智能電網(wǎng)從智能電表起步

2009年10月，國(guó)家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標(biāo)準(zhǔn)。新老對(duì)比，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電表在計(jì)量、費(fèi)控、通信、功耗、電子線路布線等技術(shù)指標(biāo)要求均有了大幅提高，諸多先前對(duì)MCU附加功能由可選變成了必選項(xiàng)，更高的計(jì)算能力（DMIPS）以滿足智能電表的高性能要求；更大的存儲(chǔ)容量順應(yīng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求；更多的I/O如SPI、I2C、智能卡、UART以及RTC等應(yīng)對(duì)增加的周邊器件支持能力。

從歐美國(guó)家智能電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，智能電網(wǎng)建設(shè)的主要受益者是智能電表生產(chǎn)商和二次設(shè)備企業(yè)。據(jù)悉，中國(guó)計(jì)劃在2010年將有4000萬(wàn)只左右的智能電表裝機(jī)量，而國(guó)家電網(wǎng)也已開(kāi)始智能電表的招標(biāo)工作。ADI、Freescale、NXP等國(guó)際半導(dǎo)體公司在短期內(nèi)推出了各自新的智能電表產(chǎn)品和方案，以更加適合智能電表應(yīng)用的方案，搶得中國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的巨大商機(jī)。

ADI：匯聚式處理器核心平臺(tái)

支撐中國(guó)乃至全球智能電網(wǎng)的將是通信技術(shù)、信息處理技術(shù)和控制技術(shù)，對(duì)應(yīng)到相關(guān)的市場(chǎng)將涉及智能計(jì)量（智能電表）、電網(wǎng)智能化（網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施及其控制）以及公用事業(yè)的信息技術(shù)應(yīng)用（智能數(shù)據(jù)管理）。

傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，要求電力設(shè)備具有更強(qiáng)的接口能力、通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，這對(duì)電力設(shè)備的硬件方案平臺(tái)的選擇提出了極高的要求，這也對(duì)應(yīng)了當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用和測(cè)試測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)，即支持以太網(wǎng)/無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)易用性、針對(duì)高品質(zhì)測(cè)量的簡(jiǎn)單連接、系統(tǒng)的可編程靈活性、從8/16位向32位解決方案轉(zhuǎn)移。DSPMCU的雙處理器方案雖然解決了系統(tǒng)的控制和運(yùn)算需求，但由此增加了開(kāi)發(fā)復(fù)雜性和BOM成本的提高。ADI認(rèn)為，由于智能電網(wǎng)多種標(biāo)準(zhǔn)共存的必然性，能靈活滿足多種標(biāo)準(zhǔn)和功能要求的產(chǎn)品方案非常重要，因此結(jié)合了MCU和DSP優(yōu)勢(shì)、具有軟件設(shè)計(jì)靈活性和強(qiáng)大處理能力的匯聚式處理器方案平臺(tái)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

智能電網(wǎng)建設(shè)的主要受益者是智能電表生產(chǎn)商和二次設(shè)備企業(yè)。由于智能電表技術(shù)相對(duì)成熟，配電網(wǎng)絡(luò)智能化的發(fā)展速度將快于輸電網(wǎng)絡(luò)。在智能電網(wǎng)建設(shè)初期，對(duì)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)字化變電站為主的二次設(shè)備的需求將大大增加，而AMI(高級(jí)計(jì)量體系)是電網(wǎng)智能化建設(shè)的第一步，在智能電網(wǎng)的投資中所占比例最大，主要涉及大量智能電表、傳感器等設(shè)備。

Blackfin是ADI公司推出匯聚式處理器，基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)，它將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種獨(dú)特匯聚式架構(gòu)很適合于全信號(hào)處理/分析能力要求，同時(shí)還可在單內(nèi)核器件上提供高效控制任務(wù)執(zhí)行能力。這種匯聚架構(gòu)非常符合包括智能電表在內(nèi)的智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理、各種高性能算法（如諧波分析）、通信功能的軟件實(shí)現(xiàn)，以及對(duì)各種系統(tǒng)控制功能的支持。

基于Blackfin處理器的方案可以方便地利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電力計(jì)量相關(guān)協(xié)議和各種通信協(xié)議算法，以及滿足各種功能組合要求。Blackfin處理器的強(qiáng)大處理能力使電力設(shè)備制造商能輕松實(shí)現(xiàn)各種通用或定制化的功能，能夠在不改變(或很少改變)硬件的情況下迅速適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和新型功能要求，并實(shí)現(xiàn)最低價(jià)格低至5美元以下。

