经多年的合作开发宽带中频电力线载波通信技术规模化应用时机来临

经国网多年的合作开发，宽带（中频）电力线载波通信技术规模化应用的时机终于来临！
中国现代电网量测技术平台

张春晖
2018年6月21日
1）IEEE19011国际标准
网上报道:中国电科院发布”IEEE19011国际标准”
— 2018年5月22日，由中国电科院、国网信通产业集团等企业联合制订的IEEE19011《适用于智能电网应用的中频（低于12MHz）电力线载波通信技术标准》正式发布实施。
—该标准是以国网Q/GDW 11612 《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范》为基础，大量使用创新技术，提出以OFDM、双二元Turbo编码、时频分集拷贝为核心的物理层通信技术规范，以及以信道时序优化、树形组网、多台区网络协调为代表的数据链路层技术规范。
该标准的发布，填补了中频电力线载波通信应用在智能电网领域国际标准的空白，提升我国在物联网领域的国际影响力和话语权。
— IEEE19011标准通过构建高带宽、高可靠、低时延、低成本的电力线通信网络，支持远程自动抄表、配电台区监测等多种应用场景，实现以电力线载波通信为基础的物联网技术在能源互联网中的有效应用。
该标准将促进电力线载波通信芯片、通信模组、智能终端全产业的发展。
2）国网，宽带（中频）电力线载波通信技术合作开发进程
国网为何重视宽带（中频）电力线载波通信技术的开发
国网的用电信息采集系统建设，从2010年开始，2017年基本完成，用电信息采集43亿户，覆盖率99%，用于用电信息采集设备及用户工程投资巨额，约510亿元。其中，70%的本地通信方式采用窄带（低速）电力线载波通信技术。经过多年的运行，窄带（低速）载波通信方式的通信速率慢，自动采集成功率低，有的居民小区的单相电表，24h都抄不到表，成为本地通信的技术瓶颈，一时难以解决。由此，国网利用配电网户户通电电力线的资源优势，将宽带（中频）电力线载波通信实用化应用，列为通信新技术重点开发课题。
根据中国电科院专家提出的配电、用电管理通信流量的预测:宽带（中频）载波通信速率需满足下列用电信息采集的要求:
· AMR/AMI的通信速率:12/20 k bps

·负荷管理10 k bps

·扩大到配电业务，配电自动化、报警管理、DG均为10 k bps；

·配电视频监控要求1 M bps；配电新提出的其它视频通信要求。
— 2012年7月，国网”新一代智能电力线载波通信关键技术研究”项目启动。该智能PLC是具有跨频带（150 k Hz---10 M Hz）、频率自认知、自适应、自组网、协调通信功能的载波通信技术。
该项目由中国电科院牵头，国网通信公司、南瑞集团参与。
2014年11月，该项目通过验收。其智能PLC系统在绍兴、长春电网的中、低压电力线路上开展了实际测试与验证。
— 2014年7月，在本文作者组织召开的《进口高端电能全性能研究》课题（长沙:威胜）技术交流会议上，华为海思公司介绍了自主设计的Hi3911型宽带（中频）载波芯片，频段:2---12MHz,通信速率200k---14M bps。
由此估计:华为海思公司的中频载波芯片推出时间还要更喜欢早一点。
— 2014年10月，国网召开低压电力线宽带载波通信技术标准研讨会，提出宽带载波通信单元技术规范、检验规范、通信协议（初稿）。
— 2014年11月，在本文作者组织召开的电力线载波通信新标准、新产品（青岛:东软）技术交流会议上，重点交流国际/国内宽带与OFDM窄带载波通信新技术。
— 2015年，据了解，华为海思公司将（中频载波芯片）物理层及通信协议在国网宽带载波通信技术企业标准中进行共享。各宽带载波芯片厂家在芯片物理层统一的前提下，自主开发宽带载波产品。
— 2016年，在本文作者组织召开的当前电表行业发展热点问题（重庆华立）讨论会上，重庆市电科院介绍了在大型公变台区（约700户）进行现场宽带载波通信互联互通测试结果。
— 2017年，江苏省电科院完成宽带载波模块互联互通测试，验证宽带载波模块在架空线路、预埋电缆、城市及农村等现场复杂运行工况下的互联互通情况。
— 2017年，重庆邮电大学、重庆市电科院《基于System Generator的宽带电力线脉冲噪声实现方法》提出:实现基于FPGA的Class A 噪声发生器，将有利于宽带PLC产品抗噪声性能评估测试。
— 2017年，国网发布:《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范（Q/GDW 11612---2016）》
据了解，该标准分为6个部分:
第1部分:总则

