环境影响,实现大范围覆盖

电力线载波通信技术发展成熟,完全可以胜任未来智能电网通信的需要。电力线载波技术早在上世纪二十年代就已在欧美实现,目前已成为通信标准,推广条件成熟。美国的Echelon公司创立的LonWorks网络传输技术中的LonTalk通信协议,以及基于PLT-22电力线网络技术的信号传输方式被FCC(美国联邦通信委员会)确定为北美PLC通信标准;欧洲意法半导体公司的PLC通信技术被CENELEC(欧洲电工标准化委员会)确定为欧洲PLC通信标准。电力线载波技术通过发展选频、中继、扩频和自适应调制技术基本上克服了电力线传输中存在的高衰落、高干扰问题。

选频可尽量避免选择性衰落;中继则解决了电力线传输损耗较大的问题;扩频和自适应调制提高了平均信噪比,减小了信号误码率。国家电网的智能电表招标情况来看,载波表成为主流,由此也验证了电力线载波技术将是智能电网未来发展的方向。

2、物联网市场需求

物联网建设为电力线载波芯片提供容量巨大的新兴市场,目前物联网处于加速启动建设阶段,对电力线载波芯片的需求将保持较高的增速。

物联网是个万亿级产业,带来电力线网的应用革命。物联网建设是我国今后信息化建设的重心,含盖了工业生产、公共服务、社会管理、现代化农业、家居服务、军事航天等众多领域应用,预计到2020年将形成一个万亿级产业。物联网通过通信网络实现信息互联,因此物联网建设必将为包括电力线网在内的通信网络带来巨大的应用市场。

加快建设物联网必将改造现有电力网,电力线载波芯片需求将急升。2009年8月****总理提出“感知中国”,物联网建设步伐明显加快,利用现有通信网络成为政府和企业的首选。电力线作为规模最大、终端最多、布线最方便的线路系统,只要通过电力线载波芯片改造为通信网络,便能为物联网应用提供覆盖最广、成本最低的通信网络,不仅带来社会效益,也为电力公司带来巨大的增值服务空间。

三、电力线通信需要强大载波芯片

电力线是给用电设备传送电能,而不是用来传送数据的,所以电力线对数据传输有许多限制:

首先,配电变压器对电力载波信号有阻隔作用,所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。其次,三相电力线间有很大信号损失(10dB-30dB),一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。第三,不同信号耦合方式使电力载波信号的损失不同,耦合方式有线-地耦合,线-中线耦合。线-地耦合方式与线-中线耦合方式相比,电力载波信号少损失十几分贝,但线-地耦合方式不是所有地区的电力系统都适用。第四,电力线自身的脉冲干扰,加大了应用难度。第五,电力线对载波信号有高削减。当电力线上负荷很重时,线路阻抗可达1欧姆以下,造成对载波信号的高削减。实践中,当电力线空载时,点对点载波信号可传输到几公里以外,但当电力线上负荷很重时,只能传输几十米。因此,需要进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求,但提高载波信号功率会增加产品的成本和体积,而且,单一提高载波信号功率往往并不是最有效的方法。第六,电力线上有高噪声。电力线上接有各种各样的用电设备,阻性的、感性的、容性的;有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭,就会给电力线上带来各种噪声干扰,而且幅度比较大。用耦合电感从电力线上耦合下来的噪声一般就在10mV以上,而一般传输的数据信号会削减到1mV,如不采用电力线专用modem芯片来解调数据信号,通信距离会相当短。第七,电力线可使数据信号变形。电力线是一个分布参数的网络,不同点对数据信号影响不一样,同时电力线是时刻动态变化的,不同时间对数据信号影响也不一样,这就使发出的规则数据信号,经过电力线后,发生严重变形,必须加以特殊处理。

电力线造成传输信号的高削减和高变形,使电力线成为一个不太理想的通信媒介,但由于现代通信技术的发展,使电力线载波通信成为可能,其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。

电力线载波通信的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波专用modem芯片。

四、国内现有电力载波通信芯片技术特点

中国的电*性、电网结构及居民住宅分布状况使电力线载波通信在应用方面与国外有一些不同之处。近年来,不少国内公司也推出了自己的电力线载波通信芯片,取得了一些可喜的突破。现有的电力波通信芯片的技术特点可以从调制方式、传输速率、通信频率、通信功率、EMI标准、芯片技术等方面进行探讨。国内载波通信芯片参数见表2。

