电力专用宽带电力线载波通信芯片的设计与应用

周春良，周芝梅，樊文杰，王连成，冯 曦，唐晓柯

(1.北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京 100192；2.北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)



电力专用宽带电力线载波通信芯片的设计与应用

周春良1,2，周芝梅1,2，樊文杰1,2，王连成1,2，冯 曦1,2，唐晓柯1,2

(1.北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京 100192；2.北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)

在分析用电信息采集系统及其对电力线载波通信技术要求的基础上，针对目前窄带载波和宽带载波存在的问题，设计出一种新型的高性能、低成本、低功耗的电力专用宽带电力线载波通信芯片。详述了该芯片的结构及其关键技术，并结合智能电网用电信息采集系统中两种典型通信单元的不同需求，提出了基于该芯片的模块实现方案。

宽带电力线载波通信；用电信息采集系统；终端模块；局端模块

0 引言

随着国家智能电网和物联网建设的全面展开，尤其是用电信息采集系统建设的全面推进，电力线载波通信技术凭借电力线天然资源优势得到大范围的推广和应用，已成为智能电网本地接入最主要的通信方式。但目前大量使用的电力线窄带载波通信技术存在通信速率低、稳定可靠性差等缺陷，无法满足智能电网用电环节信息双向交互业务的要求。同时HomePlug、G.hn等国际宽带电力线通信标准主要针对的是因特网高速接入、音视频传输等室内应用场景，强调的是大带宽、高速率，在传输距离、成本、功耗等方面也不能很好地满足用电信息采集的室外应用需求[1]。因此有必要开展针对用电信息采集的电力专用宽带电力线载波通信技术研究，进行相应芯片研发及其应用开发，加速电力线载波通信技术从窄带向宽带过渡，提高智能用电环节的通信技术水平和综合服务能力。

1 系统分析

如图1所示，用电信息采集系统通常由主站、通信信道和采集设备三部分组成。主站一般由营销系统服务器、前置采集服务器和相关的网络设备等组成。通信信道是指主站与集中器之间的远程通信信道，包括GPRS/CDMA公网、LTE230专网、光纤和以太网等。采集设备主要有集中器、采集器和电表,设备之间的本地信道主要是电力线载波和485(无线抄表用微功率)。为了适应不同的供电半径和电表的分散程度，载波抄表可分为“集中器+载波表”的全载波、“集中器+载波采集器+485表”的半载波，以及“集中器+(载波采集器+485表)+载波表”的混合载波三种方式。在宽带载波抄表系统中，定义了三种角色:中央协调器CCO、代理协调器PCO和站点STA。CCO是网络中的主节点，负责完成组网控制、网络维护管理等功能，对应的设备实体为集中器本地通信单元。STA为从节点，负责完成相应电表信息采集和状态上报，同时充当PCO角色，进行站点间数据的中继转发，对应的设备实体为安装在电表、采集器中的通信单元。宽带载波通信网络通常形成以CCO为中心、以PCO为中继代理、连接所有STA的多层级树形网络[2]。

图1 用电信息采集系统简图

2 芯片设计

针对用电信息采集系统中载波通信主节点CCO和从节点STA的特点，在芯片设计时须同时考虑两种通信单元不同的性能和成本要求。

2.1 芯片结构

芯片整体结构如图2所示，采用二级AMBA总线架构:一级为32位高性能AHB总线、二级为32位低速APB外设总线。

图2 芯片整体结构

AHB总线是一个矩阵式结构，总线的主设备包括CPU核、系统DMA、载波MAC硬件模块及物理层模块(PLC MAC HW/PLC PHY)；从设备包括SDRAM控制器及其配置接口、BootROM、SPI Flash控制器、系统DMA、载波模块配置接口以及AHB2APB桥等。

APB总线上的设备主要包括以太网接口SPI_MAC、定时器Timer、串口UART、I2C控制器、GPIO模块、PWM模块、系统控制单元SCU等。APB总线上的各种SPI控制器及串口都支持DMA模式。

