善用ZigBee双向沟通特性 智能电网加速普及

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善用ZigBee双向沟通特性 智能电网加速普及

 

日前在哥本哈根举行的联合国气候变迁相关会议，虽然没有真正在长期减碳计划上达成协议，不过包含各西方与亚洲国家等各主要用电大国，仍多致力于各种节能减碳与提升能源效率的计划上。若从技术层面来看，要达成终极目标，将也则需要智能电网(Smart Grid)辅助才能实现。尽管智能电网尚在发展阶段，不过，在绿能趋势带动下，该产业未来成长潜力无穷，也可望创造惊人商机。

 

智能电网商机无穷　2010年成决战关头

与智能电网相关的能源管理科技，包括先进电表系统架构(Advanced Metering Infrastructure, AMI)、智能型电表(Smart Meter)、电力储存装置(Power Storage Device)等若能结合如ZigBee般灵活省电的无线通讯，将有助推动智能电网的实现。同时，智能电网的发展对于替代能源技术的整合将更有利。

 

思科(Cisco)估计美国的智能电网将带来1,000亿美元的商机，其中仅通讯部分就高达200亿美元。因为一个家庭可以没有网络，但所有家庭都离不开电，所以智能电网的规模将比因特网大上百倍甚至千倍。近期如中国政府亦计划到2020年将全面建置统一的“坚强智能电网”，其技术和建设都要达到国际先进水平。

 

智能电网起飞在即

经过数年的讨论之后，智能电网概念终于在2009年完成了标准化工作与相关计划的起步；它是一种开放性、数字化且网络化的供电网络，可为全球能源产业创造近6兆美元市场规模，且使用人口可达四十亿人。因此，不少政府单位、企业与研究机构认为，2010年将会是智能电网起飞的关键时期。

 

简单的说，智能电网就是积极使用信息技术，解决供电者和用户之间传输电力的各种问题(图1)；其主要概念是将供电端到客户端设备透过传感器连接，形成完整的用电网络，再针对其中的信息加以整合分析，以达到电力资源最佳配置。不但能降低用电成本，也能提高用电效率。在智能电网架构下，电表可双向沟通。

 

图1　智能电网架构示意图

 

供电端可透过集中器，收集客户端用电情况；电力公司不但能监控电力质量，还可配合工作流程及环境特性，以排程与远程遥控方式达到节能目的。

 

全球各地兴致勃勃

关于智能电网的定义，不久前工研院院长李锺熙特别指出，它就是具有人工智能的电力供应网，能实时机动地整合调配用电供需，并达到最佳节能的电力管理。智能电网包括了输配电网络、先进电表、各式储能设施、信息分析管控软件及电路安全保护机制等。

 

针对环境变迁与气候异常，美国总统欧巴马积极推动「绿能经济」，希望在扩大公共建设、提供就业之余，不但能落实环保永续，也能带动产业新机会。在其方案中，预计将在未来20个月花费110亿美元，以智能电网促进全面节能减碳。另外，美国最近亦已通过投资额达80亿美元的智能电网计划，同样希望有所帮助。

 

至于其它相关厂商，同样针对此领域多所著墨。例如日本Panasonic便于2009年11月25日宣布，将与丹麦电力公司SEAS-NVE共同启动实现智能电网的实证。该计划使用SEAS-NVE的智能电表，实现用电量「可视化」及住宅内照明设备远距离控制等的家庭能源管理系统(Home Energy Management System, HEMS)。实验时，将采用Panasonic集团的住宅网络系统。据悉，Panasonic已经在2009年12月中旬时公布实验内容，并展示正在开发的系统。该实验将分两个阶段进行，计划在第一阶段实现用电量的可视化及照明器具的远距离控制，在第二阶段对暖气设备进行控制，并使用燃料电池及蓄电池等。

 

由于换装智能电表(图2)是智能电网架构的第一步，因此如中国大陆便计划在2009～2020年将全数转换智能电表，预估投资金额将达人民币2,000亿元，至少有一亿个电表以上的汰换商机。当地能源专家粗估，结合欧盟及美国技术打造交互式的智能电网，整体智能电网商机将延伸到与资通讯网路产业合一，2013年可望有20～30兆美元之市场规模。

 

 

图2　已问世之智能电表

 

无线感测大行其道WSN扮演智能电网末端神经网络

对电子产业界来说，智能电网在2010年无疑是一大焦点，未来包括冰箱、洗衣机等家电设备，甚至电动车等都将连上智能电网。最需要的就是各种电子装置与智能电网之间的连结标准，而总结其大成的就是一个泛称为无线感测网络 (Wireless Sensor Network, WSN)的架构。

 

WSN的概念最早来自于1988年Mark Weiser所提出的“无所不在计算机运算”(Ubiquitous Computing, UC)，更由美国麻省理工学院(MIT)技术评论为未来改变世界的十大新技术之一。

 

WSN具有感测、数据处理与通讯等多重功能，是由一到数个无线数据收集器以及为数众多的传感器所构成的网络系统，而组件之间的沟通则是采用无线的通讯方式。根据On World机构预测，2012年WSN的市场普及率达2.5%，将有近七千万个感测节点(Sensor Node)的市场规模。对各先进国家而言，WSN已经是一个重点推动的政策目标，市场前景极为看好。

 

仔细研究WSN就能发现，发展WSN的重要步骤是寻求一种普遍且能构成由数以百计节点所组成之组网技术，这些节点能在任意时刻透过经由不同微控制器(MCU)所控制的终端传感器相互通讯，同时这些节点还必须具备可靠、低功耗等特性。

 

