引言
物聯(lián)網(IoT) 會為我們帶來一個更加智能的電網,，在所有電力基礎設施之間實現更多信息共享和網絡接入，并把這些便利性帶給千家萬戶。通過物聯(lián)網,，消費者,、設備制造廠商和電力部門可尋找到許多新的方法來管理設備,，最終達到節(jié)約資源的目的,，并可利用智能電表、家庭網關,、智能插座和網絡家電來節(jié)省電費,。
本白皮書為您介紹世界上廣泛使用的各種智能電網網絡接入方法。例如,，TI正在開發(fā)整套系統(tǒng)解決方案,，把硬件（模擬和數字）和軟件組合在一起，以克服構建更高智能,、更高聯(lián)網程度的智能型電網時所面臨的一些挑戰(zhàn),。
讓電網基礎設施、電表,、家庭和樓宇通過網絡緊密相連
思科2011年的報告稱,，到2020年，物聯(lián)網（IoT）的聯(lián)網設備數量有望達到500億部,，它們將向消費者,、設備制造廠商和電力部門提供有價值的信息資源,。在物聯(lián)網內部，各行各業(yè)的設備將通過互聯(lián)網和點對點連接以及一些封閉網絡（例如：智能電網基礎設施使用的網絡）相互聯(lián)網,。
全世界的注意力都放在如何管理和節(jié)約能量與水資源上面,，因此物聯(lián)網也會讓智能電網的受益范圍擴展至電力部門的配電,、自動化和用電監(jiān)控方面,。家庭和商用住宅的管理系統(tǒng)可幫助消費者監(jiān)控其用電情況，然后根據需求調節(jié)用電行為,。通過在用電低峰時段使用電器,，并連接傳感器對房間使用情況、光照條件等進行監(jiān)控,，這些系統(tǒng)可以自動地調節(jié)用電,。但所有這些都需要一個更加智能、與網絡連接更緊密的電網,。
改變電網,，面對當今挑戰(zhàn)
簡單來說，構建一個智能電網意味著在全球人口迅速增長的條件下,，使用有限的發(fā)電能力來確保我們未來的能源供應,。智能電網可降低損耗、提高效率,、優(yōu)化能源需求分配,，同時讓大規(guī)模可再生能源（例如：太陽能和風能）的獲取成為可能,。隨著電力基礎設施的老化,，電網正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，具體包括：世界主要工業(yè)城市經常出現斷電事故,；在如印度等國家,，超過30%的電能在傳輸途中損耗掉；在法國和澳大利亞,，超過35%的飲用水被浪費掉,。
我們需要調整和改變電網拓撲結構，從集中式改為分布式拓撲,，這樣可以通過一種動態(tài)的方式吸收各種能源,。另外，還需要追蹤實時能源消耗和能源供應需求：使用更多的遠程傳感設備,，對能源數據進行測量,、監(jiān)控并發(fā)送這些信息，用于實現一種可自我修復的電網,，增加總效率,，并提高自我監(jiān)控和決斷的水平,。網絡智能電網可搭建起一個通信網絡，把未來所有的各種能源相關設備都連接到一起,。TI正在克服許多全球智能電網所面臨的挑戰(zhàn),，包括構建連接電網設備的系統(tǒng)解決方案，從傳輸與分配電力基礎設施,、電表,、水表、氣表和熱力表,，到家庭樓宇自動化,，均包含在其中。
朝著物聯(lián)網型智能電網邁出的關鍵第一步是智能電表的大規(guī)模部署,。
數百萬智能電表已經聯(lián)網
在全世界范圍內,，電表走在了智能表的部署的前端。例如,，美國智能電表（e電表）的使用率接近50%,，現已將數百萬電表連接至電網，并定期傳輸數據,。本質上而言,，這些電表正不斷擴展其功能，從一種電能測量設備發(fā)展成為一種雙向通信系統(tǒng),，如圖1所示,。
圖1 TI支持多種網絡接入方案的智能電表
現代智能電表必須達到一定的標準，才能在智能電網發(fā)展方面發(fā)揮重要的作用,。首先,，電表需要向電力部門報告家庭和樓宇的用電信息。在美國,，相應的解決方案為低功耗射頻（LPRF）通信,，其使用Sub-1GHz網狀網絡。但是,，根據不同的國家和電網性質,，無線解決方案不一定是最佳選擇，例如,，西班牙或法國使用的是有線窄帶OFDM電線通信（PLC）技術,。唯一的通用網絡接入方案是不存在的。實現物聯(lián)網要求更廣泛,，從有線到無線,，有時甚至同時組合兩種方案。
