通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)更智能的電網(wǎng)

引言

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 會為我們帶來一個更加智能的電網(wǎng)，在所有電力基礎設施之間實現(xiàn)更多信息共享和網(wǎng)絡接入，并把這些便利性帶給千家萬戶。通過物聯(lián)網(wǎng)，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(wǎng)關、智能插座和網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)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(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)時所面臨的一些挑戰(zhàn)。

讓電網(wǎng)基礎設施、電表、家庭和樓宇通過網(wǎng)絡緊密相連

思科2011年的報告稱，到2020年，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)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(wǎng)內(nèi)部，各行各業(yè)的設備將通過互聯(lián)網(wǎng)和點對點連接以及一些封閉網(wǎng)絡(例如：智能電網(wǎng)基礎設施使用的網(wǎng)絡)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(jù)需求調(diào)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(diào)節(jié)用電。但所有這些都需要一個更加智能、與網(wǎng)絡連接更緊密的電網(wǎng)。

改變電網(wǎng)，面對當今挑戰(zhàn)

簡單來說，構(gòu)建一個智能電網(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。智能電網(wǎng)可降低損耗、提高效率、優(yōu)化能源需求分配，同時讓大規(guī)?？稍偕茉?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(wǎng)正面臨嚴峻的挑戰(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%的飲用水被浪費掉。

我們需要調(diào)整和改變電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)進行測量、監(jiān)控并發(fā)送這些信息，用于實現(xiàn)一種可自我修復的電網(wǎng)，增加總效率，并提高自我監(jiān)控和決斷的水平。網(wǎng)絡智能電網(wǎng)可搭建起一個通信網(wǎng)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(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)，包括構(gòu)建連接電網(wǎng)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(wǎng)型智能電網(wǎng)邁出的關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(wǎng)絡接入方案的智能電表

現(xiàn)代智能電表必須達到一定的標準，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(wǎng)狀網(wǎng)絡。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。唯一的通用網(wǎng)絡接入方案是不存在的。實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)關，為該家庭提供有用的用電信息。這種信息可讓消費者調(diào)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(jié)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(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)和室外同時傳輸信息，使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡相互連接，同時向電力部門報告基本的用電數(shù)據(jù)。

對于電表廠商而言，轉(zhuǎn)向智能電表對電表拓撲結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(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)計價/需求響應、遠程連網(wǎng)與斷網(wǎng)、網(wǎng)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。