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载波通信行业深度研究:电网二轮改造 带动量价齐升 智能家居应用蓄势待发

电网二轮改造带动量价齐升,核心技术厂商具备优势。国网二轮改造 已经开启,“全覆盖、全采集、全费控”的建设目标推动载波通信技 术的进一步发展和更新换代。窄带到宽带,单模到双模是第二轮改造 中通信技术的发展趋势。宽带载波芯片价格是窄带的 2 倍,宽带载波 电能表价格是窄带的 1.6 倍,宽带载波芯片单价约 30 元,宽带载波 电能表单价约 380 元。长期来看,对一轮的窄带载波电能表完全替代, 按照 2017 年的用电户数,不考虑新增用电户数,对应的宽带载波芯 片静态市场空间为 173.7 亿元,对应的宽带载波电能表静态市场空间 为 2200.2 亿元,均接近一轮改造的近 2 倍。目前宽带载波通信芯片 通过国网验证的只有东软载波、华为海思、鼎信通讯等少数公司,具 备核心技术优势的龙头公司有望受益二轮改造中宽带载波产品的全 面普及,迎来业绩的快速增长。

智能家居应用市场空间广阔,载波通信厂商迎来新增长点。随着 2020 年物联网、大数据、云计算等技术的落地,智能家居市场即将爆发。 据 ABI Research 的预测,2021 年全球智能家居市场有望突破千亿美 元。载波通信技术无需重新布线,具备成本低且通信性能好的优势, 是智能家居通讯技术的完美解决方案。智能家居市场一直难以突破的 原因之一是没有形成一个兼容各类设备的平台。由于智能家居平台可 以获得产品市场使用的大数据,因此终端产品厂商不会采用竞争对手 的平台,导致了市场上不同品牌间智能家居产品兼容性极差。作为不 售卖终端家居产品的第三方厂商,苹果等手机厂商,有望成为未来平 台的整合者。东软载波于 2017 年与苹果达成合作,基于 Homekit 智 能家居系统研发产品。我们认为像东软载波一样和头部智能家居平台 巨头形成良好合作关系的厂商,未来具备巨大的增长潜力,随着智能 家居产品出货量的增长,其通信模块产品将迎来新的增长点。

1.电网二轮改造带动量价齐升,核心技术厂商具备优势

1.1.一轮电网改造结束,载波通信行业实现快速发展

电力线载波通信(Power line Communication, PLC)是指利用现有电力 线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术,和目前常见的光纤 通信的区别即利用现有的电线作为传输介质,无需专门架设网络。电力线载波 通信产品早在 20 世纪 30 年代于欧洲开发应用,中国在 21 世纪初才首次在配 电行业进行商用。国家电网于 2008 年推行以电力线载波通信为基础的试点自 动抄表项目,从而带动中国电力线载波通信行业的迅速发展。目前,电力线载 波通信技术已成为自动抄表系统的主导通信技术,据 Frost& Sullivan,2016 年电力线载波通信新产品下游应用超过 90%是自动抄表系统,此外包括路灯控 制、楼宇能源管理及光伏发电管理应用等智慧能源管理应用也在加速发展中。 预计到 2021 年国内电力线载波通信产品的销售量将达近 1.5 亿件,2017-2021 年的年复合增长率为 9.2%;其中自动抄表应用为 1.33 亿件,2017-2021 年的 年复合增长率为 8%。

自动抄表系统即用电信息采集系统,在自动抄表系统前,采用的是人工抄 表。随着‘一户一表’改造工程的开展,城市化规模不断扩大,户用计量仪表 (水表、电表、煤气表)的使用量高速增长;此外,阶梯水价、分时计价等新 的收费方式开始实施,传统的户用计量仪表和人工抄表方式已无法满足需求, 从而出现了自动抄表系统。自动抄表系统随着我国“智能电网”计划的开展而 普及,该计划于 2009 年提出,包括三个阶段:1)规划试点阶段(2009-2010), 制定标准,开展关键技术和设备研制,进行各环节试点;2)全面建设阶段 (2011-2015),加快特高压和配电网建设,初步形成智能电网架构,关键技术与设备取得重大突破并广泛应用;3)引领提升阶段(2016-2020),全面建成 统一的坚强智能电网,技术和装备达到国际先进水平,智能电表普及应用。

