通过物联网实现更智能的电网

引言

物联网 (IoT) 会为我们带来一个更加智能的电网，在所有电力基础设施之间实现更多信息共享和网络接入，并把这些便利性带给千家万户。通过物联网，消费者、设备制造厂商和电力部门可寻找到许多新的方法来管理设备，最终达到节约资源的目的，并可利用智能电表、家庭网关、智能插座和网络家电来节省电费。

本白皮书为您介绍世界上广泛使用的各种智能电网网络接入方法。例如，TI正在开发整套系统解决方案，把硬件(模拟和数字)和软件组合在一起，以克服构建更高智能、更高联网程度的智能型电网时所面临的一些挑战。

让电网基础设施、电表、家庭和楼宇通过网络紧密相连

思科2011年的报告称，到2020年，物联网(IoT)的联网设备数量有望达到500亿部，它们将向消费者、设备制造厂商和电力部门提供有价值的信息资源。在物联网内部，各行各业的设备将通过互联网和点对点连接以及一些封闭网络(例如：智能电网基础设施使用的网络)相互联网。

全世界的注意力都放在如何管理和节约能量与水资源上面，因此物联网也会让智能电网的受益范围扩展至电力部门的配电、自动化和用电监控方面。家庭和商用住宅的管理系统可帮助消费者监控其用电情况，然后根据需求调节用电行为。通过在用电低峰时段使用电器，并连接传感器对房间使用情况、光照条件等进行监控，这些系统可以自动地调节用电。但所有这些都需要一个更加智能、与网络连接更紧密的电网。

改变电网，面对当今挑战

简单来说，构建一个智能电网意味着在全球人口迅速增长的条件下，使用有限的发电能力来确保我们未来的能源供应。智能电网可降低损耗、提高效率、优化能源需求分配，同时让大规模可再生能源(例如：太阳能和风能)的获取成为可能。随着电力基础设施的老化，电网正面临严峻的挑战，具体包括：世界主要工业城市经常出现断电事故;在如印度等国家，超过30%的电能在传输途中损耗掉;在法国和澳大利亚，超过35%的饮用水被浪费掉。

我们需要调整和改变电网拓扑结构，从集中式改为分布式拓扑，这样可以通过一种动态的方式吸收各种能源。另外，还需要追踪实时能源消耗和能源供应需求：使用更多的远程传感设备，对能源数据进行测量、监控并发送这些信息，用于实现一种可自我修复的电网，增加总效率，并提高自我监控和决断的水平。网络智能电网可搭建起一个通信网络，把未来所有的各种能源相关设备都连接到一起。TI正在克服许多全球智能电网所面临的挑战，包括构建连接电网设备的系统解决方案，从传输与分配电力基础设施、电表、水表、气表和热力表，到家庭楼宇自动化，均包含在其中。

朝着物联网型智能电网迈出的关键第一步是智能电表的大规模部署。

数百万智能电表已经联网

在全世界范围内，电表走在了智能表的部署的前端。例如，美国智能电表(e电表)的使用率接近50%，现已将数百万电表连接至电网，并定期传输数据。本质上而言，这些电表正不断扩展其功能，从一种电能测量设备发展成为一种双向通信系统，如图1所示。

图1 TI支持多种网络接入方案的智能电表

现代智能电表必须达到一定的标准，才能在智能电网发展方面发挥重要的作用。首先，电表需要向电力部门报告家庭和楼宇的用电信息。在美国，相应的解决方案为低功耗射频(LPRF)通信，其使用Sub-1GHz网状网络。但是，根据不同的国家和电网性质，无线解决方案不一定是最佳选择，例如，西班牙或法国使用的是有线窄带OFDM电线通信(PLC)技术。唯一的通用网络接入方案是不存在的。实现物联网要求更广泛，从有线到无线，有时甚至同时组合两种方案。

其次，电表需要通过家庭显示器或者网关，为该家庭提供有用的用电信息。这种信息可让消费者调整用电行为，从而缩减电费。在美国，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee®标准，并结合“智能能源”应用规范。英国或者日本等其他国家，正在评估Sub-1 GHz RF或者PLC解决方案以实现更大覆盖范围，或者混合使用RF和PLC。因此，本质上来说，电表正变成智能传感器，它们可以向室内和室外同时传输信息，使用网状网络相互连接，同时向电力部门报告基本的用电数据。

对于电表厂商而言，转向智能电表对电表拓扑结构有巨大的影响，如图1所示。在进行用电测量的计量段顶部，现在集成了一些无线电或者PLC解决方案。有时，还具有预付和近场通信(NFC)功能。主微控制器(MCU)的需求正在发生变化，要求它们拥有更大的内存、更方便的联网方式以及通信协议的安全性。另外，智能电表的MCU还需要支持许多高级功能，例如：动态计价/需求响应、远程连网与断网、网络安全、无线下载和安装后升级功能，这样电力部门便无需派出技术人员前往查看每一个电表。