此外，芯片还集成了高性能、低功耗的模拟前端AFE，AFE主要包括模数转换器ADC、数模转换器DAC、低通滤波器LPF和可编程增益放大器PGA。

2.2 关键技术

用电信息采集系统中宽带载波通信面临的主要问题是覆盖范围、可靠性、成本和功耗，通信速率较HomePlug等标准可大幅降低，典型10 Mb/s物理层数据速率已能满足所有应用需要[3],为此芯片在多方面进行了专门的设计。

在频段选择方面，芯片基本工作频段为2～12 MHz，向下可扩展至500 kHz，同时应用小带宽模式或载波屏蔽方式，芯片可工作在6 MHz以下。芯片工作频段避开了有较大周期性噪声(与工频相关)和脉冲干扰的窄带载波工作的低频段。与HomePlug的2～30 MHz相比，芯片工作频段较低、带宽较窄，一方面可避开衰减较快的高频段，提高了通信距离；另一方面可使时钟采样率成倍降低，结合较低阶的调制技术，能大大降低对模拟前端及线路驱动器的性能要求，从而降低芯片的功耗和成本。

电力线信道存在着很大的突发脉冲干扰、多径时延和频率选择性衰落，为此芯片物理层采用了先进的信道编码技术和多载波OFDM调制技术[4]。利用Turbo码强大的纠错能力及信道交织对误码数据的分散化，可以纠正大部分突发脉冲干扰引起的错误。采用OFDM调制技术，把高速串行数据转化为低速并行数据，结合较长的保护间隔，可以有效解决多径时延引起的符号间干扰[5]。此外芯片还采用了增强的拷贝交织技术，形成时频二维分集，接收机可以就单个拷贝和多个拷贝合并分别进行译码与CRC校验，从而大大提高电力线信道的鲁棒性，有效对抗窄带脉冲干扰和噪声。

相比于无线信道，电力线的时变特性较慢，故在OFDM符号中没有导频，信道估计通过前导来获得。前导是一个具有良好相关性的周期性序列，由SYNCP和SYNCM组成。SYNCP最长为10.5个符号，可用来做自动增益控制AGC、帧同步、频偏估计、符号同步等；SYNCM为2.5个符号，可用来做信道估计。芯片前导长度比HomePlug长，提高了低信噪比下同步捕获的能力。

在MAC层，芯片采用了CSMA/CA与TDMA相结合的信道冲突避免机制及数据分段、重组和重传机制，可有效提高点到点通信可靠性。在网络层，芯片支持自动快速组网、自动中继、动态路由和多路径寻址，可进一步提高网络传输距离和可靠性。

在时钟设计方面，芯片CPU和总线之间采用同步设计，但支持整数倍频关系，通过时钟使能信号来控制，在芯片初始化时性能瓶颈在外设，CPU和总线同频；在正常工作时，可根据应用需求来设置，达到性能和功耗之间的平衡。在封装方面，芯片支持两种封装形式，同时采用了SDRAM合封技术，来减少芯片整体管脚数量和封装尺寸，降低BOM成本，满足模块小尺寸的要求。

3 芯片应用

针对用电信息采集系统中采集器、电表和集中器对载波通信的不同需求，应用宽带载波芯片，可开发相应的三种通信模块，前两种硬件电路基本相似，统称为终端模块，后一种称为局端模块。终端模块强调低功耗、低成本和小体积，局端模块侧重高性能。

终端模块硬件平台如图3所示，提供UART业务物理接口,支持多功能电能表通信DL/T 645协议，可实现电表信息的远程抄读等功能。此外针对采集器提供485和红外通信接口，可通过485总线和红外抄读电表，且支持数据透传功能。