智能电表属于自动抄表系统的终端计量设备。人工抄表时代,电能表经历 了从机械表到电子表两个时代。智能电表是在 2009 年国家电网公司用电信息 采集系统系列标准 Q/GDW 37X 发布后提出,符合该标准的电能表才称为智能电 表。智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外,为了适应智能 电网和新能源的使用它还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种 数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能。

整个用电信息采集系统包括采集主站、一级采集设备(集中器)、二级采 集设备(采集器)和终端计量设备(智能电表)几个部分。采集主站和集中器 之间的通信载体称为远程信道,集中器与采集器之间的通信载体称为本地信道。 目前主要的远程信道通信方式包括 CDMA/GPRS/4G 三种,本地信道通信方式包 括低压载波通信、微功率无线通信和 RS-485 三种。

三种本地通信方式中,RS-485 通信方式具有资源消耗小,易于实现,成本 低廉,可靠性高的优点,但需要铺设专用线路,系统安装调试复杂,维护成本 高。因此一般与低压电力线载波通信方式混合组网使用,即“半载波”模式。 微功率无线技术不受电力线信号衰减、谐波干扰等电网环境因素影响,可有效 避免电力线载波抄表中的“信号孤岛”现象,但该方案无台区概念,无法识别 相位,抄表效果容易受到天气、地形、建筑物等因素影响。实际应用中容易被 铁箱、铁门等金属密封物屏蔽,因此无法普遍适用。电力线载波方式无需布线, 可靠性较高,维护量小,但受负载影响大,需要组网优化,且价格较高。

所谓“全载波”和“半载波”模式是根据电能表和采集器间的通讯方式规 定,“全载波”采用载波电能表通过载波通信方式直接和集中器通信。“半载 波”用采集器作为普通电能表和集中器的中介,普通电能表和采集器通过 RS-485 通信方式通信,采集器和集中器通过载波通信方式通信。对于住户集中 的小区,“半载波”模式更加经济。目前新建的用电信息采集系统,采用这两 种模式构建的比例约为 1:1,即电能表一半为载波表,另一半为普通电表;全 载波模式下每 100 只载波表配一只集中器;半载波模式下,每 10 只普通电表配一只采集器,每 15 只采集器配一只集中器。半载波模式节省载波通信芯 片使用量,但需要铺设 RS485 通信线路,施工量大,维护也不方便,未来随着 载波通信芯片成本的进一步降低,“全载波”模式将更为广泛的应用,载波通 信产品需求将进一步提升。
  

    此外根据载波采用频率的高低,还将载波通信方式分为窄带载波通信 (NPLC)和宽带载波通信(HPLC)。窄带采用的频带在 10k-500kHz,宽带在 2M-20MHz,根据香农信道公式 C=Blog2(1+S/N),信噪比 S/N 一定的条件下,频 带宽度 B 越大,信道可靠传输速率 C 就越高。因此窄带载波通信的通信速率一 般在 10kbps 以下,而宽带载波通信速率一般高达 1Mbps 以上。在智能电网计 划的前两个阶段,即第一轮改造中,主要采用的是窄带载波通信技术。    整个载波通信行业的上游是载波通信芯片和模块,中游是智能电表、采集 器和集中器等设备,下游是电网公司。

    整个载波通信行业的上游是载波通信芯片和模块,中游是智能电表、采集 器和集中器等设备,下游是电网公司。载波通信芯片和模块是智能电表、采集器和集中器等采集设备的核心部件, 该行业集中度十分高,2016 年国内前三名公司市占率超过 80%,分别是东软载 波、鼎信通讯和瑞斯康集团。

智能电表、采集器和集中器处于行业中游,市场集中度较低,每年中标公 司约 100 余家。根据国网 2019 年第一批电能表中标情况,总中标金额为 82.92 亿元,排名靠前的公司主要有宁波三星医疗电气、威胜集团、烟台东方威斯顿 电气等,前十名中标金额占比合计 33.93%。
   

