三分鐘告訴你！在智能電網(wǎng)上部署智能電表有多高明

全球的傳統(tǒng)電網(wǎng)開始因不斷增長的能源需求而倍感壓力。停電次數(shù)在增加。我們?nèi)绾我钥沙掷m(xù)的方式改進這些系統(tǒng)？我們都聽說過的一種可能的解決方案是將信息技術(shù)集成到電網(wǎng)中。通過將現(xiàn)代技術(shù)、架構(gòu)和工具集成到已經(jīng)使用和服務(wù)的電網(wǎng)中，并在規(guī)劃新電網(wǎng)時集成進這些方法，將是個非常好的開端。

全球的傳統(tǒng)電網(wǎng)開始因不斷增長的能源需求而倍感壓力。停電次數(shù)在增加。我們?nèi)绾我钥沙掷m(xù)的方式改進這些系統(tǒng)？

我們都聽說過的一種可能的解決方案是將信息技術(shù)集成到電網(wǎng)中。通過將現(xiàn)代技術(shù)、架構(gòu)和工具集成到已經(jīng)使用和服務(wù)的電網(wǎng)中，并在規(guī)劃新電網(wǎng)時集成進這些方法，將是個非常好的開端。

大多數(shù)傳統(tǒng)的電網(wǎng)由許多機電系統(tǒng)組成；在這些現(xiàn)有的電網(wǎng)中，大多數(shù)情況下通信只是單向發(fā)送給用戶。我們必須有雙向通信的機制來分享和使用信息，以提高輸配電的服務(wù)水平和效率。

傳統(tǒng)電網(wǎng)架構(gòu)大多采用集中發(fā)電。主發(fā)電中心切切實實將總功率發(fā)送到輸配電中心，以便在本地輸配給用戶。

智能電網(wǎng)

我們需要的是在整個地區(qū)部署更多的輸配渠道，以建立真正的分布式能源架構(gòu)，比如部署可再生能源——這是我們稱為智能電網(wǎng)的重要組成部分。

在智能電網(wǎng)情況下，現(xiàn)在即使是消費者也可以通過太陽能和風(fēng)能等各種手段（即使電力公司將其視為與自己競爭進而掣肘它們）來產(chǎn)生能量以及配送多余能量。智能電網(wǎng)是一種具有雙向通信功能的合適的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

由于傳統(tǒng)電網(wǎng)沒有采用類似典型智能電網(wǎng)架構(gòu)中部署的各種現(xiàn)代傳感器技術(shù)來實現(xiàn)監(jiān)控，因此它們既“啞”又“瞎”。有時發(fā)電廠甚至不知道某個地區(qū)發(fā)生了停電或電力不足的情況，直到他們接到消費者的電話（電話系統(tǒng)具有備用電池供電）。在智能電網(wǎng)架構(gòu)中，眾多傳感器部署在整個電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中，可以進行監(jiān)控、測試和通信。此舉甚至可以實現(xiàn)自我修復(fù)和復(fù)原/移除以及自動重新引導(dǎo)電能繞過故障點。

隨著帶有通信功能的電表進入到許多家庭，電力公司和能源監(jiān)管機構(gòu)設(shè)法利用該技術(shù)來提高節(jié)能意識。利用這一概念——有時稱為智能電網(wǎng)——電力公司設(shè)法利用進入用戶家中的網(wǎng)絡(luò)，以便可以主動管理輸電負(fù)載。

在美國亞利桑那州以及世界許多其他地區(qū)，電力公司現(xiàn)在可以提供實時價格信息，從而允許用戶調(diào)整其電能使用。例如，在峰值負(fù)載條件下（如亞利桑那州典型的熱浪天氣），電力公司可以向用戶發(fā)送信息，通知他們價格將在下一小時上漲，并鼓勵他們關(guān)閉家電。某種家用顯示器可以顯示此消息。更好的是，電力公司可以通過智能電表與家中的設(shè)備進行通信，打開恒溫器或關(guān)閉水池泵，以防止出現(xiàn)局部限電甚至大規(guī)模停電。該系統(tǒng)在電表和家電之間需要有可靠的通信協(xié)議，有時稱為家域網(wǎng)（HAN）。使用ZigBee協(xié)議的900MHz無線通信在此是個很好的選擇。HAN的例子見圖1。

圖1：家域網(wǎng)示例。

自動抄表（AMR）

利用固態(tài)電子式電能表，我們現(xiàn)在可以添加通信鏈路，因此，如果該鏈路是無線的，那么電力公司用車只需要從旁邊開過就可以收集到該數(shù)據(jù)。