此外，WSN透过各节点所收集到的信息，能够藉由短距无线通讯技术而进行传递，并且可以利用网关器(Gateway)结合异质网络，如电力线通讯(PLC)之HomePlug、以太网络(Ethernet)、无线局域网络(Wi-Fi)等，用以连接上因特网，将数据传送到后端的服务器，执行运算、判断及储存等，进而对各节点执行预定的控制行程。

 

ZigBee以黑马之姿出线

而ZigBee/IEEE 802.15.4即是在WSN这类架构下的一种短距离传输技术标准，以ZigBee/IEEE 802.15.4平台为技术核心，再结合众多周边组件，包括各式各样的感测元器件，透过终端产品设计厂商在因特网应用软件及系统上的结合，使得WSN的发展已在过去的2～3年间逐渐形成一个完整的生态链。

 

ZigBee/IEEE 802.15.4使用全球最通用之2.4G～2.4835GHz频段，ZigBee标准的数据传输率比蓝牙还低，但应用范围却极为广泛，除了一般的数据撷取外，其它还包括环境监测、家庭自动化控制、个人医疗、工业厂房监控、商务大楼自动化、保全监控等应用，亦可结合传感器或摄影机等模块，为产品创造出更多的附加价值。

 

智能电网国际标准确立

不久前，Google与电力公司合作跨足智能电网市场，开发了应用程序GooglePowerMeter(图3)，iGoogle使用者只要申请此项服务后，便可显示消费者家中各种电器用电量，并读取智能型电表的信息及分析，找出节能方式以减少电费。网络巨人Google的动作，不啻是向全球宣示该公司对此领域之重视。

 

 

图3 可用来测量用电量之应用程序GooglePowerMeter

 

而同样看好此领域，美国能源部(Department of Energy, DOE)选择在2009年5月公开美国新一代输电网计划所使用的标准规格。此次共公布十六种标准规格，名为初期智能电网互通标准框架(Initial Smart Grid Interoperability Standards Framework)1.0版。ZigBee的智能能源规范(Smart Energy Profile)也被纳入其中，ZigBee Smart Energy Profile同时也是美国智能电网标准化推进团体(NIST)制定的住宅内家电无线通讯标准。

 

除了美国官方组织外，目前ZigBee联盟已把因特网工程任务组(IETF)的全球IT标准整合到其低功耗无线网络标准的规范项目组合中。通过加入IETF标准，ZigBee Smart Energy产品将能利用本地IP支持提高其应用能力，从而将因特网连接性无缝整进每个产品中。它将巩固现有智能电表的智能电网，以及采用ZigBee Smart Energy规范的住宅局域网络(HAN)。如此一来，随着标准底定，将有助于智能电网应用的全球标准化。

 

ZigBee Smart Energy公共应用规格所规定的八种设备，包括能源服务入口(Energy Service Portal, ESP)、计量装置、预装显示设备、可编程通讯温控器(PCT)、负荷控制器、增距器、智能家电和预付式终端设备等。能源服务供货商能够透过宽带或蜂巢式通讯网路部署由ZigBee网关器管理的住宅局域网络设备，这样便能在智能电网没有覆盖到的区域执行智能电网服务。一旦安装了智能电表，ZigBee网关器便能接入该网络，透过公共网络在家庭和次级通讯路径中，提供可程序化的能源服务，进而提升能源服务的质量。

 

ZigBee Smart Energy是当今唯一标准化的住宅领域网络解决方案，其满足了全球各大公用事业单位和能源服务供货商的需求。目前北美地区正在部署约三千五百万个采用ZigBee技术的智能电表。

 

进一步说明，智能电网的组成架构分为：家用电器到智能电表、智能电表到数据集中器、数据集中器再到电力公司控制中心等三段网络架构。第一段与第二段可以采用ZigBee技术加上功率放大机制，其涵盖范围可达数公里。又因为ZigBee拥有低速、低耗电、低成本、支持大量网络节点的特性，因此是目前电力厂关注的技术。第三段由资料集中器到控制中心这一段，可以采用一般行动通讯技术，如高速封包存取(HSPA)或全球微波存取互通接口(WiMAX)技术。经由这三段的传送之下，才完成整个智能电网的架构，同时亦须加入迅速而轻松地实现智能电网设备整合所需的硬件、托管软件和服务。

 

低耗电优势显而易见

与其它竞争技术如PLC或Wi-Fi等，PLC用现有电力架构，也是欧洲部分国家偏好的发展技术，不过，从低耗能与耐用度方面看来，ZigBee因具有低速、低耗电、低成本、支持大量网络节点的特性而占有优势地位。

 

日本信息通讯研究机构(NICT)、富士电机、松下、东京燃气、大阪燃气、东邦燃气及三菱电机等公司曾于2009年7月就智能电网所用无线传输方式，向美国IEEE 802.15委员会提交了联合方案。稍后，IEEE 802.15委员会的TG4g工作小组也针对电表、燃气表及水表的远程读取用通讯方式的物理层标准。主要规定了在室外使用的无线方式，要求数据传输速率为40kbit/s以上、1Mbit/s以下的低速通讯方式。

 

另外，为使电池驱动的仪表设备可连续使用约10年，通讯方式须要采用超低耗电技术。NICT提出采用单层式储存或GFSK调变方式的技术，可以实现50kbit/s、100kbit/s、200kbit/s、400kbit/s等四种传输速率。其特点是耗电量极低，如果与已经提交给802.15.4e的媒体存取控制(MAC)层方法组合使用的话，使用4.4Ah电池可连续使用10年左右。

 

 

 

深圳市无线龙电子有限公司    邱先生

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