其次，電表需要通過家庭顯示器或者網關,，為該家庭提供有用的用電信息,。這種信息可讓消費者調整用電行為，從而縮減電費,。在美國,，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee®標準，并結合“智能能源”應用規(guī)范,。英國或者日本等其他國家,，正在評估Sub-1 GHz RF或者PLC解決方案以實現更大覆蓋范圍，或者混合使用RF和PLC,。因此,，本質上來說,，電表正變成智能傳感器,，它們可以向室內和室外同時傳輸信息，使用網狀網絡相互連接,，同時向電力部門報告基本的用電數據,。
對于電表廠商而言，轉向智能電表對電表拓撲結構有巨大的影響,，如圖1所示,。在進行用電測量的計量段頂部，現在集成了一些無線電或者PLC解決方案,。有時,，還具有預付和近場通信（NFC）功能。主微控制器（MCU）的需求正在發(fā)生變化,，要求它們擁有更大的內存,、更方便的聯(lián)網方式以及通信協(xié)議的安全性。另外,，智能電表的MCU還需要支持許多高級功能,，例如：動態(tài)計價/需求響應、遠程連網與斷網,、網絡安全,、無線下載和安裝后升級功能，這樣電力部門便無需派出技術人員前往查看每一個電表,。
TI已經提高了其現場測試計量評估套件的可用性,，并擴大其計量IC的產品線，讓它們內存更大,、安全性和精確度更高,。例如，作為其MCU產品組合的一部分，TI新的多相電表工具包基于MSP430F6679 SoC,，為廣大開發(fā)人員提供一流的精確度,、更大的集成內存和更先進的防篡改保護。這些SoC所實現的電表精確度達到甚至超過了世界許多智能多相電表的許多標準,，包括IEC 62053-22和ANSI C12.20 Class 0.2標準,。另外，高達512KB的集成閃存內存可實現更多復雜的電表功能,，例如：動態(tài)計價表,、DLMS/COSEM或者網絡接入堆棧。
TI致力于滿足不同網絡接入解決方案的需求,，為智能電網網絡接入提供業(yè)界最為豐富的產品組合,，包括Sub-1 GHz、2.4 GHz,、Wi-Fi®,、ZigBee、NFC和PLC等,。除為各主要PLC聯(lián)盟的積極創(chuàng)立成員以外,，TI還利用其豐富的專業(yè)知識和大量現場試驗，開發(fā)出業(yè)界第一個PLC器件,，在同一塊芯片上同時集成了對PRIME,、G3和試行版IEEE P1901.2窄帶OFDM PLC的支持。該器件讓開發(fā)人員可以輕松地開發(fā)出面向未來需求的智能電表,，其可以通過全世界任何國家的現有輸電線高效地傳輸數據,。如“智能電表板3.0”視頻中所展示的那樣，TI提供許多獨特的系統(tǒng)解決方案,，它們把模擬和數字硬件組件與相關軟件堆棧組合,，以支持世界各種智能電表架構。
下一步是智能電表的部署
盡管網絡型計量表的部署最初始于電力行業(yè),，但流量表市場（氣,、水、熱和曖氣使用分配器）也正獲得發(fā)展的動力,，在不遠的將來,，有望會部署數百萬臺這類設備。派克研究公司2012年報告預測,，全球智能水表保有量不斷增長,，到2017年，將從2011年的1030萬臺增長近2倍至2990萬臺,。對于氣表更是如此,，其年出貨量將從2010年的190萬臺,，增加至2016年的780萬臺（派克研究公司2011年報告）。歐洲《能效標準》（EED）推動發(fā)展“20-20-20”計劃,，其目的是解決這個行業(yè)長期面臨的挑戰(zhàn),，維持低成本、安全和可持續(xù)的能源供應,。作為該計劃的組成部分,，20%的能效目標正推動英國（部署數量最多，達2200萬臺）等國家大規(guī)模使用智能氣表,，而意大利（2100萬臺）和法國（1100臺）則緊隨其后（數據來源于2011年范·戴克公司和2010年因創(chuàng)公司報告）,。
另外，從簡單計量表轉向智能流量表涉及通信和跨設備網絡連接,。
圖2 TI擁有多種網絡接入方案的智能流量表解決方案
