智能电网从智能电表起步

2009年10月，国家电网公司公布了智能电表新标准。新老对比，新标准对电表在计量、费控、通信、功耗、电子线路布线等技术指标要求均有了大幅提高，诸多先前对MCU附加功能由可选变成了必选项，更高的计算能力（DMIPS）以满足智能电表的高性能要求；更大的存储容量顺应复杂的数据处理需求；更多的I/O如SPI、I2C、智能卡、UART以及RTC等应对增加的周边器件支持能力。

从欧美国家智能电网发展进程来看，智能电网建设的主要受益者是智能电表生产商和二次设备企业。据悉，中国计划在2010年将有4000万只左右的智能电表装机量，而国家电网也已开始智能电表的招标工作。ADI、Freescale、NXP等国际半导体公司在短期内推出了各自新的智能电表产品和方案，以更加适合智能电表应用的方案，抢得中国智能电网建设的巨大商机。

ADI：汇聚式处理器核心平台

支撑中国乃至全球智能电网的将是通信技术、信息处理技术和控制技术，对应到相关的市场将涉及智能计量（智能电表）、电网智能化（网络基础设施及其控制）以及公用事业的信息技术应用（智能数据管理）。

传统电网向智能电网转变，要求电力设备具有更强的接口能力、通信能力和数据处理能力，这对电力设备的硬件方案平台的选择提出了极高的要求，这也对应了当前工业应用和测试测量的发展趋势，即支持以太网/无线连接实现易用性、针对高品质测量的简单连接、系统的可编程灵活性、从8/16位向32位解决方案转移。DSPMCU的双处理器方案虽然解决了系统的控制和运算需求，但由此增加了开发复杂性和BOM成本的提高。ADI认为，由于智能电网多种标准共存的必然性，能灵活满足多种标准和功能要求的产品方案非常重要，因此结合了MCU和DSP优势、具有软件设计灵活性和强大处理能力的汇聚式处理器方案平台具有明显优势。

智能电网建设的主要受益者是智能电表生产商和二次设备企业。由于智能电表技术相对成熟，配电网络智能化的发展速度将快于输电网络。在智能电网建设初期，对电网调度系统和数字化变电站为主的二次设备的需求将大大增加，而AMI(高级计量体系)是电网智能化建设的第一步，在智能电网的投资中所占比例最大，主要涉及大量智能电表、传感器等设备。

Blackfin是ADI公司推出汇聚式处理器，基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构，它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种独特汇聚式架构很适合于全信号处理/分析能力要求，同时还可在单内核器件上提供高效控制任务执行能力。这种汇聚架构非常符合包括智能电表在内的智能电网基础设备的数据处理、各种高性能算法（如谐波分析）、通信功能的软件实现，以及对各种系统控制功能的支持。

基于Blackfin处理器的方案可以方便地利用软件来实现不同电力计量相关协议和各种通信协议算法，以及满足各种功能组合要求。Blackfin处理器的强大处理能力使电力设备制造商能轻松实现各种通用或定制化的功能，能够在不改变(或很少改变)硬件的情况下迅速适应不断发展的标准和新型功能要求，并实现最低价格低至5美元以下。

在外设上，Blackfin系列提供了包括片内Flash、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI、异步串行接口UART、同步串行接口SPORT、串行主从控制接口SPI、I2C、通用定时器、看门狗、实时时钟、GPIO管脚等，从而给客户提供了极大的设计便利性和丰富的可用片上设计资源。由于Blackfin提供了完整的硬件参考设计和软件开发环境，使得电力二次设备客户方便地进行旧应用方案的移植或重新开发新的应用方案。（如图1）

图1，基于Blackfin处理器的西门子智能电表功能框图

Blackfin处理器得到南京南瑞继保电气有限公司的采用，南瑞继保认为，在电网故障与短暂事件的检测与响应等关键应用中，Blackfin处理器解决方案能有效地保证国家电网的可靠性。西门子在其最新自动抄表信息系统（AMIS）的智能电表核心引擎采用了Blackfin处理器——BF531极具成本效益的计算性能。该处理器具有同时作为DSP和MCU进行无缝工作的能力，Blackfin处理器负责计算用户用电情况，并执行电力线调制解调器功能，通过电力线集中器进行高效双向通信，特别适合西门子AMIS高密度处理和动态通信应用要求。

