什么是智能电网以及如何实现智能计表?

最近,我们经常在电视,互联网或报纸见到关于“智能电网”(Smart Meter)的报道。现在智能电网是一个全球性的热门话题。许多人预测,智能电网将成为一个广泛的基础设施,甚至比互联网的应用还要广泛。

我们已经知道环境的污染、能源枯竭以及全球变暖所引起的问题的严重性。我们正在经历自然灾害为世界各地带来的损失。

很多国家一直在寻找解决办法拯救地球,并承认“能源”是所有问题的主要原因。目前,设计欠佳的的能源网浪费了很多能源。有人建议用可再生能源或核能来解决这个问题,但生产效率和电力管理是解决该问题的最重要因素。

我们每天都在不停消耗电力进行生产,并周而复始。

智能电网技术的实现,可以更好的管理这个输电用电的循环。

然而,当前发电系统有几个问题。电力的生产效率很低,因为有很大一部份的能源被浪费掉了。即使我们的发电量多过实际需求,如果没有及时消耗,多余的电力都会被浪费。正因我们不能估计实时的电力需求,唯一的方法就是生产多余的电力来保证供应。因此,我们需要有更多的电力生产设施和燃料。煤炭,石油和天然气为燃料的使用是导致全球变暖的主要来源。

 

如果我们的发电量可以实现按需发电,并有效地使用它,我们可以减少燃料的过度使用和二氧化碳的排放。换言之,我们能阻止环境的污染和全球变暖的进展,并减缓自然资源枯竭。

智能电网技术的核心就是有效地实行电力的生产和管理。

我们通过智能电网可以检查能源的供应和耗用量以及实时电表状态。

世界各地对智能电网的兴趣正在逐渐增加。自2001年以来,美国一直建立智能电网基础设施,以取代旧的电力系统和加强能源安全,这个项目预计将于2030年完成。EPRI, EDF,日立,GE和一些主要的美国电力公司都参与了这项业务。

自2006年,欧盟政府一直领先的项目“欧洲智能电网技术平台”,这一项目将于2020年完成。

该项目主要面对的问题是欧盟国家之间可替代能源和电力的交易。德国,意大利,英国和西班牙都积极支持这一项目,ABB,西门子,Shell都在参与这项业务。

日本正在开发国家项目’III’,也就是智能 (Intelligent), 互动(Interactive), 以及整合(Integrate)的电力系统。他们正在开发新的电力网, 将在可再生能源系统中使用。

智能电网技术的主要特点是电力网络的融合和IT实时数据通信技术。通过智能电网,发电和用电都将比上一代电网更加有效。用户可以选择在电费低廉的时段使用电力。

例如,您可以在午夜, 当其他人用电量很小的时候去使用洗衣机, 从而享受比白天低的用电费用。通过监测实时用电,电力供应商可以灵活地控制电力生产,减少浪费及节省再用能源。从家用电器到工业设备,智能网将都扮演电力系统的重要角色。

人们在智能电网发展方面有许多的考虑。其中,AMI (Advanced Metering Infrastructure)也就是‘高级测量基础设施’正在被迅速应用到市场。该系统是专门为客户提供实时定价。用户使用实时定价系统可以节省他们的电费。

智能仪表(Smart Meter)是AMI的主要设备。目前很多国家都在积极开发和商业化智能仪表设备,其市场规模更大至无法预测。智能仪表位于智能电网的底层,并安装于客户使用现场,如家庭,学校,办公室和工厂。根据美国政府估计,仅美国市场的规模就有约十亿美元的市场规模。

智能电网是双向的通讯系统并可启动再生能源系统(风能,太阳能,地热和潮汐能),鼓励用户节约能源,提高电力管理的效率。互联网是最重要的沟通工具之一。

互联网是一个在我们的日常生活的必需品,但它也可以导致严重的问题。

我们已经经历过由互联网带来的大量副作用。网络恐怖主义或黑客可以麻痹我们的信息网络,并直接影响我们的电力系统。我们会遇到国家紧急状态- 交通堵塞,医疗事故,金融系统崩溃,犯罪增加等。而如果一旦发生电力系统的瘫痪,其造成的经济破坏损失将是巨大的。

为了克服在互联网上存在的问题,我们应该考虑如何设计智能仪表设备。

第一考虑的是安全。智能电网连接到互联网。通过这方面,互联网黑客或病毒可以攻击仪表设备的内存(RAM)。如果一个设备被攻击而遭到破坏,它将会迅速蔓延到整个电网。

当我们设计仪表设备时,我们必须应用安全技术,

如PKI(Public key Interchange)

或NAC(Network Access control)和一个基于网站的安全协议,如HTTPS。

除了以上这些软件解决方案,我们也应该考虑基于硬件的解决方案。高性能计算机对于病毒或黑客(如DDoS攻击)仍然很脆弱。如果我们可以在主CPU和网络接口之间添加一个硬件,就可以有一个完善的安全体系。

智能仪表设备的用量将会十分巨大,因为它们被安装至每个家庭,办公室,学校,工厂等。智能电网并不局限于个别行业,其整个网络可以扩展到国家政策和公共事业部门。因此,智能仪表设备的成本应该足够低,以适应每个人的需求。

这种智能仪表系统应该得到优化、简化,而且应该低成本的供应给实际生产。互联网和安全性也必须得到实现。但是,我们不能使用OS(操作系统)。为了运作这个操作系统,该系统需要一个高性能的CPU和较大内存,这样的话我们不能作出质优价廉的仪表设备。我们要优化我们的平台,用有限的微处理器(MCU)和内存资源来实现所有必需的功能。

我们还需要保证系统的可靠性和稳定性。依赖软件的系统, 对面对各种问题是薄弱的,包括安全隐患。如果所有的功能由硬件实现,这个系统将是最可靠的,但其实不可能有这样的一个系统。

如果与互联网相关的部分由单独的硬件处理及管理,CPU不会受到攻击。此外,CPU有更多的资源,因为网络处理的负载全部卸载到了专用硬件。

实现互联网连接需要足够的技术知识和经验,因为不同的应用环境会有很多的变化及特点。即使有良好的基于软件的解决方案,它都需要很长的开发时间来优化和测试代码。因此,如果我们可以使用一个市场认可的专用以太网芯片,我们的工程师开发难度会大大降低,从而可以轻松建立一个可靠和稳定的系统。

目前的智能仪表的平台还是几乎和迷你PC一样过于规范和昂贵。依靠这样的平台,我们永远不能打开智能电网的市场。要优化智能电网系统,我们必须采取低成本的CPU(16位或32位的)和专用的互联网芯片。

通过数据包的过滤,专用的互联网芯片会加强系统的安全性。如果再加入基于软件的安全协议(如PKI, NAC, HTTPS),该系统将完全可以阻挡任何类型的网络攻击。

如果有可能以固件(firmware)或者简单的嵌入式操作系统来实现全部功能,您就可以最大限度地为硬件平台减小成本。

通过硬件逻辑处理所有互联网的功能,以太网芯片将使你轻松实现互联网功能而无需要求任何网络知识,并且提供更加稳定和可靠的系统。

互联网芯片并不意味着如MAC和PHY的简单的控制器。当这种芯片用来处理所有的TCP / IP协议和互联网功能,我们的芯片对于其他基于软件的系统有明显的优势。