在外設(shè)上，Blackfin系列提供了包括片內(nèi)Flash、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI、異步串行接口UART、同步串行接口SPORT、串行主從控制接口SPI、I2C、通用定時(shí)器、看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、GPIO管腳等，從而給客戶提供了極大的設(shè)計(jì)便利性和豐富的可用片上設(shè)計(jì)資源。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得電力二次設(shè)備客戶方便地進(jìn)行舊應(yīng)用方案的移植或重新開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用方案。（如圖1）

圖1，基于Blackfin處理器的西門子智能電表功能框圖

Blackfin處理器得到南京南瑞繼保電氣有限公司的采用，南瑞繼保認(rèn)為，在電網(wǎng)故障與短暫事件的檢測(cè)與響應(yīng)等關(guān)鍵應(yīng)用中，Blackfin處理器解決方案能有效地保證國(guó)家電網(wǎng)的可靠性。西門子在其最新自動(dòng)抄表信息系統(tǒng)（AMIS）的智能電表核心引擎采用了Blackfin處理器——BF531極具成本效益的計(jì)算性能。該處理器具有同時(shí)作為DSP和MCU進(jìn)行無(wú)縫工作的能力，Blackfin處理器負(fù)責(zé)計(jì)算用戶用電情況，并執(zhí)行電力線調(diào)制解調(diào)器功能，通過(guò)電力線集中器進(jìn)行高效雙向通信，特別適合西門子AMIS高密度處理和動(dòng)態(tài)通信應(yīng)用要求。

ADI認(rèn)為，中國(guó)政府已擬定智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，并啟動(dòng)了智能電網(wǎng)應(yīng)用的先導(dǎo)工作，同時(shí)基于中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的統(tǒng)一管理體制，中國(guó)將是智能電網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的先行國(guó)家。中國(guó)無(wú)論在智能電網(wǎng)的技術(shù)研究還是技術(shù)應(yīng)用上，與任何國(guó)家相比并不落后，中國(guó)本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來(lái)企業(yè)飛速發(fā)展的機(jī)遇。

Freescale：為國(guó)網(wǎng)單相表量身定制

Freescale結(jié)合自己?jiǎn)纹瑱C(jī)產(chǎn)品的特點(diǎn)和電表設(shè)計(jì)的具體要求，推出了一款完全按國(guó)網(wǎng)單相多功能表要求設(shè)計(jì)的完整解決方案9S08MZ60，9S08MZ60基于Freescale目前主打的S08內(nèi)核，片內(nèi)有60K的程序空間和2K的RAM空間，外加功能完善的內(nèi)部時(shí)鐘模塊；主要的片上外設(shè)包括：64引腳封裝所提供的55個(gè)IO端口；2路硬件異步串口；三個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，總計(jì)支持多達(dá)10路引腳通道時(shí)間控制，其中任意一路均可以通過(guò)軟件配置成輸入脈沖沿捕捉、定時(shí)比較電平輸出或PWM脈寬調(diào)制；共16路輸入的8位ADC；另外硬件SPI和I2C模塊各一個(gè)；還有一個(gè)8位的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器可以在芯片休眠時(shí)維持定時(shí)計(jì)數(shù)并喚醒MCU；內(nèi)部總線最高運(yùn)行速度達(dá)20MHz。片上自帶在線調(diào)試模塊，開(kāi)發(fā)調(diào)試高效方便。（如圖2）

圖2，F(xiàn)reescale專門針對(duì)中國(guó)電表市場(chǎng)推出的8位單片機(jī)9S08MZ60

在Freescale的設(shè)計(jì)方案中充分利用了幾乎所有上述模塊的硬件固有功能，最大限度地簡(jiǎn)化外圍設(shè)計(jì)，在保證整體設(shè)計(jì)功能滿足性能最優(yōu)的同時(shí)，降低系統(tǒng)成本。其中：

