大多數傳統的電網由許多機電系統組成;在這些現有的電網中,大多數情況下通訊只是單向發送給用戶。我們必須有雙向通訊的機制來分享和使用資訊,以提高輸配電的服務水準和效率。

傳統電網架構大多採用集中發電。主發電中心切切實實將總功率發送到輸配電中心,以便在本地輸配給用戶。

智慧電網(Smart Grid)

我們需要的是在整個地區部署更多的輸配管道,以建立真正的分散式能源架構,比如部署可再生能源——這是我們稱為智慧電網的重要組成部分。

在智慧電網情況下,現在即使是消費者也可以利用太陽能和風能等各種手段(即使電力公司將其視為與自己競爭進而阻擋它們)來產生能量,以及配送多餘能量。事實上,智慧電網須是一種具有雙向通訊功能的連網系統。

由於傳統電網沒有採用類似典型智慧電網架構中部署的各種現代感測器技術來實現監控,因此它們既「啞」又「瞎」。有時發電廠甚至不知道某個地區發生了停電或電力不足的情況,直到他們接到消費者的電話(電話系統有備用電池供電)。在智慧電網架構中,眾多感測器部署在整個電網基礎設施中,可以進行監控、測試和通訊,此舉甚至可以實現自我修復和復原/移除,以及自動重新引導電能繞過故障點。

隨著帶有通訊功能的電表進入到許多家庭,電力公司和能源監管機構設法利用該技術來提高節能意識。利用這一概念——有時稱為智慧電網——電力公司設法利用進入使用者家中的網路,以便可以主動管理輸電負載。

在美國亞利桑那州(Arizona),以及世界許多其他地區,電力公司現在可以提供即時價格資訊,從而允許使用者調整其電能使用。例如,在峰值負載條件下(如亞利桑那州典型的熱浪天氣),電力公司可以向使用者發送資訊,通知他們價格將在下一個小時上漲,並鼓勵他們關閉家電,而某種家用顯示器可以顯示此消息。更好的是,電力公司可以透過智慧電表與家中的設備進行通訊,打開恆溫器或關閉水池泵,以防止出現局部限電甚至大規模停電。該系統在電表和家電之間需要有可靠的通訊協定,有時稱為家用區域網路(HAN)。使用ZigBee協定的900MHz無線通訊在此是個很好的選擇,HAN的例子請見圖1。

20180507NT01P1 圖1 HAN示例。

自動抄表(AMR)

利用固態電子式電表,現在可以添加通訊鏈路,因此,如果該鏈路是無線的,那麼電力公司用車只需要從旁邊開過就可以收集到該資料。

先進讀表基礎建設(AMI)

在電表演進的下一階段,AMI可以與一系列其他的AMI電表連網;取決於位置,可以採用衛星或低成本的射頻(RF)鏈路。目前使用的兩種主要射頻通訊協定是電力線通訊(PLC)和免執照的工業、科學和醫療(ISM)頻段,甚至可以充分期待,5G在未來幾年內將「風光無限」。

智慧電表——電能表演變

筆者還記得在我長大的紐約市布魯克林區(Brooklyn)一幢六戶公寓的地下室裡安裝的傳統電表。有一次,我清楚地記得因為拖欠/未付帳單,聯合愛迪生電氣公司(Consolidated Edison)切斷了我家的供電(我父母竭盡全力,但在我成長的50和60年代,我家日子過得緊巴巴)。聯合愛迪生電氣公司的那位員工走到我們小四房公寓的門口,說要斷掉我家的電,讓我跟著他去裝著電表的地下室,而我那年剛滿9歲,冬天即將到來。

來到排在一起的六台電表旁時,他轉過身來對我說:「現在我得把你家公寓的電表從這個插座上拆下來帶走。我會用保護罩蓋住電表插座,以免裸露的電線電到人。」因為我已經知道我將會成為一名電氣工程師,所以我非常仔細地聆聽和觀察。「在我蓋上這些電氣觸點前,我把這根線像這樣穿過這些觸點連起來(他短接了與電表串聯的觸點)。現在,在你老爸付清帳單前,你家也還會有電。但這事對誰都別說,我不會承認我知道這件事,懂嗎?」

好吧,那天我在人性和電氣方面真的被好好上了一課!我感謝他,在那天也學到了電表與電源是串聯的,並且有一種簡單的方法可以繞過電表,那是1959年。大約兩周後我家付清了帳單,一切都很順利,但這段經歷清清楚楚地留在了我的記憶中,直到今天仍然歷歷在目——記得我從哪裡來,並瞭解了那時代那些老式的機電式電表。

20180507NT01P2 圖2 19世紀末開始使用的機電式電表。

智慧電表的射頻通訊鏈路

如果你家像我家那樣,也有眾多的無線設備(無線區域網路、家庭安全系統和智慧型手機等),以及從屋外大 量湧入的其他射頻訊號。這使得實現可靠的無線資料通訊非常困難(射頻輸入端接收到亞微伏級別的訊號並不少見——甚至要抑制的不良射頻「干擾」功率等級更高)。由於電表可能放在屋內、屋外或地下室等任何地方,因此其與電線桿或電力公司用車之間必須要有可靠的射頻連接。