第2部分:技术要求

第3部分:检验方法

第4部分:物理层及通信协议

第5部分:链路层及通信协议

第6部分:应用层技术要求
— 2018年5月，中国电科院发布:《适用于智能电网应用的中频（低于12MHz）电力线载波通信技术标准（IEEE19011）》
3）青岛东软公司:推出符合IEEE19011国际标准的宽带（中频）载波通信芯片，并获得国际通行证
网上报道:”IEEE发布载波新标准，东软载波芯片获国际通行证”
—东软推出新的载波（中频）芯片的型号:

Eastsoft SSC1667。现在，已有至少100万颗芯片在网使用，并不断深化应用，拥有超级电容停电上报台区自动识别等功能。
—东软SSC1667型宽带（中频）载波通信芯片的设计性能
· 40nm Flash工艺，SOC芯片集成度高，Flash内置，外围成本低

· OFDM正交频分复用调制技术

·通信速率6MHz

·通信频带07MHz---12MHz

·功耗更低:静态功耗07W/动态1W

·支持新的/老的国网宽带互联互通标准，支持频段切换功能

· 4频段、6种模式，具体支持的标准和频段:（略）。
4）点评
—我国在电力线载波通信技术国际标准制订方面实现零的突破
在国际上，由中国电科院等单位联合制订的《适用于智能电网应用的中频（低于12MHz）电力线载波通信技术标准（IEEE19011）》，填补了中频电力线载波通信应用在智能电网领域国际标准的空白。
经查证:
·国际上，宽带（高频:2MHz及以上）电力线载波通信标准的制订:先期研究的重点领域是智能家居网络，后来面向家庭数字多媒体、视频、音频、数据、能源智能化控制等通信的需求。这方面，Home Plug（家居即插）联盟提出的宽带电力线载波通信技术标准较早、面广，其中的部分宽带载波通信标准，已经转换成IEEE国际标准:
从2001年的Home Plug 10标准，数据速率最高达14M bps，主要定位于家庭网络应用，也有用于低压宽带接入；2004年的Home Plug 10 ---Turbo标准，提升数据速率，最高数据速率85M bps，；2005年的Home Plug AV标准，频段:18---25MHz,最高数据速率200M bps,用于传输视频、音频、数据；2006年的Home Plug Green PHY标准，是为家庭和建筑物中嵌入式智慧能源和自动化应用而设计，它与IEEE1901/Home Plug AV标准的电力线网络协议互 *** 作，并具有将数据速率由200M bps降低为低速率（注:10M bps）、低功耗（注:功耗降低80%）、低成本和宽广家庭覆盖能力等特性。
·国际上的窄带（低频:500kHz及以下）OFDM电力线载波通信标准的制订:
2009年，MAXIM公司发布G3标准
2011年，PRIME联盟成立，发布G3---PLC标准；ITU（国际电信联盟）的G9955兼容G3---PLC物理层；IEEE P 19012兼容G3---PLC物理层
2012年，G3---PLC更新，由ITUG9903发布；10月发布更新版本
2013年，ITUG9903发布更新版本；IEEE19012投票通过成为正式版本
2014年，ITU G9903发布再更新版本。
这些窄带通信标准，使用OFDM的低频窄带载波通信技术，以较高的传输速率及频段具有d性等优势而快速兴起，主要用于自动抄表管理、智能家居网络，频段:10k---500k Hz ，数据传输速率20k---150k bps。
·以上情况说明:
a1 国际上，长期以来，适用于智能电网用电信息采集的中频（150k---12MHz）电力线载波通信方式，一直未推出国际标准。
a2 国内，自2009年国网提出开展电力用户用电信息采集系统建设之后，对适用于智能电网应用的中频（低于12MHz）电力线载波通信技术进行多方位的合作研究。
IEEE19011国际标准的提出，是基于国内通过几年的宽带（中频）电力线载波通信的中频载波芯片开发、现场宽带载波通信干扰性能测试、宽带载波通信互联互联讨论、宽带载波通信标准制订等多方位的合作创新、系统研究成果。
—从应用的视角，中频（低于12MHz）电力线载波通信有哪些技术难点与争议
国际上，迟迟未能推出适用于智能电网应用的中频（低于12MHz）电力线载波通信国际标准，估计主要有应用技术难点与争议。
经综合2014年青岛电力线载波通信新标准/新产品技术交流会议、2016年重庆电表行业发展热点问题讨论会议的情况，本文作者提出中频电力线载波通信应用技术开发的3个难点与争议问题:
其一，中频电力线载波通信双向高频干扰。网上报道:2013年6月，ITU---R（国际电信联盟无线电通信部门）发布《电力线通信系统对工作在80MHz以下的无线电通信系统的影响（ITU---R SM2158---3报告）》，对电力线载波通信方式提出质疑。
注:SM系列，频谱管理。
（说明:目前尚未看到国内有关部门对ITU--R SM2158---3报告的评论）
其二，配网预埋电缆、无功补偿装置对中频电力线载波通信影响的严重程度与改进措施的合理性评估。经现场实测，有时将集中器布置在