圖2顯示了一個通用流量表拓撲的不同網絡接入方法,。LPRF無線電通常用于電池供電型氣表或者水表，與另一個網狀網絡內計量表或者傳統(tǒng)有線解決方案（例如：有線MBUS）頂部數據采集器之間通信,。這種計量表還可以接收價目表信息,、固件更新或者關閉閥門激活指令,，其通常與預付功能（有時基于NFC系統(tǒng)）一起使用。電池預期壽命從10年到15年以上不等,，這給流量表制造廠商帶來了一個挑戰(zhàn),。使用正確的電源設計來維持規(guī)定功率輸出和無線電性能,，并且電池不出現漏電現象,，這樣便可在系統(tǒng)層解決電源需求問題。例如,，把TPS62730降壓轉換器和MSP430™微控制器一起用于TI不斷增長的Sub-1 GHz wM-Bus解決方案系列產品,，例如：SimpleLink™ CC1120 RF收發(fā)器,，便可完美提供業(yè)界最佳的選擇性和阻隔性能,。這種系統(tǒng)級解決方案還擁有最低的系統(tǒng)功耗，保證計量表在戶外工作許多年,，無需更換電池,。
流量表或是任何電池供電型終端節(jié)點（例如：無線傳感器）的網絡接入功能,，都要求把模擬及數字硬件與軟件相結合的系統(tǒng)級方法,。例如，TI已經演示過,，使用結合了RPL路由協(xié)議的TSCH和IPv6的802.15.4e MAC層,，可極大提高傳感器網絡應用的壽命,、可靠性,、覆蓋范圍和可擴展性（請參看視頻）,。物聯(lián)網要求給未來網絡設備帶來了沖擊,，但是設備和應用決定了物聯(lián)網的可行性。
除此以外,，模塊化,、更具風險規(guī)避能力的方法往往帶來更高的材料費用（BOM）,，而設計復用可為那些面向多個市場的復雜智能計量表設計帶來節(jié)省成本的可能性,。例如，使用基于超低功耗MSP430F5435A MCU的相同MCU平臺,，面向Sub-1 GHz和2.4GHz市場,，或者使用基于TI的SimpleLink CC1200 Sub-1 GHz收發(fā)器的相同RF模塊，同時用于氣表和水表解決方案,。IC供應商通常還會提供引腳兼容型MCU或者RF系列產品,，其擁有更大的內存及（或）更高的系統(tǒng)性能（Stefanov公司2012年報告）。這些靈活性可極大減少后續(xù)設計修改所需的資源,。對于計量表制造廠商來說,，這就意味著更低的制造成本以及更大的投資回報。對于智能電網而言,，它還意味著更快的網絡接入設備部署,，符合相關規(guī)定，并且標準也已確定,。
規(guī)定和標準是大規(guī)模部署網絡設備的關鍵所在
規(guī)定影響智能計量表使用率和確定計量表功能的規(guī)范,。例如,，美國國防部似乎正在尋求取得由總務管理局（GSA）負責管理的政府基礎設施,，意在獲得聯(lián)邦預算費用,。與美國一樣,，中國大陸也正通過啟動“智能城市”項目，以在節(jié)能方面發(fā)揮核心作用。特別值得注意的是,，Sub-1 GHz頻帶更適合于大型公寓樓的信號覆蓋,。
標準保證多個廠商產品之間的通用性,，讓大規(guī)模部署成為可能,，并讓智能電網成為現實,。例如，今天的窄帶OFDM輸電線通信標準,，PRIME聯(lián)盟在西班牙和波蘭推出全智能電表（重要的試驗項目）,，而G3-PLC聯(lián)盟則在法國,、荷蘭,、日本和其他國家做同樣的事情。就流量表而言,，無線MBus169MHz通信標準現在在歐洲已成熟,，并正在法國和意大利實施大規(guī)模氣表部署計劃。
與此同時,，各種標準不斷發(fā)展并且獲得實現（硬件和軟件）,，而緊跟發(fā)展的步伐至關重要。例如,，為了促進輸電線通信在全球范圍的發(fā)展,，并為智能電網開發(fā)商們提供面向未來需求的設計，TI利用其豐富的專業(yè)知識和現場試驗,，開發(fā)出業(yè)界首款PLC器件,，在同一塊芯片上實現了對PRIME、G3和試行版IEEE P1901.2窄帶OFDM PLC的支持,。
在RF方面，英國能源與氣候變化部（DECC）現正致力于其第二版《智能計量設備技術規(guī)范》（SMETS）,。根據第二版SMETS,，建議把2.4 GHz和868 MHz（ZigBee SEP v1.x為氣表建議應用層）作為英國的RF通信標準，同時繼續(xù)開發(fā)和部署2.4GHz計量表,，因此未來另外還需支持868MHz計量表的可能性增加了面向未來需求的智能計量表的設計復雜度,。