高級計量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）

在電表演進的此下一階段，AMI可以與一系列其他的AMI電表聯(lián)網(wǎng)；取決于位置，可以采用衛(wèi)星或低成本的射頻鏈路。目前使用的兩種主要的RF通信協(xié)議是電力線載波（PLC）和免牌照的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段。我們可以充分期待，5G在未來幾年內(nèi)將“風(fēng)光無限”。

智能電表

電能表演變

我還記得在我長大的紐約市布魯克林區(qū)一幢六戶公寓的地下室里安裝的傳統(tǒng)電表。有一次，我清楚地記得因為拖欠/未付賬單，愛迪生聯(lián)合電氣公司切斷了我家的供電（我父母竭盡全力，但在我成長的50和60年代，我家日子過得緊巴巴的）。愛迪生聯(lián)合電氣公司的那位伙計走到我們小四室公寓的門口，說要斷掉我家的電，讓我跟著他去裝著電表的地下室。我那年剛滿9歲，冬天即將到來。

來到排在一起的六塊電表旁時，他轉(zhuǎn)過身來對我說：“現(xiàn)在我得把你家公寓的電表從這個插座上拆下來帶走。我會用保護罩蓋住電表插座，以免裸露的電線電到人。”因為我已經(jīng)知道我將會成為一名電氣工程師，所以我非常仔細(xì)地聆聽和觀察。“在我蓋上這些電氣觸點前，我把這根線像這樣穿過這些觸點連起來”（他短接了與電表串聯(lián)的觸點）。“現(xiàn)在，在你老爸付清帳單前，你家也還會有電。但這事跟誰都別說，我不會承認(rèn)我知道這件事的，懂嗎？”

好吧，那天我在人性和電方面真的被好好上了一課！我感謝他，在那天也學(xué)到了電表與電源是串聯(lián)的，并且有一種簡單的方法可以繞過電表。那是1959年。大約兩周后我家付清了賬單，一切都很順利，但這段經(jīng)歷清清楚楚地留在了我的記憶中，直到今天仍然歷歷在目——記得我從哪里來，并了解了那個時代的那些老式的機電式電表。

圖2：19世紀(jì)末開始使用的機電式電能表。

圖3：接下來是固態(tài)電子式電能表。這種電表可以測量瞬時功率、功率因數(shù)和無功功率，并存儲這些數(shù)據(jù)。

智能電表的射頻通信鏈路

如果你家像我家那樣，也有眾多的無線設(shè)備（無線局域網(wǎng)、家庭安全系統(tǒng)和智能手機等），以及從屋外大量涌入的其他射頻信號。這使得實現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)通信非常困難（射頻輸入端接收到亞微伏級別的信號并不少見——甚至要抑制的不良RF“干擾”功率等級更高）。由于電表可能放在屋內(nèi)、屋外或地下室等任何地方，因此其與電線桿或電力公司用車之間必須要有可靠的RF連接。

如果電表工作在免牌照的射頻頻段，為了符合各地區(qū)或國家的輻射標(biāo)準(zhǔn)，我們必須認(rèn)真考慮通信協(xié)議。900MHz、2.4GHz和5.8GHz是廣泛使用的幾個頻段。900MHz是將電表連接起來并連接至數(shù)據(jù)采集目的地的首選頻段。900MHz可提供更長的通信范圍，特別適用于低功耗預(yù)算應(yīng)用。無線M-Bus是用于遠(yuǎn)程抄表的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在是EN 13757中擬定的EN歐洲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（EN European NormaTIve Standard）中的一部分。Silicon Labs有一款好用的無線M-Bus開發(fā)套件和軟件。

未使用的調(diào)頻（FM）廣播頻段

即使厄瓜多爾已討論使用FM廣播頻段，該國此段廣播頻譜（88MHz至108MHz）目前尚未得到有效利用；事實上，由于在某些時間段沒有有用的信息傳輸，它沒有得到充分利用。參考文獻《Support to Data Transmission on Smart Grids Using the FM Band Spectrum（使用FM頻譜支持智能電網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸）》中提出了將這個未使用的頻譜時間用于智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄?。鄰域網(wǎng)（NAN）拓?fù)鋵ㄖ悄茈姳?mdash;—它們將用戶用電和故障信息發(fā)送到數(shù)據(jù)聚集點（DAP），數(shù)據(jù)聚集點又形成城域網(wǎng)（MAN）來管理收集到的數(shù)據(jù)并將其傳輸給負(fù)責(zé)用電量的機構(gòu)。該文通過使用FM頻段內(nèi)的“空白頻段”，建立起完整的拓?fù)渲С种悄茈娋W(wǎng)應(yīng)用。文章還提出了一種數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)能夠發(fā)射射頻信號將信息發(fā)送給DAP的設(shè)備，然后將該數(shù)據(jù)收集到位于厄瓜多爾中南部地區(qū)電力公司的服務(wù)器（圖4）。

