SEP 2標(biāo)準(zhǔn)出爐　智能電網(wǎng)裝置溝通無障礙

近年來由于物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展日漸成熟，企業(yè)用戶正開始思考如何透過智慧聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)展相關(guān)能源管理應(yīng)用服務(wù)，以及如何整合不同通訊技術(shù)的能源管理設(shè)備傳輸資料。目前統(tǒng)一能源設(shè)備通訊協(xié)議最受注目的便是ZigBee聯(lián)盟所發(fā)展的Smart Energy Profile 2.0(SEP 2)，SEP 2透過IPv6架構(gòu)可進(jìn)行ZigBee、無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)及電力線網(wǎng)路等技術(shù)資料交換工作，并可有效應(yīng)用于智慧能源公共應(yīng)用規(guī)范所規(guī)定的八類能源設(shè)備。

通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化　能源設(shè)備提高管理效能

當(dāng)世界各國由于能源成本提高與溫室效應(yīng)影響等因素開始積極推動節(jié)能減碳相關(guān)政策時(shí)，提高能源使用效率已成為各界致力達(dá)成的目標(biāo)，期盼藉由降低能源浪費(fèi)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減碳的最終目標(biāo)；為達(dá)到此一目標(biāo)，能源管理與資通訊系統(tǒng)進(jìn)行整合運(yùn)用即成為必然的發(fā)展趨勢。

能源可以多種形式加以運(yùn)用，其中最廣泛使用的能源形式便是電力，目前國際上智慧化能源管理系統(tǒng)也多以電力系統(tǒng)做為主要發(fā)展目標(biāo)，智慧聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的智慧電網(wǎng)便是一例。智慧電網(wǎng)于透過導(dǎo)入資通訊技術(shù)后，電力公司便可透過整合分析所屬用戶端用電資訊，制定發(fā)電、輸電及配電策略，避免發(fā)電過量或發(fā)電不足等情形。此外，在能源成本逐漸提高的情形下，用戶端也逐漸導(dǎo)入智慧化節(jié)能技術(shù)，如智慧化控制及智慧能源管理技術(shù)等，透過能源設(shè)備耗能資訊分析，制定設(shè)備節(jié)能規(guī)畫，期望可有效降低電力浪費(fèi)狀況并提高能源使用效率，減低能源浪費(fèi)所造成的額外支出狀況。

如要達(dá)到智慧化節(jié)能技術(shù)的妥適執(zhí)行，能源設(shè)備間使用異質(zhì)通訊技術(shù)的情形亟待解決，因此首要工作便是發(fā)展能源設(shè)備間的能源通訊網(wǎng)路共通通訊標(biāo)準(zhǔn)。為了解決上述問題，ZigBee聯(lián)盟所制定的智慧能源規(guī)范，便是期望透過此一規(guī)范提供能源設(shè)備資料互通技術(shù)開發(fā)依循，提供設(shè)備耗能需求資訊，并且利用智慧化控制方式調(diào)整能源設(shè)備運(yùn)作模式，以滿足用戶端能源管理需求。

能源設(shè)備互通　構(gòu)筑智慧能源管理

ZigBee聯(lián)盟致力推動能源設(shè)備廠商可應(yīng)用智慧能源規(guī)范中所制定的八類能源設(shè)備，包括能源服務(wù)入口(Energy Service Portal)、計(jì)量裝置(Metering Device)、預(yù)裝顯示設(shè)備(In-Premise Display)、可程式化通訊溫控器(PCT)、負(fù)載控制器(Load Control Device)、智慧家電(Smart Appliance)和預(yù)付式終端設(shè)備(Prepayment Terminal)等，并進(jìn)行互通性能源設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，期望可透過能源管理設(shè)備進(jìn)行能源使用效能調(diào)控，如能源閘道器、智慧電表(Smart Meter)及家用能源顯示器(In-home Display)等，以達(dá)到自動化資料交換技術(shù)支援的目標(biāo)，有效滿足能源管理系統(tǒng)智慧調(diào)控的目標(biāo)。

為達(dá)到上述目標(biāo)，ZigBee聯(lián)盟所推動的智慧能源規(guī)范在2013年4月所發(fā)布的SEP 2標(biāo)準(zhǔn)，便是為了提供能源設(shè)備可橫跨異質(zhì)通訊技術(shù)(如ZigBee、電力線通訊及Wi-Fi)進(jìn)行互通性能源資料交換工作，SEP 2采用IPv6的架構(gòu)(圖1)，致使采用不同實(shí)體層通訊技術(shù)(如802.15.4及802.11)的能源設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可透過SEP 2的互通特性，降低異質(zhì)通訊技術(shù)資料介接所造成的影響，因此，各界均期盼SEP 2所提供的能源設(shè)備資料互通性技術(shù)，可有效提升能源管理系統(tǒng)效能表現(xiàn)。

