面向智能电网设备,Wi-SUN 和 PLC 通信开发解决方案

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面向智能电网相关设备的解决方案[第二期]:通信功能

在上期中,我们介绍了智能电表和HEMS设备在节能方面发挥的作用以及"电力测量"的开发解决方案。接下来,我们将介绍构成智能电网基础的"通信功能"开发。很多客户都因不同国家和地区而产生的不同通信方式而感到烦恼,为此,瑞萨电子将帮助客户解决"如何缩短开发工程"这个课题。瑞萨电子提供的通信解决方案具有低功耗和可扩展性特点,能够提高开发效率和进行量产。发挥该特点不仅可以为智能电网和HEMS设备提供解决方案,还可以为建筑物(BEMS)及工厂(FEMS)的燃气表、传感器网络(Sensor Networks)、街灯、建筑设备自动化等以及整个地区(CEMS)的能源消耗、发电及蓄电的控制系统设备提供解决方案。

智能电网通信为什么那么难?

智能电网和HEMS设备的一个重大特征就是具备了通信功能。以智能电表为例,通信对象是与供应方(电力公司)进行通信的A路径和与消费方(住宅内的HEMS设备)进行通信的B路径(参照第一期的图1),但所采用的通信方式因国家和地区而不同。虽然A路径正在逐步实现规格标准化,但有时也加入了电力公司的规格,对此大家一定要加以留心。同时,B路径为了与各种HEMS设备进行通信,相对于其独特性更重视以标准规格为基础的兼容性及连接性。

在日本,B路径主要采用"Wi-SUN"无线通信方式。无法使用无线通信时的补充方式是PLC电力线通信。而A路径采用的是无线MultiPop方式和1:N无线方式,目前也在探讨是否采用PLC方式。日本以外的国家,A、B路径分别采用电表生产商独自的通信方式和以Wi-SUN、PLC为主的通信方式,目前也在探讨使用无线MultiPop方式、2G/3G移动通信以及ZigBee®无线通信等各种通信方式。

连接B路径端口的住宅内设备主要是智能家居(建筑物)的核心设备即HEMS(BEMS)服务器,该设备最适合用来控制住宅和建筑物的能源消耗。另外,在与由HEMS(BEMS)设备构筑的建筑物内的设备及机器进行通信的网络中,Wi-SUN和PLC也发挥了很重要的作用。本文主要介绍这两种支持未来节能技术的重要通信方式。

(参考)点击这里查看关于智能家居的专辑报道

(1) Sub-GHz频段的无线通信"Wi-SUN"

Sub-GHz频段无线通信"能够使用频率低于1GHz的频率,即可使用900MHz左右的频率。日本使用的是920MHz,美国使用的是915 MHz,而欧洲使用的频率是863 MHz,虽然在频率分配上有些不同,但由于其是无需许可证便能使用的指定低功率无线电频段,所以用途非常广泛。此外还有传播范围广、抗干扰能力强等特征。

与WLAN等所使用的2.4GHz和5GHz这些带宽的无线通信相比,"Sub-GHz频段无线通信"的功耗非常低。利用这个特性便可将其广泛适用于通过电池来驱动的无线传感器网络等。

利用这个特性,不仅在智能电表方面,还以在M2M(Machine to Machine, 机器对机器)、传感器网络等IoT(物联网)领域的普及为目标,为了使不同厂商的设备也能兼容连接而制定了"Wi-SUN"标准。而且,在HAN(Home Area Network,家庭局域网络)中发挥这种兼容连接的特性,便可将多个家用电器构建成网,实现高效的HEMS(Home Energy Management System,家庭能量管理系统)。

Wi-SUN凭借在物理层所采用的"IEEE 802.15.4g"低速通信方式,其目标是即使周围存在1000个以上的节点仍能维持通信。而在MAC层所采用的是"IEEE 802.15.4e",与最初开发的"IEEE802.15.4"相比,提高了输出量(through-put)和安全性能。