圖4：在厄瓜多爾將空白頻段用于智能電網(wǎng)的拓?fù)洹?/p>

這種推薦拓?fù)湫枰蒒AN，其中每個智能電表（SM）都有無線發(fā)射器，將信息發(fā)送到DAP。在未使用的空白頻段（FM）內(nèi)特別選擇的信道將用于傳輸數(shù)據(jù)。特定區(qū)域內(nèi)的所有DAP生成一個MAN，其信息最終由EERCS中的服務(wù)器收集。采用低功耗數(shù)據(jù)傳輸，可以防止與附近其他網(wǎng)絡(luò)相互干擾，并且可用帶寬足以滿足這種應(yīng)用所需。

窄帶PLC/無線通信

參考文獻《On the Diversity of Hybrid Narrowband-PLC/Wireless CommunicaTIons for Smart Grids（面向智能電網(wǎng)的混合窄帶PLC/無線通信的分集）》中對雙向智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信考慮了3kHz至500kHz頻帶內(nèi)的窄帶電力線通信（NB-PLC）以及免牌照的無線頻段（美國為902MHz至928MHz，即IEEE 802.15.4g和新出現(xiàn)的IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)）。

該系統(tǒng)可以在有信道和噪聲統(tǒng)計特性（電力線和無線數(shù)據(jù)傳輸通常會遇到）的情況下工作。這是因為電力線和無線傳輸?shù)男诺篮驮肼曁匦允仟毩⒌牟⑶揖哂胁煌再|(zhì)。該文通過在電力線和無線鏈路上同時發(fā)送相同信息信號提供的分集來增強整個系統(tǒng)的可靠性。他們提出了有效的技術(shù)，在考慮到兩個鏈路上噪聲隨機性的同時，將NB-PLC與無線鏈路接收到的信號相結(jié)合，用于相干和差分調(diào)制方案（圖5）。

圖5：NB-PLC/無線分集系統(tǒng)框圖。

NB-PLC解決了用戶智能電表與數(shù)據(jù)集中器之間的最后一英里通信，數(shù)據(jù)集中器由當(dāng)?shù)仉娏Σ块T在中壓或低壓電力線上部署。

免牌照頻段（如902MHz至928MHz）由于RF傳輸不協(xié)調(diào)，會妨礙智能電網(wǎng)上的通信，因此會有噪聲和干擾問題。NB-PLC具有不同于窄帶信號及與交流半波同步的周期性脈沖噪聲的噪聲/干擾。這與DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器和長波廣播信號等電源管理系統(tǒng)的噪聲/干擾相結(jié)合，在3kHz至500kHz譜域內(nèi)耦合至電力線。

該文研究了三種組合方法，并概述了它們對于處理智能電網(wǎng)上電力線和無線傳輸方法的信道和噪聲統(tǒng)計特性，作為傳統(tǒng)組合技術(shù)的新替代方案所具有的不同性能和復(fù)雜度權(quán)衡。

衛(wèi)星通信（SATCOM）

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的可復(fù)用火箭助推器等創(chuàng)新之作，降低了衛(wèi)星通信成本，并實現(xiàn)了更好的通信效率設(shè)計。衛(wèi)星通信可能是部署智能電網(wǎng)的另一種可行資源。過去，衛(wèi)星通信由于性能不足且成本高昂，一直僅限于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）使用。

智能電表和相量測量單元（PMU）將產(chǎn)生大量新的電網(wǎng)數(shù)據(jù)。PMU能夠非常準(zhǔn)確地測量和記錄電網(wǎng)狀況，提供對電網(wǎng)穩(wěn)定性和壓力的深入了解。PMU用來測量所謂的同步相量——它是時間同步的數(shù)字，表示電力線正弦波的幅度和相位角。

衛(wèi)星通信的好處是它可以提供非常廣范圍的服務(wù)，特別是在地面通信基礎(chǔ)設(shè)施不到位的地區(qū)。衛(wèi)星通信可以為諸如機器對機器（M2M）通信等應(yīng)用提供良好服務(wù)。請記住，電動汽車（EV）不久將在智能電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用，因為它們既可以是負(fù)載，也可以是為智能電網(wǎng)供電的電源。而且，了解電動汽車的確切位置，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)優(yōu)化的一組重要數(shù)據(jù)點——參見《The Tesla Model S， ultracapacitors， and large energy storage（特斯拉Model S、超級電容器和大容量能量存儲）》一文。

傳統(tǒng)上，衛(wèi)星通信的主要用途是單向媒體服務(wù)。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的最新進展，雙向通信現(xiàn)在成為了現(xiàn)實。一個例子是為M2M應(yīng)用提供IP服務(wù)。

