基于通信能力的智能電網(wǎng)改進與發(fā)展

　　全球正在開展大量活動來升級電網(wǎng)，使電力能以更有效、更可靠、更環(huán)保也更經(jīng)濟的方式傳輸。其中包括升級電網(wǎng)發(fā)電、輸配電和計量部分所用的各種設備和技術。這些升級活動的一個重要方面是在各種監(jiān)控和計量設備中加入通信能力。目前有多種無線和有線通信技術在世界各地進行評估和部署。RF通信已成為許多地區(qū)和應用的首選技術，但也面臨著自己的挑戰(zhàn)。

　　在電網(wǎng)中加入通信能力的一般原則是在網(wǎng)絡中的發(fā)電點、輸配電點和用電點之間提供雙向通信。為使電網(wǎng)更高效地運作，這種通信鏈路是至關重要的工具。然而，RF技術最初采用時并不是出于此目的，其初衷是讓電表、水表和煤氣表的抄表工作自動化，從而不需要通過人工來記錄消費數(shù)據(jù)。

　　這種自動抄表（AMR）系統(tǒng)旨在支持從電力公司到消費者的單向電力流。AMR系統(tǒng)還向電力公司提供單向信息流用以計費，并在一定的時間內(nèi)傳輸用電信息。數(shù)據(jù)速率很低，傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量也很少，每月通常不到1 kb.目前大約有1.5億只在用的電表、水表和煤氣表具有通信能力，其中大部分具有這種低數(shù)據(jù)速率、單向通信能力。

　　在多種力量的共同推動下，一種與上世紀所開發(fā)的電網(wǎng)截然不同的新型電網(wǎng)已浮出水面。隨著全球電力需求迅速增長，以及人們減少對化石燃料依賴的強烈愿望，新一代能源將越來越多地來自可再生能源，如風能和太陽能等。美國能源部預測，未來25年全球電力消耗增長將超過80%，可再生能源將成為第二大發(fā)電來源（見圖1）。

　　與傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電廠相比，風能和太陽能發(fā)電更加難以預測，因而其管理系統(tǒng)也更加復雜。此外，來自電動汽車的電力需求預計會大幅提高，這會導致需求量不均衡。最后，為了減慢電力需求的增長速度，企業(yè)和家庭用戶需要通過新的方式來管理用電。

　　因此，我們需要一種擁有更高層次測量、通信、控制和保護功能的“智能電網(wǎng)”?！爸悄茈娋W(wǎng)”的功能遠不止是抄表，它還可以運用雙向信息流讓通信變得更加頻繁。在智能電網(wǎng)的支持下，許多功能將得以實現(xiàn)，包括：

　　●平衡集中式發(fā)電廠的發(fā)電量

　　●優(yōu)化電力配送

　　●改善電力質(zhì)量監(jiān)控和停電響應

　　●支持對最終用戶的負荷量進行控制

　　●實現(xiàn)按天計費制

　　●兼容多種能源，包括再生能源

　　●支持遠程連接/斷開

　　●向消費者實時反饋其需求曲線

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　　一旦這種通信方式部署到位，電力公司和消費者就可以合作降低耗電量，提高電網(wǎng)的效率和可靠性，支持電動汽車和再生能源的更廣泛使用。

　　驅(qū)動智能電網(wǎng)發(fā)展的要求和挑戰(zhàn)

　　智能電網(wǎng)計劃已經(jīng)啟動，并且設定了一系列宏大目標。許多情況下，為了實現(xiàn)這些目標，在我們尚未充分了解相關問題及其解決方案之前，需要構(gòu)建一個基礎設施來解決現(xiàn)有的問題并迎接將來的挑戰(zhàn)?！懊绹茉椽毩⒑桶踩ò福?007）”針對智能電網(wǎng)列出了10多個關鍵政策目標，其中既有籠統(tǒng)性的目標，例如“利用數(shù)字技術提高電網(wǎng)的可靠性、安全性和效率”，也有更為具體的目標，例如“采用自動化計量、電網(wǎng)運作和狀態(tài)管理以及分布式電網(wǎng)管理”。根據(jù)這些目標，期望中的電網(wǎng)應能整合分布式可再生資源，落實需求響應資源，支持電力儲存，支持插電式電動汽車，集成“智能”電器和其它設備以向消費者提供及時用電信息并允許其加以控制。