无功补偿装置之前（电源侧），自动抄表成功率极低甚至抄不到表。
其三，宽带载波通信互联互通问题。据了解，在国内，各宽带载波芯片厂家的中频载波芯片物理层及通信协议已经统一，网络的路径选择和中继功能还是各不相同，在现场实际的组网和抄表时，互联互通的效果并不理想。
针对以上难点与争议问题，据了解，国网计量部门统一组织了现场测试分析，提出一些改进措施。但是从期刊、网上很少见到这方面的报道。
这次，IEEE19011国际标准提出中频（低于12MHz）电力线载波通信网络的物理层、数据链路层技术规范，其大量使用的创新技术，提高了通信信号（位、帧）的收发质量和数据传输性能。据了解，随后国内有意向继续合作开发中频载波通信网络的网络层及其它层级的技术规范，期望在组网技术、路由算法、数据传输、互联互通等深层次通信技术进行开发统一，实现大幅度提升用电信息采集速率、自动采集成功率，化解中频载波通信质量引发的应用难题。
同时，本文作者提出尚需合作研究制订另一个重要标准:中频电力线载波通信信道监测、管理技术规范。该技术规范制订的建议，在本文第5）部分叙述。
中频电力线载波通信的高质量，只有从中频载波通信网络技术性能开发与信道监测管理两个方面措施相结合，才能较好地化解中频电力线载波通信应用的3个难题。
—载波模块价位。与窄带（低速）载波模块相比，目前的中频载波模块价位还高，将影响其大规模推广应用。但是，可以预期，随着中频载波模块应用量不断增长，其价位可以降到合理水准。
—拓展载波模块更新资金渠道
2010---2017年，国网用电信息采集设备的招标量:集中器约464万台，采集器约5115万台。如集中器、采集器的窄带载波模块70%，更新为中频载波模块，按目前的中频载波模块价位估计，集中器的新模块投资65亿元，采集器的新模块投资25亿元，单相载波表的新模块（按国网供电服务区457亿户的15%估算）投资34亿元。以上3项合计，国网采用中频载波模块需投资655亿元。按传统电子式电表8年轮换周期，每年需载波模块更新资金82亿元。
2017年底，国网用电信息采集系统建设基本完成。现在要申请进行用电信息采集载波模块的更新资金，化解本地通信技术瓶颈，这条资金渠道是否可以走通，还难以预料。国网，当前投资的重点还是特高压工程与推进配电网智能化建设。
目前，居民用电低压电网的主动故障报警与抢修，电能质量监测与控制，配电网与用户之间实用互动功能开发，是国网推进智能配电网建设的短板。由此，通过各级电网配电管理部门提出要求:拓展用电信息采集系统配电用新功能，申请中频载波模块购置资金，则是另一条合理渠道。
5）国内，中频电力线载波通信信道监测、管理技术规范制订的建议
国际上，EN50065:《3kHz至1485kHz频段的低压电气装置上的信号传输》:
第1部分: 一般要求、频带和电磁骚扰
第2---1部分: 95kHz至1485kHz频段用于住宅、商业和轻工业环境下工作的交流电源通信设备与系统的抗扰度要求
第2---2部分: 95kHz至1485kHz频段用于工业环境下工作的交流电源通信设备与系统的抗扰度要求
第2---3部分: 3kHz至95kHz频段用于电力提供商和分销商工作的交流电源通信设备与系统的抗扰度要求
第4---1部分: 低压去藕滤波器 --- 通用规范
第4---2部分: 低压去藕滤波器 --- 安全要求
第4---3部分: 低压去藕滤波器 --- 输入滤波器
第4---4部分: 低压去藕滤波器 --- 阻抗滤波器
第4---5部分: 低压去藕滤波器 --- 分段滤波器
第4---6部分:低压去藕滤波器 --- 相位藕合器
第7部分: 设备阻抗
国内:中频电力线载波通信信道监测、管理技术规范的制订，可参考EN60065系列标准，结合中频电力线载波通信的特征，需要涵盖中频频带和双向电磁骚扰限值；中频载波信号衰减及信噪比测量，集中器选址勘测；双向高频干扰监测；

