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智能电表开发门槛高 几大难点解析  

2016-11-14 11:00:14|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 有别于传统电表,智能电表可以是发展未来智能电网的重要发展门坎,而智能电表也能衔接物联网、智能家庭等进阶应用场域,不只提供更具智能的电力配置优化效益,同时提升更具效率的能源应用智能管理机制,对导入绿色能源或是降低居家能耗方面均有重要的存在价值...

  发展智能电网、智慧能源应用环境,最大的关键在于在客户端的能源应用计量装置,就是一般提到的智能型电表(Smart Meter)量测终端,以智能型电表的应用方向,相较旧款非智能设计的电表,除了单纯数字化的用电量监测、数据量测/记录外,亦会有针对电力控制的相关智能型功能,与可让电表纪录信息保存、传送的网通系统或架构,建构满足智能电网(Smart Grid)基本终端应用需求。

  电表智慧化难度高 须兼顾成本与多模网通支持弹性

  因为电表智慧化,不单纯仅是将用电计量机制转数字化、跟电表整合网通功能,而是除了数字化原有的电表架构外,必须针对智能型电表衔接智能电网所需的进阶智能与网通功能整合,甚至对于未来智能电网需要的进阶多模支持、高灵活性的架构设计,进行电网终端的智能电表开发,而应对智能电表的部署需求,整合智能应用与能适时衔接不同场域的网络环境,高弹性的设计架构就成为智能电表必须兼顾料件成本与多模支持的最大设计挑战。

智能电表开发门槛高 几大难点解析

  基本上,智能电表本身须定位在实用基础、同时具成本效益、满足现在与未来应用需求的系统架构,若以智能电网的网络架构观察,新一代智能电网所需的多模(Multi-mode)架构支持,对于实际部署智能电表的现场工作相当重要,因为实际进行电表部署时,若是传统电表,只须使用常规计量装置便可支持不同装设环境、场域的电表设置需求,但智能型电表的装设条件却大不相同,因为实际装设时会遭遇到设置现场支持的基础建设条件差异、网通质量、地理环境与是否需因地制宜的设置差异,导致安装需求产生差异。

  部署智能电表 选用连网技术需因地制宜

  为了便于部署智能电表,较合宜的方式是在电表设计部分,即整合可因地制宜的弹性多模网通技术支持功能,例如可以应对家用局域网络(Home Area Network;HAN)、建筑局域网络(Building Area Network;BAN),或采用短距离无线网通标准,如蓝牙(Bluetooth)、无线局域网络(Wi-Fi)、Thread或ZigBee网通方案,甚至直接衔接家庭的电力线载波(Power Line Carrier;PLC)或邻近局域网络(Neighborhood Area Network;NAN)、使用基于GPRS/3G/Lte(Long term evolution)衔接的机器对机器(Machine to Machine;M2M)通讯网络支援。

  在实际部署智能电表,可能选用的网通方案甚至还会有MTC(machine type communications)、NB-IoT(NarrowBand IOT)、LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)等网络拓扑选项,衔接云端系统透过网络撷取终端数据,甚至还会实行PLC、IEEE 802.15.4g等将区域内的智能电表节点进行数据聚集点(Data Aggregation Point;DAP)整合,再将区域DAP的数据透过如GPRS/3G/LTE MTC等无线数据传输通讯架构的M2M网通方案,将区域DAP数据转送到数据中心或云服务进行再处理。

  高扩展性、高弹性网通连接设计 可简化部署难度与降低成本

  为了将电表部署时间、成本压低,较合宜的方式为将智能电表采取更弹性、高扩展性的方向整合,让第一线的部署电表工程可以因地制宜进行最适当的网通连接整合,而电表的对应解决方案就必须针对不同网通架构支持预留足够的灵活弹性,才能在实际安装部署上应对多元的网通技术标准。