·MCU工作于內(nèi)部時(shí)鐘，摒棄了傳統(tǒng)的片外晶體振蕩，簡(jiǎn)化電路，提高可靠性。內(nèi)部時(shí)鐘振蕩的精度和穩(wěn)定度通過(guò)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)標(biāo)定來(lái)保證；[!--empirenews.page--]
·2路硬件串口分別用于485抄表和電力線載波通訊。因這兩路的通訊波特率最高都是9600bps，用硬件串口實(shí)現(xiàn)比較容易；
·16位定時(shí)器及其所附的引腳通道實(shí)現(xiàn)多種重要功能。首先是產(chǎn)生一個(gè)1ms間隔的系統(tǒng)時(shí)間節(jié)拍，用于所有軟件任務(wù)的普通定時(shí)控制；通道的作用一是實(shí)現(xiàn)脈沖輸入捕捉，例如檢測(cè)計(jì)量芯片輸出的電量脈沖；二是和軟件配合模擬實(shí)現(xiàn)相對(duì)低速的異步串行通訊，這其中包括紅外抄表通訊，ESAM和IC卡的ISO7816通訊；
·ADC模塊完成兩個(gè)重要任務(wù)，一是對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)，二是交流掉電和交流恢復(fù)供電的狀態(tài)檢測(cè)；
·硬件SPI模塊則用于和前端計(jì)量芯片通訊，節(jié)約軟件開(kāi)銷；
·8位的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器在交流掉電后芯片進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)時(shí)維持工作，用來(lái)周期性喚醒MCU，定時(shí)檢測(cè)并記錄開(kāi)蓋、按鍵、電池電壓和交流恢復(fù)等狀態(tài)。

針對(duì)特定的國(guó)網(wǎng)單相表新規(guī)約設(shè)計(jì)，方案中：計(jì)量部分目前設(shè)計(jì)采用CirrusLogic的CS5464實(shí)現(xiàn)，理論上也支持其它同類的帶SPI接口的計(jì)量芯片；實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用業(yè)界流行的RTC8025T；EEPROM為24LC512，具體容量可按實(shí)際需要選擇；液晶驅(qū)動(dòng)芯片采用BU9792。

綜合考慮設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的方便性和靈活性，F(xiàn)reescale將整個(gè)設(shè)計(jì)分解成4個(gè)獨(dú)立硬件模塊：主板，包含主電源和電池供電系統(tǒng)；MCU、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和ESAM等關(guān)鍵芯片；隔離的485抄表通訊電路；PLC模塊接口；開(kāi)關(guān)和按鍵輸入等。計(jì)量板，包含計(jì)量電路和斷路控制繼電器。只要改動(dòng)此計(jì)量板，就可以評(píng)估不同的計(jì)量芯片。顯示板，包含液晶屏及其驅(qū)動(dòng)電路；電表的狀態(tài)指示LED；紅外抄表接口。IC卡讀卡部分，包含IC卡座及其必要的讀卡電路。主板和其他模塊板之間都通過(guò)插針接口互聯(lián)。

Freescale中國(guó)技術(shù)銷售經(jīng)理張明峰介紹，F(xiàn)reescale針對(duì)單相電表設(shè)計(jì)的整個(gè)MZ系列產(chǎn)品，從最小的8K/20引腳的RS08MZ8到最大256K/80引腳的51MZ256，很好地覆蓋了從簡(jiǎn)單單相表到復(fù)雜單相多功能表甚至三相多功能表的設(shè)計(jì)所需。對(duì)于此次國(guó)網(wǎng)單相表的設(shè)計(jì)，F(xiàn)reescale預(yù)估60K程序空間的S08MZ60應(yīng)該基本滿足設(shè)計(jì)要求。如果用戶的設(shè)計(jì)增加功能需要編寫更多代碼的話，該系統(tǒng)可以在不改變?nèi)魏斡布O(shè)計(jì)前提下，直接換用性能和引腳完全兼容的S08MZ96（96KFlash）或S08MZ128（128KFlash）的芯片。另外，F(xiàn)reescale還可以提供引腳完全兼容的32位內(nèi)核芯片51MZ256（256KFlash）。

NXP：非接觸式智能電表解決方案

非接觸式技術(shù)集多種功能于一張卡中，包括電子錢包、公共交通和支付公路費(fèi)等功能，多項(xiàng)服務(wù)集于一身使得運(yùn)營(yíng)商在鞏固成本的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了客戶群并增加了收益。非接觸式預(yù)付費(fèi)技術(shù)，因避免了數(shù)據(jù)在用戶和電網(wǎng)公司之間的傳送而更加安全。

非接觸式預(yù)付費(fèi)智能電表系統(tǒng)可使智能卡和智能電表系統(tǒng)更加安全。非接觸式智能表系統(tǒng)可自我管理，不需要派專人抄表或者派專人管理某處房子的電源系統(tǒng)。系統(tǒng)通信僅限于卡和讀卡器之間，不需要將讀卡器中的數(shù)據(jù)再傳送到電網(wǎng)公司。消費(fèi)者通過(guò)該系統(tǒng)可清楚地了解自己的使用量，從而會(huì)權(quán)衡用量并提前為水電消費(fèi)做出預(yù)算。

