近年來由于物聯網(Internet of Things, IoT)相關技術的發(fā)展日漸成熟，企業(yè)用戶正開始思考如何透過智慧聯網設備發(fā)展相關能源管理應用服務，以及如何整合不同通訊技術的能源管理設備傳輸資料。目前統(tǒng)一能源設備通訊協(xié)議最受注目的便是ZigBee聯盟所發(fā)展的Smart Energy Profile 2.0(SEP 2)，SEP 2透過IPv6架構可進行ZigBee、無線區(qū)域網路(Wi-Fi)及電力線網路等技術資料交換工作，并可有效應用于智慧能源公共應用規(guī)范所規(guī)定的八類能源設備。
通訊技術標準化 能源設備提高管理效能
當世界各國由于能源成本提高與溫室效應影響等因素開始積極推動節(jié)能減碳相關政策時，提高能源使用效率已成為各界致力達成的目標，期盼藉由降低能源浪費，進而達到節(jié)能減碳的最終目標；為達到此一目標，能源管理與資通訊系統(tǒng)進行整合運用即成為必然的發(fā)展趨勢。
能源可以多種形式加以運用，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，智慧聯網應用中的智慧電網便是一例。智慧電網于透過導入資通訊技術后，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，用戶端也逐漸導入智慧化節(jié)能技術，如智慧化控制及智慧能源管理技術等，透過能源設備耗能資訊分析，制定設備節(jié)能規(guī)畫，期望可有效降低電力浪費狀況并提高能源使用效率，減低能源浪費所造成的額外支出狀況。
如要達到智慧化節(jié)能技術的妥適執(zhí)行，能源設備間使用異質通訊技術的情形亟待解決，因此首要工作便是發(fā)展能源設備間的能源通訊網路共通通訊標準。為了解決上述問題，ZigBee聯盟所制定的智慧能源規(guī)范，便是期望透過此一規(guī)范提供能源設備資料互通技術開發(fā)依循，提供設備耗能需求資訊，并且利用智慧化控制方式調整能源設備運作模式，以滿足用戶端能源管理需求。
能源設備互通 構筑智慧能源管理
ZigBee聯盟致力推動能源設備廠商可應用智慧能源規(guī)范中所制定的八類能源設備，包括能源服務入口(Energy Service Portal)、計量裝置(Metering Device)、預裝顯示設備(In-Premise Display)、可程式化通訊溫控器(PCT)、負載控制器(Load Control Device)、智慧家電(Smart Appliance)和預付式終端設備(Prepayment Terminal)等，并進行互通性能源設備產品開發(fā)設計，期望可透過能源管理設備進行能源使用效能調控，如能源閘道器、智慧電表(Smart Meter)及家用能源顯示器(In-home Display)等，以達到自動化資料交換技術支援的目標，有效滿足能源管理系統(tǒng)智慧調控的目標。
為達到上述目標，ZigBee聯盟所推動的智慧能源規(guī)范在2013年4月所發(fā)布的SEP 2標準，便是為了提供能源設備可橫跨異質通訊技術(如ZigBee、電力線通訊及Wi-Fi)進行互通性能源資料交換工作，SEP 2采用IPv6的架構(圖1)，致使采用不同實體層通訊技術(如802.15.4及802.11)的能源設備，設計人員可透過SEP 2的互通特性，降低異質通訊技術資料介接所造成的影響，因此，各界均期盼SEP 2所提供的能源設備資料互通性技術，可有效提升能源管理系統(tǒng)效能表現。
圖1 SEP 2應用IPv6架構圖
提升設備效率 智慧能源管理協(xié)議立功
SEP于2009年被美國能源部(DOE)和國家標準技術研究所(NIST)選為家庭區(qū)域網路設備初步互通標準，同時支援電力線通訊及Wi-Fi等不同數位家庭傳輸技術。美國于2009年所完成的智慧電網互通標準框架1.0版中，已將SEP認可做為新一代輸電網計劃使用的標準規(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等四個家庭聯網組織正式宣布以SEP 2為未來智慧電網在應用層的共同規(guī)范標準。
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)議聯盟的通力合作下，SEP 2已于2013年4月完成標準的制定工作，提供能源管理設備廠商開發(fā)依循；由于各大通訊聯盟均投入制定SEP 2的通訊互通性標準協(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
在各個能源通訊協(xié)議聯盟所規(guī)畫建構能源資訊與溝通架構(EICF)中，期望能源管理設備可透過網路互通、資訊語法互通等技術發(fā)展，透過整合能源系統(tǒng)調控的方式，有效降低能源浪費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(Automated Demand Response, ADR)即為EICF的兩大重點制定技術。
