各种智能电网网络接入方法及所面临的挑战

作者：Olivier Monnier，德州仪器 （TI） 全球智能电网市场营销总监

引言

物联网 （IoT） 会为我们带来一个更加智能的电网，在所有电力基础设施之间实现更多信息共享和网络接入，并把这些便利性带给千家万户。通过物联网，消费者、设备制造厂商和电力部门可寻找到许多新的方法来管理设备，最终达到节约资源的目的，并可利用智能电表、家庭网关、智能插座和网络家电来节省电费。

本白皮书为您介绍世界上广泛使用的各种智能电网网络接入方法。例如，TI正在开发整套系统解决方案，把硬件（模拟和数字）和软件组合在一起，以克服构建更高智能、更高联网程度的智能型电网时所面临的一些挑战。

通过物联网实现更智能的电网

让电网基础设施、电表、家庭和楼宇通过网络紧密相连

思科2011年的报告称，到2020年，物联网（IoT）的联网设备数量有望达到500亿部，它们将向消费者、设备制造厂商和电力部门提供有价值的信息资源。在物联网内部，各行各业的设备将通过互联网和点对点连接以及一些封闭网络（例如：智能电网基础设施使用的网络）相互联网。

全世界的注意力都放在如何管理和节约能量与水资源上面，因此物联网也会让智能电网的受益范围扩展至电力部门的配电、自动化和用电监控方面。家庭和商用住宅的管理系统可帮助消费者监控其用电情况，然后根据需求调节用电行为。通过在用电低峰时段使用电器，并连接传感器对房间使用情况、光照条件等进行监控，这些系统可以自动地调节用电。但所有这些都需要一个更加智能、与网络连接更紧密的电网。

改变电网，面对当今挑战

简单来说，构建一个智能电网意味着在全球人口迅速增长的条件下，使用有限的发电能力来确保我们未来的能源供应。智能电网可降低损耗、提高效率、优化能源需求分配，同时让大规模可再生能源（例如：太阳能和风能）的获取成为可能。随着电力基础设施的老化，电网正面临严峻的挑战，具体包括：世界主要工业城市经常出现断电事故；在如印度等国家，超过30%的电能在传输途中损耗掉；在法国和澳大利亚，超过35%的饮用水被浪费掉。

我们需要调整和改变电网拓扑结构，从集中式改为分布式拓扑，这样可以通过一种动态的方式吸收各种能源。另外，还需要追踪实时能源消耗和能源供应需求：使用更多的远程传感设备，对能源数据进行测量、监控并发送这些信息，用于实现一种可自我修复的电网，增加总效率，并提高自我监控和决断的水平。网络智能电网可搭建起一个通信网络，把未来所有的各种能源相关设备都连接到一起。TI正在克服许多全球智能电网所面临的挑战，包括构建连接电网设备的系统解决方案，从传输与分配电力基础设施、电表、水表、气表和热力表，到家庭楼宇自动化，均包含在其中。

朝着物联网型智能电网迈出的关键第一步是智能电表的大规模部署。

数百万智能电表已经联网

在全世界范围内，电表走在了智能表的部署的前端。例如，美国智能电表（e电表）的使用率接近50%，现已将数百万电表连接至电网，并定期传输数据。本质上而言，这些电表正不断扩展其功能，从一种电能测量设备发展成为一种双向通信系统，如图1所示。

图1 TI支持多种网络接入方案的智能电表

现代智能电表必须达到一定的标准，才能在智能电网发展方面发挥重要的作用。首先，电表需要向电力部门报告家庭和楼宇的用电信息。在美国，相应的解决方案为低功耗射频（LPRF）通信，其使用Sub-1GHz网状网络。但是，根据不同的国家和电网性质，无线解决方案不一定是最佳选择，例如，西班牙或法国使用的是有线窄带OFDM电线通信（PLC）技术。唯一的通用网络接入方案是不存在的。实现物联网要求更广泛，从有线到无线，有时甚至同时组合两种方案。

其次，电表需要通过家庭显示器或者网关，为该家庭提供有用的用电信息。这种信息可让消费者调整用电行为，从而缩减电费。在美国，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee®标准，并结合“智能能源”应用规范。英国或者日本等其他国家，正在评估Sub-1 GHz RF或者PLC解决方案以实现更大覆盖范围，或者混合使用RF和PLC。因此，本质上来说，电表正变成智能传感器，它们可以向室内和室外同时传输信息，使用网状网络相互连接，同时向电力部门报告基本的用电数据。

