基于电力宽带载波技术的智能插座

余锦业

【摘 要】 近年来，随着电力载波通信技术的不断发展，其传输带宽和抗干扰性能都得到大幅度提升，其应用范围已不再局限于服务电力通信，在电力营销领域也得到广泛应用。本文介绍了电力载波通道特点，OFDM技术原理及其优点，同时介绍基于电力载波技术开发的智能插座，包括其组成原理和产品优势，最后介绍了智能用电营销平台。

【关键词】 电力载波 智能插座 智能用电

电力线载波通信（Power Line Communications，PLC）技术能够充分利用最为普及的电力网络资源，在传输电力的同时，承载数据、语音和视频等多项业务，具有建设速度快、投资少、无需室内布线等特点，具备其他接入方式不可比拟的优势。载波通信技术加快发展。低压电力线载波通信的核心问题是载波信号的调制（Modulate）与解调（Demodulate），也即电力载波调制与解调芯片（Modem）。随着低压电力线载波通信技术的发展进步，电力线载波通信的速率、传送数据量、抗干扰能力都得到了很大的提高，为电力线载波通信市场化奠定了重要的物质基础。传输可靠性明显提高。一些新兴的数字技术，例如扩频通信技术、数字信号处理技术和计算机控制技术等在配电领域得到了综合应用，有效提高和改善了低压配电网电力线载波通信的适应性和可靠性，使电力线载波通信技术具有更为广阔的发展潜力。同时行业标准逐步制定。美国联邦通信委员会FCC规定了电力线频带宽度为100～450kHz；欧洲电气标准委员会（CENELEC）的EN50065-1规定电力载波频带为3～148.5kHz；我国国家能源局DL/T 698.1规定电力行业载波频带为3～500kHz。这些标准的建立为电力载波技术的发展做出了显著贡献。

1 电力宽带载波技术原理

1.1 低压电力线载波通道特点

1.1.1 信号衰减大

低压配电网直接连接用户，配电网络各节点负荷情况复杂，由于各节点阻抗不匹配，因而会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得极其复杂。高频信号在低压电力线上的衰减是电力载波通信遇到的一大困难。对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。这种衰减与通信距离及信号频率有密切关系。同时，信号的衰减与频率、工频电源的相位有关。

1.1.2 噪声干扰强

研究表明.低压电力线上大量存在的强噪声是限制实现数据优质传输的主要障碍之一。电力线上的干扰可近似分为四类：周期性连续干扰，周期性脉冲干扰，时不变连续干扰，随机突发干扰，低压电力线的干扰具有周期性，随机性，多变性的特点。

1.1.3 时变性

低压电力线直接面向进户，用户接入负载变化情况十分复杂，难以预计，即在不同时刻，干扰的强度和频率都不相同，在同一低压电网内，不同地点的干扰情况也不一样。

1.2 正交频分复用OFDM技术优势

正交频分复用（OFDM）具有频带利用率高、抗噪声干扰能力强、抗信道衰落好、易实现等一系列优点；即便是在受到严重干扰的情况下，OFDM也可保证带宽和传输效率，因而OFDM是目前电力载波宽带通信的必然选择。

电力载波通信由于以往载波技术频段窄干扰多，其使用受到限制。正交频分复用技术能有效克服电力载波通道的干扰与衰减，目前其传输带宽可达到100兆，可以传输视频等信号。因而能够得到大规模广泛应用。是一种被电力载波通信行业普遍看好的高效多载波宽带数字调制技术。

低压电力线通信环境恶劣，具有阻抗变化大，时变性强，衰减大，噪声干扰强等特点，而多载波正交频分复用（OFDM）调制技术具有较强的抗干扰能力以及较高的带宽利用率，在克服窄带干扰和频率选择性衰落方面具有很强的鲁棒性。因此，OFDM技术是在低压电力载波通信理想选择。

1.3 正交频分复用技术原理

正交频分复用（oFDM）是一种多载波传输技术，它将可用频谱分成多个子载波，每个子载波用一路低速数据进行调制。在接收端在将数据进行合并，从而提高了数据的传输速率。

它的基本思想是通过相互重叠的子信道同时应用并行数据传输技术以及频分复用技术（FDM）。并行数据传输可通过扩展多信号的效率来有效抵抗脉冲干扰噪声的影响。

OFDM调试和解调原理框图如图1和图2所示。

1.4 基于OFDM技术电力载波通信模块设计

针对电力载波通道复杂噪声，衰减特性，时变阻抗特性的信道环境，电力载波硬件平台的选择需要考虑处理能力，存储容量，接口等因素，本项目选用MAXIM公司的专用芯片MAX2990和模拟前端芯片MAX2991. MAX2990内部功能框图如图3所示。

图4所示为电力载波系统框图。

2 基于电力载波技术开发的智能插座

2.1 智能插座功能

智能插座可对所接电器设备电量进行测量，并且通过智能电表回传电力公司后台，后台可对电器设备的远程管理、电量监测、设备保护等，插座自身具备抑制瞬流、过电压、高次谐波等功能；具有抗干扰能力强、耐高压冲击、防雷、性能稳定、寿命长等优点。当检测到电流过载时自动切断负载，预防用电设备火灾事故的发生。其功能有：

（1）真正实现了“全采集、全费控”的目标；

（2）大数据量实时双向通讯；

（3）事件实时主动上报；

（4）快速的自动组网；

（5）具有抗干扰能力和自适应能力；

（6）低功耗自动控制技术；

（7）值得信赖的安全性；

（8）支持扩展业务开发；

（9）强大的系统管理工具。

2.2 智能插座系统组成

如图5所示，插座电源模块经火线和零线实现电信号采样并送入计量模块处理，计量模块处理结果送到主控芯片处理，主控芯片经过继电器可对负载进行开闭操作，主控芯片经电力载波模块和智能电表建立通信并上传电量信息，用户在按键对智能插座强行复位送电。电力公司后台也可以下发命令（从智能电表到载波模块），对用户进行停电操作。