今天,，為了讓智能電網成功聯(lián)網，必須符合規(guī)定標準,。作為主要PLC聯(lián)盟的創(chuàng)立成員之一,，TI正積極參與各種標準組織，包括ZigBee,、WISUN,、IEEE 802.15.4g等，目的是為客戶提供領先的硬件和軟件解決方案,。各種標準和規(guī)定,，讓軟件和通信堆棧可用性變得對智能電網和物聯(lián)網至關重要,。
今天,，數百萬的計量表已經聯(lián)網，并且網絡型電網的發(fā)展動力正不斷增長,。但是,，為了發(fā)揮其最大潛力，構建網絡型智能電網的第一步是從機械計量表轉變?yōu)橹悄茈娮佑嬃勘?，以在計量表和公共服務供應商之間建立起雙向通信,。不斷變化的規(guī)定和標準正推動這一發(fā)展趨勢，但同時也強調了硬件和軟件靈活性的重要性,。第二步是,，電網基礎設施的自動化，通過在配電站之間建立通信網絡,，連接輸電和配電,。
問題轉向智能配電站：網絡接入是自動化的關鍵
電網拓撲正在改變，從放射狀集中拓撲轉變?yōu)閾碛卸喾N能源分布的網狀拓撲,。
從發(fā)電到用電,，配電站是電網設備的關鍵一環(huán)，它連接電力部門,、家庭和樓宇,。配電站負責變壓，傳送電力,，根據需要隔離和變更輸電通路,，管理和協(xié)調分布式太陽能和風能，并處理斷電故障和恢復供電（見圖3）
圖3 電網和配電站自動化通信網絡
能夠動態(tài)地定位,、標出地圖,、監(jiān)控和控制城市、州或者全國級別的配電站,，是確保電網更好運行的自動化配電的重要目標之一,。同樣,，使用聯(lián)網配電站來建立起一個電力信息網絡便是解決方案。首先,，配電系統(tǒng)正不斷發(fā)展,，從多銅有線專有總線轉向以太網通信。這種通信功能通過安裝在配電站內部的智能設備器件（IED）來實現,，其可以是新安裝的器件,，也可以是對現有設備進行改裝。其次,，與其他計量表一樣,，配電站內部不同設備廠商提供的產品需具備通用性，并且共享采集數據,，從而實現大規(guī)模部署,。IED內部實現的IEC 61850工業(yè)標準可解決這個問題。利用IEC 61850,，如斷路器,、變壓器和發(fā)電機等配電站內部設備共同建立起一個時間敏感型網絡，在中央工作中心采集所有配電站信息,，并同樣也建立起雙向通信,。通過接入型智能電表和配電站，我們正向著一個完整的聯(lián)網智能電網前進（圖3）,。
作為配電站設備的組成部分,，在配電站和變壓器層面安裝通信數據集中器，其部署步伐與智能電表相同,。圖4顯示了TI最新推出的智能數據集中器的結構圖,。它擁有最高的靈活性和可擴展性，以及各種性能,、成本和網絡接入選項,，這樣開發(fā)商便可設計出適應于世界上任何智能電網標準的數據集中器。智能數據集中器可實現先進電表基礎設施（AMI）和傳感器網絡自動化應用,，讓電力部門可以同時連接和管理超過2000部智能電表,。智能數據集中器包含TI高度可擴展的Sitara™ AM3359處理器和許多靈活的外圍器件，可實現多種有線和無線網絡接入方法,，包括Sub-1 GHz,、2.4 GHz ZigBee、Wi-Fi,、NFC和多PLC標準（G3,、PRIME、IEEE P1901.2,、PLC-Lite™）,。配套PLC模組上系統(tǒng)與TI的PLC軟件棧一起，讓智能電網開發(fā)人員可以在10分鐘以內輕松地建立起PLC網絡接入的數據集中器演示,。
圖4 TI網絡數據集中器結構圖
同樣,，利用同時集成硬件和軟件的完整系統(tǒng)級解決方案，TI的智能電網解決方案降低了復雜程度,，縮短了產品上市時間,，并促進了物聯(lián)網的發(fā)展。從計量和管理到能源信息通信,，TI都提供輔助補充軟件,，從而為智能電網和物聯(lián)網開發(fā)人員提供一整套解決方案。
節(jié)能,、舒適和安全：智能電網和物聯(lián)網對于消費者的意義