　　除了這些挑戰(zhàn)以外，并存的風險要求我們制定網(wǎng)絡安全和互通標準。這些標準將使得電力公司初期部署的網(wǎng)絡基礎設施有能力兼容將來由許多公司開發(fā)的數(shù)以百萬計的互連設備。但這數(shù)以百萬計能夠輕松互連的節(jié)點，其中一些還能關閉或接通家庭和變電站的電源，或者向電網(wǎng)增加難以掌控的負荷，無疑會令人們擔憂心懷不軌者可能通過惡意攻擊而使嚴重依賴電力的國家癱瘓。除了這種廣泛的風險之外，還存在對個人隱私的擔憂。有人認為，對能源使用情況的持續(xù)跟蹤是在人們的家庭和生活中打開的又一扇不受歡迎的數(shù)字窗戶。

　　所有這些目標和風險加在一起，代表了一個復雜的閉環(huán)系統(tǒng)問題。如果只比較智能電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)或蜂窩網(wǎng)絡各自所需的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)有通信技術似乎綽綽有余，但真正的挑戰(zhàn)在于壽命、可靠性、成本和未來需求之間的平衡。智能電網(wǎng)對于電力公司和政府來說將是一筆巨大的投資（Pike‘s Research估計到2015年全球累計支出將達到2000億美元），而且電力公司對設備的投資還會持續(xù)20年甚至更長的時間。這些通信系統(tǒng)要求能夠適應未來的發(fā)展，設計留有足夠的余量，應考慮到10年后可能出現(xiàn)的問題。電力公司和設備供應商需要不斷比較和權衡當前的實施成本與未來相對模糊的需求。

　　智能電網(wǎng)通信：多個互連網(wǎng)絡

　　由于智能電網(wǎng)將不同發(fā)電形式之間的雙向通信擴展到電力消費者，因此它會涉及到多個具有不同控制、測量、數(shù)據(jù)記錄、保護和優(yōu)化程度的系統(tǒng)。主要的系統(tǒng)可以分為以下組別：1） 輸配電現(xiàn)場和廣域網(wǎng)絡；2） 連接到數(shù)據(jù)采集器或網(wǎng)絡接入點的智能表計；3）連接到家用電器或充電站的智能表計（見圖2）。

　　智能計量通信：投資的主要部分

　　以智能計量為中心的通信系統(tǒng)吸引了最多的目光，成為不同技術的必爭之地。美國的潛在表計更換量超過1.4億只，全球超過10億只，因此智能表計代表了智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的絕大部分節(jié)點，大部分成本都集中于此。

　　世界各地不同程度地采用了兩種主要的競爭技術：RF和電力線載波（PLC）。北美市場以RF解決方案為主。由于免執(zhí)照高功率ISM頻段中存在可用的頻譜，并且每個變壓器對應的表計相對較少，因此一般來說，RF解決方案在北美市場能以較低的成本進行部署。

　　智能計量RF通信技術使用現(xiàn)狀

　　進一步分析目前用來連接表計與電力公司的RF系統(tǒng)，我們會發(fā)現(xiàn)另一層次的競爭技術：網(wǎng)格系統(tǒng)和星型系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)試圖通過不同方式應對智能計量的RF挑戰(zhàn)。

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　　將數(shù)百萬只表計連接到電力公司是一個巨大的挑戰(zhàn)。僅就美國而言，連接現(xiàn)有表計意味著需要創(chuàng)建超過1億個預定位置的RF鏈路。其中許多位置處在對RF通信不利的環(huán)境中，例如地下室和混凝土墻后面。還有許多位置是在RF干擾源眾多且不斷變化的城市區(qū)域。

　　網(wǎng)格系統(tǒng)通過相鄰表計為單只表計創(chuàng)建多條連接到一個中心采集器的較短路徑，中心表計充當電力公司廣域網(wǎng)的網(wǎng)關。目前有多家供應商提供網(wǎng)格系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)速率通常為100 - 150 kbps，采用FSK或擴頻調(diào)制方案，一般工作在以915 MHz為中心的ISM頻段，信道帶寬為50 - 200 kHz.