行业下游为电网公司,处于寡头垄断。中国配电行业(除内蒙古中部和西 部由内蒙古电力公司控制)由国家电网和南方电网控制,国网是中国最大的电 网公司,覆盖中国 26 个省份,全国 85%的电力用户;南方电网负责华南的五个 省份(广东、广西、云南、贵州和海南)。国网从 2010 年开始启动智能电表的 招标,每年 2-3 次,截至 2017 年上半年第一轮招标结束,已完成招标智能电 表 5.1 亿只,采集设备 6300 万台。南网从 2016 年才开始启动智能电表的招标, 共计招标智能电表数量为 1314 万只。两大电网公司一轮改造共计招标智能电 表 5.23 亿只,采集设备 6300 万台。

按全载波模式下每 100 只载波表配一只集中器;半载波模式下每 15 只 采集器配一只集中器来计算,第一轮招标集中器为 884 台,采集器为 5416 台。 载波表、采集器和集中器内都有一块载波通信芯片,芯片合计需求为 5.86 亿 颗。国内电力线载波芯片及智能电表市场价格主要由电网公司的竞标过程产生, 据 Frost & Sullivan,窄带载波芯片的市场价格由 2010 年的每件 17.1 元下跌 至 2016 年的每件人民币 15.4 元,载波表的市场价格在 200-255 元间不等,取 中间值,窄带载波芯片 16 元,宽带载波芯片价格是其两倍和 235 元,载波芯 片对应市场规模为 93.76 亿元,载波表对应市场规模为 1229.05 亿元。

载波通信芯片龙头厂商东软载波和鼎信通讯在一轮智能电表招标的红利 下,相关产品营收实现快速增长,东软载波该业务营收从 2010 年的 2 亿元扩 大到 2016 年的 8.79 亿元,鼎信通讯 2016 年该业务营收达到 9.1 亿元。 2017-2018 年是第一轮电网改造结束到第二轮电网改造开启的过渡年,电网公 司由于尚在制定新标准,因此推迟电表招标,使得两家公司当年收入有所下滑。 2017 年全年国网智能电表招标数量仅有 3778 万台,同比下降 43%。随着第二 轮宽带载波通信产品的招标于 2018 年 Q3 末开启,2018 年智能电表招标数量开 始回升,达到 6903 万台,超过 2016 年招标数量。2019 年第一批智能电表招标 数达到 3816 万台,超过 18 年招标数量的 1/2。

鼎信通讯除了上游芯片模块,还切入了下游应用,但目前电能表和采集设 备营收规模还较小,但处于不断增长,2018 年采集设备营收达到 4.62 亿元, 电能表营收规模达到 2.22 亿元。 
  

1.2.二轮改造宽带全面替代窄带,载波通信产品迎来量价齐升

在“智能电网计划”的提升引领阶段,国网将加快实现“全覆盖、全采集、 全费控”的建设目标,并积极推进双向互动、四表(水电气热)合一等新业务的 应用,自动抄表系统也开始从 AMR(Automatic Meter Reading,自动抄表)向 AMI(Automated Metering Infrastructure 高级量测体系)过渡。AMR 只支持 单向通信,采用固定电价模式,按月计费,不支持用户自动化。AMI 架构则支 持双向通信,可实现信息在有 IP 地址的智能电表和电力公司之间的自动双向 流通,从而为电力公司提供实时的能耗数据,采用实时电价模式,并且允许客 户在使用时,以价格为基础,对能源使用做出明智的选择。随着 AMI 架构对通 讯实时性和大数据量采集的功能要求提高,第二轮改造中通信速率更高、性能 更好的宽带载波产品将全面替代窄带载波产品。此外由于载波通信效果受电网 环境影响较大,不同国家在电网建设、电器设备的接入和使用等有较大差异, 从而导致了电网环境的千差万别。对于电网环境中电力线噪声大、信号衰减严 重等情况,单一的窄带低速载波通信效果难以达到应用要求,使得现场维护工 作难度大大增加。针对这一问题,市场推出了载波和无线技术结合的双模通信 方案,解决了载波衰减、信号孤岛等单一载波方案难以解决的问题,真正做到 了免现场维护。总结来说,窄带到宽带,单模到双模是第二轮改造中通信技术 的发展趋势。