对于电表厂商而言，转向智能电表对电表拓扑结构有巨大的影响，如图1所示。在进行用电测量的计量段顶部，现在集成了一些无线电或者PLC解决方案。有时，还具有预付和近场通信（NFC）功能。主微控制器（MCU）的需求正在发生变化，要求它们拥有更大的内存、更方便的联网方式以及通信协议的安全性。另外，智能电表的MCU还需要支持许多高级功能，例如：动态计价/需求响应、远程连网与断网、网络安全、无线下载和安装后升级功能，这样电力部门便无需派出技术人员前往查看每一个电表。

TI已经提高了其现场测试计量评估套件的可用性，并扩大其计量IC的产品线，让它们内存更大、安全性和精确度更高。例如，作为其MCU产品组合的一部分，TI新的多相电表工具包基于MSP430F6679 SoC，为广大开发人员提供一流的精确度、更大的集成内存和更先进的防篡改保护。这些SoC所实现的电表精确度达到甚至超过了世界许多智能多相电表的许多标准，包括IEC 62053-22和ANSI C12.20 Class 0.2标准。另外，高达512KB的集成闪存内存可实现更多复杂的电表功能，例如：动态计价表、DLMS/COSEM或者网络接入堆栈。

TI致力于满足不同网络接入解决方案的需求，为智能电网网络接入提供业界最为丰富的产品组合，包括Sub-1 GHz、2.4 GHz、Wi-Fi®、ZigBee、NFC和PLC等。除为各主要PLC联盟的积极创立成员以外，TI还利用其丰富的专业知识和大量现场试验，开发出业界第一个PLC器件，在同一块芯片上同时集成了对PRIME、G3和试行版IEEE P1901.2窄带OFDM PLC的支持。该器件让开发人员可以轻松地开发出面向未来需求的智能电表，其可以通过全世界任何国家的现有输电线高效地传输数据。如“智能电表板3.0”视频中所展示的那样，TI提供许多独特的系统解决方案，它们把模拟和数字硬件组件与相关软件堆栈组合，以支持世界各种智能电表架构。

下一步是智能电表的部署

尽管网络型计量表的部署最初始于电力行业，但流量表市场（气、水、热和暧气使用分配器）也正获得发展的动力，在不远的将来，有望会部署数百万台这类设备。派克研究公司2012年报告预测，全球智能水表保有量不断增长，到2017年，将从2011年的1030万台增长近2倍至2990万台。对于气表更是如此，其年出货量将从2010年的190万台，增加至2016年的780万台（派克研究公司2011年报告）。欧洲《能效标准》（EED）推动发展“20-20-20”计划，其目的是解决这个行业长期面临的挑战，维持低成本、安全和可持续的能源供应。作为该计划的组成部分，20%的能效目标正推动英国（部署数量最多，达2200万台）等国家大规模使用智能气表，而意大利（2100万台）和法国（1100台）则紧随其后（数据来源于2011年范•戴克公司和2010年因创公司报告）。

另外，从简单计量表转向智能流量表涉及通信和跨设备网络连接。

图2 TI拥有多种网络接入方案的智能流量表解决方案

图2显示了一个通用流量表拓扑的不同网络接入方法。LPRF无线电通常用于电池供电型气表或者水表，与另一个网状网络内计量表或者传统有线解决方案（例如：有线MBUS）顶部数据采集器之间通信。这种计量表还可以接收价目表信息、固件更新或者关闭阀门激活指令，其通常与预付功能（有时基于NFC系统）一起使用。电池预期寿命从10年到15年以上不等，这给流量表制造厂商带来了一个挑战。使用正确的电源设计来维持规定功率输出和无线电性能，并且电池不出现漏电现象，这样便可在系统层解决电源需求问题。例如，把TPS62730降压转换器和MSP430™微控制器一起用于TI不断增长的Sub-1 GHz wM-Bus解决方案系列产品，例如：SimpleLink™ CC1120 RF收发器，便可完美提供业界最佳的选择性和阻隔性能。这种系统级解决方案还拥有最低的系统功耗，保证计量表在户外工作许多年，无需更换电池。

流量表或是任何电池供电型终端节点（例如：无线传感器）的网络接入功能，都要求把模拟及数字硬件与软件相结合的系统级方法。例如，TI已经演示过，使用结合了RPL路由协议的TSCH和IPv6的802.15.4e MAC层，可极大提高传感器网络应用的寿命、可靠性、覆盖范围和可扩展性（请参看视频）。物联网要求给未来网络设备带来了冲击，但是设备和应用决定了物联网的可行性。