一些例子包括：

• 國際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）發(fā)射了一顆寬帶全球網(wǎng)絡(luò)（BGAN）M2M衛(wèi)星，其最大數(shù)據(jù)速率為500kb/s，延遲小于1秒，服務(wù)可用性達到99.9%。智能電網(wǎng)在可用性方面有著嚴(yán)格要求，99.9%的可用性相當(dāng)于每年不超過50分鐘的停機時間。 • • 銥衛(wèi)星（Iridium）覆蓋全球的66顆衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于其處在低地球軌道（LEO）上而具有較低延遲，并且由于使用L波段頻率而不會受到天氣影響。低延遲在智能電網(wǎng)通信場景中非常重要，因為在嚴(yán)重斷電的情況下，保證實時通信和永遠(yuǎn)在線（例如對變電站）是必不可少的。低延遲對于智能計量優(yōu)化其管理也很重要。 • • 下一代銥衛(wèi)星（Iridium NEXT）今年將提供服務(wù)，數(shù)據(jù)速率將高達1.4Mb/s。智能電網(wǎng)所需的帶寬在不斷增加，因此不能再以舊的窄帶SCADA系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)。有些新應(yīng)用需要的速率比100kb/s更高。 • 就通信安全性來看，衛(wèi)星通信據(jù)信相比地面通信系統(tǒng)更加難以干擾，更加安全。一些適用于衛(wèi)星通信的應(yīng)用包括客戶房屋和發(fā)電廠。一個例子是用于計費和需求響應(yīng)的自動抄表（AMI）回程（圖6）。

圖6：智能電網(wǎng)應(yīng)用可以利用衛(wèi)星通信，將它們映射到安裝相關(guān)設(shè)備的區(qū)域。

智能電網(wǎng)上的另一個衛(wèi)星通信應(yīng)用是遠(yuǎn)程站點的視頻監(jiān)控。許多電力公司已經(jīng)使用衛(wèi)星通信來監(jiān)控其遠(yuǎn)程資產(chǎn)，因此高吞吐量和低延遲通信應(yīng)用將從衛(wèi)星通信中受益匪淺。

智能電表功耗

表計設(shè)計人員可能會選擇低功率表計設(shè)計，以便他們在電池供電的氣表和水表中也可以使用該設(shè)計。我發(fā)現(xiàn)的一款很好的電源管理IC（PMIC）是德州儀器（TI）的TPS65290——它具有很好的靜態(tài)電流；對于電池供電的氣表或水表設(shè)計來說，也能夠提供通用的電源設(shè)計。Silicon Labs的Si10XX是一款很好的低功耗無線MCU。

安全和防篡改

由于黑客攻擊表計，使其放慢或停止用電統(tǒng)計數(shù)據(jù)的累計，非技術(shù)性原因致使全球的電力公司產(chǎn)生數(shù)十億美元的收入損失。這一損失使得電力公司強烈要求加強新型智能電表中的保護設(shè)計架構(gòu)。其中一些篡改方法包括反接表計的接線端子、旁路掉電流、移動電表連接的導(dǎo)線以及磁性篡改等。這是從電力公司竊電的一種方式。

在防篡改的第一道防線中，一些預(yù)防方法可能包括使用感應(yīng)開關(guān)或機械開關(guān)來檢測是否有人試圖打開電表外殼，進入其內(nèi)。開關(guān)會連接到一個GPIO端口——如果電表外殼被打開則改變狀態(tài)，并向MCU報警，MCU進而發(fā)出警報聲或發(fā)送某種安全警示。

磁性篡改通過使用磁體減慢電表字輪的轉(zhuǎn)速，而讓其看起來像是客戶使用的電能比實際情況少。對策之一是使用霍爾傳感器來檢測現(xiàn)場是否存在磁體產(chǎn)生的強磁場。同樣可以使用GPIO端口來激活一些警報。

表計還可以采用硬化技術(shù)，通過設(shè)計分流器作為電流傳感器，并配合隔離式Σ-Δ ADC，而使其不受強磁體的影響。這種篡改也有其他方法可以采用。

Powerbox公司首席營銷與通信官Patrick Le Fevre在保護智能電網(wǎng)方面進行了廣泛研究。他在該公司網(wǎng)站上有很多優(yōu)秀的技術(shù)見解，例如他在《NaTIonal Electric Grid Security and Resilience Action Plan（國家電網(wǎng)安全與復(fù)原行動計劃）》一文中向美國聯(lián)邦政府提出的計劃。

智能電表參考設(shè)計

美信公司（Maxim Integrated）為智能電表提供了一些很好的解決方案，包括一個名為“Newport”的好用的參考平臺。恩智浦也有一些不錯的設(shè)計實例。