    宽带载波芯片的价格是窄带的 2 倍,宽带载波智能电表的平均单价是窄带 的 1.6 倍。根据 2010 年第六次人口普查数据:中国大陆平均每个家庭户的人 口为3.10人,比2000年第五次全国人口普查的3.44人减少0.34人,降低10%, 假定按此速率下降,计算每年的户均人口数,并根据中国统计局给出的中国大 陆每年总人口和国家工商总局给出的全国实有各类市场主体每年户数,计算中 国大陆用电总户数。按此计算,2017 年的户均人口为 2.89 人。中国大陆总人 口 13.90 亿人,对应中国大陆居民总户数为 4.81 亿户。全国实有各类市场主 体为 0.98 亿户,中国大陆用电总户数共约 5.79 亿户。按照“全覆盖”的要求, 第一轮还有 5.79-5.23=0.56 亿只智能电表的需求。国网第二轮改造从 2017 年 下半年开始,每年改造量维持在 6000 万,2017 到 2020 年将有 2.4 亿只智能电 表需要更新改造,一轮存量+二轮改造的智能电表市场空间达 2.96 亿只,19 年 下半年到 2020 年还有 1.89 亿只的市场空间。取宽带载波芯片单价为 30 元, 宽带载波电能表单价为 380 元,对应 19 年下半年到 2020 年的宽带载波芯片市 场空间为 57 亿元,宽带载波电能表市场空间为 718.2 亿元。若是从长期来看, 对一轮的窄带载波电能表完全替代,按照 2017 年的用电户数,不考虑新增用 电户数,对应的宽带载波芯片静态市场空间为 5.79 亿只*30 元/只=173.7 亿元, 对应的宽带载波电能表静态市场空间为 5.79 亿只*380 元/只=2200.2 亿元,均 接近一轮改造的近 2 倍。

2014 年 10 月,中国电科院召开用电信息采集系统低压电力线宽带载波通 信技术标准研讨会,并开启试点,直到 2016 年,宽带载波技术在国网公司用 电信息采集中的运用才迎来突破。年内三次招标,单、三相电能表及采集器、 集中器需求包中宽带载波通信单元的需求量分别占到招标总量的 3%、6%和 11%, 合计招标 470.90 万只,占比 6%;而 2015 年仅招标 132.59 万只,占比为 1%, 2017 年 3 月,国网第一次招标中,宽带载波模块/单元的需求量达到 726.98 万 只,占招标总量的比重大幅提升至 26%。2018 年 5 月 22 日,由中国电科院、 国网信通产业集团等企业联合制订的 IEEE1901.1《适用于智能电网应用的中频 (低于 12MHz)电力线载波通信技术标准》正式发布实施。目前国内 HPLC 厂商 主要有东软载波、华为海思、鼎信通讯、恒泰实达的子公司前景无忧、深圳力 合微电子等几家公司,目前通过国网互联互通验证的只有前四家。东软载波和 恒泰实达的控股子公司北京前景无忧于 2018 年 7 月通过国网通信单元芯片 (HPLC)级互联互通检测,鼎信通讯于 2019 年 4 月才通过国网验证。通过国 网验证后,还需要经历几个月的模块验证阶段,方可供货。

由于新标准制定的原因,宽带载波产品的招标延迟,从 2018 年 Q3 才正式 开启。国网 2019 年第一次招标情况,HPLC 设备数量总计为 619893 只,其中2019 年交付数量为 114,957 只,2020 年交付数量为 504,936 只。以上通过国 网验证的 HPLC 芯片厂商拥有先发优势,有望在二轮改造中实现业绩的快速增 长。

2.智能家居市场空间广阔,载波通信厂商迎来新增长点

2.1.智能家居市场即将爆发,载波通信技术提供完美解决方案

目前智能家居市场尚未开启,随着 2020 年物联网、大数据、云计算等技 术的落地,智能家居市场有望迎来爆发。根据美国 Statista 的预计,2021 年 全球智能家居市场规模将达 793 亿美元;ABI Research 的预测更为乐观,对全 球智能家居市场的预测在 2021 年更是突破千亿美元。