非接觸電表系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件包括一個(gè)非接觸讀卡器，一個(gè)主控制器，外圍設(shè)備，一個(gè)天線和配套部分；軟件包括微控制器固件，主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序軟件和演示軟件。在主控制器上，基于Cortex-M0和Cortex-M3單片機(jī)。NXP目前重點(diǎn)智能電表方案包括LPC1700和LPC1100。NXP對(duì)Cortex-M0進(jìn)行了精簡(jiǎn)處理，指令更易使用，這樣便于被原有8位和16位MCU用戶接受。由于NXP在M0核上采用C語(yǔ)言編程，使代碼效率更高，程序所占容量更小，可節(jié)省綜合成本。此外，產(chǎn)品基于ARM平臺(tái)，可以做到無(wú)縫快速移植。NXP認(rèn)為，統(tǒng)一平臺(tái)可以節(jié)省研發(fā)成本，降低研發(fā)時(shí)間?？蛻粢子讷@得相關(guān)代碼、資料和其它資源，并在工具、軟件層面上方便獲得更好技術(shù)支持。（如圖3）

圖3，NXP含有非接觸連接的電表系統(tǒng)的框架圖

為使智能表系統(tǒng)正常運(yùn)行，NXP同時(shí)提供了許多配套產(chǎn)品系列，包括微控制器、顯示驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、邏輯產(chǎn)品（一般產(chǎn)品，串行EEPROM，橋接芯片，UART,具有I2C的溫度傳感器），電源管理產(chǎn)品（starplug家庭），普遍適用的分立（BISS晶體管，肖特基二極管，可再生能源技術(shù)）和無(wú)線通信模塊。

NXP研發(fā)的產(chǎn)品中包括安全性極高的IC卡，可降低被操控的風(fēng)險(xiǎn)。此卡的讀卡器中含有安全訪問(wèn)模塊（SAMs），如電子護(hù)照一樣安全性極高，并滿足通用標(biāo)準(zhǔn)EAL5。這種智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最優(yōu)化的技術(shù)，將用于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的異常強(qiáng)勁的協(xié)同處理器和對(duì)稱密鑰加密結(jié)合起來(lái)支持RSA,ECC,DESandAES。除提供最優(yōu)化功能和最高安全性外，它還擁有簡(jiǎn)便易操作的先進(jìn)操作系統(tǒng)和開(kāi)放平臺(tái)解決方案。

NXP智能識(shí)別產(chǎn)品事業(yè)部銷售經(jīng)理周波表示，智能電表行業(yè)目前還沒(méi)有完全統(tǒng)一開(kāi)放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡管現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)存在一些標(biāo)準(zhǔn)，但是又出現(xiàn)了一些新的標(biāo)準(zhǔn)。NXP專注于開(kāi)發(fā)支持共同操作的產(chǎn)品，而不是排外的或者專有性質(zhì)的產(chǎn)品。

中國(guó)IC設(shè)計(jì)業(yè)者需快速跟進(jìn)

智能電網(wǎng)建設(shè)涵蓋了信息化平臺(tái)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)、柔性交流輸電，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、微機(jī)繼電保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、用電管理采集系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用。智能電網(wǎng)技術(shù)包括相量測(cè)量（PMU）和廣域測(cè)量技術(shù)（WAMS）；三維、動(dòng)態(tài)、可視化調(diào)度技術(shù)；可再生能源發(fā)電、電源接入和并網(wǎng)技術(shù)；計(jì)量（AMI/AMR）技術(shù)；需求響應(yīng)、需求側(cè)管理（DSM）技術(shù)；配電自動(dòng)化——高級(jí)配電運(yùn)行（ADO）功能；分布式發(fā)電技術(shù)、電力儲(chǔ)能技術(shù)等。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2009年公布的發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)分為2009年6月至2010年為規(guī)劃試點(diǎn)階段、2011年至2015年是全面建設(shè)階段，到2020年全面建成統(tǒng)一的智能電網(wǎng)。這應(yīng)該是個(gè)有上萬(wàn)億元投入規(guī)模的應(yīng)用市場(chǎng)，但目前還很難看到中國(guó)本土設(shè)計(jì)公司的身影。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)電表廠家選擇的主控芯片絕大部分都是國(guó)外芯片供應(yīng)商，扎堆于消費(fèi)電子領(lǐng)域的IC設(shè)計(jì)者們，要有進(jìn)入被國(guó)際公司壟斷領(lǐng)地的狼性，靠低價(jià)求生存的消費(fèi)電子市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式已快走到盡頭了。ADI也在呼吁：中國(guó)本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來(lái)企業(yè)飛速發(fā)展的機(jī)遇。[!--empirenews.page--]