在美國,，智能電表部署獲得了早期發(fā)展促進資金，10個州的地區(qū)電力企業(yè)開始在市場上進行試點部署,，向廣大消費進行宣傳教育,，以鼓勵智能電表的使用，更重要的是達到節(jié)能的現實目的,。智能電網的好處之一是,，維修小組可通過社區(qū)的通信系統(tǒng)提前查明斷電故障。通過向用電家庭和辦公樓詢問情況,，可迅速恢復重要電力基礎設施供電,，比傳統(tǒng)的自行報告斷電方法要快。需求響應系統(tǒng)的重要作用是,，把智能家電與電能監(jiān)控入口相連,，讓消費者可以推遲用電，避開用電高峰時段,。
智能插座,、家庭顯示器、智能恒溫器的使用（圖5）,，讓消費者可以選擇想要監(jiān)控的家用設備,。只需把家電連接智能插座，然后加入家庭網絡,。通過ZigBee或者Wi-Fi,，用戶可以接入網絡，通過家庭網關獲得信息,，或者使用智能電話或平板電腦通過云網絡直接上網,。相比使用智能技術的高端家電，消費者對于智能插座的接受要迅速得多，因為它們價格更低,，并且可以改造使用現有家電,。TI正通過把其互補計量方法、網絡接入和處理器集成到一個易用,、低功耗解決方案中,，降低分電表的復雜程度。例如,，TI的SimpleLink CC3000Wi-Fi模組和MSP430微控制器,，實現了一種簡單的分電表應用設計，讓嵌入式應用的Wi-Fi實現更簡單,，并在業(yè)內激發(fā)出了許多創(chuàng)新,。
圖5 實現智能家庭服務的智能電網接入
把樓宇和家庭的設備連接到一起，是下一步需要做的工作之一,，這樣才能實現智能電網給我們帶來的所有好處?，F在，許多創(chuàng)新解決方案和方便應用已經擺到消費者的面前,。如英國或者日本,，都強制部署了專用家庭能源網關、智能集線器或者能源管理系統(tǒng),，它們讓消費者在極大程度上受益于智能電網和物聯(lián)網,。
結論
從電網基礎設施到安裝在家庭和樓宇內的智能電表，各種規(guī)定和標準在整個智能電網行業(yè)不斷推動網絡設備的采用,。盡管向智能電表移植會增加復雜程度,，但是投資回報也越來越明顯（例如：更好的用戶體驗和更高的能效）。電網本身也在不斷變化,，朝著完全自動化配電站網絡發(fā)展,，并且網絡數據集中器已經在部署之中。
物聯(lián)網帶來的網絡接入和數據訪問功能進一步增強了用戶體驗,，提高了效率,，允許用戶進行更大程度的互動和控制。另外,，通過故障診斷和社區(qū)電表的信息讀取功能,，物聯(lián)網還為制造廠商和電力部門提供更豐富的數據，從而降低各種成本開銷,。最終,，物聯(lián)網將給我們帶來一個聯(lián)網程度、性價比和智能程度更高的智能型電網,。
TI與物聯(lián)網
TI擁有業(yè)界最為豐富的物聯(lián)網產品組合,，包括有線及無線網絡接入技術,、微控制器、處理器,、傳感器與模擬信號鏈和電源解決方案,，為物聯(lián)網接入提供專門設計的云支持系統(tǒng)解決方案。從高性能家庭,、工業(yè)和汽車應用到電池供電型可穿戴移動電子設備或者能源采集無線傳感器節(jié)點,，TI通過硬件、軟件,、工具和技術支持讓應用開發(fā)變得更容易，可讓任何設備接入物聯(lián)網,。更多詳情,，請訪問：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/wireless_connectivity/overview.page。
TI智能電網解決方案
過去十年,，TI電表IC出貨達數百萬,。作為一家全球性系統(tǒng)提供商，TI為全世界的智能電網提供創(chuàng)新,、安全,、經濟和永不過時的解決方案。TI提供業(yè)內最為豐富的智能電網產品組合,，包括計量方案,、應用處理器、通信系統(tǒng),、無線接入和硅模擬組件,，擁有先進的軟件、工具和技術支持,，為電網基礎設施,、公用儀表、家庭或樓宇自動化提供相應的解決方案,。更多詳情,，請訪問：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/apps/smartgrid/end_equipment.page。
參考文獻
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