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(chǔ)設(shè)施之間 實現(xiàn)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戶。通過物聯(lián)網(wǎng)，消費者、設(shè)備制造廠商和電力部門可尋找到許多新的方法來管理設(shè)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(guān)、智能插座和網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(chǔ)設(shè)施、電表、家庭和樓宇通過網(wǎng)絡(luò)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(shè)備數(shù)量有望達到500億部，它們將向消費者、設(shè)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(shè)備將通過互聯(lián)網(wǎng)和點對點連接以及一些封閉網(wǎng)絡(luò)(例如：智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)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(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(luò)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(yīng)。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(fēng)能)的獲取成為可能。隨著電力基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)需求：使用更多的遠程傳感 設(shè)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(fù)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(luò)智能電網(wǎng)可搭建起一個通信 網(wǎng)絡(luò)，把未來所有的各種能源相關(guān)設(shè)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(shè)備的系統(tǒng)解決方案，從傳輸與分配電力基 礎(chǔ)設(shè)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(guān)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(shè)備發(fā)展成為一種雙向通信系統(tǒng)，如圖1所示。

　 　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(yīng)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(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(shù)。唯一的通用網(wǎng)絡(luò)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。

　　圖1 TI支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方案的智能電表

　 　其次，電表需要通過家庭顯示器或者網(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(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(yīng)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(luò)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(yù)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(yīng)、遠程連 網(wǎng)與斷網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)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(shù)人員前往查看每一個電表。

　　TI 已經(jīng)提高了其現(xiàn)場測試計量評估套件的可用性，并擴大其計量IC的產(chǎn)品線，讓它們內(nèi)存更大、安全性和精確度更高。例如，作為其MCU產(chǎn)品組合的一部分，TI 新的多相電表工具包基于msp430f6779">MSP430F6679 SoC，為廣大開發(fā)人員提供一流的精確度、更大的集成內(nèi)存和更先進的防篡改保護。這些SoC所實現(xiàn)的電表精確度達到甚至超過了世界許多智能多相電表的許多 標準，包括IEC 62053-22和ANSI C12.20 Class 0.2標準。另外，高達512KB的集成閃存內(nèi)存可實現(xiàn)更多復(fù)雜的電表功能，例如：動態(tài)計價表、DLMS/COSEM或者網(wǎng)絡(luò)接入堆棧。

　 　TI 致力于滿足不同網(wǎng)絡(luò)接入解決方案的需求，為智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入提供業(yè)界最為豐富的產(chǎn)品組合，包括Sub-1GHz、2.4GHz、Wi-Fi、 ZigBee、NFC和PLC等。除為各主要PLC聯(lián)盟的積極創(chuàng)立成員以外，TI還利用其豐富的專業(yè)知識和大量現(xiàn)場試驗，開發(fā)出業(yè)界第一個PLC器件，在 同一塊芯片上同時集成了對PRIME、G3和試行版IEEE P1901.2窄帶OFDM PLC的支持。該器件讓開發(fā)人員可以輕松地開發(fā)出面向未來需求的智能電表，其可以通過全世界任何國家的現(xiàn)有輸電線高效地傳輸數(shù)據(jù)。如“智能電表板3.0” 視頻中所展示的那樣，TI提供許多獨特的系統(tǒng)解決方案，它們把模擬和數(shù)字硬件組件與相關(guān)軟件堆棧組合，以支持世界各種智能電表架構(gòu)。

　　下一步是智能電表的部署

　 　盡管網(wǎng)絡(luò)型計量表的部署最初始于電力行業(yè)，但流量表市場(氣、水、熱和曖氣使用分配器)也正獲得發(fā)展的動力，在不遠的將來，有望會部署數(shù)百萬臺這類設(shè) 備。派克研究公司2012年報告預(yù)測，全球智能水表保有量不斷增長，到2017年，將從2011年的1030萬臺增長近2倍至2990萬臺。對于氣表更是 如此，其年出貨量將從2010年的190萬臺，增加至2016年的780萬臺(派克研究公司2011年報告)。歐洲《能效標準》(EED)推動發(fā)展 “20-20-20”計劃，其目的是解決這個行業(yè)長期面臨的挑戰(zhàn)，維持低成本、安全和可持續(xù)的能源供應(yīng)。作為該計劃的組成部分，20%的能效目標正推動英 國(部署數(shù)量最多，達2200萬臺)等國家大規(guī)模使用智能氣表，而意大利(2100萬臺)和法國(1100臺)則緊隨其后(數(shù)據(jù)來源于2011年范●戴克 公司和2010年因創(chuàng)公司報告)。

　　另外，從簡單計量表轉(zhuǎn)向智能流量表涉及通信和跨設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接。

　　圖2 TI擁有多種網(wǎng)絡(luò)接入方案的智能流量表解決方案

　 　圖 2顯示了一個通用流量表拓撲的不同網(wǎng)絡(luò)接入方法。LPRF無線電通常用于電池供電型氣表或者水表，與另一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計量表或者傳統(tǒng)有線解決方案(例如： 有線MBUS)頂部數(shù)據(jù)采集器之間通信。這種計量表還可以接收價目表信息、固件更新或者關(guān)閉閥門激活指令，其通常與預(yù)付功能(有時基于NFC系統(tǒng))一起使 用。電池預(yù)期壽命從10年到15年以上不等，這給流量表制造廠商帶來了一個挑戰(zhàn)。使用正確的電源設(shè)計來維持規(guī)定功率輸出和無線電性能，并且電池不出現(xiàn)漏電 現(xiàn)象，這樣便可在系統(tǒng)層解決電源需求問題。例如，把TPS62730降壓轉(zhuǎn)換器和MSP430微控制器一起用于TI不斷增長的Sub-1GHz wM-Bus解決方案系列產(chǎn)品，例如：SimpleLink CC1120 RF收發(fā)器，便可完美提供業(yè)界最佳的選擇性和阻隔性能。這種系統(tǒng)級解決方案還擁有最低的系統(tǒng)功耗，保證計量表在戶外工作許多年，無需更換電池。