圖1　SEP 2應(yīng)用IPv6架構(gòu)圖

提升設(shè)備效率　智慧能源管理協(xié)議立功

SEP于2009年被美國能源部(DOE)和國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)選為家庭區(qū)域網(wǎng)路設(shè)備初步互通標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)支援電力線通訊及Wi-Fi等不同數(shù)位家庭傳輸技術(shù)。美國于2009年所完成的智慧電網(wǎng)互通標(biāo)準(zhǔn)框架1.0版中，已將SEP認(rèn)可做為新一代輸電網(wǎng)計(jì)劃使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，并于2010年為美國家電制造商協(xié)會(AHAM)評定SEP 2為最高等級智慧能源管理資訊規(guī)范，更于2011年8月由HomePlug Alliance、Wi-Fi Alliance、HomeGrid Forum及ZigBee Alliance等四個(gè)家庭聯(lián)網(wǎng)組織正式宣布以SEP 2為未來智慧電網(wǎng)在應(yīng)用層的共同規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

此外，在HomeGrid Forum、HomePlug Powerline Alliance、SAE International、IPSO Alliance、SunSpec Alliance、Wi-Fi Alliance及ZigBee Alliance等通訊協(xié)議聯(lián)盟的通力合作下，SEP 2已于2013年4月完成標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，提供能源管理設(shè)備廠商開發(fā)依循；由于各大通訊聯(lián)盟均投入制定SEP 2的通訊互通性標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，SEP 2對于能源管理系統(tǒng)的效能提升也令人期待。

[@B]通訊協(xié)議統(tǒng)一　有助提升能源管理效率[@C] 通訊協(xié)議統(tǒng)一　有助提升能源管理效率

在各個(gè)能源通訊協(xié)議聯(lián)盟所規(guī)畫建構(gòu)能源資訊與溝通架構(gòu)(EICF)中，期望能源管理設(shè)備可透過網(wǎng)路互通、資訊語法互通等技術(shù)發(fā)展，透過整合能源系統(tǒng)調(diào)控的方式，有效降低能源浪費(fèi)并提升能源使用效率；其中，自動化資料交換(Automated Data Exchange, ADE)及自動化需量反應(yīng)(Automated Demand Response, ADR)即為EICF的兩大重點(diǎn)制定技術(shù)。

在各大能源通訊協(xié)議聯(lián)盟的合力制訂下，SEP 2采用IPv6的協(xié)議架構(gòu)，使ZigBee不再受限于IEEE 802.15.4的實(shí)體通訊技術(shù)，并可支援Wi-Fi與電力線通訊等技術(shù)，突破原先設(shè)備數(shù)量限制及傳輸速度等缺陷，提升能源管理設(shè)備資料介接效能，達(dá)成能源管理系統(tǒng)自動化資料交換的目標(biāo)(圖2)。

圖2　ZigBee Smart Energy Profile 2.0通訊層架構(gòu)圖

另一方面，SEP 2也改進(jìn)SEP 1.x主要提供給先進(jìn)讀表基礎(chǔ)建設(shè)服務(wù)的情形，提供多樣化的能源設(shè)備通訊使用，并且透過上述自動化資料交換技術(shù)的開發(fā)，自動化需量反應(yīng)技術(shù)可以透過能源設(shè)備回報(bào)的能源使用需求資訊，透過設(shè)備的能源使用需求資訊進(jìn)行整合分析，于能源供給端方面，則以提供適切的能源生產(chǎn)量、配置規(guī)畫，提高能源使用效率；于能源使用端方面，則可提供能源設(shè)備的卸載管理規(guī)劃及切換再生能源系統(tǒng)支援等，避免超額使用能源之情形，進(jìn)而提升系統(tǒng)效率。 [!--empirenews.page--]

SEP 2制定的共通通訊協(xié)議中，由于自動化資料交換技術(shù)及需量反應(yīng)技術(shù)等，便可提供多樣能源設(shè)備管理及控制服務(wù)開發(fā)設(shè)計(jì)，例如能源負(fù)載管理、智慧電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控(如發(fā)電、輸電與配電)、智慧住宅系統(tǒng)等，有效提升能源使用效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減碳的目標(biāo)。

