智能電表的通信難題及實(shí)用的解決方案介紹

智能電表和其他“智能能源”設(shè)備和儀器的通信和連接需求對設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

讓我們來了解一下智能電表的通信難題，并了解當(dāng)前設(shè)備是如何解決這些難題的。然后，我們將考慮應(yīng)如何解決這些難題來提供具有成本效益且能滿足未來需求的實(shí)用智能電網(wǎng)解決方案。

下圖1顯示了智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示例，將有助于理解為什么靈活性和多模是新一代智能電表的關(guān)鍵部署屬性。

圖1

靈活性和多模：新一代智能電表的關(guān)鍵部署屬性

解決方案基于各種各樣的技術(shù)，因地理位置、當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量而異。

HAN(家域網(wǎng))或 BAN(樓域網(wǎng))使用短距離無線標(biāo)準(zhǔn)(如 ZigBee、Thread、WiFi和藍(lán)牙)將家電設(shè)備連接到智能電表。它還可以使用PLC(電力線載波)有線技術(shù)。

NAN(鄰域網(wǎng))使用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如蜂窩 M2M(GPRS、3G、LTE MTC、NB-IoT、LPWAN)將每個(gè)電表直接連到基站，并使用云或網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如 PLC 或 802.15.4g 將所有智能電表節(jié)點(diǎn)聚集到 DAP(數(shù)據(jù)聚集點(diǎn))，而該 DAP 將使用蜂窩 M2M(GPRS、3G、LTE MTC)直接連接到基站或通過以太網(wǎng)直接連接到云。

靈活性

解決方案必須要有足夠的靈活性才能支持上面列出的所有標(biāo)準(zhǔn)，其中的部分標(biāo)準(zhǔn)仍在開發(fā)中，可能需要現(xiàn)場更新和遠(yuǎn)程升級。

例如 PLC 技術(shù)已經(jīng)被多家標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行過標(biāo)準(zhǔn)化，如 IEEE P1901.2、PRIME(基于電力線的智能電表演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn))和 G3，并且這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均提供多種不同的數(shù)據(jù)速率和頻率帶寬。各個(gè)國家也都派生了不同的 PLC技術(shù)分支 版本來針對自己的電網(wǎng)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。

迄今為止，仍然沒有一個(gè)通用的互操作性標(biāo)準(zhǔn)來管理智能電網(wǎng)的通信，也可能永遠(yuǎn)都不會有!

多模

多模也是必備的設(shè)置，因?yàn)榇蠖鄶?shù)使用情況下都要求多個(gè)功能同時(shí)運(yùn)行。歐洲和亞洲城市部署的NAN網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要并發(fā)支持 PLC 和 802.15.4g，因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)可能通過 PLC 連接到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)通過 802.15.4g 連接到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

超低功耗

雖然插電智能電表有主電源，但不插電計(jì)量設(shè)備必須要用兩節(jié) AA 電池運(yùn)行 5 到 10 年，這要求空閑和峰值功耗都要進(jìn)行非常仔細(xì)的優(yōu)化。

超低成本

為使智能電表得到快速而廣泛的部署，整個(gè) HAN/NAN 通信模塊的物料 (BOM) 成本應(yīng)在 15 到 20 美元之間。

現(xiàn)有的通信解決方案使用以硬件為中心的調(diào)制解調(diào)器。這種調(diào)制解調(diào)器不能升級以跟上標(biāo)準(zhǔn)的演變和國家特定版本的變化，因此不能支持現(xiàn)場更新。

所以多模系統(tǒng)是異構(gòu)的，因?yàn)樗鼈儼姸嗔闵?、?dú)立的基于硬件的調(diào)制解調(diào)器。從能耗、性能、成本和面積的角度來看，這種異構(gòu)解決方案也不夠完美。另外它們需要的上市時(shí)間也比較長。

為了使用低成本、低功耗的解決方案解決這些難題，軟件定義調(diào)制解調(diào)器 (SDM) 應(yīng)運(yùn)而生。這些調(diào)制解調(diào)器應(yīng)采用一個(gè)統(tǒng)一的高性能處理器，而這個(gè)處理器可以運(yùn)行多個(gè) PHY 和協(xié)議，并具有真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 來支持并行任務(wù)，同時(shí)最大限度地減少任務(wù)切換和MAC 到 PHY的延遲。

這些靈活通信引擎的核心是可編程的DSP架構(gòu)，如 CEVA-XC5 和 CEVA-XC8，因?yàn)橹С侄喾N通信標(biāo)準(zhǔn)，所以使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)軟件定義調(diào)制解調(diào)器而不必額外使用硬件。這樣使架構(gòu)不僅能縮短上市時(shí)間，還能降低風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈兡軡M足未來的需求，可以在產(chǎn)品生命周期內(nèi)通過現(xiàn)場升級固件，跟隨標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。不同國家的技術(shù)需求，通過軟件層面的定制即可滿足，這樣的解決方案有更好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，能進(jìn)一步減少系統(tǒng)解決方案所需的BOM成本。

下一步：“智能化”并連接其他儀表

為使這些系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性，上圖僅顯示了三分之一的全球智能電表，即插電電表。

事實(shí)上，目前的智能電網(wǎng)主要是關(guān)注智能電表，但下一步就是“智能化”并連接所有其他儀表，包括水表、熱水表和燃?xì)獗怼?/p>

雖然這些其他儀表每天只需用上行鏈路傳輸幾個(gè)字節(jié)，并且下行鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更少，但它們的互連卻比電表更有難度，因?yàn)樗鼈儧]有內(nèi)置電源，因此需要能耗非常低的電路連接，可以在電池不另外充電的情況下運(yùn)行 5 到 10 年。另外他們可能安裝在難以到達(dá)的地方，如地下室、地下或水下，這些地方接收無線信號可能也有一定難度。因此鏈路的預(yù)算需要非常高，將會決定技術(shù)的選擇。出于這些原因，只有蜂窩 MTC(Cat-M、NB-IoT)、LPWAN(例如 LoRa、Sigfox、...)和 WiFi 802.11ah 這些技術(shù)可供選擇。