通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現更智能的電網(wǎng)

引言

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 會(huì )為我們帶來(lái)一個(gè)更加智能的電網(wǎng)，在所有電力基礎設施之間實(shí)現更多信息共享和網(wǎng)絡(luò )接入，并把這些便利性帶給千家萬(wàn)戶(hù)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，消費者、設備制造廠(chǎng)商和電力部門(mén)可尋找到許多新的方法來(lái)管理設備，最終達到節約資源的目的，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(lái)節省電費。

本白皮書(shū)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(kāi)發(fā)整套系統解決方案，把硬件(模擬和數字)和軟件組合在一起，以克服構建更高智能、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。

讓電網(wǎng)基礎設施、電表、家庭和樓宇通過(guò)網(wǎng)絡(luò )緊密相連

思科2011年的報告稱(chēng)，到2020年，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的聯(lián)網(wǎng)設備數量有望達到500億部，它們將向消費者、設備制造廠(chǎng)商和電力部門(mén)提供有價(jià)值的信息資源。在物聯(lián)網(wǎng)內部，各行各業(yè)的設備將通過(guò)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)基礎設施使用的網(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約能量與水資源上面，因此物聯(lián)網(wǎng)也會(huì )讓智能電網(wǎng)的受益范圍擴展至電力部門(mén)的配電、自動(dòng)化和用電監控方面。家庭和商用住宅的管理系統可幫助消費者監控其用電情況，然后根據需求調節用電行為。通過(guò)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)行監控，這些系統可以自動(dòng)地調節用電。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)，面對當今挑戰

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，構建一個(gè)智能電網(wǎng)意味著(zhù)在全球人口迅速增長(cháng)的條件下，使用有限的發(fā)電能力來(lái)確保我們未來(lái)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(shí)讓大規?？稍偕茉?例如：太陽(yáng)能和風(fēng)能)的獲取成為可能。隨著(zhù)電力基礎設施的老化，電網(wǎng)正面臨嚴峻的挑戰，具體包括：世界主要工業(yè)城市經(jīng)常出現斷電事故;在如印度等國家，超過(guò)30%的電能在傳輸途中損耗掉;在法國和澳大利亞，超過(guò)35%的飲用水被浪費掉。

我們需要調整和改變電網(wǎng)拓撲結構，從集中式改為分布式拓撲，這樣可以通過(guò)一種動(dòng)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需求：使用更多的遠程傳感設備，對能源數據進(jìn)行測量、監控并發(fā)送這些信息，用于實(shí)現一種可自我修復的電網(wǎng)，增加總效率，并提高自我監控和決斷的水平。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(lái)所有的各種能源相關(guān)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，包括構建連接電網(wǎng)設備的系統解決方案，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(dòng)化，均包含在其中。

朝著(zhù)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模部署。

數百萬(wàn)智能電表已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)

在全世界范圍內，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%，現已將數百萬(wàn)電表連接至電網(wǎng)，并定期傳輸數據。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，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(mén)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(luò )。但是，根據不同的國家和電網(wǎng)性質(zhì)，無(wú)線(xiàn)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(xiàn)窄帶OFDM電線(xiàn)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)現物聯(lián)網(wǎng)要求更廣泛，從有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)，有時(shí)甚至同時(shí)組合兩種方案。

其次，電表需要通過(guò)家庭顯示器或者網(wǎng)關(guān)，為該家庭提供有用的用電信息。這種信息可讓消費者調整用電行為，從而縮減電費。在美國，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee®標準，并結合“智能能源”應用規范。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)現更大覆蓋范圍，或者混合使用RF和PLC。因此，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，電表正變成智能傳感器，它們可以向室內和室外同時(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(mén)報告基本的用電數據。

對于電表廠(chǎng)商而言，轉向智能電表對電表拓撲結構有巨大的影響，如圖1所示。在進(jìn)行用電測量的計量段頂部，現在集成了一些無(wú)線(xiàn)電或者PLC解決方案。有時(shí)，還具有預付和近場(chǎng)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(dòng)態(tài)計價(jià)/需求響應、遠程連網(wǎng)與斷網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )安全、無(wú)線(xiàn)下載和安裝后升級功能，這樣電力部門(mén)便無(wú)需派出技術(shù)人員前往查看每一個(gè)電表。