　　星型系統(tǒng)主要使用特許執(zhí)照頻段中的窄帶信號來連接相距較遠但數(shù)量較少的中心采集器。中心采集器所需的數(shù)量較少，位于山頂或高樓樓頂?shù)纫暰€清晰的位置，但其發(fā)射功率較高。星型系統(tǒng)通常采用FSK調(diào)制，其數(shù)據(jù)速率低于帶寬較寬的網(wǎng)格系統(tǒng)。除了所需中心采集器的數(shù)量較少外，星型系統(tǒng)的擁護者還提出它具有帶內(nèi)頻譜無干擾和網(wǎng)絡協(xié)議更簡單的優(yōu)勢。

　　智能計量RF網(wǎng)絡：在受干擾限制的環(huán)境中如何成功部署

　　在美國，ISM頻段和特許執(zhí)照頻段均已變得非常擁擠。對于網(wǎng)格系統(tǒng)和星型系統(tǒng)，這都意味著干擾是必須攻克的中心挑戰(zhàn)。大規(guī)模計量網(wǎng)絡的部署會明顯顯著提高頻譜擁擠程度，因為系統(tǒng)的最大干擾源可能正是系統(tǒng)本身。

　　這種擁擠會給無線電和網(wǎng)絡要求帶來嚴重影響。例如，良好的空閑信道評估（CCA）和跳頻程序可以簡化空閑信道的查找。提高數(shù)據(jù)速率可以縮短各節(jié)點的傳輸時長，但其代價是鏈路裕量減少。對于無線電，這種擁擠還意味著阻塞和鄰道抑制常常比接收靈敏度更緊要。

　　如上所述，計量基礎設施的主要挑戰(zhàn)在于表計的位置是固定的。它不像家用無線路由器，可以通過調(diào)整方向、高度或位置來解決干擾問題。此外，為了適合現(xiàn)有表計外殼，表計通常需要進行改裝，因此幾乎或根本不存在為增強RF性能而改變封裝的靈活性。表計一般固定在離地僅一米左右的厚鋼筋混凝土墻上。簡單的視線模型難以有效地描述信道。

　　需要注意的干擾源因頻段和地區(qū)的不同而異。在美國，特許執(zhí)照頻段和ISM頻段系統(tǒng)均存在重大干擾源。常見干擾源包括電視白帶信號、蜂窩載波和工作在同一頻段的其它設備，這些設備可能是、也可能不是同一系統(tǒng)的一部分。就數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)、調(diào)制方案選擇和發(fā)射頻譜符合FCC原則的程度而言，工作在同一頻段的設備可能不是按照“和平共處”方針進行設計的。

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　　對于已經(jīng)部署的80%到90%的表計來說，通信相對較為容易。其余的10%到20%表計因為地理位置、物理對象、嚴重的局部干擾或附近噪聲源等因素，面臨著嚴峻的RF挑戰(zhàn)。由于無法移動存在問題的表計，系統(tǒng)層面的解決方案只有增加數(shù)據(jù)采集器或中繼器，增加PLC或蜂窩等輔助替代通信設備，或者增強無線電性能。廣泛存在的計量基礎設施最終必須極其魯棒，提供100%的覆蓋率。聯(lián)系實際來說，大規(guī)模部署的電表數(shù)量可能是500萬只，如果覆蓋率只有99%，那么將有5萬只電表無法讀取。

　　無線電架構(gòu)和設計

　　典型的無線電模塊包括一根天線、一個用于更高輸出應用的外部功率放大器、一個RF頻段選擇濾波器、一個無線電IC、一個通信處理器和多個用于匹配和旁路的分立元件。許多模塊還包括一個外部低噪聲放大器（LNA），它通常與前端模塊（FEM）中的外部RF頻段選擇濾波器、開關和放大器封裝在一起。由于表計外殼和表計本身位置的物理限制，天線常常處在非最佳位置，或者內(nèi)置于表計外殼中。

　　外部RF頻段選擇濾波器，如表面聲波（SAW）濾波器等，常用來幫助衰減目標頻段之外的干擾信號。例如，在一個902 - 928 MHz系統(tǒng)中，該濾波器將幫助消除850 MHz蜂窩頻段、896-901/935-940 MHz陸地無線電特許執(zhí)照頻段和901 - 902 MHz Part 24個人通信服務（PCS）頻段中的干擾。典型RF頻段選擇濾波器可以將干擾信號衰減30 dB到60 dB，具體取決于濾波器的質(zhì)量、干擾信號的頻率以及信號與通帶的接近程度。

　　任何收發(fā)器設計都必須針對各種性能參數(shù)、成本和功耗等，做出架構(gòu)和設計上的許多權衡。計量通信環(huán)境涉及到的許多性能挑戰(zhàn)可以通過投入更多資金或功耗（電壓和/或電流）來緩解。然而，電力公司難以找到理由來部署大規(guī)模固定網(wǎng)絡系統(tǒng)，而且增加成本可能不是一個可行的選擇。