各类应用环境的抗传导、幅射干扰要求；预埋电缆、无功补偿设备对中频载波通信影响测试及处理方案；同频干扰测试及改进方法；各类去藕滤波器；设备阻抗；双向通信与网关技术规范；其它要求。

2006至2020年，物联网应用从闭环、碎片化走向开放、规模化，智慧城市、工业物联网、车联网等率先突破。中国物联网行业规模不断提升，行业规模保持高速增长，江苏、浙江、广东省行业规模均超千亿元。

截至到2019年，我国物联网市场规模已发展到15万亿元。未来巨大的市场需求将为物联网带来难得的发展机遇和广阔的发展空间。

近年来，我国政府出台各类政策大力发展物联网行业，不少地方政府也出台物联网专项规划、行动方案和发展意见，从土地使用、基础设施配套、税收优惠、核心技术和应用领域等多个方面为物联网产业的发展提供政策支持。在工业自动控制、环境保护、医疗卫生、公共安全等领域开展了一系列应用试点和示范，并取得了初步进展。

目前我国物联网行业规模已达万亿元。中国物联网行业规模超预期增长，网络建设和应用推广成效突出。在网络强国、新基建等国家战略的推动下，中国加快推动IPv6、NB-IoT、5G等网络建设，消费物联网和产业物联网逐步开始规模化应用，5G、车联网等领域发展取得突破。

政策推动我国物联网高速发展

自2013年《物联网发展专项行动计划》印发以来，国家鼓励应用物联网技术来促进生产生活和社会管理方式向智能化、精细化、网络化方向转变，对于提高国民经济和社会生活信息化水平，提升社会管理和公共服务水平，带动相关学科发展和技术创新能力增强，推动产业结构调整和发展方式转变具有重要意义。

以数字化、网络化、智能化为本质特征的第四次工业革命正在兴起。物联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，通过对人、机、物的全面互联，构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型生产制造和服务体系，是数字化转型的实现途径，是实现新旧动能转换的关键力量。

我国物联网行业呈高速增长状态 未来将有更广阔的空间

自2013年以来我国物联网行业规模保持高速增长，增速一直维持在15%以上，江苏、浙江、广东省行业规模均超千亿元。中国通信工业协会的数据表明，随着物联网信息处理和应用服务等产业的发展，中国物联网行业规模已经从2013年的4896亿元增长至2019年的15万亿元。

虽然我国物联网发展显著，但我国物联网行业仍处于成长期的早中期阶段。目前中国物联网及相关企业超过3万家，其中中小企业占比超过85%，创新活力突出，对产业发展推动作用巨大。

