领先算力，一芯全能，芯象半导体HPLC智能量测核心板
领先算力，一芯全能，芯象半导体HPLC智能量测核心板（P2803）助力客户打造成本极致、性能领先的低压配电智能终端
芯象半导体 2022年5月
【导读】
作为新型电力系统配电网建设需求催生的重要智能设备，智能量测开关安装于计量箱或者智能表箱进线处，并与其中的智能电表，微型断路器，智能蓝牙门禁，各种环境传感器配合形成完整的智能配用电解决方案，可对计量箱整体用电情况进行监测，同时为电能表失准更换提供数据支撑，并与台区集中器或能源控制器配合实现拓扑识别、线损分析、故障上报等功能深化应用。智能量测开关由量测单元和断路器本体组成，实现了智能主控部分和机械电子部分分离，便于现场运维和产业落地。
智能量测单元作为最重要的设备大脑，需要具备四项核心功能：方案主控、高精度计量、拓扑识别和HPLC通信。如果采用业内现有的传统芯片方案，要在智能量测单元中实现这四大功能，至少需要三颗核心芯片：HPLC通信芯片、主控MCU和用于拓扑识别的计算型MCU，其中高精度计量功能一般由主控MCU配合专用计量芯片或者高精度ADC芯片来完成。
芯象半导体自主研发的 HPLC 芯片（型号：SIG996）内部集成高端主控内核和高速边缘计算协处理器内核，其中开放的32位主控MCU最高运行主频228MHz，片上集成8MB SDRAM和高速缓存。以这颗芯片为核心器件的P2803 智能量测核心板模组，体积小巧（31mm*21mm），算力强劲，接口丰富，提供高精度滑动DFT运算库和常用计算加速库，配合极简外围器件即可快速构建智能量测类终端产品，而外部无需搭载额外主控类和计算类MCU芯片（当前中等性能的通用MCU市场售价为20~50元人民币），如果按当前量测单元方案成本核算，BOM成本将直降15%，免除MCU行业产能限制的同时，供应链管理成本以及多芯片互通调测和开发成本也将大幅消减。同时，基于芯象半导体提供的参考设计和工具库，可以大大缩短开发调试和量产周期。
【正文】
2020 年 12 月，中央经济工作会议明确提出我国2030 年完成碳达峰力争2060年碳中和的“双碳”目标。2021年3月，中央财经委员会提出构建以新能源为主体的新型电力系统。为保证电网供电可靠、运行安全，必须大幅提升电力系统调峰、调频和调压等能力，这一切均需要全新的技术和设备支撑。
随着碳达峰、碳中和战略的深入推进，光伏和风电等可再生能源发电方式将加速发展，能源转型要求重塑电网，其中低压配电网更是改造升级的重心。低压配电网是电力供应链的末端，是直接面向社会和广大客户的重要能源载体之一。传统配电网只承担单一配电功能，主要任务是核实受端的负荷水平。未来，在新能源并网、储能、新能源汽车、售电放开等新需求下，配电网将向有源化、局域化、协同化、低碳化、智能化、市场化的方向发展，平衡部分电力需求或将成为配电网的一项重要功能。
配电网将成为“十四五”电网建设重点内容。2021年8月，国家电网发布《构建以新能源为主体的新型电力系统行动方案（2021-2030 年）》，提出“十四五”配电网建设投资将超过1.2万亿元，占电网建设总投资的 60%以上。2021年11月，南方电网印发“十四五”电网发展规划，提出在电网建设方面将规划投资约6700亿元，以加快数字电网建设和现代化电网进程，其中配电网建设规划投资达到3200亿元，占比48%。历史上，国家电网和南方电网资本开支主要集中在输电、变电环节，未来配电侧投资占比有望明显提升。能源转型为配电网的发展带来历史机遇。
作为新型电力系统配电网建设需求催生的重要智能设备，智能量测开关安装于计量箱或者智能表箱进线处，并与其中的智能电表，微型断路器，智能蓝牙门禁，各种环境传感器配合形成完整的智能配用电解决方案，可对计量箱整体用电情况进行监测，同时为电能表失准更换提供数据支撑，并与台区集中器或能源控制器配合实现拓扑识别、线损分析、故障上报等功能深化应用智能量测开关由量测单元和断路器本体组成，实现了智能主控部分和机械电子部分分离，便于现场运维和产业落地。
智能量测单元作为最重要的设备大脑，需要具备的四项核心功能：方案主控、高精度计量、拓扑识别和HPLC通信。如果采用业内现有的传统芯片方案，要在智能量测单元中实现这四大功能，至少需要三颗核心芯片：HPLC通信芯片、主控MCU和用于拓扑识别的计算型MCU，其中高精度计量功能一般由主控MCU配合专用计量芯片或者高精度ADC芯片来完成。
当前业内主流的量测单元硬件架构如图所示，关键器件包含主控、计量、安全、载波、蓝牙、存储、端子测温等，三颗主芯片分别完成通信、主控、计量和拓扑识别。
芯象半导体自主研发的 HPLC 芯片（型号：SIG996）内部集成高端主控内核和高速边缘计算协处理器内核，单芯片集成基带处理、高层协议、模拟前端、应用处理等，采用SDR+ASIC硬件加速柔性架构，是业内首款具备连接算力一体化设计的载波芯片，芯片所搭载的开放MCU最高运行主频228MHz，片上集成8MB SDRAM和高速缓存。