如果電表工作在免執照的射頻頻段,為了符合各地區或國家的輻射標準,必須認真考慮通訊協定。900MHz、2.4GHz和5.8GHz是廣泛使用的幾個頻段,其中,900MHz是將電表連接起來並連接至資料擷取目的地的首選頻段,其可提供更長的通訊範圍,特別適用於低功耗及低預算應用。無線M-Bus是用於遠端抄表的歐洲標準,現在是EN 13757中擬定的EN歐洲標準規範(EN European Normative Standard)中的一部分,此外,Silicon Labs有一款好用的無線M-Bus開發套件和軟體。

20180507NT01P3 圖3 接下來是固態電子式電表。這種電表可以測量暫態功率、功率因數和無功功率,並儲存這些資料。*

未使用的調頻(FM)廣播頻段

即使厄瓜多(Republica del Ecuador)已討論使用FM廣播頻段,該國此段廣播頻譜(88MHz~108MHz)目前尚未得到有效利用;事實上,由於在某些時間段沒有有用的資訊傳輸,它並未得到充分利用。《Support to Data Transmission on Smart Grids Using the FM Band Spectrum(使用FM頻譜支援智慧電網上的資料傳輸)》一文中提出了將這個未使用的頻譜時間用於智慧電網資料傳輸的可能性。鄰近區域網路(NAN)拓撲將包括智慧電表——它們將使用者用電和故障資訊發送到資料聚集點(DAP),資料聚集點又形成都會區域網路(MAN)來管理收集到的資料並將其傳輸給負責用電量的機構。

該文透過使用FM頻段內的「空白頻段」,建立起完整的拓撲支援智慧電網應用。文章還提出了一種資料測量系統架構,開發能夠發射射頻訊號將資訊發送給DAP的設備,然後將該資料送到位於厄瓜多爾中南部地區電力公司的伺服器(圖4)。

20180507NT01P4 圖4 在厄瓜多將空白頻段用於智慧電網的拓撲。

這種推薦拓撲需要產生NAN,其中每個智慧電表都有無線發射器,將資訊發送到DAP。在未使用的空白頻段(FM)內特別選擇的通道將用於傳輸資料,特定區域內的所有DAP產生一個MAN,其資訊最終由EERCS中的伺服器收集。採用低功耗資料傳輸,可以防止與附近其他網路相互干擾,並且可用頻寬足以滿足這種應用所需。

窄頻電力線通訊(NB-PLC)/無線通訊

《On the Diversity of Hybrid Narrowband-PLC/Wireless Communications for Smart Grids(針對智慧電網的混合NB-PLC/無線通訊的分集)》這篇文章中對雙向智慧電網資料通訊考慮了3kHz~500kHz頻段內的NB-PLC,以及免執照的無線頻段(美國為902MHz~928MHz,即IEEE 802.15.4g和新發佈的IEEE 802.11ah標準)。

該系統可以在有通道和雜訊統計特性(電力線和無線資料傳輸通常會遇到)的情況下工作,這是因為電力線和無線傳輸的通道和雜訊特性是獨立的,並且具有不同性質。該文透過在電力線和無線鏈路上同時發送相同資訊訊號提供的分集來增強整個系統的可靠性,他們提出了有效的技術,在考慮到兩個鏈路上雜訊隨機性的同時,將NB-PLC與無線鏈路接收到的訊號相結合,用於連續和差分調變方案(圖5)。

20180507NT01P5 圖5 NB-PLC/無線分集系統框圖。

NB-PLC解決了用戶智慧電表與資料集中器之間的最後一哩通訊,資料集中器由當地電力部門在中壓或低壓電力線上部署。

免執照頻段(如902MHz~928MHz)由於射頻傳輸不協調,會妨礙智慧電網上的通訊,因此會有雜訊和干擾問題。NB-PLC具有不同於窄頻訊號及與交流半波同步的週期性脈衝雜訊的雜訊/干擾。這與DC-DC轉換器、逆變器和長波廣播訊號等電源管理系統的雜訊/干擾結合,在3kHz~500kHz頻譜區域內耦合至電力線。

該文研究了三種組合方法,並概述了它們對於處理智慧電網上電力線和無線傳輸方法的通道和雜訊統計特性,作為傳統組合技術的新替代方案所具有的不同性能和複雜度權衡。

衛星通訊(SATCOM)

美國太空探索技術(SpaceX)的可重複使用火箭推進器等創新之作,降低了衛星通訊成本,並實現了更好的通訊效率設計,使衛星通訊可能成為部署智慧電網的另一種可行資源。過去,衛星通訊由於性能不足且成本高昂,一直僅限於監控和資料獲取(SCADA)使用。