物联网作为中国新一代信息技术自主创新突破的重点方向，蕴含着巨大的创新空间，在芯片、传感器、近距离传输、海量数据处理以及综合集成、应用等领域，创新活动日趋活跃，创新要素不断积聚。

物联网在各行各业的应用不断深化，将催生大量的新技术、新产品、新应用、新模式。未来巨大的市场需求将为物联网带来难得的发展机遇和广阔的发展空间。

在政策、经济、社会、技术等因素的驱动下，2020年GSMA移动经济发展报告预测，2019-2025年复合增长率为9%左右，2020年中国物联网行业规模目标16亿元，按照目前物联网行业的发展态势，十三五规划的目标有望超预期完成;预计到2025年，中国物联网行业规模将超过27万亿元。

未来物联网行业将向着多元方向发展

标准化是物联网发展面临的最大挑战之一，它是希望在早期主导市场的行业领导者之间的一场斗争。目前我国物联网行业百家争鸣，还未有一个统一的标准出现。因此在未来可能通过不断竞争将会出现限数量的供应商主导市场，类似于现在使用的Windows、Mac和Linux *** 作系统。

合规化同样是当下物联网面临的问题之一，特别是数据隐私问题。目前数据隐私已成为网络社会的一个关键词，各种用户数据泄露或被滥用的事件频发，特别是Facebook的丑闻引发了全球担忧。

因此在未来，我国各种立法和监管机构将提出更加严格的用户数据保护规定，，用户的敏感数据可能会随着时间的推移而受到更严格的监管。

安全化是指预防物联网软件遭受网络黑客攻击，在未来，以安全为重点的物联网设施将受到更多的关注，特别是某些特定的基础行业，如医疗健康、安全安防、金融等领域。

多重技术推动物联网技术创新

从技术创新趋势来看，物联网行业发展的内生动力正在不断增强。连接技术不断突破，NB-Iot、eMTC、Lora等低功耗广域网全球商用化进程不断加速;物联网平台迅速增长，服务支撑能力迅速提升;

区块链、边缘计算、人工智能等新技术题材不断注入物联网，为物联网带来新的创新活力。受技术和产业成熟度的综合驱动，物联网呈现“边缘的智能化、连接的泛在化、服务的平台化、数据的延伸化”等特点。

