智能電網(wǎng)通信為什么那么難？

　　智能電網(wǎng)和HEMS設備的一個重大特征就是具備了通信功能。以智能電表為例，通信對象是與供應方（電力公司）進行通信的A路徑和與消費方（住宅內(nèi)的HEMS設備）進行通信的B路徑（參照第一期的圖1），但所采用的通信方式因國家和地區(qū)而不同。雖然A路徑正在逐步實現(xiàn)規(guī)格標準化，但有時也加入了電力公司的規(guī)格，對此大家一定要加以留心。同時，B路徑為了與各種HEMS設備進行通信，相對于其獨特性更重視以標準規(guī)格為基礎的兼容性及連接性。

　　在日本，B路徑主要采用“Wi-SUN”無線通信方式。無法使用無線通信時的補充方式是PLC電力線通信。而A路徑采用的是無線MultiPop方式和1:N無線方式，目前也在探討是否采用PLC方式。日本以外的國家，A、B路徑分別采用電表生產(chǎn)商獨自的通信方式和以Wi-SUN、PLC為主的通信方式，目前也在探討使用無線MulTIPop方式、2G/3G移動通信以及ZigBee?無線通信等各種通信方式。

　　連接B路徑端口的住宅內(nèi)設備主要是智能家居（建筑物）的核心設備即HEMS（BEMS）服務器，該設備最適合用來控制住宅和建筑物的能源消耗。另外，在與由HEMS（BEMS）設備構筑的建筑物內(nèi)的設備及機器進行通信的網(wǎng)絡中，Wi-SUN和PLC也發(fā)揮了很重要的作用。本文主要介紹這兩種支持未來節(jié)能技術的重要通信方式。

　?。?） Sub-GHz頻段的無線通信“Wi-SUN”

　　Sub-GHz頻段無線通信“能夠使用頻率低于1GHz的頻率，即可使用900MHz左右的頻率。日本使用的是920MHz，美國使用的是915 MHz，而歐洲使用的頻率是863 MHz，雖然在頻率分配上有些不同，但由于其是無需許可證便能使用的指定低功率無線電頻段，所以用途非常廣泛。此外還有傳播范圍廣、抗干擾能力強等特征。

　　與WLAN等所使用的2.4GHz和5GHz這些帶寬的無線通信相比，”Sub-GHz頻段無線通信“的功耗非常低。利用這個特性便可將其廣泛適用于通過電池來驅(qū)動的無線傳感器網(wǎng)絡等。

　　利用這個特性，不僅在智能電表方面，還以在M2M（Machine to Machine， 機器對機器）、傳感器網(wǎng)絡等IoT（物聯(lián)網(wǎng)）領域的普及為目標，為了使不同廠商的設備也能兼容連接而制定了”Wi-SUN“標準。而且，在HAN（Home Area Network，家庭局域網(wǎng)絡）中發(fā)揮這種兼容連接的特性，便可將多個家用電器構建成網(wǎng)，實現(xiàn)高效的HEMS（Home Energy Management System，家庭能量管理系統(tǒng)）。

　　Wi-SUN憑借在物理層所采用的”IEEE 802.15.4g“低速通信方式，其目標是即使周圍存在1000個以上的節(jié)點仍能維持通信。而在MAC層所采用的是”IEEE 802.15.4e“，與最初開發(fā)的”IEEE802.15.4“相比，提高了輸出量（through-put）和安全性能。

　　在IEEE802.15.4e和IEEE802.15.4g中所制定的是規(guī)格的要求事項，而Wi-SUN的規(guī)格是在實際應用時挑選了必要的應用規(guī)定而制定的。瑞薩電子從一開始就是制定該規(guī)格的中堅力量。

　?。?） 用于電表的電力線通信“PLC”與用于數(shù)據(jù)通信的“PLC”有所不同

　　PLC通過將比交流電頻率（50/60Hz）更高的頻率信號輸入到交流電的供電線路中來實現(xiàn)通信（圖6）。由于使用已鋪設好的電線進行通信，因此其優(yōu)勢是無需另行施工。在無線通信中，如果智能電表被金屬和厚厚的鋼筋混凝土包圍的話便無法進行通信，但在PLC中，這不再成為問題。利用這個特性，也可將PLC應用于智能電表之外設備中，如應用于建筑物的自動化和路燈等。

　　圖6：PLC通信的基本原理

　　用于智能電表的PLC與為了PC等進行數(shù)據(jù)通信而開發(fā)出來的PLC有所不同。用于PC的PLC的帶寬是2MHz至30MHz，而智能電表的PLC使用的帶寬是10kHz至500kHz。

　　在歐洲強而有力的“G3”和“PRIME”、美國的“IEEE 1901.2”以及意大利的“Meters & More”等都屬于智能電表的PLC方式。任何一種方式的標準化活動瑞薩電子都參加了，還參加了制定G3和PRIME規(guī)格的所有工作團隊。日本采用的是G3方式的PLC（G3-PLC）。

　?。?） 為了連接各種設備的通信規(guī)格---ECHONET Lite

　　通過Wi-SUN和PLC把家電、智能電表和太陽能發(fā)電系統(tǒng)等連接起來后也不意味著就此便可簡單地進行控制。各公司在使用自己獨有的數(shù)據(jù)格式和序列時，由于不能相互傳遞信息，因此無法進行控制。為了將這些進行標準化，以ECHONET ConsorTIum（節(jié)能協(xié)會）為首制定了通信協(xié)議ECHONET Lite， ECHONET Lite主要規(guī)定應用層（OSI的層），能夠在Wi-SUN和PLC的上層以共通的訪問界面來進行控制。采用該規(guī)格，便可控制80種以上的HEMS設備。而且，通過ECHONET Lite便可對家電進行控制以及把握其運行狀態(tài)和用電量等。于是，支持ECHONET Lite的家電產(chǎn)品、太陽能發(fā)電設備及蓄電池等一旦增加，通過包括智能電表在內(nèi)的HEMS設備不僅能夠控制整個家庭的用電量，還能控制每部機器的用電量，以及最有效地控制發(fā)電、用電及蓄電等。

