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)點聚集到 DAP(數(shù)據(jù)聚集點)，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)組織進行過標(biāo)準(zhǔn)化，如 IEEE P1901.2、PRIME(基于電力線的智能電表演進標(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)具體情況進行優(yōu)化。

迄今為止，仍然沒有一個通用的互操作性標(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，因為大多數(shù)使用情況下都要求多個功能同時運行。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，因為一個節(jié)點可能通過 PLC 連接到一個節(jié)點，同時通過 802.15.4g 連接到另一個節(jié)點。

超低功耗

雖然插電智能電表有主電源，但不插電計量設(shè)備必須要用兩節(jié) AA 電池運行 5 到 10 年，這要求空閑和峰值功耗都要進行非常仔細(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 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，因為它們包含眾多零散、獨立的基于硬件的調(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)運而生。這些調(diào)制解調(diào)器應(yīng)采用一個統(tǒng)一的高性能處理器，而這個處理器可以運行多個 PHY 和協(xié)議，并具有真正的實時操作系統(tǒng) (RTOS) 來支持并行任務(wù)，同時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，因為支持多種通信標(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)不僅能縮短上市時間，還能降低風(fēng)險，因為它們能滿足未來的需求，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。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)濟效益，能進一步減少系統(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，因為它們沒有內(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。