智能电表应用研究及其PLC通信芯片的设计

PLC梁光胜，秦菁（华北电力大学北京102206）：智能电表是智能电网的重要组成环节。本文首先对未来智能电表可能具备的功能做了定义与描述，其次对现有的应用于智能电表的通信技术的优缺点及适用领域进行了对比分析，然后举例提取了目前市场上存在的PLC通信芯片的关键技术，最后从芯片设计的角度给出了2种不同的PLC通信芯片的详细设计方案。：智能电表；通信技术；PLC通信；芯片设计：TN915.5：A1674－6236（2013）22-0076-04Applicationresearchofsmartmeteranddesignofit’sPLC-chipLIANGGuang-sheng，QINJing（NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206，China）Abstract:Smartmetersareessentialelementsofthesmartgrid.Thispaperfirstprovidesabriefdefinitionanddepictionaboutthefeaturesandperformancesthatsmartmetermighthaveinnearfuture.Thenacomparisonwasmadeaboutseveraltechnologiesthathavealreadybeenintegratedwithsmartmeterandsomenewtechnologiesthatbetterbeintegratedinviewoffuture.Afterthis，camethepowerlinecommunication（PLC）technologywasrecommendedwhichcouldprovidegoodperformanceofsecurity，reliabilityandcommunicationspeed.Finally，weanalyzedthecriticaltechnologiesindesigningpowerlinecommunicationchipsandformulated2kindsofrealisticdesignconcepts.Keywords:smartmeter；communicationtechnology；PLCcommunication；PLC-chipdesign：2013-03-07：201303080：梁光胜（1966—），男，山东嘉祥人，副教授。研究方向：集成电路及芯片设计与应用、嵌入式系统与智能控制、高等教育管理等。，、、、、、6，、、、“”。，。，、、、，、、。11.1，，。，，，，[1]。1。，，。，、、。。、、。。，，。，，，ElectronicDesignEngineering21Vol.2122No.22201311Nov.20131Fig.1Applicationschematicofsmartmeter－76－DOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2013.22.005。，，，[2]。1.21.1，。、、。，、、。，、、、、[3]。。，1，、、。，，，。1，。，，，。PLC。PLC，[5-6]。22.1，。，1Tab.1AnalysisandcomparisonofcommunicationtechnologiesusedinsmartmeterRS485，，，，，，，，，GPRS/GSM，、，，，、，，，，，/，、、、3G144kbps~2Mkbps、；，，，，，。Wi-Fi，，，，Wi-Fi，。ZigBee，；、、、、、、、、、，；UWB（），，，，，，，，（PowerLineCommunication，PLC）、、、、、、、、[4]，EPON，、、、、、[5]、、[5]，EPON[5]。：STST7538、IntellonSSCP330、EchelonPLT-22NILM1893。，，，：PLC136、TCC081、梁光胜，等智能电表应用研究及其PLC通信芯片的设计－77－《》2013年第22期3。，，220V。，，。，MCU，，。3Fig.3Functionalstructureofexternaljunction2Fig.2FunctionalstructureofPLCchipLME2210、PL2101B、SC1128RISE3201。2.2PLC。，，。，2。2，：。3，。2PLCTab.2CommonlyusedcommunicationtechnologiesofPLC，LM1893、ST7536、ST7537、AT9301、PTL-22、SN8810、RISE3201、MTC-30585、SSCP300、SSCP200、PL2000、PL2101、SC1128（OFDM），INT5130、INT5200、MAX2986、ITM10/，LME2200，WF-PLC300A3Tab.3ModulationanddemodulationanalysisofcommonlyusedcommunicationtechnologiesOFDM+DBPSK/DQPSKINT5130/1000（Intellon）PowerPacket/12MbpsMAX2986（MAXIM）HomePlug1.0/14MpsFSKST7538（ST）XR2210/2206LM1893（NI）（Chirp）SSCP300（Intellon）+BPSKPL2101B（）+DPSKSC1128（）+QPSK+BFSKPLC136（）TCC081（）2.3PLC，CMOS，、、，。，/、/、D/AA/D、、、、、（MCU）。－78－。6。PLCPLC，，，SOC，，。，，UARTMCU，8051，，A/D、D/A。7PLC。，，MCUUART，、、、，RAMBLOCK。BLOCK，，ROMsin。D/A。