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        雙向通信智能電表推動電網智能化

        2013-10-24 17:18:31 來源:本站原創

         隨著個人和產業以創新性的方式來使用聯網設備和網絡,構成“物聯網”的設備數量持續快速增長。機器到機器(M2M)通信具有無限的可能性,對于正在興起的智能能源來說是一個比較突出的技術領域。隨著家庭電表、個人設備和電器開始相互連接,將形成一個更大的和更加全面的環境,有利于人們做出更加明智的能源消費決策。把家庭與本地互聯網中的聯網設備連接到智能電網,可以實現業主與電力公司之間的雙向通信,這樣的情景正在日益成為現實。

        據市場調研公司IHS預測指出,到2016年年底,全球智能電表的安裝量將翻番,推動通信電表達到35%左右的滲透率。IHS表示,截止到2011年年底,在全球已安裝的14.3億臺電表中,帶有“智能”電力通信功能的電表占比不到18%。而且這些電表包括老式的單向先進抄表系統(AMR)和帶有通用分組無線業務(GPRS)功能的商業與工業電表,以及可提供雙向通信的住宅用智能電表。

        雙向通信智能電表推動電網智能化

        圖1:到2016年,通信電表的滲透率將逐步提高。

        據IHS公司,從2012年到2014年,全球智能電表出貨量將保持穩定,并且依賴中國、巴西和印度等發展中經濟體。隨著歐洲智能電表項目的投入運行,全球智能電表出貨量將在2015年出現強勁增長。IHS公司表示,預計各種固定網絡技術的電表將在全球各地安裝,從比較簡單的RS485有線型電表到下一代智能雙向PLC-OFDM電表。其中,中國目前被視為“高級電表唯一的一個重要市場”,2011年智能電表出貨量達4,000萬個左右。

        IMS Research公司的首席分析師Markides評論道:“未來五年,多數發達國家和正在進行工業化的發展中國家,其智能電表市場將蓬勃發展。不論是為了節省勞動力成本,配合其它智能電網計劃,還是為了降低非技術性損耗,全球各地的電力企業都在加快采用智能電表。”

        本文將全面介紹Smart Energy Profile 2.0(SEP),這是智能能源市場中新出現的一個標準,由ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)開發。如果對SEP 2.0有一些基本的了解,軟件開發者就能更好地選擇適合智能能源應用開發的嵌入軟件。

        智能電網的一個新前沿

        物聯網是非常流行的概念,描繪出一副激動人心的未來圖景:冰箱可以自己檢查儲藏了哪些食品,在你快要下班時通過郵件給你發送一份食品采購清單;你的住宅把室溫調整到最佳水平,準備迎接你;烤箱預熱食物,為晚餐做準備。內嵌功能強大的處理器、傳感器和無線連接性的器件快速增長,給設備帶來更多的功能及更高的智能,引領我們走向智能聯網世界。

        這些技術的一個應用是改善能源消費,也稱為“智能能源”。智能能源的概念,就是在家庭內部控制能源使用,以及利用聯網設備、網絡和智能電網從家庭外部控制能源使用,目標是優化能源生產、分配和使用。家庭網絡與電網之間的雙向通信,為改善該應用的可靠性與穩定性創造了條件。

        智能電網與智能家庭(智能電器,網關等等)以及智能表(電表,煤氣表,水表)是智能能源生態系統中的關鍵要素。智能家電通常是那些消費者每天都要接觸的設備。讓這些設備能夠彼此通信,而且消費者可以對其加以控制,將帶來極大的便利。有一些產品(智能恒溫器、智能開關、智能冰箱等等),目前已經具備一定程度的智能和無線連接性。有些比較先進的電器具有內置Web服務器,可以與聯網家庭中的其它設備互動。智能電表是這些家庭(和辦公室)的網關,收集和測量資源使用情況,然后與智能電網分享其中的部分或者全部信息。隨后智能電網再根據這些信息采取必要措施,比如負荷調整、削峰,甚至是需求方面的管理。

        智能能源設備,除了要執行自身的標準功能以外,還必須能夠與本地網絡中的其它智能能源設備進行通信,能發送和接收相關信息(計費、使用量、提醒等等)。數據的交換不僅可以改善整體效率和容錯,而且可以優化能源消耗情況。智能電表收集使用量數據并發送給能源提供商,并使得消費者能夠監控和管理自己的能源消費。換句話說,使用量數據從消費者流向能源提供商,同時,計價數據則從能源提供商流向消費者。這種雙向信息流動使得消費者可以自主管理能源消費。這種雙向的實時通信,使能源提供商能夠改善計劃工作和能源銷售。