1、调制方式与传输速率

目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有:直接序列扩频、线性调频Chirp和正交频分复用OFDM等。此外,跳频FH、跳时TH以及上述各种方式的组合扩频技术也较为常用。

国内载波通信产品主要采用直接序列扩频技术。其中东软为FSK,15位直序列扩频通信;福星晓程DPSK63位直序扩频;弥亚微为QPSK扩频调相、过零同步、分时传输;鼎信为二进制连续相位移频FSK,过零同步、分时传输。

上述各家的扩频技术各有不同特点。对载波通信芯片性能最直接影响在于可靠性和传输速率。目前这四家中,传输速率分别为弥亚微,同时提供200、400、800、1600bps四种可变速率;东软:330bps;福星晓程:250/500bps;鼎信:100bps。按照现阶段现场实际应用状况来看100至500bps速水平仅能用于普通抄表功能,如果涉及到远程控制(断送电)和管理功能则需要提供更高速率保证。

2、通信频率

关于通信频率,在美国由联邦通信委员会FCC规定了电力线频带宽度为100~450kHZ;在欧洲由欧洲电气标准委员会的EN50065-1规定电力载波频带为3~148.5kHZ。这些标准的建立为电力载波技术的发展做出了显着的贡献,目前全球AMR系统均采用该频段标准。

国内载波通信芯片中符合欧洲标准的为2家,分别是福星晓程120KHz和弥亚微57.6KHz/76.8KHz/115.2KHz三种可选。

3、通信功率及EMI指标

国内东软、福星晓程、鼎信等多数载波通信方案为了针对国内电力信道环境中的衰减,均采取加大通信传输功率等做法。在实际产品化的过程中,基本上做到3W至5W,有的电表厂甚至做到了8W,这种做法是绝对不可取的。首先,这种做法导致电表产生的功耗损失无疑增加的线损,造成大量的能源浪费,这也有悖于国网公司上集抄系统的初衷;其次,如此大的功率传输将会严重污染电力线信道环境,我们原来是恶劣的电力线信道环境的受害者,现在却也能成为最大的制造者。

就目前研究了解的情况,国内只有弥亚微的载波芯片Mi200E采取低功耗设计。其发送信号时的功率仅为0.4W,在保证可靠的通信性能的同时该芯片EMI等相关指标满足欧洲标准。

4、芯片技术

严格意义上讲,国内载波通信方案供应商并不完全都是芯片设计研发企业,像东软和鼎信均是采用MOTROLA的MC3361+单片机通过软件完成物理层、MAC层、网络层的模式。

其优点是降低了研发难度,但该模式会导致其核心技术(相关软件)容易泄密或被解密,安全性值得探讨。福星晓程和弥亚微均是完全自主开发的载波通信芯片产品。

五、促进电力线载波芯片的发展

目前比较认同的芯片方案是:采用BPSK调制解调技术、多阶的模拟和数字滤波、AGC自动控制、DSP算法*噪音强度。但国际远传电表市场的发展,也对国内相关产业提出更高要求。针对远传电表市场,我个人认为电力线载波通信芯片要做到以下几点:

1、稳定可靠性不高

电力线通信(PLC)在欧美等地区集抄方案(AMR)中的应用已有几十年的历史,使用效果非常好。尽管国内对电力线通信关注度非常高,但在中国本地还没有取得明显的成绩。其中最大的障碍之一是其通信的稳定可靠性,这是所有基于载波抄表方案必须解决的一个迫切问题,而且在解决这个问题时,不能提高解决方案成本。

2、解决通信距离问题

在线路负荷较重的情况下,通信距离能达到300米到500米,也就是说加一两级中继,在同一配电变压器下解决通信距离问题。

3、把电力线载波通信芯片集成到电表中

电力线载波通信芯片集成到远传电表中,传统的抄表系统用集中器采集电表脉冲,再转换成电表读数,造成了自动抄表系统读数与电表实际读数不一致,在缴费时,用户会有疑问,使目前自动抄表系统未能发挥应有作用。随着电子电表的普及,把电力线载波通信芯片集成到电表中,就可从根本上解决上述问题。目前,有不少公司在研发全电子电表的单芯片解决方案,这是国内外一大趋势。

4、标准制定迫在眉睫

把电力线载波通信芯片集成到远传电表中,如何保证不同厂家电表能相容于同一系统中,又使得通信标准的制定迫在眉睫。

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