ADI认为，中国政府已拟定智能电网发展规划，并启动了智能电网应用的先导工作，同时基于中国国家电网的统一管理体制，中国将是智能电网技术开发和应用的先行国家。中国无论在智能电网的技术研究还是技术应用上，与任何国家相比并不落后，中国本土企业抓住这波数字化浪潮，必将迎来企业飞速发展的机遇。

Freescale：为国网单相表量身定制

Freescale结合自己单片机产品的特点和电表设计的具体要求，推出了一款完全按国网单相多功能表要求设计的完整解决方案9S08MZ60，9S08MZ60基于Freescale目前主打的S08内核，片内有60K的程序空间和2K的RAM空间，外加功能完善的内部时钟模块；主要的片上外设包括：64引脚封装所提供的55个IO端口；2路硬件异步串口；三个16位定时计数器，总计支持多达10路引脚通道时间控制，其中任意一路均可以通过软件配置成输入脉冲沿捕捉、定时比较电平输出或PWM脉宽调制；共16路输入的8位ADC；另外硬件SPI和I2C模块各一个；还有一个8位的实时计数器可以在芯片休眠时维持定时计数并唤醒MCU；内部总线最高运行速度达20MHz。片上自带在线调试模块，开发调试高效方便。（如图2）

图2，Freescale专门针对中国电表市场推出的8位单片机9S08MZ60

在Freescale的设计方案中充分利用了几乎所有上述模块的硬件固有功能，最大限度地简化外围设计，在保证整体设计功能满足性能最优的同时，降低系统成本。其中：

·MCU工作于内部时钟，摒弃了传统的片外晶体振荡，简化电路，提高可靠性。内部时钟振荡的精度和稳定度通过运行过程中的动态标定来保证；[!--empirenews.page--]
·2路硬件串口分别用于485抄表和电力线载波通讯。因这两路的通讯波特率最高都是9600bps，用硬件串口实现比较容易；
·16位定时器及其所附的引脚通道实现多种重要功能。首先是产生一个1ms间隔的系统时间节拍，用于所有软件任务的普通定时控制；通道的作用一是实现脉冲输入捕捉，例如检测计量芯片输出的电量脉冲；二是和软件配合模拟实现相对低速的异步串行通讯，这其中包括红外抄表通讯，ESAM和IC卡的ISO7816通讯；
·ADC模块完成两个重要任务，一是对电池电压的监测，二是交流掉电和交流恢复供电的状态检测；
·硬件SPI模块则用于和前端计量芯片通讯，节约软件开销；
·8位的实时计数器在交流掉电后芯片进入低功耗休眠状态时维持工作，用来周期性唤醒MCU，定时检测并记录开盖、按键、电池电压和交流恢复等状态。

针对特定的国网单相表新规约设计，方案中：计量部分目前设计采用CirrusLogic的CS5464实现，理论上也支持其它同类的带SPI接口的计量芯片；实时时钟采用业界流行的RTC8025T；EEPROM为24LC512，具体容量可按实际需要选择；液晶驱动芯片采用BU9792。

综合考虑设计实现的方便性和灵活性，Freescale将整个设计分解成4个独立硬件模块：主板，包含主电源和电池供电系统；MCU、实时时钟、数据存储和ESAM等关键芯片；隔离的485抄表通讯电路；PLC模块接口；开关和按键输入等。计量板，包含计量电路和断路控制继电器。只要改动此计量板，就可以评估不同的计量芯片。显示板，包含液晶屏及其驱动电路；电表的状态指示LED；红外抄表接口。IC卡读卡部分，包含IC卡座及其必要的读卡电路。主板和其他模块板之间都通过插针接口互联。

Freescale中国技术销售经理张明峰介绍，Freescale针对单相电表设计的整个MZ系列产品，从最小的8K/20引脚的RS08MZ8到最大256K/80引脚的51MZ256，很好地覆盖了从简单单相表到复杂单相多功能表甚至三相多功能表的设计所需。对于此次国网单相表的设计，Freescale预估60K程序空间的S08MZ60应该基本满足设计要求。如果用户的设计增加功能需要编写更多代码的话，该系统可以在不改变任何硬件设计前提下，直接换用性能和引脚完全兼容的S08MZ96（96KFlash）或S08MZ128（128KFlash）的芯片。另外，Freescale还可以提供引脚完全兼容的32位内核芯片51MZ256（256KFlash）。

