全球的傳統電網開始因不斷增長的能源需求而倍感壓力。停電次數在增加。我們如何以可持續的方式改進這些系統？我們都聽說過的一種可能的解決方案是將信息技術集成到電網中。通過將現代技術、架構和工具集成到已經使用和服務的電網中，并在規劃新電網時集成進這些方法，將是個非常好的開端。

全球的傳統電網開始因不斷增長的能源需求而倍感壓力。停電次數在增加。我們如何以可持續的方式改進這些系統？

我們都聽說過的一種可能的解決方案是將信息技術集成到電網中。通過將現代技術、架構和工具集成到已經使用和服務的電網中，并在規劃新電網時集成進這些方法，將是個非常好的開端。

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，大多數情況下通信只是單向發送給用戶。我們必須有雙向通信的機制來分享和使用信息，以提高輸配電的服務水平和效率。

傳統電網架構大多采用集中發電。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。

智能電網

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

在智能電網情況下，現在即使是消費者也可以通過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掣肘它們）來產生能量以及配送多余能量。智能電網是一種具有雙向通信功能的合適的聯網系統。

由于傳統電網沒有采用類似典型智能電網架構中部署的各種現代傳感器技術來實現監控，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（電話系統具有備用電池供電）。在智能電網架構中，眾多傳感器部署在整個電網基礎設施中，可以進行監控、測試和通信。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。

隨著帶有通信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——有時稱為智能電網——電力公司設法利用進入用戶家中的網絡，以便可以主動管理輸電負載。

在美國亞利桑那州以及世界許多其他地區，電力公司現在可以提供實時價格信息，從而允許用戶調整其電能使用。例如，在峰值負載條件下（如亞利桑那州典型的熱浪天氣），電力公司可以向用戶發送信息，通知他們價格將在下一小時上漲，并鼓勵他們關閉家電。某種家用顯示器可以顯示此消息。更好的是，電力公司可以通過智能電表與家中的設備進行通信，打開恒溫器或關閉水池泵，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信協議，有時稱為家域網（HAN）。使用ZigBee協議的900MHz無線通信在此是個很好的選擇。HAN的例子見圖1。

圖1：家域網示例。

自動抄表（AMR）

利用固態電子式電能表，我們現在可以添加通信鏈路，因此，如果該鏈路是無線的，那么電力公司用車只需要從旁邊開過就可以收集到該數據。

高級計量基礎設施（AMI）

在電表演進的此下一階段，AMI可以與一系列其他的AMI電表聯網；取決于位置，可以采用衛星或低成本的射頻鏈路。目前使用的兩種主要的RF通信協議是電力線載波（PLC）和免牌照的工業、科學和醫療（ISM）頻段。我們可以充分期待，5G在未來幾年內將“風光無限”。

智能電表

電能表演變

我還記得在我長大的紐約市布魯克林區一幢六戶公寓的地下室里安裝的傳統電表。有一次，我清楚地記得因為拖欠/未付賬單，愛迪生聯合電氣公司切斷了我家的供電（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的）。愛迪生聯合電氣公司的那位伙計走到我們小四室公寓的門口，說要斷掉我家的電，讓我跟著他去裝著電表的地下室。我那年剛滿9歲，冬天即將到來。

來到排在一起的六塊電表旁時，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。但這事跟誰都別說，我不會承認我知道這件事的，懂嗎？”

好吧，那天我在人性和電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，并且有一種簡單的方法可以繞過電表。那是1959年。大約兩周后我家付清了賬單，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——記得我從哪里來，并了解了那個時代的那些老式的機電式電表。

圖2：19世紀末開始使用的機電式電能表。

圖3：接下來是固態電子式電能表。這種電表可以測量瞬時功率、功率因數和無功功率，并存儲這些數據。

智能電表的射頻通信鏈路

如果你家像我家那樣，也有眾多的無線設備（無線局域網、家庭安全系統和智能手機等），以及從屋外大量涌入的其他射頻信號。這使得實現可靠的無線數據通信非常困難（射頻輸入端接收到亞微伏級別的信號并不少見——甚至要抑制的不良RF“干擾”功率等級更高）。由于電表可能放在屋內、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RF連接。

