智能電網(wǎng)從智能電表起步

2009年10月，國家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標準。新老對比，新標準對電表在計量、費控、通信、功耗、電子線路布線等技術指標要求均有了大幅提高，諸多先前對MCU附加功能由可選變成了必選項，更高的計算能力（DMIPS）以滿足智能電表的高性能要求；更大的存儲容量順應復雜的數(shù)據(jù)處理需求；更多的I/O如SPI、I2C、智能卡、UART以及RTC等應對增加的周邊器件支持能力。

從歐美國家智能電網(wǎng)發(fā)展進程來看，智能電網(wǎng)建設的主要受益者是智能電表生產(chǎn)商和二次設備企業(yè)。據(jù)悉，中國計劃在2010年將有4000萬只左右的智能電表裝機量，而國家電網(wǎng)也已開始智能電表的招標工作。ADI、Freescale、NXP等國際半導體公司在短期內(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用的方案，搶得中國智能電網(wǎng)建設的巨大商機。

ADI：匯聚式處理器核心平臺

支撐中國乃至全球智能電網(wǎng)的將是通信技術、信息處理技術和控制技術，對應到相關的市場將涉及智能計量（智能電表）、電網(wǎng)智能化（網(wǎng)絡基礎設施及其控制）以及公用事業(yè)的信息技術應用（智能數(shù)據(jù)管理）。

傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，要求電力設備具有更強的接口能力、通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，這對電力設備的硬件方案平臺的選擇提出了極高的要求，這也對應了當前工業(yè)應用和測試測量的發(fā)展趨勢，即支持以太網(wǎng)/無線連接實現(xiàn)易用性、針對高品質(zhì)測量的簡單連接、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)的控制和運算需求，但由此增加了開發(fā)復雜性和BOM成本的提高。ADI認為，由于智能電網(wǎng)多種標準共存的必然性，能靈活滿足多種標準和功能要求的產(chǎn)品方案非常重要，因此結合了MCU和DSP優(yōu)勢、具有軟件設計靈活性和強大處理能力的匯聚式處理器方案平臺具有明顯優(yōu)勢。

智能電網(wǎng)建設的主要受益者是智能電表生產(chǎn)商和二次設備企業(yè)。由于智能電表技術相對成熟，配電網(wǎng)絡智能化的發(fā)展速度將快于輸電網(wǎng)絡。在智能電網(wǎng)建設初期，對電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)字化變電站為主的二次設備的需求將大大增加，而AMI(高級計量體系)是電網(wǎng)智能化建設的第一步，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)合開發(fā)的微信號架構，它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種獨特匯聚式架構很適合于全信號處理/分析能力要求，同時還可在單內(nèi)核器件上提供高效控制任務執(zhí)行能力。這種匯聚架構非常符合包括智能電表在內(nèi)的智能電網(wǎng)基礎設備的數(shù)據(jù)處理、各種高性能算法（如諧波分析）、通信功能的軟件實現(xiàn)，以及對各種系統(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實現(xiàn)不同電力計量相關協(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處理器的強大處理能力使電力設備制造商能輕松實現(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不斷發(fā)展的標準和新型功能要求，并實現(xiàn)最低價格低至5美元以下。

在外設上，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、通用定時器、看門狗、實時時鐘、GPIO管腳等，從而給客戶提供了極大的設計便利性和豐富的可用片上設計資源。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設計和軟件開發(fā)環(huán)境，使得電力二次設備客戶方便地進行舊應用方案的移植或重新開發(fā)新的應用方案。（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，南瑞繼保認為，在電網(wǎng)故障與短暫事件的檢測與響應等關鍵應用中，Blackfin處理器解決方案能有效地保證國家電網(wǎng)的可靠性。西門子在其最新自動抄表信息系統(tǒng)（AMIS）的智能電表核心引擎采用了Blackfin處理器——BF531極具成本效益的計算性能。該處理器具有同時作為DSP和MCU進行無縫工作的能力，Blackfin處理器負責計算用戶用電情況，并執(zhí)行電力線調(diào)制解調(diào)器功能，通過電力線集中器進行高效雙向通信，特別適合西門子AMIS高密度處理和動態(tài)通信應用要求。

ADI認為，中國政府已擬定智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，并啟動了智能電網(wǎng)應用的先導工作，同時基于中國國家電網(wǎng)的統(tǒng)一管理體制，中國將是智能電網(wǎng)技術開發(fā)和應用的先行國家。中國無論在智能電網(wǎng)的技術研究還是技術應用上，與任何國家相比并不落后，中國本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來企業(yè)飛速發(fā)展的機遇。

Freescale：為國網(wǎng)單相表量身定制

Freescale結合自己單片機產(chǎn)品的特點和電表設計的具體要求，推出了一款完全按國網(wǎng)單相多功能表要求設計的完整解決方案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)部時鐘模塊；主要的片上外設包括：64引腳封裝所提供的55個IO端口；2路硬件異步串口；三個16位定時計數(shù)器，總計支持多達10路引腳通道時間控制，其中任意一路均可以通過軟件配置成輸入脈沖沿捕捉、定時比較電平輸出或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；還有一個8位的實時計數(shù)器可以在芯片休眠時維持定時計數(shù)并喚醒MCU；內(nèi)部總線最高運行速度達20MHz。片上自帶在線調(diào)試模塊，開發(fā)調(diào)試高效方便。（如圖2）

