什麼是智能電網以及如何實現智能計表?

最近,我們經常在電視,互聯網或報紙見到關於“智能電網”(Smart Meter)的報道。現在智能電網是一個全球性的熱門話題。許多人預測,智能電網將成為一個廣泛的基礎設施,甚至比互聯網的應用還要廣泛。

我們已經知道環境的污染、能源枯竭以及全球變暖所引起的問題的嚴重性。我們正在經歷自然災害為世界各地帶來的損失。

很多國家一直在尋找解決辦法拯救地球,並承認“能源”是所有問題的主要原因。目前,設計欠佳的的能源網浪費了很多能源。有人建議用可再生能源或核能來解決這個問題,但生產效率和電力管理是解決該問題的最重要因素。

我們每天都在不停消耗電力進行生產,並周而復始。

智能電網技術的實現,可以更好的管理這個輸電用電的循環。

然而,當前發電系統有幾個問題。電力的生產效率很低,因為有很大一部份的能源被浪費掉了。即使我們的發電量多過實際需求,如果沒有及時消耗,多餘的電力都會被浪費。正因我們不能估計實時的電力需求,唯一的方法就是生產多餘的電力來保證供應。因此,我們需要有更多的電力生產設施和燃料。煤炭,石油和天然氣為燃料的使用是導致全球變暖的主要來源。

 

如果我們的發電量可以實現按需發電,並有效地使用它,我們可以減少燃料的過度使用和二氧化碳的排放。換言之,我們能阻止環境的污染和全球變暖的進展,並減緩自然資源枯竭。

智能電網技術的核心就是有效地實行電力的生產和管理。

我們通過智能電網可以檢查能源的供應和耗用量以及實時電錶狀態。

世界各地對智能電網的興趣正在逐漸增加。自2001年以來,美國一直建立智能電網基礎設施,以取代舊的電力系統和加強能源安全,這個項目預計將於2030年完成。EPRI, EDF,日立,GE和一些主要的美國電力公司都參與了這項業務。

自2006年,歐盟政府一直領先的項目“歐洲智能電網技術平台”,這一項目將於2020年完成。

該項目主要面對的問題是歐盟國家之間可替代能源和電力的交易。德國,意大利,英國和西班牙都積極支持這一項目,ABB,西門子,Shell都在參與這項業務。

日本正在開發國家項目’III’,也就是智能 (Intelligent), 互動(Interactive), 以及整合(Integrate)的電力系統。他們正在開發新的電力網, 將在可再生能源系統中使用。

智能電網技術的主要特點是電力網絡的融合和IT實時數據通信技術。通過智能電網,發電和用電都將比上一代電網更加有效。用戶可以選擇在電費低廉的時段使用電力。

例如,您可以在午夜, 當其他人用電量很小的時候去使用洗衣機, 從而享受比白天低的用電費用。通過監測實時用電,電力供應商可以靈活地控制電力生產,減少浪費及節省再用能源。從家用電器到工業設備,智能網將都扮演電力系統的重要角色。

人們在智能電網發展方面有許多的考慮。其中,AMI (Advanced Metering Infrastructure)也就是‘高級測量基礎設施’正在被迅速應用到市場。該系統是專門為客戶提供實時定價。用戶使用實時定價系統可以節省他們的電費。

智能儀錶(Smart Meter)是AMI的主要設備。目前很多國家都在積極開發和商業化智能儀錶設備,其市場規模更大至無法預測。智能儀錶位於智能電網的底層,並安裝於客戶使用現場,如家庭,學校,辦公室和工廠。根據美國政府估計,僅美國市場的規模就有約十億美元的市場規模。

智能電網是雙向的通訊系統並可啟動再生能源系統(風能,太陽能,地熱和潮汐能),鼓勵用戶節約能源,提高電力管理的效率。互聯網是最重要的溝通工具之一。

互聯網是一個在我們的日常生活的必需品,但它也可以導致嚴重的問題。

我們已經經歷過由互聯網帶來的大量副作用。網絡恐怖主義或黑客可以麻痹我們的信息網絡,並直接影響我們的電力系統。我們會遇到國家緊急狀態- 交通堵塞,醫療事故,金融系統崩潰,犯罪增加等。而如果一旦發生電力系統的癱瘓,其造成的經濟破壞損失將是巨大的。

為了克服在互聯網上存在的問題,我們應該考慮如何設計智能儀錶設備。

第一考慮的是安全。智能電網連接到互聯網。通過這方面,互聯網黑客或病毒可以攻擊儀錶設備的內存(RAM)。如果一個設備被攻擊而遭到破壞,它將會迅速蔓延到整個電網。

當我們設計儀錶設備時,我們必須應用安全技術,

如PKI(Public key Interchange)

或NAC(Network Access control)和一個基於網站的安全協議,如HTTPS。

除了以上這些軟件解決方案,我們也應該考慮基於硬件的解決方案。高性能計算機對於病毒或黑客(如DDoS攻擊)仍然很脆弱。如果我們可以在主CPU和網絡接口之間添加一個硬件,就可以有一個完善的安全體系。

智能儀錶設備的用量將會十分巨大,因為它們被安裝至每個家庭,辦公室,學校,工廠等。智能電網並不局限於個別行業,其整個網絡可以擴展到國家政策和公共事業部門。因此,智能儀錶設備的成本應該足夠低,以適應每個人的需求。

這種智能儀錶系統應該得到優化、簡化,而且應該低成本的供應給實際生產。互聯網和安全性也必須得到實現。但是,我們不能使用OS(操作系統)。為了運作這個操作系統,該系統需要一個高性能的CPU和較大內存,這樣的話我們不能作出質優價廉的儀錶設備。我們要優化我們的平台,用有限的微處理器(MCU)和內存資源來實現所有必需的功能。

我們還需要保證系統的可靠性和穩定性。依賴軟件的系統, 對面對各種問題是薄弱的,包括安全隱患。如果所有的功能由硬件實現,這個系統將是最可靠的,但其實不可能有這樣的一個系統。

如果與互聯網相關的部分由單獨的硬件處理及管理,CPU不會受到攻擊。此外,CPU有更多的資源,因為網絡處理的負載全部卸載到了專用硬件。

實現互聯網連接需要足夠的技術知識和經驗,因為不同的應用環境會有很多的變化及特點。即使有良好的基於軟件的解決方案,它都需要很長的開發時間來優化和測試代碼。因此,如果我們可以使用一個市場認可的專用以太網芯片,我們的工程師開發難度會大大降低,從而可以輕鬆建立一個可靠和穩定的系統。

目前的智能儀錶的平台還是幾乎和迷你PC一樣過於規範和昂貴。依靠這樣的平台,我們永遠不能打開智能電網的市場。要優化智能電網系統,我們必須採取低成本的CPU(16位或32位的)和專用的互聯網芯片。

通過數據包的過濾,專用的互聯網芯片會加強系統的安全性。如果再加入基於軟件的安全協議(如PKI, NAC, HTTPS),該系統將完全可以阻擋任何類型的網絡攻擊。

如果有可能以固件(firmware)或者簡單的嵌入式操作系統來實現全部功能,您就可以最大限度地為硬件平台減小成本。

通過硬件邏輯處理所有互聯網的功能,以太網芯片將使你輕鬆實現互聯網功能而無需要求任何網絡知識,並且提供更加穩定和可靠的系統。

互聯網芯片並不意味着如MAC和PHY的簡單的控制器。當這種芯片用來處理所有的TCP / IP協議和互聯網功能,我們的芯片對於其他基於軟件的系統有明顯的優勢。