芯象半导体推出智能微电网本地通信架构-电子发烧友网

芯象半导体推出智能微电网本地通信架构

产业价值

智能微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统，具备完整的发输配用全链路功能，可实现自我控制、自主保护与协同管理，是典型的自治型电力系统。它既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行，是智能电网的重要组成部分。随着电力行业“十五五”规划的落地，智能微电网成为新型电力系统的关键组成部分。据行业预测，未来五年我国智能微电网市场规模将保持高速增长，应用场景将从传统工业厂区、产业园区、逐步向乡村振兴、新型电力系统、家用能源体系建设等多领域延伸，在提升供电可靠性、助力”双碳”目标实现等方面展现出广阔的产业价值。

图：智能微电网结构示意

核心挑战

智能微电网要实现完美的自治运行与故障自愈能力需依托新型高可靠、低时延的本地通信技术提供底层支撑。从通信技术视角分析，其面临的核心技术挑战体现在以下四个维度：

1. 终端节点规模庞大：一个工商业智能微电网系统涵盖计量类（智能电表）、开关类（断路器）、量测类（智能量测终端）、发电类（光伏逆变器、充电桩）、储能类（储能变流器）及能源路由器等核心设备；若要实现精细化管控，还需接入环境传感器、故障传感器、智能照明系统、空调暖通系统、安防系统等海量感知与控制终端。

2. 控制与调度需满足毫秒级响应：交流电力系统工频周期为20ms，若要实现电源无缝切换、高频次电力场景态势采集、故障快速定位与实时调度，本地通信系统必须具备毫秒级响应能力。同时智能微电网包含众多子系统，通信系统需支持多子系统并发运行的实时响应。典型场景下，由于天气原因导致光伏组件功率骤降时，需在毫秒级内完成储能充放电指令与大电网补能调度的协同传输，以维持微电网电压与频率稳定，而这一过程的毫秒级响应能力，是保障系统性能与效率最大化的关键。

3、需实现交直流系统互联互通：完整的智能微电网系统涵盖强电交流系统（如国网、南网供电设施及传统交流用电器）、高压直流系统（如光伏系统、电动车供电系统）、弱电直流系统（如楼宇自控系统、传感系统），因此本地通信系统需支持跨电源域的统一控制与调度。

4. 终端传感设备低功耗需求严苛：系统内部署有大量传感设备，此类设备具备便携化、随装化部署特性，且需满足高频次的信息采集需求，因此本地通信系统需具备超低功耗特性，同时支持设备深度休眠与自主唤醒功能。

图：智能微电网多电源域互通

系统优势

芯象半导体依托多年通信领域的深度技术积累，推出基于“分层网络”的智能微电网本地通信架构，真正实现”网随电通、实时通信、可靠连接”的特性。该系统具备的技术优势为：

1. 大容量接入能力：支持单一项目十万量级设备同时在线，全系统100%连通率；

2. 实时并发交互能力：支持系统内多场景、多子网（数百量级）并发运行，场景内毫秒级实时通信；

3. 超低功耗待机能力：支持无线传感设备全场景灵活部署，设备待机功耗低至微安级，单颗纽扣电池即可实现数年待机；

4. 跨域连通能力：采用 PLC融合无线通信系统（SubG、2.4G），可实现多电源域互联互通、跨回路通信、跨相线通信。

系统架构

该系统具备三层网络架构，支持全系统应用，也可根据客户项目实际特点，进行局部系统裁剪与个性化适配，各层网络特性如下：

1.第一层网络（主干层）支持2048节点自组网，采用HPLC-HRF双模通信架构，支持SubG频段无线连接以及多达15级中继组网能力，可以满足大型园区级网络覆盖，通信直达楼宇内部。支持的设备终端包括智能表计、智能断路器、充电桩、储能与光伏逆变器等。本层重点解决大范围网络覆盖、大容量终端接入、信息采集与双向通信的可靠性问题，响应时间为百毫秒级。借助第一层网络，中央协调器可以实现对微电网系统的统一指挥，优化微电网的运行效率，同时实现多分布式电源、储能系统的协同控制。