在各大能源通訊協(xié)議聯盟的合力制訂下，SEP 2采用IPv6的協(xié)議架構，使ZigBee不再受限于IEEE 802.15.4的實體通訊技術，并可支援Wi-Fi與電力線通訊等技術，突破原先設備數量限制及傳輸速度等缺陷，提升能源管理設備資料介接效能，達成能源管理系統(tǒng)自動化資料交換的目標(圖2)。
圖2 ZigBee Smart Energy Profile 2.0通訊層架構圖
另一方面，SEP 2也改進SEP 1.x主要提供給先進讀表基礎建設服務的情形，提供多樣化的能源設備通訊使用，并且透過上述自動化資料交換技術的開發(fā)，自動化需量反應技術可以透過能源設備回報的能源使用需求資訊，透過設備的能源使用需求資訊進行整合分析，于能源供給端方面，則以提供適切的能源生產量、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及需量反應技術等，便可提供多樣能源設備管理及控制服務開發(fā)設計，例如能源負載管理、智慧電網系統(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，進而達到節(jié)能減碳的目標。
ZigBee IP助陣 能源系統(tǒng)網路IP化
為符合SEP 2中通訊互通性的目的，ZigBee聯盟發(fā)展ZigBee IP通訊協(xié)議，ZigBee IP為全球第一個基于IPv6無線網狀網路解決方案的公開標準(表1)，增加網路安全層以及IEEE 802.15.4標準的應用服務架構，可提供無縫、點對點網路連線架構，以有效控制具低能耗、低成本設備。由于ZigBee聯盟先前所制定的ZigBee規(guī)范(如ZigBee RF4CE與ZigBee Pro)，并無法提供IP化的通訊服務，導致采用ZigBee通訊技術的能源設備須透過額外轉換介面進行管理，無法提供具通透性的能源設備管理系統(tǒng)。
ZigBee IP為提供低能耗的設備與IPv6通訊技術設備進行無縫式資料交換工作，支援相關標準網路協(xié)定，如6LowPAN、PANA、RPL、TLS、TCP及UDP等。此外，ZigBee IP為提供點對點的通訊安全，亦支援TLS 1.2協(xié)定，于連結層采用AES-128-CCM演算法提供訊框安全，并采用X.509 v3 certificates與ECC-256 cipher suite建構公鑰架構。
如圖3所示，透過ZigBee IP規(guī)范的制定，能源設備制造便可利用SEP 2標準設計具互通性的能源管理解決方案，ZigBee IP特性包括可運作于2.4GHz(全球)/915MHz(美國)/868MHz(歐洲)/920MHz(日本)的IEEE 802.15.4、結合節(jié)能機制、支援搜尋機制(Discovery Mechanism)與成對機制(Pairing Mechanism)、支援星狀拓撲及個人區(qū)域網路通訊、提供單點與多點傳輸、提供金鑰更新機制、采用企業(yè)標準的AES-128-CCM安全機制與支援聯盟制定標準及生產商的新設備設計。
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，使能源管理系統(tǒng)打破原先由于設備通訊技術不同，須透過通訊介面轉換以進行資料傳輸的狀況，亦可整合智慧電網相關應用服務。在智慧電網應用服務中包含能源使用端、能源供給端及應用服務提供端三種角色，三者可透過能源管理設備資料交換技術，進行所需的能源調控工作；其中，可應用SEP 2的能源應用服務如家用能源管理系統(tǒng)(HEMS)、建筑能源管理系統(tǒng)(BEMS)、先進讀表基礎建設(AMI)與需量反應(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，將家用能源設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)、智慧溫控設備以及充電式電動車等，并且透過能源管理系統(tǒng)進行能源設備運作調控；舉例來說，倘若太陽能發(fā)電的能源產量大于家庭所需用電時，即可將剩余發(fā)電儲存至儲能系統(tǒng)或將電能轉賣給電力公司。
在SEP 2統(tǒng)一智慧電網通訊的情形下，智慧電網原先須透過多種不同通訊技術所造成的資料交換不便情形已獲得大幅改善，能源管理設備與能源管理系統(tǒng)設計便可依循SEP 2的規(guī)范架構進行研發(fā)設計，并透過自動化資料交換技術的可行性，致使智慧電網設備間進行無縫式通訊，提升智慧電網執(zhí)行效益，亦擴大能源管理系統(tǒng)的管理范疇，加速智慧電網應用市場發(fā)展，從而達到節(jié)能減碳的目標。
(本文作者任職于資策會智通所)
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