8PLC，，PGA，A/D，，，，、。RAM。RAMMCU。MCU，（、、），UART。8PLCFig.8FunctionalstructureofsignalreceptionsectionofembeddedPLCchip7PLCFig.7FunctionalstructureofsignaltransmissionsectionofembeddedPLCchip6PLCFig.6FunctionalstructureofembeddedPLCchip5。，。，，/。2.4PLCIP，。，，“”，。，PLC，5Fig.5Functionalstructureofsignalreceptionsection4Fig.4Functionalstructureofsignaltransmissionsection（下转第83页）梁光胜，等智能电表应用研究及其PLC通信芯片的设计－79－3PLC，PLC，PLC。，PLC，，PLC。：[1]SomaShekaraSreenadhReddyDepuru，LingfengWang，VijayDevabhaktunietal.Smartmetersforpowergrid:Challenges，issues，advantagesandstatus[J].Renewable&；sustainableenergyreviews，2011，15（6）:2736-2742.[2]张籍，吴涛.智能电能表功能特点及应用前景[J].中国电业（技术版），2011（3）:32-34.ZHANGJi，WUTao.ResearchoftheFunctionalCharacteristicsandApplicationProspectofSmartMeter[J].ChinaElectricPower（TechnologyEdition），2011（3）:32-34.[3]马韬韬，李珂，朱少华，等.智能电网信息和通信技术关键问题探讨[J].电力自动化设备，2010，30（5）:87-91.MATao-tao，LIKe，ZHUShao-hua，etal.Discussionaboutinformationandcommunicationtechnologyofsmartgrid[J].ElectricPowerAutomationEouipment，2010，30（5）:87-91.[4]王建龙，蒙根.实验室环境下的智能电表载波模块通信测试[J].电测与仪表，2012，49（4）:38-41.WANGJian-long，MENGGen.ThePLCmodulecommunicationtestofsmartmetersundertheLaboratory’sEnvironment[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation，2012，49（4）:38-41.[5]廖晓群，薛秀娥.基于EPON智能电能表光通信模块的设计与实现[J].光通信研究，2012，（3）:26-29.LIAOXiao-qun，XUEXiu-e.DesignandimplementationofEPON-basedopticalcommunicationmodulesforintelligentelectricenergymetersEPON[J].StudyonOpticalCommunications，2012，（3）:26-29.[6]陈凤，郑文刚，申长军，等.低压电力线载波通信技术及应用[J].电力系统保护与控制，2009，37（22）:188-195.CHENFeng，ZHENGWen-gang，SHENChang-jun，etal.Low-voltagepowerlinecarriercommunicationtechnologyanditsapplication[J].PowerSystemProtectlonandControl，2009，37（22）:188-195.University，2005.[2]JianLi，PetreStoica，MIMORadarSignalProcessing[M]，Wiley，NewJersey，2009.[3]BJDonnet，IDLongstaff，MIMORadar，TechniquesandOpportunities[C]//Proceedingsofthe3rdEuropeanRadarConference，Atzeni，Carlo，2006（9）:212-215.[4]刘波，韩春林，苗江宏.MIMO雷达正交频分LFM信号设计及性能分析[J].电子科技大学学报，2009，38（1）:28-31.LIUBo，HANChun-lin，MIAOJiang-hong.OFD-LFMsignaldesignandperformanceanalysisforMIMOradar[J].JournalofUnirersityofElectronicScienceandTechnologyofChina，2009，38（1）：28-31.[5]ZHANGYu，WANGJian-xin，OFDM-CodedSignalsDesignforMIMORadar[C]//ICSP2008，Germany，Leipzig，2008:2442-2445.[6]DW.Bliss，K.W.Forsythe，S.K.Davis，GMTIMIMORadar[C]//2009InternationalWD&DConference，Feb，2009，118-122.[7]JianLi，LuzhouXu，KeithW.Forsythe，DanielW.Bliss，RangeCompressionandWaveformOptimizationforMIMORadar:ACramer-RaoBoundBasedStudy[J].IEEETrans.onSignalProcessing，2008，56（1）:218-