以这颗芯片为核心器件的P2803 智能量测核心板模组，体积小巧（31mm*21mm），算力强劲，接口丰富，同时提供高精度滑动DFT运算库和常用计算加速库。开放MCU允许客户二次开发，节省成本，增加系统稳定性；丰富的接口设计，可适配不同的应用场景和功能需求，可广泛用于智能断路器、LTU、量测单元、充电桩管理、智慧路灯、光伏监控器等场景。
而采用P2803模组构建智能量测单元，配合极简外围器件即可快速设计开发智能量测类终端产品，而外部无需搭载额外主控类和计算类MCU芯片，方案BOM成本直降15%，免除MCU行业产能限制。基于芯象半导体提供的参考设计和工具库，可以缩短开发调试和量产周期。
作为一款智能量测核心板模组产品，对系统方案的强大支撑是必不可少的，采用P2803核心板可轻松完美实现以下功能：
1. 主控：保护功能，箱表管理，实时窃电分析，表计误差失准分析，本地HPLC通信，软件升级，远程跳闸等。
2. 配合外部计量芯片完成高精度计量方案，包括高精度计量项管理，冻结数据管理等。
3. 拓扑识别：具备快速户变识别和基于特征电流的分支识别功能，内置高精度快速滑动DFT运算库，可快速开发多频率的特征电流信号检测算法。
在外部接口行业适配方面，P2803核心板的产品定义也堪称极致，丰富的接口全面适配智能量测行业应用：
1. 2路SPI接口，连接计量芯片或高速ADC芯片
2. 1路I2C接口用于外接温湿度监测和EEPROM存储单元
3. 1组SWD接口方便客户调试
4. 4组UART接口可用于RS485、BLE模块、载波上位机通信等
5. 16个GPIO接口可用于分合闸状态，脱扣、合闸、运行指示等，同时兼容国网模组接口EventOut、/SET、/RST、STA、过零检测等有专用IO接口
6. 1路硬件PWM接口完成拓扑识别特征电流注入驱动
P2803智能量测核心板可谓是“一专多能”，除了强大的核心板工作模式外，还可以通过固件更新，支持极简的STA模式和侦听透传模式。STA模式可以理解为一套极简设计的单相HPLC电力载波模块，由于模组面积小巧，可以方便的被集成到多种HPLC通信场景和通信终端设备，在非标硬件板卡、小型化设备或者异形设备的场景中集成使用，将非常的便捷，同时固件兼容标准的国网STA接口，客户集成和调测的工作量极低。而侦听透传模式可以设置模组工作于离线侦听状态，将网络中所有节点上下行交互数据实时透传给上位机，该功能可以方便的用于客户现场调测，网络状态监测，双头端业务和数据共享、校验比对。
在竞争激烈的IoT市场，堪称“顶流”的产品除了具备极致的功能定义和性能表现外，成本优势更是胜出的关键。P2803智能量测核心板内部集成的算力和片上资源轻松完成方案主控、高精度计量、拓扑识别和HPLC通信四大核心功能，进而无需配置主控MCU和拓扑计算MCU，在MCU芯片全球产能紧张，价格高涨的当下，更能显示出超强的竞争优势（当前中等性能的通用MCU市场售价为20~50元人民币），如果按当前量测单元方案成本核算，方案BOM成本直降15%，这将大大提高客户产品的市场竞争力和利润空间。极简的外部电路配合高度集成的核心板设计，在规模量产阶段，由于无需配置高端专用MCU芯片，客户的供应链管理成本也将大大降低，多芯片互通调测和开发成本也将大幅削减。同时基于芯象半导体从算法到架构完全自研的主芯片，以及后续芯片的持续研发和演进迭代能力，客户供应链安全也将进进一步得到保障。
在“万物互联”的大趋势下，物联网作为通信业新兴领域，产业市场规模不断扩大，物联网技术拥有不可估量的商业价值。电力物联网是物联网技术在智能电网中的行业应用，其将有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，提高电力系统信息化水平，改善电力系统现有基础设施利用效率，为电网发、输、变、配、用电等环节提供重要技术支撑。2021 年国家电网、南方电网分别发布“新型电力系统行动方案”，在“双碳”及构建以新能源为主体的新型电力系统的目标下，电力物联网发展有望提速。
芯合四象，物联八方。芯象半导体将全力以赴，以创新迎接挑战，以实力面向市场，以全新的PLC物联通信系列和蜂窝物联通信系列芯片、模组和行业方案助力中国经济发展、社会治理和人民生活的数字化转型，为中国现代化建设贡献自己的绵薄之力。
【芯象半导体】
芯象半导体是业内少数全面掌握高速电力线载波（HPLC）和广域蜂窝以及本地无线连接技术（NB-IoT、HRF）的企业，由多家知名上市产业公司参股投资，出色的股东背景和产业基础确保公司产品与市场高度关联。公司以完全自主设计的电力载波芯片（HPLC）、PLC-IoT芯片、专用MCU、窄带物联网芯片（NB-IoT）、无线自组网双模芯片（HPLC+HRF）等产品服务于数字能源、电力信息采集、配网自动化、智能表计、工业信息监测、智能家居、智能照明等领域。
