通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更智能的電網(wǎng)

引言

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 會為我們帶來一個(gè)更加智能的電網(wǎng)，在所有電力基礎(chǔ)設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)更多信息共享和網(wǎng)絡(luò)接入，并把這些便利性帶給千家萬戶。通過物聯(lián)網(wǎng)，消費(fèi)者、設(shè)備制造廠商和電力部門可尋找到許多新的方法來管理設(shè)備，最終達(dá)到節(jié)約資源的目的，并可利用智能電表、家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座和網(wǎng)絡(luò)家電來節(jié)省電費(fèi)。

本白皮書為您介紹世界上廣泛使用的各種智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)字)和軟件組合在一起，以克服構(gòu)建更高智能、更高聯(lián)網(wǎng)程度的智能型電網(wǎng)時(shí)所面臨的一些挑戰(zhàn)。

讓電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電表、家庭和樓宇通過網(wǎng)絡(luò)緊密相連

思科2011年的報(bào)告稱，到2020年，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量有望達(dá)到500億部，它們將向消費(fèi)者、設(shè)備制造廠商和電力部門提供有價(jià)值的信息資源。在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部，各行各業(yè)的設(shè)備將通過互聯(lián)網(wǎng)和點(diǎn)對點(diǎn)連接以及一些封閉網(wǎng)絡(luò)(例如：智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施使用的網(wǎng)絡(luò))相互聯(lián)網(wǎng)。

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(wǎng)也會讓智能電網(wǎng)的受益范圍擴(kuò)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(fèi)者監(jiān)控其用電情況，然后根據(jù)需求調(diào)節(jié)用電行為。通過在用電低峰時(shí)段使用電器，并連接傳感器對房間使用情況、光照條件等進(jìn)行監(jiān)控，這些系統(tǒng)可以自動地調(diào)節(jié)用電。但所有這些都需要一個(gè)更加智能、與網(wǎng)絡(luò)連接更緊密的電網(wǎng)。

改變電網(wǎng)，面對當(dāng)今挑戰(zhàn)

簡單來說，構(gòu)建一個(gè)智能電網(wǎng)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(yīng)。智能電網(wǎng)可降低損耗、提高效率、優(yōu)化能源需求分配，同時(shí)讓大規(guī)?？稍偕茉?例如：太陽能和風(fēng)能)的獲取成為可能。隨著電力基礎(chǔ)設(shè)施的老化，電網(wǎng)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，具體包括：世界主要工業(yè)城市經(jīng)常出現(xiàn)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(fèi)掉。

我們需要調(diào)整和改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從集中式改為分布式拓?fù)?，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(shí)時(shí)能源消耗和能源供應(yīng)需求：使用更多的遠(yuǎn)程傳感設(shè)備，對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、監(jiān)控并發(fā)送這些信息，用于實(shí)現(xiàn)一種可自我修復(fù)的電網(wǎng)，增加總效率，并提高自我監(jiān)控和決斷的水平。網(wǎng)絡(luò)智能電網(wǎng)可搭建起一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，把未來所有的各種能源相關(guān)設(shè)備都連接到一起。TI正在克服許多全球智能電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)，包括構(gòu)建連接電網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)解決方案，從傳輸與分配電力基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)型智能電網(wǎng)邁出的關(guān)鍵第一步是智能電表的大規(guī)模部署。

數(shù)百萬智能電表已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)

在全世界范圍內(nèi)，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(xiàn)已將數(shù)百萬電表連接至電網(wǎng)，并定期傳輸數(shù)據(jù)。本質(zhì)上而言，這些電表正不斷擴(kuò)展其功能，從一種電能測量設(shè)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(wǎng)絡(luò)接入方案的智能電表

現(xiàn)代智能電表必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，才能在智能電網(wǎng)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(bào)告家庭和樓宇的用電信息。在美國，相應(yīng)的解決方案為低功耗射頻(LPRF)通信，其使用Sub-1GHz網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。但是，根據(jù)不同的國家和電網(wǎng)性質(zhì)，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(shù)。唯一的通用網(wǎng)絡(luò)接入方案是不存在的。實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)要求更廣泛，從有線到無線，有時(shí)甚至同時(shí)組合兩種方案。

其次，電表需要通過家庭顯示器或者網(wǎng)關(guān)，為該家庭提供有用的用電信息。這種信息可讓消費(fèi)者調(diào)整用電行為，從而縮減電費(fèi)。在美國，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee®標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合“智能能源”應(yīng)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(shí)現(xiàn)更大覆蓋范圍，或者混合使用RF和PLC。因此，本質(zhì)上來說，電表正變成智能傳感器，它們可以向室內(nèi)和室外同時(shí)傳輸信息，使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相互連接，同時(shí)向電力部門報(bào)告基本的用電數(shù)據(jù)。

對于電表廠商而言，轉(zhuǎn)向智能電表對電表拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有巨大的影響，如圖1所示。在進(jìn)行用電測量的計(jì)量段頂部，現(xiàn)在集成了一些無線電或者PLC解決方案。有時(shí)，還具有預(yù)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(nèi)存、更方便的聯(lián)網(wǎng)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(jì)價(jià)/需求響應(yīng)、遠(yuǎn)程連網(wǎng)與斷網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)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(shù)人員前往查看每一個(gè)電表。