图3 终端硬件平台

局端硬件平台如图4所示，配备UART、10/100M自适应以太网等业务物理接口，支持DL/T 645协议，可实现电表信息的远程抄读、远程费控等功能。

图4 局端硬件平台

实际应用中，95%以上的通信模块是终端模块，成本和功耗是一个重要的考虑因素。终端模块只需处理单相信号且接口较少，芯片采用小封装形式，合封2 MB SDRAM，工作时CPU与总线频率为2∶1。硬件平台主要由载波通信芯片、线路驱动器LineDriver、LC带通滤波器BPF、耦合变压器Coupling Transformer四部分组成。LineDriver用于对发送模拟信号进行放大，BPF用于对接收模拟信号进行滤波，Coupling Transformer用于收发模拟信号与电力线之间的耦合。芯片提供两个串口，一个用于调试，另一个用来与电力终端进行数据交换。操作系统、协议栈及应用层软件在系统启动时通过BootCode从片外SPI Flash存储器加载到芯片内部的CCM和SDRAM存储器中。

局端模块在终端模块基础上，增加了以太网接口作网络扩展，此外局端模块须支持三相信号处理，对应有3个耦合变压器，需芯片产生三相分时切换的控制信号。局端模块接口较多，采用大封装形式，同时对存储容量及性能要求较高，合封8 MB SDRAM，工作时CPU与总线频率为3∶1。此外也可采用3个终端模块并列的方式来实现局端模块的功能，每个模块处理一相，其中一个充当主控，负责数据汇聚、分发和与集中器的通信，这种方案性能稍高，但成本高、功耗大，较少采用。

4 结论

基于电力专用宽带电力线载波通信芯片的通信模块已经完成了基本的原型验证并投入了试点应用，结果表明，在组网速度、抄收成功率、抄收速度、并发抄表等方面较窄带载波有明显的优势，在传输距离、成本和功耗方面较HomePlug等宽带芯片有很大的改善，这对加快宽带载波的推广、加速智能电网用电信息采集系统的建设有着重要的参考意义。

[1] Liu Jianming, Zhao Bingzhen, Geng Liang，et al. Current situations and future developments of PLC technology in China[C]. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, 2012:60-65.

[2] 国家电网公司.电力用户用电信息采集系统通信协议第5部分：基于宽带载波通信的数据传输协议(征求意见稿)[S].2014.

[3] Liu Jianming, Zhao Bingzhen, Geng Liang，et al. Communication performance of broadband PLC technologies for smart grid[C]. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, 2011:491-496.

[4] 戚佳金，陈雪萍，刘晓胜.低压电力线载波通信技术研究进展[J].电网技术，2010,34(5):161-172.

[5] 何世彪，王杰强，韩彦净，等. OFDM低压电力线通信系统的符号同步及其FPGA实现[J].电子技术应用，2012,38(4):94-97.

Design and application of broadband PLC chip special for electric power

Zhou Chunliang1,2, Zhou Zhimei1,2, Fan Wenjie1,2, Wang Liancheng1,2, Feng Xi1,2, Tang Xiaoke1,2

(1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China;2. Beijing Engineering Research Center of High-Reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China)

Based on the analysis of electric energy data acquisition system and its requirement for power line communication(PLC) technology，a new type of high performance, low cost and low power broadband PLC chip special for electric power is designed aiming at the existing problem of current narrowband PLC and broadband PLC. The chip structure and key technology are described in detail, and combined with the different requirements of two type typical communication units for electric energy data acquisition system in smart grid, a module implementation solution based on this chip is provided.

broadband PLC; electric energy data acquisition system; terminal module; central module

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.010

周春良，周芝梅，樊文杰,等.电力专用宽带电力线载波通信芯片的设计与应用[J].微型机与应用，2017,36(11)：34-36，43.

2017-01-09)

周春良(1977-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：通信芯片与系统实现。

周芝梅(1977-)，女，硕士，工程师，主要研究方向：信号处理与专用集成电路设计。

樊文杰(1982-)，男，本科，工程师，主要研究方向：无线通信算法与芯片设计。