智能電網(wǎng)中Wi-SUN和PLC通信開(kāi)發(fā)解決方案分享

　　智能電網(wǎng)通信為什么那么難？

　　智能電網(wǎng)和HEMS設(shè)備的一個(gè)重大特征就是具備了通信功能。以智能電表為例，通信對(duì)象是與供應(yīng)方（電力公司）進(jìn)行通信的A路徑和與消費(fèi)方（住宅內(nèi)的HEMS設(shè)備）進(jìn)行通信的B路徑（參照第一期的圖1），但所采用的通信方式因國(guó)家和地區(qū)而不同。雖然A路徑正在逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，但有時(shí)也加入了電力公司的規(guī)格，對(duì)此大家一定要加以留心。同時(shí)，B路徑為了與各種HEMS設(shè)備進(jìn)行通信，相對(duì)于其獨(dú)特性更重視以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為基礎(chǔ)的兼容性及連接性。

　　在日本，B路徑主要采用“Wi-SUN”無(wú)線通信方式。無(wú)法使用無(wú)線通信時(shí)的補(bǔ)充方式是PLC電力線通信。而A路徑采用的是無(wú)線MultiPop方式和1:N無(wú)線方式，目前也在探討是否采用PLC方式。日本以外的國(guó)家，A、B路徑分別采用電表生產(chǎn)商獨(dú)自的通信方式和以Wi-SUN、PLC為主的通信方式，目前也在探討使用無(wú)線MulTIPop方式、2G/3G移動(dòng)通信以及ZigBee?無(wú)線通信等各種通信方式。

　　連接B路徑端口的住宅內(nèi)設(shè)備主要是智能家居（建筑物）的核心設(shè)備即HEMS（BEMS）服務(wù)器，該設(shè)備最適合用來(lái)控制住宅和建筑物的能源消耗。另外，在與由HEMS（BEMS）設(shè)備構(gòu)筑的建筑物內(nèi)的設(shè)備及機(jī)器進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)中，Wi-SUN和PLC也發(fā)揮了很重要的作用。本文主要介紹這兩種支持未來(lái)節(jié)能技術(shù)的重要通信方式。

　　（1） Sub-GHz頻段的無(wú)線通信“Wi-SUN”

　　Sub-GHz頻段無(wú)線通信“能夠使用頻率低于1GHz的頻率，即可使用900MHz左右的頻率。日本使用的是920MHz，美國(guó)使用的是915 MHz，而歐洲使用的頻率是863 MHz，雖然在頻率分配上有些不同，但由于其是無(wú)需許可證便能使用的指定低功率無(wú)線電頻段，所以用途非常廣泛。此外還有傳播范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等特征。

　　與WLAN等所使用的2.4GHz和5GHz這些帶寬的無(wú)線通信相比，”Sub-GHz頻段無(wú)線通信“的功耗非常低。利用這個(gè)特性便可將其廣泛適用于通過(guò)電池來(lái)驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

　　利用這個(gè)特性，不僅在智能電表方面，還以在M2M（Machine to Machine， 機(jī)器對(duì)機(jī)器）、傳感器網(wǎng)絡(luò)等IoT（物聯(lián)網(wǎng)）領(lǐng)域的普及為目標(biāo)，為了使不同廠商的設(shè)備也能兼容連接而制定了”Wi-SUN“標(biāo)準(zhǔn)。而且，在HAN（Home Area Network，家庭局域網(wǎng)絡(luò)）中發(fā)揮這種兼容連接的特性，便可將多個(gè)家用電器構(gòu)建成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高效的HEMS（Home Energy Management System，家庭能量管理系統(tǒng)）。

　　Wi-SUN憑借在物理層所采用的”IEEE 802.15.4g“低速通信方式，其目標(biāo)是即使周圍存在1000個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)仍能維持通信。而在MAC層所采用的是”IEEE 802.15.4e“，與最初開(kāi)發(fā)的”IEEE802.15.4“相比，提高了輸出量（through-put）和安全性能。

　　在IEEE802.15.4e和IEEE802.15.4g中所制定的是規(guī)格的要求事項(xiàng)，而Wi-SUN的規(guī)格是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)挑選了必要的應(yīng)用規(guī)定而制定的。瑞薩電子從一開(kāi)始就是制定該規(guī)格的中堅(jiān)力量。