　　增加功耗會引起更復雜的爭論。許多無線電模塊既能在線路供電的系統(tǒng)中工作，也能在電池供電的系統(tǒng)中工作，而功耗主要由電池供電要求決定。電表中的大多數(shù)無線電模塊具有“最后一息”能力，即使主電源喪失，模塊也能工作一定的時間，因此無線電功耗要求是決定這種能力所需電荷儲存器大小的主要因素。此外，功耗的任何增加都要乘以部署的規(guī)模。以上述500萬個節(jié)點為例，假設電源電壓為2.5 V，電流增加相對較小的量100mA，那么功耗將增加1.25 MW，每天耗電量增加30 MW-hr.

　　在某些計量應用中，固定接收機常常面臨非常強大的電磁場，它會產(chǎn)生50 Hz或60 Hz倍數(shù)的雜散而影響零中頻架構(gòu)，此時低中頻架構(gòu)可能更具優(yōu)勢。表計控制和測量一側(cè)的數(shù)據(jù)速率可能仍然在1 Mbps以下。由于相關的濾波要求可以被看作是窄帶，因此零中頻架構(gòu)將需要同時解決直流失調(diào)和CMOS閃爍噪聲等難題。

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　　示例：相位噪聲如何影響阻塞性能有許多參數(shù)會影響收發(fā)器的阻塞性能。通常來說，窄帶阻塞性能由接收機信道濾波器的抑制曲線決定，寬帶阻塞性能由接收機本振（LO）的相位噪聲性能決定。

　　阻塞通常利用誤碼率（BER）測試來衡量，其方法是將接收機的輸入功率設置在+3 dB的靈敏度水平，然后找出導致BER下降10-3的最大阻塞信號功率。接收機的寬帶阻塞性能可以通過下式估算：

　　MaxBlocker （dBm） = -174 dBm +3 dB + 噪聲系數(shù) – 相位噪聲- 6 dB

　　其中，MaxBlocker指導致BER下降10-3的最大阻塞信號功率（單位dBm）；相位噪聲指接收機的LO相位噪聲，噪聲系數(shù)指接收機的噪聲系數(shù)。表1以對比方式列出了從多家供應商的收發(fā)器相位噪聲性能得出的最大阻塞水平。

　　在這個簡化的示例中，容易看出LO相位噪聲對最大阻塞水平的重要性。在10 MHz偏移時，-142 dBc/Hz的LO性能將產(chǎn)生-30 dBm的最大阻塞水平。

　　相比之下，對于LO相位噪聲為-130 dBc/Hz（同樣在10 MHz偏移時）的收發(fā)器， 其最大阻塞水平為-42dBm.為了實現(xiàn)類似的性能，天線輸入端需要使用外部RF頻段選擇或SAW濾波器來改善阻塞性能。然而，這會提高系統(tǒng)總成本，RF濾波器的插入損耗也會降低接收機的噪聲系數(shù)。

　　無線計量應用還必須考慮接收機的IIP2和IIP3性能，特別是在城市環(huán)境下，其中的高帶內(nèi)和帶外干擾水平可能會在混頻器輸出端產(chǎn)生有害頻譜產(chǎn)物，從而限制接收機的可用動態(tài)范圍。作為器件對雙音干擾的韌性要求的基準，本例所述收發(fā)器的實測IIP2為+18.5 dBm，IIP3為-11.5 dBm，同時功耗保持在12.8 mA的較低水平。此外，片內(nèi)RISC處理器支持片內(nèi)里德所羅門前向糾錯（FEC）功能，這使它對瞬態(tài)干擾或快速信號衰落環(huán)境所造成的突發(fā)類型錯誤更具韌性。

　　相位噪聲的重要性及其對接收機動態(tài)范圍性能的影響，對空閑信道評估（CCA）也有意義。在基于競爭的“先聽后發(fā)”MAC協(xié)議中，表計的接收機會在它要用來發(fā)射的信道上進行功率測量。空閑信道指接收機“看到”的功率測量結(jié)果接近熱噪底的信道。線性度和/或相位噪聲規(guī)格不佳的無線電可能會將大干擾信號看作高噪聲，導致始終不能通過CCA測試。由于這種失敗，嚴重干擾或線性度/相位噪聲規(guī)格不足可能會妨礙某些節(jié)點與網(wǎng)絡通信。

