行業新聞

智能電表開發門檻高 幾大難點解析

2016-10-31

有別于傳統電表,智能電表可以是發展未來智能電網的重要發展門坎,而智能電表也能銜接物聯網、智能家庭等進階應用場域,不只提供更具智能的電力配置優化效益,同時提升更具效率的能源應用智能管理機制,對導入綠色能源或是降低居家能耗方面均有重要的存在價值...

發展智能電網、智慧能源應用環境,最大的關鍵在于在客戶端的能源應用計量裝置,就是一般提到的智能型電表(Smart Meter)量測終端,以智能型電表的應用方向,相較舊款非智能設計的電表,除了單純數字化的用電量監測、數據量測/記錄外,亦會有針對電力控制的相關智能型功能,與可讓電表紀錄信息保存、傳送的網通系統或架構,建構滿足智能電網(Smart Grid)基本終端應用需求。

電表智慧化難度高 須兼顧成本與多模網通支持彈性

因為電表智慧化,不單純僅是將用電計量機制轉數字化、跟電表整合網通功能,而是除了數字化原有的電表架構外,必須針對智能型電表銜接智能電網所需的進階智能與網通功能整合,甚至對于未來智能電網需要的進階多模支持、高靈活性的架構設計,進行電網終端的智能電表開發,而應對智能電表的部署需求,整合智能應用與能適時銜接不同場域的網絡環境,高彈性的設計架構就成為智能電表必須兼顧料件成本與多模支持的最大設計挑戰。

基本上,智能電表本身須定位在實用基礎、同時具成本效益、滿足現在與未來應用需求的系統架構,若以智能電網的網絡架構觀察,新一代智能電網所需的多模(Multi-mode)架構支持,對于實際部署智能電表的現場工作相當重要,因為實際進行電表部署時,若是傳統電表,只須使用常規計量裝置便可支持不同裝設環境、場域的電表設置需求,但智能型電表的裝設條件卻大不相同,因為實際裝設時會遭遇到設置現場支持的基礎建設條件差異、網通質量、地理環境與是否需因地制宜的設置差異,導致安裝需求產生差異。

部署智能電表 選用連網技術需因地制宜

為了便于部署智能電表,較合宜的方式是在電表設計部分,即整合可因地制宜的彈性多模網通技術支持功能,例如可以應對家用局域網絡(Home Area Network;HAN)、建筑局域網絡(Building Area Network;BAN),或采用短距離無線網通標準,如藍牙(Bluetooth)、無線局域網絡(Wi-Fi)、Thread或ZigBee網通方案,甚至直接銜接家庭的電力線載波(Power Line Carrier;PLC)或鄰近局域網絡(Neighborhood Area Network;NAN)、使用基于GPRS/3G/Lte(Long term evolution)銜接的機器對機器(Machine to Machine;M2M)通訊網絡支援。

在實際部署智能電表,可能選用的網通方案甚至還會有MTC(machine type communications)、NB-IoT(NarrowBand IOT)、LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)等網絡拓撲選項,銜接云端系統透過網絡擷取終端數據,甚至還會實行PLC、IEEE 802.15.4g等將區域內的智能電表節點進行數據聚集點(Data Aggregation Point;DAP)整合,再將區域DAP的數據透過如GPRS/3G/LTE MTC等無線數據傳輸通訊架構的M2M網通方案,將區域DAP數據轉送到數據中心或云服務進行再處理。

高擴展性、高彈性網通連接設計 可簡化部署難度與降低成本

為了將電表部署時間、成本壓低,較合宜的方式為將智能電表采取更彈性、高擴展性的方向整合,讓第一線的部署電表工程可以因地制宜進行最適當的網通連接整合,而電表的對應解決方案就必須針對不同網通架構支持預留足夠的靈活彈性,才能在實際安裝部署上應對多元的網通技術標準。