2.第二层网络（物联层）可以作为多个子网络挂载在第一级网络任意节点下。支持子网络内部毫秒级实时通信。子网络内部节点采用PLC-IoT超短帧结构搭载2.4G无线通信能力组成双模通信系统。同时基于正交码实现多子网物理层隔离，可支持数百个子网并行稳定工作。第二层网络适用于建筑物房间内部覆盖，以及具备人机交互的场景，可提供高流畅的实时操控体验，如大型酒店多房间并发操控场景。支持的终端设备包括分布式光伏组件级管理系统、智能照明系统、空调系统、水暖系统、音响与氛围系统等。第二层网络重点解决通信的实时性需求，实现多网络无扰并存以及良好的人机交互体验。

3.第三层网络（传感层）可以作为智能微电网的边缘神经层，可以通过第二层网络任意节点接入系统。该层网络节点具备低功耗无线连特特性，支持无源传感设备，如温湿度传感器、光线传感器、人体红外传感器、无线烟感等设备，同时支持照明系统的随意贴面板部署，实现一颗纽扣电池长达数年的待机能力。第三层网络重点解决的是边缘设备低功耗运行的问题，实现设备安装、配置、运维的便捷性。

基于以上本地三层网络架构，云端的微电网控制中心可以高效的完成全局优化与能量管理工作，包括：负荷预测、电源计划、经济调度、市场交易对接等。

图：智能微电网三层网络架构

生态互通与可靠运行

芯象半导体推出的三层网络架构支持方案商自主二次开发，同时具备优异的生态兼容性与多系统互联互通能力，包括：

1.系统支持统一开放指令集和统一网管，真正实现全系统在同一个网络下统一的运维管理接口。边缘侧节点也可以通过手机蓝牙接入，通过APP实现直接的网络配置、运维与部署通道。借助该通道，也可以实现对支持BLE蓝牙系统的第三方生态设备接入；

2.作为微电网系统，可以通过第一层网络实现与国网、南网标准设备的互联互通，实现智能微电网的并网工作与能源调动；

3.协议透传：本系统支持 Modbus、RS485 等主流工业总线协议透传，可与海量工业设备、控制系统实现无缝对接；

4.完善的调试软件、专业运维系统，搭配开放的软硬件参考设计，可大幅缩短方案商二次开发周期，加速产品落地与项目交付；

5.Mesh组网：第二层网络是实现实时控制的关键层级，为了达到可靠稳定的用户体验，系统加入无头端Mesh组网模式，即便本层CCO设备瘫痪，甚至整个第一层网络故障，仍然可以保持本层设备的自主运行与稳定互联；

6.全网精准授时：当网络实现规模化部署后，全网时钟同步是实现系统稳定控制与数据交互的核心基础。本系统采用芯象半导体自研高精度授时体系，单次授时即可实现全网设备毫秒级时钟同步。；

7.在线升级：配合远程运维工具，全系统支持在线升级，保障通信与应用系统的迭代优化能力；

8.可靠双模通信：第一层网络支持HPLC技术与SubG射频系统双模，重点解决远距离网络覆盖需求，第二层采用PLC-IoT技术与2.4G射频双模，重点解决跨域通信与无线传感器互通的痛点。两套双模技术均采用单芯片双通道架构，极大的节省布板面积与系统成本；同时在智能微电网架构中，通信模组与终端用电器距离较近，因此用电器带来的各种干扰以及阻抗的变化对通信性能影响较大，本系统在载波通信技术底层增加了大量的自适应抗干扰算法，同时通过无线通道的辅助连接，有效的规避了单一电力线载波通信天生的性能短板，有效的提升了全系统的通信可靠性；

9.安全互联与认证：系统支持强大的安全认证体系，保证组网后的设备都是经过物联云授权的认证设备。系统基于国密标准签名算法和国密无证书公钥机制算法，完成物联云对入网设备身份信息及报文信息的签名和验签。

10.积木式搭建与灵活扩展：三层网络架构支持全系统运行，同时也支持灵活的系统裁剪与组合搭建。由于智能微电网结构灵活，从工商业园区、供电台区到家庭户用规模差异较大，覆盖场景从几十节点的独立房间到上万节点的整个商业楼宇。因此芯象半导体推出的网络架构支持灵活的积木式搭建能力，独立任何一层或者独立子网均可以完成系统运行，通过系统搭建也可以实现十万量级的节点互联互通。