如果電表工作在免牌照的射頻頻段，為了符合各地區或國家的輻射標準，我們必須認真考慮通信協議。900MHz、2.4GHz和5.8GHz是廣泛使用的幾個頻段。900MHz是將電表連接起來并連接至數據采集目的地的首選頻段。900MHz可提供更長的通信范圍，特別適用于低功耗預算應用。無線M-Bus是用于遠程抄表的歐洲標準，現在是EN 13757中擬定的EN歐洲規范標準（EN European Normative Standard）中的一部分。Silicon Labs有一款好用的無線M-Bus開發套件和軟件。

未使用的調頻（FM）廣播頻段

即使厄瓜多爾已討論使用FM廣播頻段，該國此段廣播頻譜（88MHz至108MHz）目前尚未得到有效利用；事實上，由于在某些時間段沒有有用的信息傳輸，它沒有得到充分利用。參考文獻《Support to Data Transmission on Smart Grids Using the FM Band Spectrum（使用FM頻譜支持智能電網上的數據傳輸）》中提出了將這個未使用的頻譜時間用于智能電網數據傳輸的可能性。鄰域網（NAN）拓撲將包括智能電表——它們將用戶用電和故障信息發送到數據聚集點（DAP），數據聚集點又形成城域網（MAN）來管理收集到的數據并將其傳輸給負責用電量的機構。該文通過使用FM頻段內的“空白頻段”，建立起完整的拓撲支持智能電網應用。文章還提出了一種數據測量系統架構，開發能夠發射射頻信號將信息發送給DAP的設備，然后將該數據收集到位于厄瓜多爾中南部地區電力公司的服務器（圖4）。

圖4：在厄瓜多爾將空白頻段用于智能電網的拓撲。

這種推薦拓撲需要生成NAN，其中每個智能電表（SM）都有無線發射器，將信息發送到DAP。在未使用的空白頻段（FM）內特別選擇的信道將用于傳輸數據。特定區域內的所有DAP生成一個MAN，其信息最終由EERCS中的服務器收集。采用低功耗數據傳輸，可以防止與附近其他網絡相互干擾，并且可用帶寬足以滿足這種應用所需。

窄帶PLC/無線通信

參考文獻《On the Diversity of Hybrid Narrowband-PLC/Wireless Communications for Smart Grids（面向智能電網的混合窄帶PLC/無線通信的分集）》中對雙向智能電網數據通信考慮了3kHz至500kHz頻帶內的窄帶電力線通信（NB-PLC）以及免牌照的無線頻段（美國為902MHz至928MHz，即IEEE 802.15.4g和新出現的IEEE 802.11ah標準）。

該系統可以在有信道和噪聲統計特性（電力線和無線數據傳輸通常會遇到）的情況下工作。這是因為電力線和無線傳輸的信道和噪聲特性是獨立的并且具有不同性質。該文通過在電力線和無線鏈路上同時發送相同信息信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噪聲隨機性的同時，將NB-PLC與無線鏈路接收到的信號相結合，用于相干和差分調制方案（圖5）。

圖5：NB-PLC/無線分集系統框圖。

NB-PLC解決了用戶智能電表與數據集中器之間的最后一英里通信，數據集中器由當地電力部門在中壓或低壓電力線上部署。

免牌照頻段（如902MHz至928MHz）由于RF傳輸不協調，會妨礙智能電網上的通信，因此會有噪聲和干擾問題。NB-PLC具有不同于窄帶信號及與交流半波同步的周期性脈沖噪聲的噪聲/干擾。這與DC/DC轉換器、逆變器和長波廣播信號等電源管理系統的噪聲/干擾相結合，在3kHz至500kHz譜域內耦合至電力線。