除此以外，模块化、更具风险规避能力的方法往往带来更高的材料费用（BOM），而设计复用可为那些面向多个市场的复杂智能计量表设计带来节省成本的可能性。例如，使用基于超低功耗MSP430F5435A MCU的相同MCU平台，面向Sub-1 GHz和2.4GHz市场，或者使用基于TI的SimpleLink CC1200 Sub-1 GHz收发器的相同RF模块，同时用于气表和水表解决方案。IC供应商通常还会提供引脚兼容型MCU或者RF系列产品，其拥有更大的内存及（或）更高的系统性能（Stefanov公司2012年报告）。这些灵活性可极大减少后续设计修改所需的资源。对于计量表制造厂商来说，这就意味着更低的制造成本以及更大的投资回报。对于智能电网而言，它还意味着更快的网络接入设备部署，符合相关规定，并且标准也已确定。

规定和标准是大规模部署网络设备的关键所在

规定影响智能计量表使用率和确定计量表功能的规范。例如，美国国防部似乎正在寻求取得由总务管理局（GSA）负责管理的政府基础设施，意在获得联邦预算费用。与美国一样，中国大陆也正通过启动“智能城市”项目，以在节能方面发挥核心作用。特别值得注意的是，Sub-1 GHz频带更适合于大型公寓楼的信号覆盖。

标准保证多个厂商产品之间的通用性，让大规模部署成为可能，并让智能电网成为现实。例如，今天的窄带OFDM输电线通信标准，PRIME联盟在西班牙和波兰推出全智能电表（重要的试验项目），而G3-PLC联盟则在法国、荷兰、日本和其他国家做同样的事情。就流量表而言，无线MBus 169MHz通信标准现在在欧洲已成熟，并正在法国和意大利实施大规模气表部署计划。

与此同时，各种标准不断发展并且获得实现（硬件和软件），而紧跟发展的步伐至关重要。例如，为了促进输电线通信在全球范围的发展，并为智能电网开发商们提供面向未来需求的设计，TI利用其丰富的专业知识和现场试验，开发出业界首款PLC器件，在同一块芯片上实现了对PRIME、G3和试行版IEEE P1901.2窄带OFDM PLC的支持。

在RF方面，英国能源与气候变化部（DECC）现正致力于其第二版《智能计量设备技术规范》（SMETS）。根据第二版SMETS，建议把2.4 GHz和868 MHz（ZigBee SEP v1.x为气表建议应用层）作为英国的RF通信标准，同时继续开发和部署2.4GHz计量表，因此未来另外还需支持868MHz计量表的可能性增加了面向未来需求的智能计量表的设计复杂度。

今天，为了让智能电网成功联网，必须符合规定标准。作为主要PLC联盟的创立成员之一，TI正积极参与各种标准组织，包括ZigBee、WISUN、IEEE 802.15.4g等，目的是为客户提供领先的硬件和软件解决方案。各种标准和规定，让软件和通信堆栈可用性变得对智能电网和物联网至关重要。

今天，数百万的计量表已经联网，并且网络型电网的发展动力正不断增长。但是，为了发挥其最大潜力，构建网络型智能电网的第一步是从机械计量表转变为智能电子计量表，以在计量表和公共服务供应商之间建立起双向通信。不断变化的规定和标准正推动这一发展趋势，但同时也强调了硬件和软件灵活性的重要性。第二步是，电网基础设施的自动化，通过在配电站之间建立通信网络，连接输电和配电。

问题转向智能配电站：网络接入是自动化的关键

电网拓扑正在改变，从放射状集中拓扑转变为拥有多种能源分布的网状拓扑。

从发电到用电，配电站是电网设备的关键一环，它连接电力部门、家庭和楼宇。配电站负责变压，传送电力，根据需要隔离和变更输电通路，管理和协调分布式太阳能和风能，并处理断电故障和恢复供电（见图3）

图3 电网和配电站自动化通信网络

能够动态地定位、标出地图、监控和控制城市、州或者全国级别的配电站，是确保电网更好运行的自动化配电的重要目标之一。同样，使用联网配电站来建立起一个电力信息网络便是解决方案。首先，配电系统正不断发展，从多铜有线专有总线转向以太网通信。这种通信功能通过安装在配电站内部的智能设备器件（IED）来实现，其可以是新安装的器件，也可以是对现有设备进行改装。其次，与其他计量表一样，配电站内部不同设备厂商提供的产品需具备通用性，并且共享采集数据，从而实现大规模部署。IED内部实现的IEC 61850工业标准可解决这个问题。利用IEC 61850，如断路器、变压器和发电机等配电站内部设备共同建立起一个时间敏感型网络，在中央工作中心采集所有配电站信息，并同样也建立起双向通信。通过接入型智能电表和配电站，我们正向着一个完整的联网智能电网前进（图3）。

