引言

物聯網 (IoT) 會為我們帶來一個更加智能的電網，在所有電力基礎設施之間實現更多信息共享和網絡接入，并把這些便利性帶給千家萬戶。通過物聯網，消費者、設備制造廠商和電力部門可尋找到許多新的方法來管理設備，最終達到節約資源的目的，并可利用智能電表、家庭網關、智能插座和網絡家電來節省電費。

本白皮書為您介紹世界上廣泛使用的各種智能電網網絡接入方法。例如，TI正在開發整套系統解決方案，把硬件(模擬和數字)和軟件組合在一起，以克服構建更高智能、更高聯網程度的智能型電網時所面臨的一些挑戰。

讓電網基礎設施、電表、家庭和樓宇通過網絡緊密相連

思科2011年的報告稱，到2020年，物聯網(IoT)的聯網設備數量有望達到500億部，它們將向消費者、設備制造廠商和電力部門提供有價值的信息資源。在物聯網內部，各行各業的設備將通過互聯網和點對點連接以及一些封閉網絡(例如：智能電網基礎設施使用的網絡)相互聯網。

全世界的注意力都放在如何管理和節約能量與水資源上面，因此物聯網也會讓智能電網的受益范圍擴展至電力部門的配電、自動化和用電監控方面。家庭和商用住宅的管理系統可幫助消費者監控其用電情況，然后根據需求調節用電行為。通過在用電低峰時段使用電器，并連接傳感器對房間使用情況、光照條件等進行監控，這些系統可以自動地調節用電。但所有這些都需要一個更加智能、與網絡連接更緊密的電網。

改變電網，面對當今挑戰

簡單來說，構建一個智能電網意味著在全球人口迅速增長的條件下，使用有限的發電能力來確保我們未來的能源供應。智能電網可降低損耗、提高效率、優化能源需求分配，同時讓大規模可再生能源(例如：太陽能和風能)的獲取成為可能。隨著電力基礎設施的老化，電網正面臨嚴峻的挑戰，具體包括：世界主要工業城市經常出現斷電事故;在如印度等國家，超過30%的電能在傳輸途中損耗掉;在法國和澳大利亞，超過35%的飲用水被浪費掉。

我們需要調整和改變電網拓撲結構，從集中式改為分布式拓撲，這樣可以通過一種動態的方式吸收各種能源。另外，還需要追蹤實時能源消耗和能源供應需求：使用更多的遠程傳感設備，對能源數據進行測量、監控并發送這些信息，用于實現一種可自我修復的電網，增加總效率，并提高自我監控和決斷的水平。網絡智能電網可搭建起一個通信網絡，把未來所有的各種能源相關設備都連接到一起。TI正在克服許多全球智能電網所面臨的挑戰，包括構建連接電網設備的系統解決方案，從傳輸與分配電力基礎設施、電表、水表、氣表和熱力表，到家庭樓宇自動化，均包含在其中。

朝著物聯網型智能電網邁出的關鍵第一步是智能電表的大規模部署。

數百萬智能電表已經聯網

在全世界范圍內，電表走在了智能表的部署的前端。例如，美國智能電表(e電表)的使用率接近50%，現已將數百萬電表連接至電網，并定期傳輸數據。本質上而言，這些電表正不斷擴展其功能，從一種電能測量設備發展成為一種雙向通信系統，如圖1所示。

圖1 TI支持多種網絡接入方案的智能電表

現代智能電表必須達到一定的標準，才能在智能電網發展方面發揮重要的作用。首先，電表需要向電力部門報告家庭和樓宇的用電信息。在美國，相應的解決方案為低功耗射頻(LPRF)通信，其使用Sub-1GHz網狀網絡。但是，根據不同的國家和電網性質，無線解決方案不一定是最佳選擇，例如，西班牙或法國使用的是有線窄帶OFDM電線通信(PLC)技術。唯一的通用網絡接入方案是不存在的。實現物聯網要求更廣泛，從有線到無線，有時甚至同時組合兩種方案。

其次，電表需要通過家庭顯示器或者網關，為該家庭提供有用的用電信息。這種信息可讓消費者調整用電行為，從而縮減電費。在美國，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee®標準，并結合“智能能源”應用規范。英國或者日本等其他國家，正在評估Sub-1 GHz RF或者PLC解決方案以實現更大覆蓋范圍，或者混合使用RF和PLC。因此，本質上來說，電表正變成智能傳感器，它們可以向室內和室外同時傳輸信息，使用網狀網絡相互連接，同時向電力部門報告基本的用電數據。

對于電表廠商而言，轉向智能電表對電表拓撲結構有巨大的影響，如圖1所示。在進行用電測量的計量段頂部，現在集成了一些無線電或者PLC解決方案。有時，還具有預付和近場通信(NFC)功能。主微控制器(MCU)的需求正在發生變化，要求它們擁有更大的內存、更方便的聯網方式以及通信協議的安全性。另外，智能電表的MCU還需要支持許多高級功能，例如：動態計價/需求響應、遠程連網與斷網、網絡安全、無線下載和安裝后升級功能，這樣電力部門便無需派出技術人員前往查看每一個電表。