三分钟告诉你！在智能电网上部署智能电表有多高明

全球的传统电网开始因不断增长的能源需求而倍感压力。停电次数在增加。我们如何以可持续的方式改进这些系统？我们都听说过的一种可能的解决方案是将信息技术集成到电网中。通过将现代技术、架构和工具集成到已经使用和服务的电网中，并在规划新电网时集成进这些方法，将是个非常好的开端。

全球的传统电网开始因不断增长的能源需求而倍感压力。停电次数在增加。我们如何以可持续的方式改进这些系统？

我们都听说过的一种可能的解决方案是将信息技术集成到电网中。通过将现代技术、架构和工具集成到已经使用和服务的电网中，并在规划新电网时集成进这些方法，将是个非常好的开端。

大多数传统的电网由许多机电系统组成；在这些现有的电网中，大多数情况下通信只是单向发送给用户。我们必须有双向通信的机制来分享和使用信息，以提高输配电的服务水平和效率。

传统电网架构大多采用集中发电。主发电中心切切实实将总功率发送到输配电中心，以便在本地输配给用户。

智能电网

我们需要的是在整个地区部署更多的输配渠道，以建立真正的分布式能源架构，比如部署可再生能源——这是我们称为智能电网的重要组成部分。

在智能电网情况下，现在即使是消费者也可以通过太阳能和风能等各种手段（即使电力公司将其视为与自己竞争进而掣肘它们）来产生能量以及配送多余能量。智能电网是一种具有双向通信功能的合适的联网系统。

由于传统电网没有采用类似典型智能电网架构中部署的各种现代传感器技术来实现监控，因此它们既“哑”又“瞎”。有时发电厂甚至不知道某个地区发生了停电或电力不足的情况，直到他们接到消费者的电话（电话系统具有备用电池供电）。在智能电网架构中，众多传感器部署在整个电网基础设施中，可以进行监控、测试和通信。此举甚至可以实现自我修复和复原/移除以及自动重新引导电能绕过故障点。

随着带有通信功能的电表进入到许多家庭，电力公司和能源监管机构设法利用该技术来提高节能意识。利用这一概念——有时称为智能电网——电力公司设法利用进入用户家中的网络，以便可以主动管理输电负载。

在美国亚利桑那州以及世界许多其他地区，电力公司现在可以提供实时价格信息，从而允许用户调整其电能使用。例如，在峰值负载条件下（如亚利桑那州典型的热浪天气），电力公司可以向用户发送信息，通知他们价格将在下一小时上涨，并鼓励他们关闭家电。某种家用显示器可以显示此消息。更好的是，电力公司可以通过智能电表与家中的设备进行通信，打开恒温器或关闭水池泵，以防止出现局部限电甚至大规模停电。该系统在电表和家电之间需要有可靠的通信协议，有时称为家域网（HAN）。使用ZigBee协议的900MHz无线通信在此是个很好的选择。HAN的例子见图1。

图1：家域网示例。

自动抄表（AMR）

利用固态电子式电能表，我们现在可以添加通信链路，因此，如果该链路是无线的，那么电力公司用车只需要从旁边开过就可以收集到该数据。

高级计量基础设施（AMI）

在电表演进的此下一阶段，AMI可以与一系列其他的AMI电表联网；取决于位置，可以采用卫星或低成本的射频链路。目前使用的两种主要的RF通信协议是电力线载波（PLC）和免牌照的工业、科学和医疗（ISM）频段。我们可以充分期待，5G在未来几年内将“风光无限”。

智能电表

电能表演变

我还记得在我长大的纽约市布鲁克林区一幢六户公寓的地下室里安装的传统电表。有一次，我清楚地记得因为拖欠/未付账单，爱迪生联合电气公司切断了我家的供电（我父母竭尽全力，但在我成长的50和60年代，我家日子过得紧巴巴的）。爱迪生联合电气公司的那位伙计走到我们小四室公寓的门口，说要断掉我家的电，让我跟着他去装着电表的地下室。我那年刚满9岁，冬天即将到来。

来到排在一起的六块电表旁时，他转过身来对我说：“现在我得把你家公寓的电表从这个插座上拆下来带走。我会用保护罩盖住电表插座，以免裸露的电线电到人。”因为我已经知道我将会成为一名电气工程师，所以我非常仔细地聆听和观察。“在我盖上这些电气触点前，我把这根线像这样穿过这些触点连起来”（他短接了与电表串联的触点）。“现在，在你老爸付清帐单前，你家也还会有电。但这事跟谁都别说，我不会承认我知道这件事的，懂吗？”

好吧，那天我在人性和电方面真的被好好上了一课！我感谢他，在那天也学到了电表与电源是串联的，并且有一种简单的方法可以绕过电表。那是1959年。大约两周后我家付清了账单，一切都很顺利，但这段经历清清楚楚地留在了我的记忆中，直到今天仍然历历在目——记得我从哪里来，并了解了那个时代的那些老式的机电式电表。