NXP：非接触式智能电表解决方案

非接触式技术集多种功能于一张卡中，包括电子钱包、公共交通和支付公路费等功能，多项服务集于一身使得运营商在巩固成本的基础上扩大了客户群并增加了收益。非接触式预付费技术，因避免了数据在用户和电网公司之间的传送而更加安全。

非接触式预付费智能电表系统可使智能卡和智能电表系统更加安全。非接触式智能表系统可自我管理，不需要派专人抄表或者派专人管理某处房子的电源系统。系统通信仅限于卡和读卡器之间，不需要将读卡器中的数据再传送到电网公司。消费者通过该系统可清楚地了解自己的使用量，从而会权衡用量并提前为水电消费做出预算。

非接触电表系统包含硬件和软件两个部分。硬件包括一个非接触读卡器，一个主控制器，外围设备，一个天线和配套部分；软件包括微控制器固件，主机驱动程序软件和演示软件。在主控制器上，基于Cortex-M0和Cortex-M3单片机。NXP目前重点智能电表方案包括LPC1700和LPC1100。NXP对Cortex-M0进行了精简处理，指令更易使用，这样便于被原有8位和16位MCU用户接受。由于NXP在M0核上采用C语言编程，使代码效率更高，程序所占容量更小，可节省综合成本。此外，产品基于ARM平台，可以做到无缝快速移植。NXP认为，统一平台可以节省研发成本，降低研发时间。客户易于获得相关代码、资料和其它资源，并在工具、软件层面上方便获得更好技术支持。（如图3）

图3，NXP含有非接触连接的电表系统的框架图

为使智能表系统正常运行，NXP同时提供了许多配套产品系列，包括微控制器、显示驱动器、实时时钟、逻辑产品（一般产品，串行EEPROM，桥接芯片，UART,具有I2C的温度传感器），电源管理产品（starplug家庭），普遍适用的分立（BISS晶体管，肖特基二极管，可再生能源技术）和无线通信模块。

NXP研发的产品中包括安全性极高的IC卡，可降低被操控的风险。此卡的读卡器中含有安全访问模块（SAMs），如电子护照一样安全性极高，并满足通用标准EAL5。这种智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最优化的技术，将用于公钥基础设施的异常强劲的协同处理器和对称密钥加密结合起来支持RSA,ECC,DESandAES。除提供最优化功能和最高安全性外，它还拥有简便易操作的先进操作系统和开放平台解决方案。

NXP智能识别产品事业部销售经理周波表示，智能电表行业目前还没有完全统一开放的技术标准，尽管现在行业内存在一些标准，但是又出现了一些新的标准。NXP专注于开发支持共同操作的产品，而不是排外的或者专有性质的产品。

中国IC设计业者需快速跟进

智能电网建设涵盖了信息化平台、调度自动化系统、稳定控制系统、柔性交流输电，变电站自动化系统、微机继电保护、配网自动化系统、用电管理采集系统等技术应用。智能电网技术包括相量测量（PMU）和广域测量技术（WAMS）；三维、动态、可视化调度技术；可再生能源发电、电源接入和并网技术；计量（AMI/AMR）技术；需求响应、需求侧管理（DSM）技术；配电自动化——高级配电运行（ADO）功能；分布式发电技术、电力储能技术等。

根据国家电网公司2009年公布的发展规划，我国智能电网建设分为2009年6月至2010年为规划试点阶段、2011年至2015年是全面建设阶段，到2020年全面建成统一的智能电网。这应该是个有上万亿元投入规模的应用市场，但目前还很难看到中国本土设计公司的身影。据了解，目前国内电表厂家选择的主控芯片绝大部分都是国外芯片供应商，扎堆于消费电子领域的IC设计者们，要有进入被国际公司垄断领地的狼性，靠低价求生存的消费电子市场经营模式已快走到尽头了。ADI也在呼吁：中国本土企业抓住这波数字化浪潮，必将迎来企业飞速发展的机遇。[!--empirenews.page--]