　 　流量表或是任何電池供電型終端節(jié)點(例如：無線傳感器)的網(wǎng)絡(luò)接入功能，都要求把模擬及數(shù)字硬件與軟件相結(jié)合的系統(tǒng)級方法。例如，TI已經(jīng)演示過，使用 結(jié)合了RPL路由協(xié)議的TSCH和IPv6的 802.15.4e MAC層，可極大提高傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的壽命、可靠性、覆蓋范圍和可擴展性(請參看視頻)。物聯(lián)網(wǎng)要求給未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶來了沖擊，但是設(shè)備和應(yīng)用決定了物聯(lián) 網(wǎng)的可行性。

　　除此以外，模塊化、更具風(fēng)險規(guī)避能力的方法往往帶來更高的材料費用(BOM)，而設(shè)計復(fù)用可為那些面向多個市場的 復(fù)雜智能計量表設(shè)計帶來節(jié)省成本的可能性。例如，使用基于超低功耗MSP430F5435A MCU的相同MCU平臺，面向Sub-1GHz和2.4GHz市場，或者使用基于TI的SimpleLink CC1200 Sub-1GHz收發(fā)器的相同RF模塊，同時用于氣表和水表解決方案。IC供應(yīng)商通常還會提供引腳兼容型MCU或者RF系列產(chǎn)品，其擁有更大的內(nèi)存及 (或)更高的系統(tǒng)性能(Stefanov公司2012年報告)。這些靈活性可極大減少后續(xù)設(shè)計修改所需的資源。對于計量表制造廠商來說，這就意味著更低的 制造成本以及更大的投資回報。對于智能電網(wǎng)而言，它還意味著更快的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備部署，符合相關(guān)規(guī)定，并且標準也已確定。

　　規(guī)定和標準是大規(guī)模部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)鍵所在

　 　規(guī)定影響智能計量表使用率和確定計量表功能的規(guī)范。例如，美國國防部似乎正在尋求取得由總務(wù)管理局(GSA)負責(zé)管理的政府基礎(chǔ)設(shè)施，意在獲得聯(lián)邦預(yù)算 費用。與美國一樣，中國大陸也正通過啟動“智能城市”項目，以在節(jié)能方面發(fā)揮核心作用。特別值得注意的是，Sub-1GHz頻帶更適合于大型公寓樓的信號 覆蓋。

　　標準保證多個廠商產(chǎn)品之間的通用性，讓大規(guī)模部署成為可能，并讓智能電網(wǎng)成為現(xiàn)實。例如，今天的窄帶OFDM輸電線通信 標準，PRIME聯(lián)盟在西班牙和波蘭推出全智能電表(重要的試驗項目)，而G3-PLC聯(lián)盟則在法國、荷蘭、日本和其他國家做同樣的事情。就流量表而言， 無線MBus169MHz通信標準現(xiàn)在在歐洲已成熟，并正在法國和意大利實施大規(guī)模氣表部署計劃。

　　與此同時，各種標準不斷發(fā)展并且獲得 實現(xiàn)(硬件和軟件)，而緊跟發(fā)展的步伐至關(guān)重要。例如，為了促進輸電線通信在全球范圍的發(fā)展，并為智能電網(wǎng)開發(fā)商們提供面向未來需求的設(shè)計，TI利用其豐 富的專業(yè)知識和現(xiàn)場試驗，開發(fā)出業(yè)界首款PLC器件，在同一塊芯片上實現(xiàn)了對PRIME、G3和試行版IEEE P1901.2窄帶OFDM PLC的支持。

　　在RF方面，英國能源與氣候變化部(DECC)現(xiàn)正致力于其第二版《智能計量設(shè)備技術(shù)規(guī)范》(SMETS)。根據(jù)第二版 SMETS，建議把2.4GHz和 868MHz(ZigBee SEP v1.x為氣表建議應(yīng)用層)作為英國的RF通信標準，同時繼續(xù)開發(fā)和部署2.4GHz計量表，因此未來另外還需支持868MHz計量表的可能性增加了面向 未來需求的智能計量表的設(shè)計復(fù)雜度。

　　今天，為了讓智能電網(wǎng)成功聯(lián)網(wǎng)，必須符合規(guī)定標準。作為主要PLC聯(lián)盟的創(chuàng)立成員之一，TI正積極 參與各種標準組織，包括ZigBee、WISUN、IEEE 802.15.4g等，目的是為客戶提供領(lǐng)先的硬件和軟件解決方案。各種標準和規(guī)定，讓軟件和通信堆?？捎眯宰兊脤χ悄茈娋W(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。

　 　今天，數(shù)百萬的計量表已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，并且網(wǎng)絡(luò)型電網(wǎng)的發(fā)展動力正不斷增長。但是，為了發(fā)揮其最大潛力，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)型智能電網(wǎng)的第一步是從機械計量表轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄?電子計量表，以在計量表和公共服務(wù)供應(yīng)商之間建立起雙向通信。不斷變化的規(guī)定和標準正推動這一發(fā)展趨勢，但同時也強調(diào)了硬件和軟件靈活性的重要性。第二步 是，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的自動化，通過在配電站之間建立通信網(wǎng)絡(luò)，連接輸電和配電。