作为配电站设备的组成部分，在配电站和变压器层面安装通信数据集中器，其部署步伐与智能电表相同。图4显示了TI最新推出的智能数据集中器的结构图。它拥有最高的灵活性和可扩展性，以及各种性能、成本和网络接入选项，这样开发商便可设计出适应于世界上任何智能电网标准的数据集中器。智能数据集中器可实现先进电表基础设施（AMI）和传感器网络自动化应用，让电力部门可以同时连接和管理超过2000部智能电表。智能数据集中器包含TI高度可扩展的Sitara™ AM3359处理器和许多灵活的外围器件，可实现多种有线和无线网络接入方法，包括Sub-1 GHz、2.4 GHz ZigBee、Wi-Fi、NFC和多PLC标准（G3、PRIME、IEEE P1901.2、PLC-Lite™）。配套PLC模组上系统与TI的PLC软件栈一起，让智能电网开发人员可以在10分钟以内轻松地建立起PLC网络接入的数据集中器演示。

图4 TI网络数据集中器结构图

同样，利用同时集成硬件和软件的完整系统级解决方案，TI的智能电网解决方案降低了复杂程度，缩短了产品上市时间，并促进了物联网的发展。从计量和管理到能源信息通信，TI都提供辅助补充软件，从而为智能电网和物联网开发人员提供一整套解决方案。

节能、舒适和安全：智能电网和物联网对于消费者的意义

在美国，智能电表部署获得了早期发展促进资金，10个州的地区电力企业开始在市场上进行试点部署，向广大消费进行宣传教育，以鼓励智能电表的使用，更重要的是达到节能的现实目的。智能电网的好处之一是，维修小组可通过社区的通信系统提前查明断电故障。通过向用电家庭和办公楼询问情况，可迅速恢复重要电力基础设施供电，比传统的自行报告断电方法要快。需求响应系统的重要作用是，把智能家电与电能监控入口相连，让消费者可以推迟用电，避开用电高峰时段。

智能插座、家庭显示器、智能恒温器的使用（图5），让消费者可以选择想要监控的家用设备。只需把家电连接智能插座，然后加入家庭网络。通过ZigBee或者Wi-Fi，用户可以接入网络，通过家庭网关获得信息，或者使用智能电话或平板电脑通过云网络直接上网。相比使用智能技术的高端家电，消费者对于智能插座的接受要迅速得多，因为它们价格更低，并且可以改造使用现有家电。TI正通过把其互补计量方法、网络接入和处理器集成到一个易用、低功耗解决方案中，降低分电表的复杂程度。例如，TI的SimpleLink CC3000 Wi-Fi模组和MSP430微控制器，实现了一种简单的分电表应用设计，让嵌入式应用的Wi-Fi实现更简单，并在业内激发出了许多创新。

把楼宇和家庭的设备连接到一起，是下一步需要做的工作之一，这样才能实现智能电网给我们带来的所有好处。现在，许多创新解决方案和方便应用已经摆到消费者的面前。如英国或者日本，都强制部署了专用家庭能源网关、智能集线器或者能源管理系统，它们让消费者在极大程度上受益于智能电网和物联网。

结论

从电网基础设施到安装在家庭和楼宇内的智能电表，各种规定和标准在整个智能电网行业不断推动网络设备的采用。尽管向智能电表移植会增加复杂程度，但是投资回报也越来越明显（例如：更好的用户体验和更高的能效）。电网本身也在不断变化，朝着完全自动化配电站网络发展，并且网络数据集中器已经在部署之中。

物联网带来的网络接入和数据访问功能进一步增强了用户体验，提高了效率，允许用户进行更大程度的互动和控制。另外，通过故障诊断和社区电表的信息读取功能，物联网还为制造厂商和电力部门提供更丰富的数据，从而降低各种成本开销。最终，物联网将给我们带来一个联网程度、性价比和智能程度更高的智能型电网。

TI与物联网

TI拥有业界最为丰富的物联网产品组合，包括有线及无线网络接入技术、微控制器、处理器、传感器与模拟信号链和电源解决方案，为物联网接入提供专门设计的云支持系统解决方案。从高性能家庭、工业和汽车应用到电池供电型可穿戴移动电子设备或者能源采集无线传感器节点，TI通过硬件、软件、工具和技术支持让应用开发变得更容易，可让任何设备接入物联网。

TI智能电网解决方案

过去十年，TI电表IC出货达数百万。作为一家全球性系统提供商，TI为全世界的智能电网提供创新、安全、经济和永不过时的解决方案。TI提供业内最为丰富的智能电网产品组合，包括计量方案、应用处理器、通信系统、无线接入和硅模拟组件，拥有先进的软件、工具和技术支持，为电网基础设施、公用仪表、家庭或楼宇自动化提供相应的解决方案。

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