高速电力线载波通信芯片成果转化典型案例

  完成单位：中国电力科学研究院有限公司

  主要完成人：郜波、祝恩国、刘宣、张海龙、李然、任毅、郑安刚、陈昊、卢继哲、唐悦

一、研发背景

国务院办公厅发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》明确指出了物联网应用建设的迫切需求，在新型电力系统建设中，物联网通信领域需要支撑的业务种类日益丰富，例如用电信息采集、有序充电、反窃电分析、智能楼宇等，对于数据采集通信和深化应用提出了更高的要求。因此必须建立高速、可靠的本地通信网络。

电力线载波通信是利用电线来传送和接收信号的通信技术，由于新型电力系统各类业务点多面广，高接地埋，电磁环境复杂，而电力线网络分布广泛，具有成本低廉，无需布线，有电即可控等优点，成为了用电信息采集系统主要的本地物联通信技术。但现场运行的窄带电力线载波技术存在以下问题：

1.信道环境恶劣。电力线信道存在高强度的脉冲噪声、窄带干扰、多径和衰落，且窄带载波所处的低频区域噪声幅度较高。

2.通信速率低下。窄带载波使用的频率为3kHz-500kHz，调制方式普遍为FSK。受限于带宽和调制方式，窄带载波传输数据速率较低，通常在0.5kbps-50kbps不等，仅能够满足日冻结的抄读需求。

3.无法互联互通。现场窄带载波是各厂商自主方案，缺少一套成熟、完整的载波通信标准，成为了限制其支撑互联互通、稳定传输的深化应用业务的重大难点。

4.深化应用不足。由于窄带载波的通信能力较差，电力数据的潜力未能被充分挖掘，电力线的天然技术优势也无从开展，无法支撑高速稳定的深化应用功能。

在国家电网公司科技项目的支持下，项目团队以电力线载波的痛点问题为切入点，首先，开展高速电力线载波通信（以下简称HPLC）技术攻关，突破了时频分集拷贝、时序优化、多网络协调等关键技术，形成了涵盖物理层、数据链路层、应用层的HPLC技术体系；其次，依据HPLC通信协议，研发了工业级HPLC通信芯片，克服了强噪声、大衰减等信道问题；最后，项目基于HPLC通信技术以及通信芯片的技术特征，面向新型电力系统拓展了HPLC的深化应用功能，包括高频采集、台区识别、低电压预测等，在引领电力物联网智能感知技术进步、推动用电信息采集系统及设备的智能化发展、提升双向互动用电服务能力和用户体验等方面成效显著。

二、发明团队介绍

发明团队依托中国智能量测产业技术创新战略联盟电力线物联网工作组、国家电网公司最高计量机构——国网计量中心、国家电网公司“用电信息采集及应用技术”重点实验室、国家电网公司“采集设备通讯技术标准”验证实验室，积极投身电力智能量测技术、低压电力线载波通信技术、双模通信技术研究。团队曾获得中国标准创新贡献一等奖1项，省部级科技奖8项，起草国、行、企标60余项，申请国际专利4项、授权专利40余项，编写专著6部。团队出色完成了国家质检总局“‘互联网+计量’智能计量技术在民用四表领域的应用研究”科技项目、国家电网公司 “电、水、气、热能源计量一体化采集关键技术研究及应用”、“面向能源互联网的中频高速载波通信标准测试验证技术研究”、“面向用电信息采集的宽带载波互联互通与协同共存技术研究”等多项科技项目。团队研制了用电信息采集终端功能测试系统、互换性测试系统、微功率无线互联互通测试系统、LTE230测试系统、EPON测试系统、以太网测试系统、无线公网GPRS/CDMA测试系统、HPLC互联互通测试系统、双模通信互联互通测试系统，为HPLC、双模通信科技攻关提供了强有力的技术支撑。

三、成果(专利)简介

HPLC技术针对解决窄带电力线载波通信信道环境恶劣、速率低下、无法互联互通等问题而研发。该技术工作频段为0.7-12MHz，避开了电力线噪声干扰最严重的低频段。通过应用基于正交频分复用的调制方式，在时域和频域分别进行分集拷贝。通过Turbo编码，信道交织，分集拷贝，时频分集等方式降低帧控制和载荷的误码率，提升HPLC系统的鲁棒性，解决了抵抗信道中高强度的脉冲和窄带干扰难题。HPLC技术能够有效应对噪声干扰、多径、衰落等问题，大幅提升了通信速率及稳定性。

表1 核心专利简介

1. 基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层信号处理方法（ZL 201611128977.7）

