智能電網通信為什么那么難？

　　智能電網和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而不同。雖然A路徑正在逐步實現規格標準化，但有時也加入了電力公司的規格，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的設備及機器進行通信的網絡中，Wi-SUN和PLC也發揮了很重要的作用。本文主要介紹這兩種支持未來節能技術的重要通信方式。

　　（1） 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動的無線傳感器網絡等。

　　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）、傳感器網絡等IoT（物聯網）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，家庭局域網絡）中發揮這種兼容連接的特性，便可將多個家用電器構建成網，實現高效的HEMS（Home Energy Management System，家庭能量管理系統）。

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

　　（2） 用于電表的電力線通信“PLC”與用于數據通信的“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通信（圖6）。由于使用已鋪設好的電線進行通信，因此其優勢是無需另行施工。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等進行數據通信而開發出來的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規格的所有工作團隊。日本采用的是G3方式的PLC（G3-PLC）。

　　（3） 為了連接各種設備的通信規格---ECHONET Lite

　　通過Wi-SUN和PLC把家電、智能電表和太陽能發電系統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據格式和序列時，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（節能協會）為首制定了通信協議ECHONET Lite， ECHONET Lite主要規定應用層（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和用電量等。于是，支持ECHONET Lite的家電產品、太陽能發電設備及蓄電池等一旦增加，通過包括智能電表在內的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電、用電及蓄電等。

　　連接不上便沒有意義 規格和實際安裝的不一樣？

　　智能電網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，只要拿到規格書，并按規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，規格書非常厚，閱讀并理解其意思很費力。而且還有一些規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驗的領域。所以，在無線技術方面經驗尚淺的開發者，僅在讀了規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議棧是達標的捷徑。

　　連接產生價值 瑞薩電子面向智能電網設備的解決方案―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，因此開發起來也相當困難。但是，如果使用經過認證的瑞薩電子解決方案，就能大幅削減開發所需的人力資源。可將所削減的人工投入到提高智能電表和HEMS設備本身能力的開發中，以提高產品的競爭力。

　　（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，瑞薩電子準備了兩個開發套件。即搭載了RL78/G13的“Wi-SUN Basic Platform for Sub-GHz band開發套件”（圖7）和搭載了RX63N的“Wi-SUN Advanced Platform for Sub-GHz band 開發套件”（圖8）。這兩個開發套件的特征是前者能徹底實現了低功耗，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（包括協議棧）已獲得了Wi-SUN聯盟的認證，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品都要以瑞薩電子的協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品都具備與瑞薩電子協議棧的連接性。也就是說使用這些套件，便可迅速降低連接性測試障礙。

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

　　用于PLC的解決方案套件（圖9）是由搭載了GROBEL PLC調制解調器“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方式的調制解調器，而且已經取得了瑞薩電子的協議棧認證。

　　通過更改附屬的軟件數據庫，調制解調器便可支持G3-PLC的各地區（歐洲、美國、日本）的標準以及PRIME。另外，發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，提供了穩定的通信運算方法。無需根據不同的國家和地區更換不同的調制解調器LSI，因此可為用戶提高開發效率和量產性。

　　瑞薩電子今后也將繼續進行調制解調器和軟件的開發，在單個調制解調器中加入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取得了符合日本技術標準的認證。無需再在特殊環境中進行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、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、可擴展性和開發效率高等特點，不僅在智能電表的開發方面，對燃氣表、傳感器網絡、街燈等HEMS、BEMS、FEMS及CEMS的智能電網相關的能源消耗、發電以及蓄電控制系統方面也作出了貢獻。