图2：19世纪末开始使用的机电式电能表。

图3：接下来是固态电子式电能表。这种电表可以测量瞬时功率、功率因数和无功功率，并存储这些数据。

智能电表的射频通信链路

如果你家像我家那样，也有众多的无线设备（无线局域网、家庭安全系统和智能手机等），以及从屋外大量涌入的其他射频信号。这使得实现可靠的无线数据通信非常困难（射频输入端接收到亚微伏级别的信号并不少见——甚至要抑制的不良RF“干扰”功率等级更高）。由于电表可能放在屋内、屋外或地下室等任何地方，因此其与电线杆或电力公司用车之间必须要有可靠的RF连接。

如果电表工作在免牌照的射频频段，为了符合各地区或国家的辐射标准，我们必须认真考虑通信协议。900MHz、2.4GHz和5.8GHz是广泛使用的几个频段。900MHz是将电表连接起来并连接至数据采集目的地的首选频段。900MHz可提供更长的通信范围，特别适用于低功耗预算应用。无线M-Bus是用于远程抄表的欧洲标准，现在是EN 13757中拟定的EN欧洲规范标准（EN European NormaTIve Standard）中的一部分。Silicon Labs有一款好用的无线M-Bus开发套件和软件。

未使用的调频（FM）广播频段

即使厄瓜多尔已讨论使用FM广播频段，该国此段广播频谱（88MHz至108MHz）目前尚未得到有效利用；事实上，由于在某些时间段没有有用的信息传输，它没有得到充分利用。参考文献《Support to Data Transmission on Smart Grids Using the FM Band Spectrum（使用FM频谱支持智能电网上的数据传输）》中提出了将这个未使用的频谱时间用于智能电网数据传输的可能性。邻域网（NAN）拓扑将包括智能电表——它们将用户用电和故障信息发送到数据聚集点（DAP），数据聚集点又形成城域网（MAN）来管理收集到的数据并将其传输给负责用电量的机构。该文通过使用FM频段内的“空白频段”，建立起完整的拓扑支持智能电网应用。文章还提出了一种数据测量系统架构，开发能够发射射频信号将信息发送给DAP的设备，然后将该数据收集到位于厄瓜多尔中南部地区电力公司的服务器（图4）。

图4：在厄瓜多尔将空白频段用于智能电网的拓扑。

这种推荐拓扑需要生成NAN，其中每个智能电表（SM）都有无线发射器，将信息发送到DAP。在未使用的空白频段（FM）内特别选择的信道将用于传输数据。特定区域内的所有DAP生成一个MAN，其信息最终由EERCS中的服务器收集。采用低功耗数据传输，可以防止与附近其他网络相互干扰，并且可用带宽足以满足这种应用所需。

窄带PLC/无线通信

参考文献《On the Diversity of Hybrid Narrowband-PLC/Wireless CommunicaTIons for Smart Grids（面向智能电网的混合窄带PLC/无线通信的分集）》中对双向智能电网数据通信考虑了3kHz至500kHz频带内的窄带电力线通信（NB-PLC）以及免牌照的无线频段（美国为902MHz至928MHz，即IEEE 802.15.4g和新出现的IEEE 802.11ah标准）。

该系统可以在有信道和噪声统计特性（电力线和无线数据传输通常会遇到）的情况下工作。这是因为电力线和无线传输的信道和噪声特性是独立的并且具有不同性质。该文通过在电力线和无线链路上同时发送相同信息信号提供的分集来增强整个系统的可靠性。他们提出了有效的技术，在考虑到两个链路上噪声随机性的同时，将NB-PLC与无线链路接收到的信号相结合，用于相干和差分调制方案（图5）。

图5：NB-PLC/无线分集系统框图。

NB-PLC解决了用户智能电表与数据集中器之间的最后一英里通信，数据集中器由当地电力部门在中压或低压电力线上部署。

免牌照频段（如902MHz至928MHz）由于RF传输不协调，会妨碍智能电网上的通信，因此会有噪声和干扰问题。NB-PLC具有不同于窄带信号及与交流半波同步的周期性脉冲噪声的噪声/干扰。这与DC/DC转换器、逆变器和长波广播信号等电源管理系统的噪声/干扰相结合，在3kHz至500kHz谱域内耦合至电力线。

该文研究了三种组合方法，并概述了它们对于处理智能电网上电力线和无线传输方法的信道和噪声统计特性，作为传统组合技术的新替代方案所具有的不同性能和复杂度权衡。

卫星通信（SATCOM）

美国太空探索技术公司（SpaceX）的可复用火箭助推器等创新之作，降低了卫星通信成本，并实现了更好的通信效率设计。卫星通信可能是部署智能电网的另一种可行资源。过去，卫星通信由于性能不足且成本高昂，一直仅限于监控和数据采集（SCADA）使用。

