如何解決智能電表的通信難題

日期:2016-04-25

來源:北極星輸配電網


  智能電表和其他“智能能源”設備和儀器的通信和連接需求對設計人員和開發人員提出了嚴峻的挑戰。


  让我们来了解一下智能電表的通信难题,并了解当前设备是如何解决这些难题的。然后,我们将考虑应如何解决这些难题来提供具有成本效益且能满足未来需求的实用智能電網解決方案。


靈活性和多模:新一代智能電表的关键部署属性


  解決方案基于各種各樣的技術,因地理位置、當地網絡基礎設施標准和質量而異。


  HAN(家域网)或BAN(楼域网)使用短距离无线标准(如ZigBee、Thread、WiFi和蓝牙)将家电设备连接到智能電表。它还可以使用PLC(电力线载波)有线技术。


  NAN(邻域网)使用星形网络拓扑结构,如蜂窝M2M(GPRS、3G、LTEMTC、NB-IoT、LPWAN)将每个电表直接连到基站,并使用云或网状网拓扑结构,如PLC或802.15.4g将所有智能電表节点聚集到DAP(数据聚集点),而该DAP将使用蜂窝M2M(GPRS、3G、LTEMTC)直接连接到基站或通过以太网直接连接到云。


靈活性


  解决方案必须要有足够的靈活性才能支持上面列出的所有标准,其中的部分标准仍在开发中,可能需要现场更新和远程升级。


  例如PLC技术已经被多家标准组织进行过标准化,如IEEEP1901.2、PRIME(基于电力线的智能電表演进标准)和G3,并且这些技术标准均提供多种不同的数据速率和频率带宽。各个国家也都派生了不同的PLC技术分支版本来针对自己的电网具体情况进行优化。


  迄今为止,仍然没有一个通用的互操作性标准来管理智能電網的通信,也可能永远都不会有!


多模


  多模也是必備的設置,因爲大多數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網狀拓撲結構需要並發支持PLC和802.15.4g,因爲一個節點可能通過PLC連接到一個節點,同時通過802.15.4g連接到另一個節點。


超低功耗


    虽然插电智能電表有主电源,但不插电计量设备必须要用两节AA电池运行5到10年,这要求空闲和峰值功耗都要进行非常仔细的优化。


超低成本


  为使智能電表得到快速而广泛的部署,整个HAN/NAN通信模块的物料(BOM)成本应在15到20美元之间。


  現有的通信解決方案使用以硬件爲中心的調制解調器。這種調制解調器不能升級以跟上標准的演變和國家特定版本的變化,因此不能支持現場更新。


  所以多模系統是異構的,因爲它們包含衆多零散、獨立的基于硬件的調制解調器。從能耗、性能、成本和面積的角度來看,這種異構解決方案也不夠完美。另外它們需要的上市時間也比較長。


  爲了使用低成本、低功耗的解決方案解決這些難題,軟件定義調制解調器(SDM)應運而生。這些調制解調器應采用一個統一的高性能處理器,而這個處理器可以運行多個PHY和協議,並具有真正的實時操作系統(RTOS)來支持並行任務,同時最大限度地減少任務切換和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,如CEVA-XC5和CEVA-XC8,因爲支持多種通信標准,所以使開發人員能夠實現軟件定義調制解調器而不必額外使用硬件。這樣使架構不僅能縮短上市時間,還能降低風險,因爲它們能滿足未來的需求,可以在産品生命周期內通過現場升級固件,跟隨標准的演進。不同國家的技術需求,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模經濟效益,能進一步減少系統解決方案所需的BOM成本。


下一步:“智能化”並連接其他儀表


  为使这些系统更具挑战性,上图仅显示了三分之一的全球智能電表,即插电电表。


  事实上,目前的智能電網主要是关注智能電表,但下一步就是“智能化”并连接所有其他仪表,包括水表、热水表和燃气表。


  雖然這些其他儀表每天只需用上行鏈路傳輸幾個字節,並且下行鏈路傳輸的數據更少,但它們的互連卻比電表更有難度,因爲它們沒有內置電源,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。因此鏈路的預算需要非常高,將會決定技術的選擇。

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