ZigBee IP助陣　能源系統(tǒng)網(wǎng)路IP化

為符合SEP 2中通訊互通性的目的，ZigBee聯(lián)盟發(fā)展ZigBee IP通訊協(xié)議，ZigBee IP為全球第一個(gè)基于IPv6無線網(wǎng)狀網(wǎng)路解決方案的公開標(biāo)準(zhǔn)(表1)，增加網(wǎng)路安全層以及IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)，可提供無縫、點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)路連線架構(gòu)，以有效控制具低能耗、低成本設(shè)備。由于ZigBee聯(lián)盟先前所制定的ZigBee規(guī)范(如ZigBee RF4CE與ZigBee Pro)，并無法提供IP化的通訊服務(wù)，導(dǎo)致采用ZigBee通訊技術(shù)的能源設(shè)備須透過額外轉(zhuǎn)換介面進(jìn)行管理，無法提供具通透性的能源設(shè)備管理系統(tǒng)。

ZigBee IP為提供低能耗的設(shè)備與IPv6通訊技術(shù)設(shè)備進(jìn)行無縫式資料交換工作，支援相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)路協(xié)定，如6LowPAN、PANA、RPL、TLS、TCP及UDP等。此外，ZigBee IP為提供點(diǎn)對點(diǎn)的通訊安全，亦支援TLS 1.2協(xié)定，于連結(jié)層采用AES-128-CCM演算法提供訊框安全，并采用X.509 v3 certificates與ECC-256 cipher suite建構(gòu)公鑰架構(gòu)。

如圖3所示，透過ZigBee IP規(guī)范的制定，能源設(shè)備制造便可利用SEP 2標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)具互通性的能源管理解決方案，ZigBee IP特性包括可運(yùn)作于2.4GHz(全球)/915MHz(美國)/868MHz(歐洲)/920MHz(日本)的IEEE 802.15.4、結(jié)合節(jié)能機(jī)制、支援搜尋機(jī)制(Discovery Mechanism)與成對機(jī)制(Pairing Mechanism)、支援星狀拓?fù)浼皞€(gè)人區(qū)域網(wǎng)路通訊、提供單點(diǎn)與多點(diǎn)傳輸、提供金鑰更新機(jī)制、采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AES-128-CCM安全機(jī)制與支援聯(lián)盟制定標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)商的新設(shè)備設(shè)計(jì)。

圖3　ZigBee IP規(guī)范

SEP 2打造無縫能源資料通訊

SEP 2所提供的互通性通訊架構(gòu)，使能源管理系統(tǒng)打破原先由于設(shè)備通訊技術(shù)不同，須透過通訊介面轉(zhuǎn)換以進(jìn)行資料傳輸?shù)臓顩r，亦可整合智慧電網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用服務(wù)。在智慧電網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)中包含能源使用端、能源供給端及應(yīng)用服務(wù)提供端三種角色，三者可透過能源管理設(shè)備資料交換技術(shù)，進(jìn)行所需的能源調(diào)控工作；其中，可應(yīng)用SEP 2的能源應(yīng)用服務(wù)如家用能源管理系統(tǒng)(HEMS)、建筑能源管理系統(tǒng)(BEMS)、先進(jìn)讀表基礎(chǔ)建設(shè)(AMI)與需量反應(yīng)(Demand Response)。

以家用能源管理系統(tǒng)為例，HEMS可透過SEP 2的互通性技術(shù)，將家用能源設(shè)備的能源資訊傳輸至管理系統(tǒng)，如智慧家電、智慧電表、再生能源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、智慧溫控設(shè)備以及充電式電動車等，并且透過能源管理系統(tǒng)進(jìn)行能源設(shè)備運(yùn)作調(diào)控；舉例來說，倘若太陽能發(fā)電的能源產(chǎn)量大于家庭所需用電時(shí)，即可將剩余發(fā)電儲存至儲能系統(tǒng)或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)賣給電力公司。

在SEP 2統(tǒng)一智慧電網(wǎng)通訊的情形下，智慧電網(wǎng)原先須透過多種不同通訊技術(shù)所造成的資料交換不便情形已獲得大幅改善，能源管理設(shè)備與能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)便可依循SEP 2的規(guī)范架構(gòu)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，并透過自動化資料交換技術(shù)的可行性，致使智慧電網(wǎng)設(shè)備間進(jìn)行無縫式通訊，提升智慧電網(wǎng)執(zhí)行效益，亦擴(kuò)大能源管理系統(tǒng)的管理范疇，加速智慧電網(wǎng)應(yīng)用市場發(fā)展，從而達(dá)到節(jié)能減碳的目標(biāo)。

(本文作者任職于資策會智通所)