智慧電表和相量量測單元(PMU)將產生大量新的電網資料。PMU能夠非常準確地測量和記錄電網狀況,提供對電網穩定性和壓力的深入瞭解。PMU用來測量所謂的同步相量——它是時間同步的數字,表示電力線正弦波的幅度和相位角。

衛星通訊的好處是它可以提供非常廣範圍的服務,特別是在地面通訊基礎設施不到位的地區。衛星通訊可以為諸如機器對機器(M2M)通訊等應用提供良好服務,但請記住,電動汽車(EV)不久將在智慧電網中發揮重要作用,因為它們既可以是負載,也可以是為智慧電網供電的電源。而且,瞭解電動汽車的確切位置,是實現智慧電網最佳化的一組重要資料點——可參考《The Tesla Model S, ultracapacitors, and large energy storage(特斯拉Model S、超級電容和大容量能量儲存)》一文。

傳統上,衛星通訊的主要用途是單向媒體服務。隨著衛星通訊技術的最新進展,雙向通訊現在成為了現實,其中一例是為M2M應用提供IP服務。

一些示例包括:

˙國際海事衛星組織(Inmarsat)發射了一顆寬頻全球網路(BGAN)M2M衛星,其最大資料速率為500kbps,延遲小於1秒,服務可用性達到99.9%。智慧電網在可用性方面有著嚴格要求,99.9%的可用性相當於每年不超過50分鐘的停機時間。

˙銥衛星(Iridium)覆蓋全球的66顆衛星網路,由於其處在低地球軌道(LEO)上而具有較低延遲,並且因使用L波段頻率而不會受到天氣影響。低延遲在智慧電網通訊應用環境中非常重要,因為在嚴重斷電的情況下,保證即時通訊和永遠連線(例如對變電站)必不可少。低延遲對於智慧電表最佳化其管理也很重要。

˙下一代銥衛星(Iridium NEXT)在2017年提供服務,資料速率將高達1.4Mbps。智慧電網所需的頻寬正不斷增加,不能再以舊的窄頻SCADA系統為標準,因為有些新應用需要的速率比100kbps更高。

就通訊安全性來看,衛星通訊據信相比地面通訊系統更加難以干擾,亦更加安全。一些適用於衛星通訊的應用包括客戶房屋和發電廠。例如適用於計費和需求響應的自動抄表回程(圖6)。

20180507NT01P6 圖6 智慧電網應用可以利用衛星通訊,將它們映射到安裝相關設備的區域。

智慧電網上的另一個衛星通訊應用是遠端網站的視訊監控。許多電力公司已經使用衛星通訊來監控其遠端資產,因此高傳輸量和低延遲通訊應用將從衛星通訊中受益匪淺。

智慧電表功耗

電表設計人員可能會選擇低功率電表設計,以便他們在電池供電的氣表和水表中也可以使用該設計。我發現一款很好的電源管理IC(PMIC)是德州儀器(TI)的TPS65290——它具有很好的靜態電流;對於電池供電的氣表或水表設計來說,也能夠提供通用的電源設計。另外,Silicon Labs的Si10XX是一款很好的低功耗無線微控制器(MCU)。

安全和防篡改

由於駭客攻擊電表,使其放慢或停止用電統計資料的累計,非技術性原因致使全球的電力公司產生數十億美元的收入損失。這一損失使得電力公司強烈要求加強新型智慧電表中的保護設計架構。其中一些篡改方法包括反接電表的接線端子、旁路掉電流、移動電表連接的導線,以及磁性篡改等,這些都是從電力公司竊電的一種方式。

在防篡改的第一道防線中,一些預防方法可能包括使用感應開關或機械開關來檢測是否有人試圖打開電表外殼,進入其內。開關會連接到一個GPIO埠—如果電表外殼被打開則改變狀態,並向MCU發送警告,MCU進而發出警報聲或發送某種安全警示。

磁性篡改透過使用磁體減慢電表字輪的轉速,而讓其看起來像是客戶使用的電能比實際情況少。對策之一是使用霍爾感測器檢測現場是否存在磁體產生的強磁場,同樣可以使用GPIO埠啟動一些警報。

電表還可以採用硬化技術,利用設計分流器作為電流感測器,並配合隔離式Σ-Δ ADC,而使其不受強磁體的影響。另外,還有其他方法也適用防止此類竄改方式。

Powerbox行銷與通訊長Patrick Le Fevre在保護智慧電網方面進行了廣泛研究。他在該公司網站上有很多優秀的技術見解,例如他在《National Electric Grid Security and Resilience Action Plan(國家電網安全與復原行動計畫)》一文中向美國聯邦政府提出的計畫。

智慧電表參考設計

Maxim Integrated為智慧電表提供了一些很好的解決方案,包括一個名為「Newport」的參考平台。恩智浦(NXP)也有一些不錯的設計實例,可供參考。

(參考原文: How smart is it to deploy smart meters on the smart grid?,by Steve Taranovich)