　　連接不上便沒有意義 規(guī)格和實際安裝的不一樣？

　　智能電網(wǎng)的關鍵技術就是通信技術。無論是無線通信還是有線（電力線）通信，都具有嚴格的標準。那么，采用某種通信方式后，只要拿到規(guī)格書，并按規(guī)格書上的說明來安裝就可以了嗎？其實問題并沒那么簡單。首先，一般來說，規(guī)格書非常厚，閱讀并理解其意思很費力。而且還有一些規(guī)格書中沒有記錄的事項，所以就需要有“從字里行間領會其意思”的能力。只有這樣，開發(fā)出來的通信部分才有可能通過標準化團體舉辦的認證測試。通過認證測試后方可強調(diào)自己已通過認證了。

　　更難的是要確保相互兼容性和連接性。要是與對方連接不上通信便無從談起。即使通過了標準的認證測試，由于連接性還涉及到標準之外的因素，所以也難于確保能成功連接。因此，標準化團體進行了連接兼容性測試。

　　認證測試及連接兼容性測試都是需要經(jīng)驗的領域。所以，在無線技術方面經(jīng)驗尚淺的開發(fā)者，僅在讀了規(guī)格書后便進行安裝也是很難達標的。因此，使用取得認證的模塊和協(xié)議棧是達標的捷徑。

　　連接產(chǎn)生價值 瑞薩電子面向智能電網(wǎng)設備的解決方案―通信功能―

　　雖然通信部分看上去是以嚴格的標準來制定，但由于實際安裝的不同所以連接性也存在差異，因此開發(fā)起來也相當困難。但是，如果使用經(jīng)過認證的瑞薩電子解決方案，就能大幅削減開發(fā)所需的人力資源?？蓪⑺鳒p的人工投入到提高智能電表和HEMS設備本身能力的開發(fā)中，以提高產(chǎn)品的競爭力。

　　（1）追求低功耗還是多功能？ 兩個Wi-SUN平臺 公認的測試平臺單元

　　為了利用Wi-SUN進行智能電表開發(fā)，瑞薩電子準備了兩個開發(fā)套件。即搭載了RL78/G13的“Wi-SUN Basic Platform for Sub-GHz band開發(fā)套件”（圖7）和搭載了RX63N的“Wi-SUN Advanced Platform for Sub-GHz band 開發(fā)套件”（圖8）。這兩個開發(fā)套件的特征是前者能徹底實現(xiàn)了低功耗，而后者則具有能安裝多種功能的高度的可擴展性。

　　此套件中搭載的無線部分（包括協(xié)議棧）已獲得了Wi-SUN聯(lián)盟的認證，甚至被認定為公認的測試平臺單元（CTBU： Certified Test Bed Unit）。這意味著其他供應商的產(chǎn)品都要以瑞薩電子的協(xié)議棧為基準進行連接測試。結果可保證所有接受連接測試的產(chǎn)品都具備與瑞薩電子協(xié)議棧的連接性。也就是說使用這些套件，便可迅速降低連接性測試障礙。

　?。?） 在一個硬件中，通過改變軟件便可使其支持各種PLC方式 實現(xiàn)了高度的開發(fā)效率和量產(chǎn)

　　用于PLC的解決方案套件（圖9）是由搭載了GROBEL PLC調(diào)制解調(diào)器“μPD809508”的PLC評估板和軟件文檔組成。μPD809508是一種支持G3-PLC和PRIME這兩種PLC方式的調(diào)制解調(diào)器，而且已經(jīng)取得了瑞薩電子的協(xié)議棧認證。

　　通過更改附屬的軟件數(shù)據(jù)庫，調(diào)制解調(diào)器便可支持G3-PLC的各地區(qū)（歐洲、美國、日本）的標準以及PRIME。另外，發(fā)揮其作為軟件庫的特點，便能夠改良通信的運算方法。對于PLC中需要解決的課題——如噪音和信號減弱等，提供了穩(wěn)定的通信運算方法。無需根據(jù)不同的國家和地區(qū)更換不同的調(diào)制解調(diào)器LSI，因此可為用戶提高開發(fā)效率和量產(chǎn)性。

　　瑞薩電子今后也將繼續(xù)進行調(diào)制解調(diào)器和軟件的開發(fā)，在單個調(diào)制解調(diào)器中加入G3-PLC和PRIME，目的是使其支持美國的IEEE1901.2、以及最新版的PRIME（V.1.4）。

　　另外，用于進行評估的評估版也已經(jīng)取得了符合日本技術標準的認證。無需再在特殊環(huán)境中進行PLC信號是否會泄漏到外部的測試等，只需在購入兩套解決方案后將其連接到電力線上，即可進行通信嘗試。

　　為了進行徹底低功耗的測量功能開發(fā)、以及與通信的連接兼容性等，在以前需要耗費大量人力資源的工作現(xiàn)在通過上述的解決方案便得到了解決。

　　瑞薩電子的解決方案具有低功耗、可擴展性和開發(fā)效率高等特點，不僅在智能電表的開發(fā)方面，對燃氣表、傳感器網(wǎng)絡、街燈等HEMS、BEMS、FEMS及CEMS的智能電網(wǎng)相關的能源消耗、發(fā)電以及蓄電控制系統(tǒng)方面也作出了貢獻。