  而且,除了标准支持可能还不够,网络通讯技术可能一个季度就有跳跃式的改版进展,除了硬件架构方面的多标准支持弹性外,在网通技术的软件、韧体支持与扩充性,必须在考虑硬件支持弹性时一并考虑,尤其在较新颖的网通技术,如电力线网络等,在标准异动频繁下,智能电表的网通整合支持必须具备应对通讯协议改版的弹性,以便减少后续系统维护或扩充上的成本开销。

  另一个关注重点则是在智能电表所建构的网络下,如何在电表终端扩充对应的系统维护机制,透过更智能的远程监控、软件/韧体升级,简化维护电表终端的维护程序甚至降低维运成本,是导入智能型电表的重要考虑。例如,对应智能电表可能应对服务或是家庭用电配置调整需求,而需要在电表端的软件/韧体进行更新时,则需要避免外派专员进行手动更新,而应该开发对应的远程维护系统与软件更新机制,透过后台排程规划自动化进行区域电表的核心系统更新,此外,维护平台的网通传输必须针对网络通讯环境可能存在的安全隐患,进行防毒、防骇与防止阻断式攻击影响监控终端的数据传输,必须在设计时间进行整体考虑,或提供对应网络安全方案为后续扩充应用。

  智能电表终端之所以在网通功能整合方面,仍未能有一套完整的互通标准,其实并非无标准可依循,而是针对智能电网的通讯应用至今仍未有一套通用的标准可选,反而是因地制宜选用部署环境或区域最有效益的网通方案进行整合,作为电表节点整合的方向。

  智能电表功耗要求高 成本亦不可差距过大

  另一个智能电网发展下的电表终端设计考虑,会将重心放在压低智能电表本身的功耗、制作料件成本方面,也就是说电表终端在运行过程中几乎超过九成的时间都处于闲置,因为在电表整天运行状态下,只会进行用电配置与电力用量的数据采集,除非进行电表软件/韧体更新,或是智能电表向中央服务器交换信息进行密集网络通讯,才会有较高耗能产生,但毕竟智能电表对比传统电表必须在不增加过多额外功耗下、提供进阶智能电网衍生的智能电表应用外,对于组构电表本身的零配件必须压低成本,才能在市场有足够的竞争能力。

  以现有智能电表设计观察,如果数字电表本身为实行两个3号电池供电的话,至少智能电表需维持5年以上不接市电便可运行的省电能力,同时针对闲置与尖峰用电期间,都能维持优化的耗能要求。在成本方面,传统与智能电表使用的料件有极高近似,智能电表仅多了用电数据采集、网络链接模块与可程序化的智能运行模块会产生能耗,若能导入优化耗能的微控制器系统,将可发展极低功耗的智能电表的终端发展平台,一般若采低成本微控制器实践智能电表设计,成本约在20美元上下。

  电表多模整合应用成为趋势 无缝衔接智能家庭应用

  而为了迎合低成本、多模支持、弹性支持最新颖的通讯协议要求,在整合多模网通技术支持方面,常会因为需要多组通讯模块整合,才能达到设计要求。但问题来了,为了应对多支持的网通架构,反而要组构不同的网通硬件应对其实是相当不智的,反而使用可软件定义的调制解调器(SDM)与预留高扩展性的网通连接模块,对于智能电表产品面对多种网通应用整合,规划与部署会更有效率、并降低成本。

  智能电表的多用途应用亦是一大技术门坎,随着电表智能化整合方向,居家的各种资源仪表会朝向整合或依附在智能电表下提供原有计测应用,例如智能电表结合水表计测、燃气计测、暖气计测等应用,这类模拟仪表仅需依循原有计测架构,将采集数据转换成数字化透过智能电表数据处理架构汇整,定时传回后端数据库,等于一次性将家庭电量、水量、燃气用量等资源使用状态全部数字化处理,而这些资源用量本身的数据量每日仅数字节,为了单一资源计量需求开发智慧采集仪表其实并不划算,让这些家庭资源耗用计量统筹以智能电表汇整后送数据,成为目前智能电表开发重要方向之一。

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