而且,除了標準支持可能還不夠,網絡通訊技術可能一個季度就有跳躍式的改版進展,除了硬件架構方面的多標準支持彈性外,在網通技術的軟件、韌體支持與擴充性,必須在考慮硬件支持彈性時一并考慮,尤其在較新穎的網通技術,如電力線網絡等,在標準異動頻繁下,智能電表的網通整合支持必須具備應對通訊協議改版的彈性,以便減少后續系統維護或擴充上的成本開銷。

另一個關注重點則是在智能電表所建構的網絡下,如何在電表終端擴充對應的系統維護機制,透過更智能的遠程監控、軟件/韌體升級,簡化維護電表終端的維護程序甚至降低維運成本,是導入智能型電表的重要考慮。例如,對應智能電表可能應對服務或是家庭用電配置調整需求,而需要在電表端的軟件/韌體進行更新時,則需要避免外派專員進行手動更新,而應該開發對應的遠程維護系統與軟件更新機制,透過后臺排程規劃自動化進行區域電表的核心系統更新,此外,維護平臺的網通傳輸必須針對網絡通訊環境可能存在的安全隱患,進行防毒、防駭與防止阻斷式攻擊影響監控終端的數據傳輸,必須在設計時間進行整體考慮,或提供對應網絡安全方案為后續擴充應用。

智能電表終端之所以在網通功能整合方面,仍未能有一套完整的互通標準,其實并非無標準可依循,而是針對智能電網的通訊應用至今仍未有一套通用的標準可選,反而是因地制宜選用部署環境或區域最有效益的網通方案進行整合,作為電表節點整合的方向。

智能電表功耗要求高 成本亦不可差距過大

另一個智能電網發展下的電表終端設計考慮,會將重心放在壓低智能電表本身的功耗、制作料件成本方面,也就是說電表終端在運行過程中幾乎超過九成的時間都處于閑置,因為在電表整天運行狀態下,只會進行用電配置與電力用量的數據采集,除非進行電表軟件/韌體更新,或是智能電表向中央服務器交換信息進行密集網絡通訊,才會有較高耗能產生,但畢竟智能電表對比傳統電表必須在不增加過多額外功耗下、提供進階智能電網衍生的智能電表應用外,對于組構電表本身的零配件必須壓低成本,才能在市場有足夠的競爭能力。

以現有智能電表設計觀察,如果數字電表本身為實行兩個3號電池供電的話,至少智能電表需維持5年以上不接市電便可運行的省電能力,同時針對閑置與尖峰用電期間,都能維持優化的耗能要求。在成本方面,傳統與智能電表使用的料件有極高近似,智能電表僅多了用電數據采集、網絡鏈接模塊與可程序化的智能運行模塊會產生能耗,若能導入優化耗能的微控制器系統,將可發展極低功耗的智能電表的終端發展平臺,一般若采低成本微控制器實踐智能電表設計,成本約在20美元上下。

電表多模整合應用成為趨勢 無縫銜接智能家庭應用

而為了迎合低成本、多模支持、彈性支持最新穎的通訊協議要求,在整合多模網通技術支持方面,常會因為需要多組通訊模塊整合,才能達到設計要求。但問題來了,為了應對多支持的網通架構,反而要組構不同的網通硬件應對其實是相當不智的,反而使用可軟件定義的調制解調器(SDM)與預留高擴展性的網通連接模塊,對于智能電表產品面對多種網通應用整合,規劃與部署會更有效率、并降低成本。

智能電表的多用途應用亦是一大技術門坎,隨著電表智能化整合方向,居家的各種資源儀表會朝向整合或依附在智能電表下提供原有計測應用,例如智能電表結合水表計測、燃氣計測、暖氣計測等應用,這類模擬儀表僅需依循原有計測架構,將采集數據轉換成數字化透過智能電表數據處理架構匯整,定時傳回后端數據庫,等于一次性將家庭電量、水量、燃氣用量等資源使用狀態全部數字化處理,而這些資源用量本身的數據量每日僅數字節,為了單一資源計量需求開發智慧采集儀表其實并不劃算,讓這些家庭資源耗用計量統籌以智能電表匯整后送數據,成為目前智能電表開發重要方向之一。