在IEEE802.15.4e和IEEE802.15.4g中所制定的是规格的要求事项,而Wi-SUN的规格是在实际应用时挑选了必要的应用规定而制定的。瑞萨电子从一开始就是制定该规格的中坚力量。

Sub-GHz频段的特点(1)传输距离远 (2)衍射性高(不怕障碍物) (3)干扰少 (4) 低速(能够维持来自多个终端的通信)

(2) 用于电表的电力线通信"PLC"与用于数据通信的"PLC"有所不同

PLC通过将比交流电频率(50/60Hz)更高的频率信号输入到交流电的供电线路中来实现通信(图6)。由于使用已铺设好的电线进行通信,因此其优势是无需另行施工。在无线通信中,如果智能电表被金属和厚厚的钢筋混凝土包围的话便无法进行通信,但在PLC中,这不再成为问题。利用这个特性,也可将PLC应用于智能电表之外设备中,如应用于建筑物的自动化和路灯等。

图6:PLC通信的基本原理

图6:PLC通信的基本原理

用于智能电表的PLC与为了PC等进行数据通信而开发出来的PLC有所不同。用于PC的PLC的带宽是2MHz至30MHz,而智能电表的PLC使用的带宽是10kHz至500kHz。

在欧洲强而有力的"G3"和"PRIME"、美国的"IEEE 1901.2"以及意大利的"Meters & More"等都属于智能电表的PLC方式。任何一种方式的标准化活动瑞萨电子都参加了,还参加了制定G3和PRIME规格的所有工作团队。日本采用的是G3方式的PLC(G3-PLC)。

(3) 为了连接各种设备的通信规格---ECHONET Lite

通过Wi-SUN和PLC把家电、智能电表和太阳能发电系统等连接起来后也不意味着就此便可简单地进行控制。各公司在使用自己独有的数据格式和序列时,由于不能相互传递信息,因此无法进行控制。为了将这些进行标准化,以ECHONET Consortium(节能协会)为首制定了通信协议ECHONET Lite, ECHONET Lite主要规定应用层(OSI的层),能够在Wi-SUN和PLC的上层以共通的访问界面来进行控制。采用该规格,便可控制80种以上的HEMS设备。而且,通过ECHONET Lite便可对家电进行控制以及把握其运行状态和用电量等。于是,支持ECHONET Lite的家电产品、太阳能发电设备及蓄电池等一旦增加,通过包括智能电表在内的HEMS设备不仅能够控制整个家庭的用电量,还能控制每部机器的用电量,以及最有效地控制发电、用电及蓄电等。

连接不上便没有意义 规格和实际安装的不一样?

智能电网的关键技术就是通信技术。无论是无线通信还是有线(电力线)通信,都具有严格的标准。那么,采用某种通信方式后,只要拿到规格书,并按规格书上的说明来安装就可以了吗?其实问题并没那么简单。首先,一般来说,规格书非常厚,阅读并理解其意思很费力。而且还有一些规格书中没有记录的事项,所以就需要有"从字里行间领会其意思"的能力。只有这样,开发出来的通信部分才有可能通过标准化团体举办的认证测试。通过认证测试后方可强调自己已通过认证了。

更难的是要确保相互兼容性和连接性。要是与对方连接不上通信便无从谈起。即使通过了标准的认证测试,由于连接性还涉及到标准之外的因素,所以也难于确保能成功连接。因此,标准化团体进行了连接兼容性测试。

认证测试及连接兼容性测试都是需要经验的领域。所以,在无线技术方面经验尚浅的开发者,仅在读了规格书后便进行安装也是很难达标的。因此,使用取得认证的模块和协议栈是达标的捷径。