　?。?） 用于電表的電力線通信“PLC”與用于數(shù)據(jù)通信的“PLC”有所不同

　　PLC通過(guò)將比交流電頻率（50/60Hz）更高的頻率信號(hào)輸入到交流電的供電線路中來(lái)實(shí)現(xiàn)通信（圖6）。由于使用已鋪設(shè)好的電線進(jìn)行通信，因此其優(yōu)勢(shì)是無(wú)需另行施工。在無(wú)線通信中，如果智能電表被金屬和厚厚的鋼筋混凝土包圍的話便無(wú)法進(jìn)行通信，但在PLC中，這不再成為問(wèn)題。利用這個(gè)特性，也可將PLC應(yīng)用于智能電表之外設(shè)備中，如應(yīng)用于建筑物的自動(dòng)化和路燈等。

　　圖6：PLC通信的基本原理

　　用于智能電表的PLC與為了PC等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而開(kāi)發(fā)出來(lái)的PLC有所不同。用于PC的PLC的帶寬是2MHz至30MHz，而智能電表的PLC使用的帶寬是10kHz至500kHz。

　　在歐洲強(qiáng)而有力的“G3”和“PRIME”、美國(guó)的“IEEE 1901.2”以及意大利的“Meters & More”等都屬于智能電表的PLC方式。任何一種方式的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)瑞薩電子都參加了，還參加了制定G3和PRIME規(guī)格的所有工作團(tuán)隊(duì)。日本采用的是G3方式的PLC（G3-PLC）。

　?。?） 為了連接各種設(shè)備的通信規(guī)格---ECHONET Lite

　　通過(guò)Wi-SUN和PLC把家電、智能電表和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)等連接起來(lái)后也不意味著就此便可簡(jiǎn)單地進(jìn)行控制。各公司在使用自己獨(dú)有的數(shù)據(jù)格式和序列時(shí)，由于不能相互傳遞信息，因此無(wú)法進(jìn)行控制。為了將這些進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以ECHONET ConsorTIum（節(jié)能協(xié)會(huì)）為首制定了通信協(xié)議ECHONET Lite， ECHONET Lite主要規(guī)定應(yīng)用層（OSI的層），能夠在Wi-SUN和PLC的上層以共通的訪問(wèn)界面來(lái)進(jìn)行控制。采用該規(guī)格，便可控制80種以上的HEMS設(shè)備。而且，通過(guò)ECHONET Lite便可對(duì)家電進(jìn)行控制以及把握其運(yùn)行狀態(tài)和用電量等。于是，支持ECHONET Lite的家電產(chǎn)品、太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備及蓄電池等一旦增加，通過(guò)包括智能電表在內(nèi)的HEMS設(shè)備不僅能夠控制整個(gè)家庭的用電量，還能控制每部機(jī)器的用電量，以及最有效地控制發(fā)電、用電及蓄電等。

　　連接不上便沒(méi)有意義 規(guī)格和實(shí)際安裝的不一樣？

　　智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)就是通信技術(shù)。無(wú)論是無(wú)線通信還是有線（電力線）通信，都具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。那么，采用某種通信方式后，只要拿到規(guī)格書(shū)，并按規(guī)格書(shū)上的說(shuō)明來(lái)安裝就可以了嗎？其實(shí)問(wèn)題并沒(méi)那么簡(jiǎn)單。首先，一般來(lái)說(shuō)，規(guī)格書(shū)非常厚，閱讀并理解其意思很費(fèi)力。而且還有一些規(guī)格書(shū)中沒(méi)有記錄的事項(xiàng)，所以就需要有“從字里行間領(lǐng)會(huì)其意思”的能力。只有這樣，開(kāi)發(fā)出來(lái)的通信部分才有可能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體舉辦的認(rèn)證測(cè)試。通過(guò)認(rèn)證測(cè)試后方可強(qiáng)調(diào)自己已通過(guò)認(rèn)證了。

　　更難的是要確保相互兼容性和連接性。要是與對(duì)方連接不上通信便無(wú)從談起。即使通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證測(cè)試，由于連接性還涉及到標(biāo)準(zhǔn)之外的因素，所以也難于確保能成功連接。因此，標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體進(jìn)行了連接兼容性測(cè)試。

　　認(rèn)證測(cè)試及連接兼容性測(cè)試都是需要經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域。所以，在無(wú)線技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)尚淺的開(kāi)發(fā)者，僅在讀了規(guī)格書(shū)后便進(jìn)行安裝也是很難達(dá)標(biāo)的。因此，使用取得認(rèn)證的模塊和協(xié)議棧是達(dá)標(biāo)的捷徑。