智能家居通信技术包括三类:总线、无线电和电力载波。总线通信的技术 特点就是所有的设备都基于一条总线,产品模组具备互操作性和互换性,其优 势在于技术成熟,是三种通信方式里抗干扰能力最强、最稳定的系统,但是需 要安装复杂、安装工期长、造价高,只适用于新房装修或者旧房完全改造时使 用;所以无线和电力载波通信智能家居系统应用相对更为广泛。载波通信技术 利用了原有的电力线路,无需重新布线,只要通电源线的地方就可以进行数据 传输,在节约成本的同时保证了信号的强度和稳定性;无线通信智能家居系统 是一种相对便捷的方案,通过无线电波来连接系统,系统相对灵活简易,目前 主要有射频技术、蓝牙技术和 wifi 技术,但是由于无线电穿墙性能差,覆盖 范围小,在一些相对封闭的环境下有信号过弱的问题。

因为目前家庭住宅绝大部分都是钢筋混凝土结构,墙壁对于无线信号的阻 隔作用较强,特别是在洗手间、浴室等相对密闭的空间里,而这些空间里也存 在洗衣机或热水器等常用家电,随着智能家居的发展,将会有更多的细分功能 的智能家居产品应用于这一类相对狭小密闭的空间,无线信号的智能家居方案 的信号缺陷将被进一步放大。另外,在原有非智能化住宅改造方面,电力线载 波技术也十分具备优势,因为原本家庭电力线就是以连接家电布置的,智能化 升级时无需做太大改变,在几天甚至一天内就可以完成家居的智能化改造,所 以,目前智能家居的新建房屋的智能化建造和非智能家居的智能化改造两大市 场上,电力线载波技术都具备优势。目前,“无线+载波通信”的双模通信方案 也是市场上主流的智能家居解决方案,许多电力线载波厂商也有相关布局。

2.2.通信技术厂商借力龙头智能家居平台,迎来快速增长

智能家居目前仍处于野蛮生长状态,产业链参与者众多。产品端包括传统 家电厂商美的、海尔等,智能硬件厂商小米、乐视等,安防控制设备厂商以及 代工厂商。产品端顶层包括云服务和大数据平台,如 BAT 等互联网巨头,操作 系统平台,开发者服务平台、应用平台合供应链服务平台等。产品端底层包括 通讯模块厂商、语音控制与交互技术厂商、零部件厂商以及芯片厂商。

智能家居市场一直难以突破的原因之一是没有形成一个兼容各类设备的 平台。目前市场主要的智能家居平台包括苹果 HomeKit、海尔 U+、京东微联、 小米 IoT、和而泰 C-life 和拓邦股份 T-smart 等等。由于智能家居平台可以获 得产品市场使用的大数据,因此终端产品厂商不会采用竞争对手的平台,这使 得各个厂商独立开发产品,使用独立的控制系统和参数,导致了市场上不同品 牌间智能家居产品兼容性极差,客户需要下载多个专门的手机 App 控制不同品 牌的产品。

作为不售卖终端家居产品的第三方厂商,苹果等手机厂商,有望成为未来 平台的整合者。2014 年苹果发布 Homekit 智能家居平台,该平台旨在向合作厂 商提供 Homekit 代码,使产品与 Homekit 智能家居平台兼容,解决了不同品牌 无法互通给消费者带来的不便。目前 Homekit 已经与多家智能家居制造厂商达 成合作,家居产品种类日益丰富。产品包括:空调、风扇、摄像头、门锁等。 由于苹果巨大的品牌号召力,以及苹果手机和平板电脑产品的普及,预测未来 Homekit 将是智能家居重要平台。任何支持 Homekit 平台的智能家居设备都可 以通过苹果的 iphone 和 ipad 统一管理,甚至可以通过 Siri 来语音控制。东 软载波于 2017 年与苹果达成合作,基于 Homekit 智能家居系统研发产品。2018 年,公司的网关核心产品通过了 Apple HomeKit(苹果智能家居平台)产品认 证。我们认为像东软载波一样和头部智能家居平台巨头形成良好合作关系的厂 商,未来具备巨大的增长潜力,随着智能家居产品出货量的增长,其通信模块 产品将迎来新的增长点。
   

来源:东方财富证券研究所

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