　　總而言之，用于計量基礎設施的多數(shù)收發(fā)器都是在成本和功耗限制范圍內(nèi)提供最高性能，這需要精心細致的設計以及對許多參數(shù)進行艱難的權衡。系統(tǒng)設計人員必須明白，除了靈敏度和信道選擇之外，還要分析接收機的非線性度及其抗干擾能力，并將其視為智能電網(wǎng)無線網(wǎng)絡設計的一部分。

　　影響當前部署的未來問題

　　對AM器件的干擾增加

　　計量通信系統(tǒng)所在的環(huán)境預期會不斷變化。流應用或高集中度需要更高的帶寬，調(diào)制方案將更加復雜，需要大量幅度調(diào)制（AM）器件，因而干擾可能會更加嚴重?？紤]到這些極具挑戰(zhàn)性的干擾，IIP2和IIP3規(guī)格對于無線電和網(wǎng)絡性能將變得更加重要。

　　窄帶越來越窄

　　最近，F(xiàn)CC提高了Part 90特許執(zhí)照頻段的頻譜效率要求，美國的許多計量系統(tǒng)都使用這一頻段。Part 90私人陸地移動服務頻段以前分配有12.5 kHz和25 kHz信道，后來增加了6.25 kHz信道。25 kHz信道正在逐漸淘汰，并且增加了提高頻譜效率的要求，以便支持每6.25 kHz帶寬4.8 kbps的數(shù)據(jù)速率。隨著時間推移，預計全球都會實施更加嚴厲的頻譜效率規(guī)定，迫使業(yè)界使用更加復雜的調(diào)制或更低的調(diào)制指數(shù)。

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　　為新的協(xié)議和安全標準提供更大裕量

　　智能電網(wǎng)的RF挑戰(zhàn)可以概括為預估當前及未來的頻譜挑戰(zhàn)，并且適當?shù)貦嗪釸F器件的性能、功耗與成本。隨著工業(yè)通用的協(xié)議和網(wǎng)絡安全標準日漸被采用，業(yè)界需要更多適應未來發(fā)展的策略，以便擴展到所有資源，包括RF、處理器和存儲器。一個例子是ZigBee SEP 1.0預計會升級到ZigBee SEP 2.0.許多智能表計支持ZigBee認證網(wǎng)絡，使用智能能源配置

　　方案1.0與未來的家用設備通信。新的ZigBee智能能源配置方案2.0正在開發(fā)之中，支持基于IP的尋址，并且重新定義了MAC和PHY之上的各層。電力公司強烈希望部署能夠支持現(xiàn)有SEP 1.0標準的電表，同時希望確保在新的配置方案完成后，電表能夠下載新的配置方案。這只是有關新標準的許多升級要求中的一個示例，所有這些都需要在處理能力和存儲器方面提供更大的裕量。

　　總結(jié)

　　智能電網(wǎng)在技術、市場和社會方面帶來了許多挑戰(zhàn)。RF設計人員必須提出新的優(yōu)化措施，滿足工業(yè)級產(chǎn)品的需求，使其能在日益擁擠的頻譜環(huán)境中數(shù)十年如一日地工作，由此我們將獲得能夠靈活適應電力需求和供應發(fā)展的電網(wǎng)基礎設施。

　　作者簡介：

　　James Frame于1995年、1995年和1998年分別獲得伊利諾伊大學香檳分校電氣工程學士學位、碩士學位和博士學位。他已在ADI公司工作5年，目前是能源部系統(tǒng)應用工程師。此前，他曾作為資深開發(fā)工程師在Advantest America工作過5年。

　　Jeritt Kent擁有愛達荷大學電氣工程學士學位和碩士學位。他已在ADI公司工作11年，目前是工業(yè)和儀器儀表部RF和能源專家。此前，他曾受雇于AllegroMicrosystems，并在American Microsystems Inc.從事過6年的CMOS ASIC設計工作。

　　Ian Lawee 于1988 年獲得賓夕法尼亞大學計算機科學學士和碩士學位，并于1995 年獲得麻省理工學院電氣工程碩士學位和工商管理碩士學位。他目前擔任ADI 公司市場營銷經(jīng)理，負責電能通信、電源和測量IC 的營銷工作。此前，他在半導體測試和測量行業(yè)工作過14 年，擔任過工程和營銷管理方面的多種職位。