　　連接產(chǎn)生價(jià)值 瑞薩電子面向智能電網(wǎng)設(shè)備的解決方案―通信功能―

　　雖然通信部分看上去是以嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定，但由于實(shí)際安裝的不同所以連接性也存在差異，因此開(kāi)發(fā)起來(lái)也相當(dāng)困難。但是，如果使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的瑞薩電子解決方案，就能大幅削減開(kāi)發(fā)所需的人力資源?？蓪⑺鳒p的人工投入到提高智能電表和HEMS設(shè)備本身能力的開(kāi)發(fā)中，以提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

　?。?）追求低功耗還是多功能？ 兩個(gè)Wi-SUN平臺(tái) 公認(rèn)的測(cè)試平臺(tái)單元

　　為了利用Wi-SUN進(jìn)行智能電表開(kāi)發(fā)，瑞薩電子準(zhǔn)備了兩個(gè)開(kāi)發(fā)套件。即搭載了RL78/G13的“Wi-SUN Basic Platform for Sub-GHz band開(kāi)發(fā)套件”（圖7）和搭載了RX63N的“Wi-SUN Advanced Platform for Sub-GHz band 開(kāi)發(fā)套件”（圖8）。這兩個(gè)開(kāi)發(fā)套件的特征是前者能徹底實(shí)現(xiàn)了低功耗，而后者則具有能安裝多種功能的高度的可擴(kuò)展性。

　　此套件中搭載的無(wú)線部分（包括協(xié)議棧）已獲得了Wi-SUN聯(lián)盟的認(rèn)證，甚至被認(rèn)定為公認(rèn)的測(cè)試平臺(tái)單元（CTBU： Certified Test Bed Unit）。這意味著其他供應(yīng)商的產(chǎn)品都要以瑞薩電子的協(xié)議棧為基準(zhǔn)進(jìn)行連接測(cè)試。結(jié)果可保證所有接受連接測(cè)試的產(chǎn)品都具備與瑞薩電子協(xié)議棧的連接性。也就是說(shuō)使用這些套件，便可迅速降低連接性測(cè)試障礙。

　?。?） 在一個(gè)硬件中，通過(guò)改變軟件便可使其支持各種PLC方式 實(shí)現(xiàn)了高度的開(kāi)發(fā)效率和量產(chǎn)

　　用于PLC的解決方案套件（圖9）是由搭載了GROBEL PLC調(diào)制解調(diào)器“μPD809508”的PLC評(píng)估板和軟件文檔組成。μPD809508是一種支持G3-PLC和PRIME這兩種PLC方式的調(diào)制解調(diào)器，而且已經(jīng)取得了瑞薩電子的協(xié)議棧認(rèn)證。

　　通過(guò)更改附屬的軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)制解調(diào)器便可支持G3-PLC的各地區(qū)（歐洲、美國(guó)、日本）的標(biāo)準(zhǔn)以及PRIME。另外，發(fā)揮其作為軟件庫(kù)的特點(diǎn)，便能夠改良通信的運(yùn)算方法。對(duì)于PLC中需要解決的課題——如噪音和信號(hào)減弱等，提供了穩(wěn)定的通信運(yùn)算方法。無(wú)需根據(jù)不同的國(guó)家和地區(qū)更換不同的調(diào)制解調(diào)器LSI，因此可為用戶提高開(kāi)發(fā)效率和量產(chǎn)性。

　　瑞薩電子今后也將繼續(xù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)器和軟件的開(kāi)發(fā)，在單個(gè)調(diào)制解調(diào)器中加入G3-PLC和PRIME，目的是使其支持美國(guó)的IEEE1901.2、以及最新版的PRIME（V.1.4）。

　　另外，用于進(jìn)行評(píng)估的評(píng)估版也已經(jīng)取得了符合日本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。無(wú)需再在特殊環(huán)境中進(jìn)行PLC信號(hào)是否會(huì)泄漏到外部的測(cè)試等，只需在購(gòu)入兩套解決方案后將其連接到電力線上，即可進(jìn)行通信嘗試。

　　為了進(jìn)行徹底低功耗的測(cè)量功能開(kāi)發(fā)、以及與通信的連接兼容性等，在以前需要耗費(fèi)大量人力資源的工作現(xiàn)在通過(guò)上述的解決方案便得到了解決。

　　瑞薩電子的解決方案具有低功耗、可擴(kuò)展性和開(kāi)發(fā)效率高等特點(diǎn)，不僅在智能電表的開(kāi)發(fā)方面，對(duì)燃?xì)獗?、傳感器網(wǎng)絡(luò)、街燈等HEMS、BEMS、FEMS及CEMS的智能電網(wǎng)相關(guān)的能源消耗、發(fā)電以及蓄電控制系統(tǒng)方面也作出了貢獻(xiàn)。