圖2，F(xiàn)reescale專門針對中國電表市場推出的8位單片機9S08MZ60

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

·MCU工作于內(nèi)部時鐘，摒棄了傳統(tǒng)的片外晶體振蕩，簡化電路，提高可靠性。內(nèi)部時鐘振蕩的精度和穩(wěn)定度通過運行過程中的動態(tài)標定來保證；[!--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，用硬件串口實現(xiàn)比較容易；
·16位定時器及其所附的引腳通道實現(xiàn)多種重要功能。首先是產(chǎn)生一個1ms間隔的系統(tǒng)時間節(jié)拍，用于所有軟件任務的普通定時控制；通道的作用一是實現(xiàn)脈沖輸入捕捉，例如檢測計量芯片輸出的電量脈沖；二是和軟件配合模擬實現(xiàn)相對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模塊完成兩個重要任務，一是對電池電壓的監(jiān)測，二是交流掉電和交流恢復供電的狀態(tài)檢測；
·硬件SPI模塊則用于和前端計量芯片通訊，節(jié)約軟件開銷；
·8位的實時計數(shù)器在交流掉電后芯片進入低功耗休眠狀態(tài)時維持工作，用來周期性喚醒MCU，定時檢測并記錄開蓋、按鍵、電池電壓和交流恢復等狀態(tài)。

針對特定的國網(wǎng)單相表新規(guī)約設計，方案中：計量部分目前設計采用CirrusLogic的CS5464實現(xiàn)，理論上也支持其它同類的帶SPI接口的計量芯片；實時時鐘采用業(yè)界流行的RTC8025T；EEPROM為24LC512，具體容量可按實際需要選擇；液晶驅(qū)動芯片采用BU9792。

綜合考慮設計實現(xiàn)的方便性和靈活性，F(xiàn)reescale將整個設計分解成4個獨立硬件模塊：主板，包含主電源和電池供電系統(tǒng)；MCU、實時時鐘、數(shù)據(jù)存儲和ESAM等關鍵芯片；隔離的485抄表通訊電路；PLC模塊接口；開關和按鍵輸入等。計量板，包含計量電路和斷路控制繼電器。只要改動此計量板，就可以評估不同的計量芯片。顯示板，包含液晶屏及其驅(qū)動電路；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插針接口互聯(lián)。

Freescale中國技術銷售經(jīng)理張明峰介紹，F(xiàn)reescale針對單相電表設計的整個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，很好地覆蓋了從簡單單相表到復雜單相多功能表甚至三相多功能表的設計所需。對于此次國網(wǎng)單相表的設計，F(xiàn)reescale預估60K程序空間的S08MZ60應該基本滿足設計要求。如果用戶的設計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計前提下，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等功能，多項服務集于一身使得運營商在鞏固成本的基礎上擴大了客戶群并增加了收益。非接觸式預付費技術，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。

非接觸式預付費智能電表系統(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。消費者通過該系統(tǒng)可清楚地了解自己的使用量，從而會權衡用量并提前為水電消費做出預算。

非接觸電表系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個部分。硬件包括一個非接觸讀卡器，一個主控制器，外圍設備，一個天線和配套部分；軟件包括微控制器固件，主機驅(qū)動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。NXP目前重點智能電表方案包括LPC1700和LPC1100。NXP對Cortex-M0進行了精簡處理，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，可以做到無縫快速移植。NXP認為，統(tǒng)一平臺可以節(jié)省研發(fā)成本，降低研發(fā)時間。客戶易于獲得相關代碼、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)正常運行，NXP同時提供了許多配套產(chǎn)品系列，包括微控制器、顯示驅(qū)動器、實時時鐘、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）和無線通信模塊。

NXP研發(fā)的產(chǎn)品中包括安全性極高的IC卡，可降低被操控的風險。此卡的讀卡器中含有安全訪問模塊（SAMs），如電子護照一樣安全性極高，并滿足通用標準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，將用于公鑰基礎設施的異常強勁的協(xié)同處理器和對稱密鑰加密結合起來支持RSA,ECC,DESandAES。除提供最優(yōu)化功能和最高安全性外，它還擁有簡便易操作的先進操作系統(tǒng)和開放平臺解決方案。

NXP智能識別產(chǎn)品事業(yè)部銷售經(jīng)理周波表示，智能電表行業(yè)目前還沒有完全統(tǒng)一開放的技術標準，盡管現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)存在一些標準，但是又出現(xiàn)了一些新的標準。NXP專注于開發(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IC設計業(yè)者需快速跟進

智能電網(wǎng)建設涵蓋了信息化平臺、調(diào)度自動化系統(tǒng)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)、柔性交流輸電，變電站自動化系統(tǒng)、微機繼電保護、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)、用電管理采集系統(tǒng)等技術應用。智能電網(wǎng)技術包括相量測量（PMU）和廣域測量技術（WAMS）；三維、動態(tài)、可視化調(diào)度技術；可再生能源發(fā)電、電源接入和并網(wǎng)技術；計量（AMI/AMR）技術；需求響應、需求側(cè)管理（DSM）技術；配電自動化——高級配電運行（ADO）功能；分布式發(fā)電技術、電力儲能技術等。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司2009年公布的發(fā)展規(guī)劃，我國智能電網(wǎng)建設分為2009年6月至2010年為規(guī)劃試點階段、2011年至2015年是全面建設階段，到2020年全面建成統(tǒng)一的智能電網(wǎng)。這應該是個有上萬億元投入規(guī)模的應用市場，但目前還很難看到中國本土設計公司的身影。據(jù)了解，目前國內(nèi)電表廠家選擇的主控芯片絕大部分都是國外芯片供應商，扎堆于消費電子領域的IC設計者們，要有進入被國際公司壟斷領地的狼性，靠低價求生存的消費電子市場經(jīng)營模式已快走到盡頭了。ADI也在呼吁：中國本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來企業(yè)飛速發(fā)展的機遇。[!--empirenews.page--]