—— 以上数据来源于前瞻产业研究院《中国物联网行业应用领域市场需求与投资预测分析报告》

一、物联网技术
微软创始人BillGates1995年首先提出了“物联网”的概念。理论上讲，它可以将世界任意地点的任何物品按约定协议通过互联网连接起来，构成一张比Inter－net还要庞大的复杂网络，以更加方便、快捷而全面地进行信息交换、实时通讯和资源共享。物联网采用了射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，极大实现了信息化时代所必需的智能识别定位、跟踪监控和管理调控。作为一项潜力巨大蒸蒸日上的新兴朝阳产业，物联网越来越受到重视。
基于ZigBee（一种低速短距离传输的无线网络协定）无线技术的无线路灯控制系统在济南国际园林花卉博览园盛大点亮，物联网技术在高铁领域实现突破并在苏州成功投入使用，智能交通系统在各个地方方兴未艾渐成燎原之势……在与人们息息相关的生活各领域都可以见到物联网的影子。潍坊市一直把物联网产业放在优先发展、加快发展的重要地位作为重点来发展的新兴产业，近年来在射频识别（RFID）技术、微电子机械系统（MEMS）技术、红外蓝牙传感器等物联网关键技术研发以及嵌入式芯片（SOC）和系统集成应用方面取得了一定的突破。
2010年3月，潍坊物联网研究院成立，标志着全市物联网经济已经迅速启动；2011年8月，潍坊高新技术产业开发区成功申报为山东省首批5家物联网产业基地之一；2013年1月，基于物联网技术的道路智能监控管理系统在潍坊市寒亭区成功应用。“十二五”期间，潍坊将推动物联网技术在基础设施、商贸物流、交通管理等各领域的应用，进一步把物联网产业做大做强，将其打造成潍坊的招牌产业。
二、物联网在村村通工程中的应用
（一）村村通工程安全监控。村村通面向广大农村地区，地理、地质、地形情况错综复杂，特别是山地偏远地区不稳定因素千差万别，安全事故甚至是重大特大事故时有发生。单凭人力对公路进行巡查监管，费时、费力、效率低，上传下达层层滞后逐级放大导致信息闭塞，难以及时对突发状况进行处置。基于常规安全监管的种种弊端，湖南省率先提出了基于物联网技术的公路工程建设安全智能监管系统。它利用RFID技术，对重点区域的人员、机械、护具等施工安全敏感信息进行自动采集、跟踪、预警与处理。在ASPNET技术环境下，实现了利用PC、PDA等各种终端对施工现场进行周期性的安全检查，对各分项工程得分进行统计并确定动态安全状况。
基于互联网可将安全数据实时传输至监控中心，中心及时对安全事故做出处置，对安全隐患及早发现并做出预警，从而在湖南尤其是湘西大山深处面对恶劣的地质和天气条件大大降低了各种安全事故的发生。而潍坊市地理位置优越，基础设施完备，对物联网相关技术的研究应用起步较早，可在更加广阔的领域建设安全智能监管系统，将日常监控、科学预警、应急处置、历史汇总等集成为一个统一高效的平台，更好地应对村村通公路建设中的各种问题。
（二）智能交通与信息平台建设。据不完全统计，截至2012年10月，潍坊全市机动车保有量超过275万辆，其中货车和农用运输车辆占有很大比重。村村通的实施，方便了山村通往外面的世界，大大缩短了城乡之间的距离，无公害的瓜果蔬菜、农副土特产品借助日益壮大的物流越来越多地出现在城市的市场、超市和酒店，广大农民也因此得到更大实惠。可一个不可避免的事实是，信息建设跟不上村村通、物流的飞速发展，经常出现交通拥堵现象，效率低下。
如何构建智能交通，降低运输空载率，减少公路拥堵，发掘村村通在帮扶农民增收致富中的作用，各地都在进行有益的探索，其中物联网技术不失为一种快捷有效的方法。通过RFID标签实现车载农副土特产品自动识别，借助GPS系统对车辆位置进行有效跟踪，经由Internet数据管理中心进行实时调度已成为被实践检验的成功做法。管理智能化、物流可视化、信息透明化是推动公路运输信息化建设发展新的切入点。潍坊市已着手建设农副土特产品网络营销中心，并与道路运输实时监控、路政路况信息发布、突发状况应急处置等实现互联共享，建成智能交通与信息平台，及时向公众提供信息服务。
（三）公路养护。修路容易养路难，有的村村通公路缺乏养护，十年九大修，补丁连成片，本来的民心工程却招来怨声连连，严重损害了村村通在人民群众中的形象。究其原因，传统养护模式的落后、养护队伍的缺失都是极其重要的因素。关于养护模式的改革，太原市建成了独具特色的乡村公路日常养护和工程养护模式。
前者由城乡结合清洁、乡镇日常管理和季节强化养护优势互补，后者结合具体情况开展了交通管理部门直接参与、乡村组织实施交通管理部门进行补助及乡村自治实施等三种实践活动，收到了较好的效果。潍坊市在这方面也有试点，昌邑城乡环卫一体化已经入围国家级试点项目，可逐步渗透到村村通公路养护各个环节，发挥城乡一体共同养护的合力。另外，应加大对村村通公路超限超载车辆的治理力度，设置限高限宽设施，防止超重车辆进入农村公路，保护村村通建设成果，提高农村公路服务水平。
三、结语
物联网是对互联网技术的发展和延伸，在各行各业已有很多成功的案例。鉴于村村通主要面向信息建设相对落后的农村及偏远地区，物联网想要在其中发挥重要作用还不太现实。当前，可在基础相对较好的农村发达地区逐步开展物联网环境下的村村通工程试点，不断积累经验，有计划、有步骤地逐级展开，最终利用物联网实现村村通的有效监管调控，成为助推农村更快更好发展的利器。
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