智能电表和相量测量单元（PMU）将产生大量新的电网数据。PMU能够非常准确地测量和记录电网状况，提供对电网稳定性和压力的深入了解。PMU用来测量所谓的同步相量——它是时间同步的数字，表示电力线正弦波的幅度和相位角。

卫星通信的好处是它可以提供非常广范围的服务，特别是在地面通信基础设施不到位的地区。卫星通信可以为诸如机器对机器（M2M）通信等应用提供良好服务。请记住，电动汽车（EV）不久将在智能电网中发挥重要作用，因为它们既可以是负载，也可以是为智能电网供电的电源。而且，了解电动汽车的确切位置，是实现智能电网优化的一组重要数据点——参见《The Tesla Model S， ultracapacitors， and large energy storage（特斯拉Model S、超级电容器和大容量能量存储）》一文。

传统上，卫星通信的主要用途是单向媒体服务。随着卫星通信技术的最新进展，双向通信现在成为了现实。一个例子是为M2M应用提供IP服务。

一些例子包括：

• 国际海事卫星组织（Inmarsat）发射了一颗宽带全球网络（BGAN）M2M卫星，其最大数据速率为500kb/s，延迟小于1秒，服务可用性达到99.9%。智能电网在可用性方面有着严格要求，99.9%的可用性相当于每年不超过50分钟的停机时间。 • • 铱卫星（Iridium）覆盖全球的66颗卫星网络由于其处在低地球轨道（LEO）上而具有较低延迟，并且由于使用L波段频率而不会受到天气影响。低延迟在智能电网通信场景中非常重要，因为在严重断电的情况下，保证实时通信和永远在线（例如对变电站）是必不可少的。低延迟对于智能计量优化其管理也很重要。 • • 下一代铱卫星（Iridium NEXT）今年将提供服务，数据速率将高达1.4Mb/s。智能电网所需的带宽在不断增加，因此不能再以旧的窄带SCADA系统为标准。有些新应用需要的速率比100kb/s更高。 • 就通信安全性来看，卫星通信据信相比地面通信系统更加难以干扰，更加安全。一些适用于卫星通信的应用包括客户房屋和发电厂。一个例子是用于计费和需求响应的自动抄表（AMI）回程（图6）。

图6：智能电网应用可以利用卫星通信，将它们映射到安装相关设备的区域。

智能电网上的另一个卫星通信应用是远程站点的视频监控。许多电力公司已经使用卫星通信来监控其远程资产，因此高吞吐量和低延迟通信应用将从卫星通信中受益匪浅。

智能电表功耗

表计设计人员可能会选择低功率表计设计，以便他们在电池供电的气表和水表中也可以使用该设计。我发现的一款很好的电源管理IC（PMIC）是德州仪器（TI）的TPS65290——它具有很好的静态电流；对于电池供电的气表或水表设计来说，也能够提供通用的电源设计。Silicon Labs的Si10XX是一款很好的低功耗无线MCU。

安全和防篡改

由于黑客攻击表计，使其放慢或停止用电统计数据的累计，非技术性原因致使全球的电力公司产生数十亿美元的收入损失。这一损失使得电力公司强烈要求加强新型智能电表中的保护设计架构。其中一些篡改方法包括反接表计的接线端子、旁路掉电流、移动电表连接的导线以及磁性篡改等。这是从电力公司窃电的一种方式。

在防篡改的第一道防线中，一些预防方法可能包括使用感应开关或机械开关来检测是否有人试图打开电表外壳，进入其内。开关会连接到一个GPIO端口——如果电表外壳被打开则改变状态，并向MCU报警，MCU进而发出警报声或发送某种安全警示。

磁性篡改通过使用磁体减慢电表字轮的转速，而让其看起来像是客户使用的电能比实际情况少。对策之一是使用霍尔传感器来检测现场是否存在磁体产生的强磁场。同样可以使用GPIO端口来激活一些警报。

表计还可以采用硬化技术，通过设计分流器作为电流传感器，并配合隔离式Σ-Δ ADC，而使其不受强磁体的影响。这种篡改也有其他方法可以采用。

Powerbox公司首席营销与通信官Patrick Le Fevre在保护智能电网方面进行了广泛研究。他在该公司网站上有很多优秀的技术见解，例如他在《NaTIonal Electric Grid Security and Resilience Action Plan（国家电网安全与复原行动计划）》一文中向美国联邦政府提出的计划。

智能电表参考设计

美信公司（Maxim Integrated）为智能电表提供了一些很好的解决方案，包括一个名为“Newport”的好用的参考平台。恩智浦也有一些不错的设计实例。