該文研究了三種組合方法，并概述了它們對于處理智能電網上電力線和無線傳輸方法的信道和噪聲統計特性，作為傳統組合技術的新替代方案所具有的不同性能和復雜度權衡。

衛星通信（SATCOM）

美國太空探索技術公司（SpaceX）的可復用火箭助推器等創新之作，降低了衛星通信成本，并實現了更好的通信效率設計。衛星通信可能是部署智能電網的另一種可行資源。過去，衛星通信由于性能不足且成本高昂，一直僅限于監控和數據采集（SCADA）使用。

智能電表和相量測量單元（PMU）將產生大量新的電網數據。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了解。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。

衛星通信的好處是它可以提供非常廣范圍的服務，特別是在地面通信基礎設施不到位的地區。衛星通信可以為諸如機器對機器（M2M）通信等應用提供良好服務。請記住，電動汽車（EV）不久將在智能電網中發揮重要作用，因為它們既可以是負載，也可以是為智能電網供電的電源。而且，了解電動汽車的確切位置，是實現智能電網優化的一組重要數據點——參見《The Tesla Model S， ultracapacitors， and large energy storage（特斯拉Model S、超級電容器和大容量能量存儲）》一文。

傳統上，衛星通信的主要用途是單向媒體服務。隨著衛星通信技術的最新進展，雙向通信現在成為了現實。一個例子是為M2M應用提供IP服務。

一些例子包括：

? 國際海事衛星組織（Inmarsat）發射了一顆寬帶全球網絡（BGAN）M2M衛星，其最大數據速率為500kb/s，延遲小于1秒，服務可用性達到99.9%。智能電網在可用性方面有著嚴格要求，99.9%的可用性相當于每年不超過50分鐘的停機時間。 ? ? 銥衛星（Iridium）覆蓋全球的66顆衛星網絡由于其處在低地球軌道（LEO）上而具有較低延遲，并且由于使用L波段頻率而不會受到天氣影響。低延遲在智能電網通信場景中非常重要，因為在嚴重斷電的情況下，保證實時通信和永遠在線（例如對變電站）是必不可少的。低延遲對于智能計量優化其管理也很重要。 ? ? 下一代銥衛星（Iridium NEXT）今年將提供服務，數據速率將高達1.4Mb/s。智能電網所需的帶寬在不斷增加，因此不能再以舊的窄帶SCADA系統為標準。有些新應用需要的速率比100kb/s更高。 ? 就通信安全性來看，衛星通信據信相比地面通信系統更加難以干擾，更加安全。一些適用于衛星通信的應用包括客戶房屋和發電廠。一個例子是用于計費和需求響應的自動抄表（AMI）回程（圖6）。

圖6：智能電網應用可以利用衛星通信，將它們映射到安裝相關設備的區域。

智能電網上的另一個衛星通信應用是遠程站點的視頻監控。許多電力公司已經使用衛星通信來監控其遠程資產，因此高吞吐量和低延遲通信應用將從衛星通信中受益匪淺。

智能電表功耗

表計設計人員可能會選擇低功率表計設計，以便他們在電池供電的氣表和水表中也可以使用該設計。我發現的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；對于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。Silicon Labs的Si10XX是一款很好的低功耗無線MCU。

安全和防篡改

由于黑客攻擊表計，使其放慢或停止用電統計數據的累計，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能電表中的保護設計架構。其中一些篡改方法包括反接表計的接線端子、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端口——如果電表外殼被打開則改變狀態，并向MCU報警，MCU進而發出警報聲或發送某種安全警示。

磁性篡改通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傳感器來檢測現場是否存在磁體產生的強磁場。同樣可以使用GPIO端口來激活一些警報。

表計還可以采用硬化技術，通過設計分流器作為電流傳感器，并配合隔離式Σ-Δ ADC，而使其不受強磁體的影響。這種篡改也有其他方法可以采用。

Powerbox公司首席營銷與通信官Patrick Le Fevre在保護智能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劃）》一文中向美國聯邦政府提出的計劃。

智能電表參考設計

美信公司（Maxim Integrated）為智能電表提供了一些很好的解決方案，包括一個名為“Newport”的好用的參考平臺。恩智浦也有一些不錯的設計實例。