        對智能能源設計進行標準化

        隨著多家制造商在設計智能能源系統,在一個網絡中的所有設備應該能夠互操作,這點變得日益明顯。ZigBee聯盟正在制訂一個名為“Smart Energy Profile 2.0(SEP 2.0)”的標準,以幫助規范對智能能源生態系統的許多環節的要求,包括設備通信、連接性和信息共享等。

        SEP 2.0指導設備之間如何相互通信。它定義了可以控制的各種設備屬性,這些屬性(也被稱為“資源”)分成邏輯組一起運行,執行SEP 2.0的各種功能(被稱為“指令集”)。例如,抄表系統或計費系統都是專用指令集。智能電表等設備執行一個或多個指令集,提供用量統計和趨勢等增值服務。能源提供商或者消費者可以利用這些費用統計與趨勢,分別加強對服務或者使用情況的管理。

        指令集及其在設備中的資源可以通過HTTP URL訪問。這些設備利用mDNS和DNS-SD等技術,動態地尋找網絡中的相關服務,然后自行注冊,進一步訪問其它資源來執行SEP 2.0功能。為了創造真正的可以互操作的聯網智能能源設備生態系統,必須使用基于TCP/UDP和IP的網絡技術。設備支持安全特性非常重要,因為外圍網絡可能帶來安全隱患,而且更重要的是,設備還向能源網絡提供訪問權限。由于許多智能設備提供連續的、可靠的和實時的數據,所以他們必須“永遠在線”和“保持連接”,這要求所有智能能源設備自身必須節能。最后,他們也必須支持有線及無線聯網。

        多數現有家用電器不支持M2M的先進功能,因此要把許多不同的功能整合到一個單一設備之中,意味著要進行大幅度的和代價高昂的硬件升級,這將導致材料費用和成本上漲。制造商必須權衡提供支持智能能源的電器所帶來的好處,以及隨之而來的額外成本。

        將來,家電廠商將擁有更多的選擇,可以找到具有成本效益的解決方案來設計支持通知能源的家電。這些家用電器可以選擇系統芯片(SoC)硬件,因其功能、外形尺寸、軟件支持和成本之間可以實現適當的平衡。32位微控制器(MCU)兼具處理能力、內存和連接性,也是一個有力的候選者。當前一代的微控制器,比如飛思卡爾Kinetis、意法半導體STM32或德州儀器Stellaris(ARM Cortex-M內核),以非常具有競爭力的價格提供眾多特點和功能。選擇合適的硬件只是一個開端,軟件選擇才是決定產品差異化的要素。

        SEP 2.0標準提出的軟件技術要求包括:一個支持UDP的多功能TCP/IP堆棧;具有mDNS和DNS-SD等動態服務發現能力的IPv6服務;支持GET、PUT、POST和DELETE等簡單指令的HTTP執行。SEP 2.0也要求支持SSL/TLS等安全標準,以及幾種現代互聯網技術,比如RESTful架構、XML和EXI編碼。Linux就廣泛支持這些軟件,但不幸的是,使用RAM為96K至128K的微控制器,把Linux排除在外了。而自己開發這樣的技術需要大筆資金和大量時間,這促使人們可能在這些設備中采用實時操作系統(RTOS)。

        RTOS不僅速度快和效率高,而且穩定可靠,他們通常包括一個廣泛的網絡堆棧、支持使用SSL或TLS等安全技術,而且肯定會符合對占位面積的嚴格限制以及這些設備對于內存的其它要求。Mentor Graphics公司推出的Nucleus RTOS這是這樣一種解決方案。Nucleus是一種得到廣泛采用的可以擴展的RTOS,符合所有智能電網設備的要求。它既有穩固的實時性能,也有集成的電源管理服務。這樣的RTOS可以入駐內存局促的MCU,同時仍能提供聯網的智能電網設備所要求的大多數功能。

        結論

        預計智能電網技術將迅速得到采納,因此設計出把材料成本控制在最低水平的聯網設備,將是制造商面臨的重大挑戰。為了開發出符合SEP 2.0標準的一款設備,自己開展軟件設計可能并不可行,因為需要滿足大量的功能要求,而且自己需要投入大量的開發精力。而另一個極端,即采用一種通用操作系統,則需對硬件資源進行大幅升級,這將帶來不可接受的成本增長。設備制造商在選擇軟件設計與硬件平臺時,必須做出正確的平衡。采用一種提供全面聯網支持(有線和無線)、可擴展的、節能的、實時操作系統,配以現在市場上有售的一款32位MCU,是最接近滿足上述這些要求的一種方案。根據這種設計模式,設計師將大大縮短產品上市時間,同時仍能實現全部智能電網應用的目標。

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