提出了一种基于OFDM的电力线载波通信物理层信号处理方法，提高了载波通信的频带效率和抗信道多径衰落能力。同时通过Turbo编码、信道交织、分集拷贝、时频分集等方式降低了帧控制和载荷的误码率，提升了载波通信系统的鲁棒性。，同时，在星座点映射时加入相位旋转因子，降低了OFDM符号的峰均比，可有效提升载波通信系统的功放效率。

2. 一种基于正交频分复用的时频分集拷贝方法（ZL 201611128641.0）

提出了一种基于正交频分复用的时频分集拷贝方法，针对不同的数据长度、不同调制方式、不同的拷贝次数，将物理层需传输的数据进行分集拷贝，分集拷贝时将频率和时间分集结合，且采用了多个交织器，使得相同数据在不同子载波上出现的位置随机化，可有效提升载波通信系统的分集增益。

四、成果（专利）转化情况介绍

国家电网公司《用电信息采集通信单元质量监督管理办法》中要求，HPLC芯片中内置ID且ID一次写入不可更改，ID由中国电力科学研究院有限公司负责发行。目前国家电网公司共有智能电能表5.2亿只，HPLC芯片可满足户变关系识别、高频数据采集等新型业务，今后智能电能表中均会配备HPLC芯片的通信单元。

中国电力科学研究院有限公司拥有基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层信号处理方法（201611128977.7）和一种基于正交频分复用的时频分集拷贝方法（201611128641.0）专利权和技术实施方案，向北京智芯、华为海思、航天中电、江苏米特、南京南瑞、前景无忧、青岛鼎信、青岛东软、深圳力合等二十余家芯片企业有偿转让上述专利使用权，实现对HPLC芯片ID的成果转化。

五、经济效益与社会效益介绍

1.经济效益

截至目前，国家电网有限公司27个省公司共安装使用HPLC通信芯片超过3.2亿只，近四年已实现成果转化直接经济效益营收3.1758亿元。

2.社会效益

（1）实现电力线载波技术领域重大突破。

本项目的研究成果促进了高速载波技术路线的统一，规范了通信芯片的制造标准，推动高速载波通信产业链的健康发展。同时，具有互联互通特征的HPLC技术，大幅提升了智能感知通信技术的标准化水平，为后续支撑能源互联网多场景多维度的下一代智能感知通信技术的互联互通化探索了道路。

（2）提升设备互联感知能力，支撑新型电力系统建设。

HPLC芯片的推广应用，可有效支撑新型电力系统建设，大幅提升底层物联感知设备的可靠性、稳定性及可扩展性，实现能源互联网的无缝融合，进一步增强多业务场景下的适应性和通信质量，实现降本增效。

（3）推动能源信息化服务升级。

HPLC互联互通技术具备高速率、低时延的特点，可以将用户的地理信息与用电信息等进行信息交互，保障停复电事件的上报和远程遥控指令下发的及时性，为后续停电的故障用户提供精准定位，变被动抢修为主动抢修，打造24小时面向用户的“集成简约、互联互动、移动智能、开放融合”的全方位一体化服务体系，实现服务从线下向线上的全面转变，缩短办电时间和停电时间，提升百姓获得感，惠及社会民生。

（4）支撑政府决策分析。

基于高速稳定的HPLC通信网络平台，面向企业用电量变化趋势，动态监测各区域、各行业的复工复产情况及产能恢复程度，开展施工用电、小微企业复工复产等多维度、多场景的大数据分析，为政府相关部门开展城市发展规划、电网建设规划、行业用能分析、精准复工复产等提供数据支撑。

（5）加速芯片、设备国产化进程，助力开拓海外市场。

随着中美贸易战等不确性因素增加，逆全球化趋势不断显现，各类智能感知设备核心元器件的国产化研究日益紧迫。通过制定相关国内标准（企标6项、团标6项、行标1项）、国际标准（IEEE 1901.1-2018《Medium Frequency (less than 12MHz) Power Line Communications for Smart Grid Application》以及IEEE Std 1901.1.1-2020 IEEE Standard Test Procedures for IEEE Std 1901.1™ for Medium Frequency (less than 15 MHz) Power Line Communications for -2020《Standard Test Procedures for IEEE 1901.1 Standard for Medium Frequency (less than 15 MHz) Power Line Communications for Smart Grid Applications》2项国际标准），构建新型智能感知网络技术架构，开展智能感知设备国产化技术研究，有利于增强海外市场竞争力，推动“中国芯”产品走向世界，服务“一带一路”倡议实施。