载波芯片采用华为海思开发的宽带载波芯片HI3911。该芯片符合国家电网技术规范，与国网智能电表和集中器接口完全兼容，传输带宽可达到27MHZ.宽带载波在实时性、通信速率、动态组网上有明显优势，体现在业务上，主要是抄通率达到100%（排除其他非线路问题），智能插座将信息回传到后台后，电力公司后台实现实时费控、远程实时充值，实现台区线损分析等。

计量芯片采用深圳合力为公司的HLW8014芯片开发，HLW8014为单相多功能计量芯片，能够测量有功功率、有功电能，提供有功功率（2路）和电流有效值（2路）、电压有效值、线频率、功率因数、过零中断和正弦波比较等。并提供有功总能量和正负能量独立计量功能，可实现灵活的防窃电方案。提供SPI串行接口，方便与外部MCU之间的通讯。

2.3 技术指标

载波技术指标。

2.3.1关键指标

（1）物理层速率100Kbit/s～16Mbit/s；

（2）应用层速率30Kbit/s～4Mbit/s；

（3）芯片工作功耗<600mW，待机功耗<100mW；

（4）表侧通信模块工作功耗<1.2W，待机功耗<250mW。

2.3.2 物理层特性

（1）工作频率范围200KHz～12.5MHz，带宽2MHz，并支持频率扩展；

（2）采用OFDM技术，子载波支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM调制；

（3）子载波自适应调制；

（4）支持FEC和CRC功能，强大的去噪和纠错能力；

（5）针对复杂电力信道设计的高鲁棒性帧结构；

（6）可在 240 VAC， 120 VAC， 24 VAC或直流电力线上稳定工作，最大传输距离大于1Km。

2.3.3 MAC特性

（1）支持TDMA和CSMA/CA，提供冲突避免机制；

（2）支持数据分段和重组，提高传输效率；

（3）支持数据重传机制；

（4）支持AES/3DES/DES数据加解密；

（5）支持4级QoS，满足不同业务服务质量需求。

2.3.4 组网特性

（1）支持自动快速组网；

（2）支持终端个数1000个；

（3）支持自动中继，最大可支持15级中继；

（4）支持动态路由，多路径寻址；

（5）支持静态路由。

2.3.5 网络共存

（1）支持ITU G.9972 ISP协议，与家庭互联设备共存；

（2）支持集中器级联，支持跨台变识别、避免串扰CPU；

（3） 高性能的ARM处理器，工作频率266MHz；

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

2.3.6 存储接口

（1）内嵌SDRAM存储器，最大支持16MB；

（2）支持SPI外接存储器。

2.3.7 外围接口

（1）1个MII接口，支持10/100Mbit/s网络扩展（Hi3911C支持）；

（2）1个SPI Master/Slave接口（Hi3911C支持）；

（3）4个UART接口；

（4）32个GPIO接口；

（5）1个I2C接口。

2.3.8 封装

（1）Hi3911T：QFN64 9mm×9mm 0.5mm封装；

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

（3）工作温度：-40℃～+85℃；

（4）工作电压：IO 3.3V、Core 1.2V。

2.4 电力载波技术优势

（1）信号络覆盖范围广，无需重新布线；

（2）相比光纤通信，电力宽带载波可以极大减少设备投资；

（3）相比无线通信，其受干扰少，通信可靠性高；

（4）符合国家电网公司技术标准，与智能电表、集中器接口完全兼容，可与电力公司后台建立通信；

（5）因为带宽大，可以支持用户上网和视频等多种业务，各种家电也可以通过智能插座连接，构建家庭电力载波通信生态圈，可以用来做智能家居统一接口；

（6）下一代载波技术可以支持ANDROID操作系统，可作为信息节点。

2.5 智能用电平台电力公司营销后台上建立用户能源监控系统

2.5.1 能源管理模块功能

（1）从能耗统计呈现、能耗分析、分项计量体系，自定义分析、电能耗分析、时间对比分析多个角度实现能源全面管理；

（2）从城市、园区、建筑、楼层；集团、公司、部门；能源种类和计量结构等多维度进行能源分析；

（3）全面兼容国家和产业相关标准。

2.5.2 告警功能模块功能

（1）设备报警分类管理，对报警分为一般报警、重要报警、严重超限报警和重要严重超限报警4类管理统计；

（2）实施统计报警结果；

（3）对重要报警结果自动触发短信、邮件提醒；

（4）记录报警处理过程和人员；

（5）记录处理时间和措施。

2.5.3 设备管理模块功能

（1）对主要设备参数进行实时监控；

（2）及时发现设备故障；

（3）及时发现设备效率的重大变化；

（4）深入挖掘设备运行策略，改善运行效果，保障节能高效安全运行。

2.5.4 能效管理平台包含如下功能

（1）专家管理模块功能：从能耗统计呈现、能耗分析、分项计量体系，自定义分析、电能耗分析、时间对比分析多个角度实现能源全面管理；如图6所示。

（2）从城市、园区、建筑、楼层；集团、公司、部门；能源种类和计量结构等多维度进行能源分析。

（3）全面兼容国家和产业相关标准。

能效管理平台做为智能配电网的组成部分，和技术支持平台及营销平台实现有机互动和相互支持。

3 结语

由于电力载波具有信号覆盖范围广，信号可靠，节省设备投资等优点，因为会在电力营销系统中获得大范围应用推广，为主动配网建设和电网大数据分析提供坚强保障！