连接产生价值 瑞萨电子面向智能电网设备的解决方案―通信功能―

虽然通信部分看上去是以严格的标准来制定,但由于实际安装的不同所以连接性也存在差异,因此开发起来也相当困难。但是,如果使用经过认证的瑞萨电子解决方案,就能大幅削减开发所需的人力资源。可将所削减的人工投入到提高智能电表和HEMS设备本身能力的开发中,以提高产品的竞争力。

(1)追求低功耗还是多功能? 两个Wi-SUN平台 公认的测试平台单元

为了利用Wi-SUN进行智能电表开发,瑞萨电子准备了两个开发套件。即搭载了RL78/G13的"Wi-SUN Basic Platform for Sub-GHz band开发套件"(图7)和搭载了RX63N的"Wi-SUN Advanced Platform for Sub-GHz band 开发套件"(图8)。这两个开发套件的特征是前者能彻底实现了低功耗,而后者则具有能安装多种功能的高度的可扩展性。

图7:Wi-SUN Basic Platform for Sub-GHz band开发套件

图7:Wi-SUN Basic Platform for Sub-GHz band开发套件

图8:Wi-SUN Advanced Platform for Sub-GHz band开发套件

图8:Wi-SUN Advanced Platform for Sub-GHz band开发套件

此套件中搭载的无线部分(包括协议栈)已获得了Wi-SUN联盟的认证,甚至被认定为公认的测试平台单元(CTBU: Certified Test Bed Unit)。这意味着其他供应商的产品都要以瑞萨电子的协议栈为基准进行连接测试。结果可保证所有接受连接测试的产品都具备与瑞萨电子协议栈的连接性。也就是说使用这些套件,便可迅速降低连接性测试障碍。

(2) 在一个硬件中,通过改变软件便可使其支持各种PLC方式 实现了高度的开发效率和量产

用于PLC的解决方案套件(图9)是由搭载了GROBEL PLC调制解调器“µPD809508”的PLC评估板和软件文档组成。µPD809508是一种支持G3-PLC和PRIME这两种PLC方式的调制解调器,而且已经取得了瑞萨电子的协议栈认证。

通过更改附属的软件数据库,调制解调器便可支持G3-PLC的各地区(欧洲、美国、日本)的标准以及PRIME。另外,发挥其作为软件库的特点,便能够改良通信的运算方法。对于PLC中需要解决的课题——如噪音和信号减弱等,提供了稳定的通信运算方法。无需根据不同的国家和地区更换不同的调制解调器LSI,因此可为用户提高开发效率和量产性。

图9:PLC评估

图9:PLC评估

瑞萨电子今后也将继续进行调制解调器和软件的开发,在单个调制解调器中加入G3-PLC和PRIME,目的是使其支持美国的IEEE1901.2、以及最新版的PRIME(V.1.4)。

另外,用于进行评估的评估版也已经取得了符合日本技术标准的认证。无需再在特殊环境中进行PLC信号是否会泄漏到外部的测试等,只需在购入两套解决方案后将其连接到电力线上,即可进行通信尝试。

在本连载的第一期和第二期中,我们介绍了瑞萨电子与智能电网相关设备的解决方案。为了进行彻底低功耗的测量功能开发、以及与通信的连接兼容性等,在以前需要耗费大量人力资源的工作现在通过上述的解决方案便得到了解决。

瑞萨电子的解决方案具有低功耗、可扩展性和开发效率高等特点,不仅在智能电表的开发方面,对燃气表、传感器网络、街灯等HEMS、BEMS、FEMS及CEMS的智能电网相关的能源消耗、发电以及蓄电控制系统方面也作出了贡献。

不断扩大的Wi-SUN、PLC通信应用领域

瑞萨电子深信:"我们的解决方案可使客户真正能集中精力投身到智能电网设备的开发中,一定能够为强化产品能力作出贡献"。

※Wi-SUN is a registered trademark of Wi-SUN Alliance, Inc., Renesas is licensed to use this trademark.

※ZigBee is a registered trademark of ZigBee Alliance.