引言

　　物联网(IoT)会为我们带来一个更加智能的电网，在所有电力基础设施之间 实现更多信息共享和网络接入，并把这些便利性带给千家万户。通过物联网，消费者、设备制造厂商和电力部门可寻找到许多新的方法来管理设备，最终达到节约资 源的目的，并可利用智能电表、家庭网关、智能插座和网络家电来节省电费。

　　本白皮书为您介绍世界上广泛使用的各种智能电网网络接入方法。例如，TI正在开发整套系统解决方案，把硬件(模拟和数字)和软件组合在一起，以克服构建更高智能、更高联网程度的智能型电网时所面临的一些挑战。

　　让电网基础设施、电表、家庭和楼宇通过网络紧密相连

　 　思科2011年的报告称，到2020年，物联网(IoT)的联网设备数量有望达到500亿部，它们将向消费者、设备制造厂商和电力部门提供有价值的信息 资源。在物联网内部，各行各业的设备将通过互联网和点对点连接以及一些封闭网络(例如：智能电网基础设施使用的网络)相互联网。

　　全世界 的注意力都放在如何管理和节约能量与水资源上面，因此物联网也会让智能电网的受益范围扩展至电力部门的配电、自动化和用电监控方面。家庭和商用住宅的管理 系统可帮助消费者监控其用电情况，然后根据需求调节用电行为。通过在用电低峰时段使用电器，并连接传感器对房间使用情况、光照条件等进行监控，这些系统可 以自动地调节用电。但所有这些都需要一个更加智能、与网络连接更紧密的电网。

　　改变电网，面对当今挑战

　 　简单来说，构建一个智能电网意味着在全球人口迅速增长的条件下，使用有限的发电能力来确保我们未来的能源供应。智能电网可降低损耗、提高效率、优化能源 需求分配，同时让大规模可再生能源(例如：太阳能和风能)的获取成为可能。随着电力基础设施的老化，电网正面临严峻的挑战，具体包括：世界主要工业城市经 常出现断电事故;在如印度等国家，超过30%的电能在传输途中损耗掉;在法国和澳大利亚，超过35%的饮用水被浪费掉。

　　我们需要调整和 改变电网拓扑结构，从集中式改为分布式拓扑，这样可以通过一种动态的方式吸收各种能源。另外，还需要追踪实时能源消耗和能源供应需求：使用更多的远程传感 设备，对能源数据进行测量、监控并发送这些信息，用于实现一种可自我修复的电网，增加总效率，并提高自我监控和决断的水平。网络智能电网可搭建起一个通信 网络，把未来所有的各种能源相关设备都连接到一起。TI正在克服许多全球智能电网所面临的挑战，包括构建连接电网设备的系统解决方案，从传输与分配电力基 础设施、电表、水表、气表和热力表，到家庭楼宇自动化，均包含在其中。

　　朝着物联网型智能电网迈出的关键第一步是智能电表的大规模部署。

　　数百万智能电表已经联网

　　在全世界范围内，电表走在了智能表的部署的前端。例如，美国智能电表(e电表)的使用率接近50%，现已将数百万电表连接至电网，并定期传输数据。本质上而言，这些电表正不断扩展其功能，从一种电能测量设备发展成为一种双向通信系统，如图1所示。

　 　现代智能电表必须达到一定的标准，才能在智能电网发展方面发挥重要的作用。首先，电表需要向电力部门报告家庭和楼宇的用电信息。在美国，相应的解决方案 为低功耗射频(LPRF)通信，其使用Sub-1GHz网状网络。但是，根据不同的国家和电网性质，无线解决方案不一定是最佳选择，例如，西班牙或法国使 用的是有线窄带OFDM电线通信(PLC)技术。唯一的通用网络接入方案是不存在的。实现物联网要求更广泛，从有线到无线，有时甚至同时组合两种方案。

　　图1 TI支持多种网络接入方案的智能电表

　 　其次，电表需要通过家庭显示器或者网关，为该家庭提供有用的用电信息。这种信息可让消费者调整用电行为，从而缩减电费。在美国，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee标准，并结合“智能能源”应用规范。英国或者日本等其他国家，正在评估Sub-1 GHz RF或者PLC解决方案以实现更大覆盖范围，或者混合使用RF和PLC。因此，本质上来说，电表正变成智能传感器，它们可以向室内和室外同时传输信息，使 用网状网络相互连接，同时向电力部门报告基本的用电数据。

　　对于电表厂商而言，转向智能电表对电表拓扑结构有巨大的影响，如图1所示。在 进行用电测量的计量段顶部，现在集成了一些无线电或者PLC解决方案。有时，还具有预付和近场通信(NFC)功能。主微控制器(MCU)的需求正在发生变 化，要求它们拥有更大的内存、更方便的联网方式以及通信协议的安全性。另外，智能电表的MCU还需要支持许多高级功能，例如：动态计价/需求响应、远程连 网与断网、网络安全、无线下载和安装后升级功能，这样电力部门便无需派出技术人员前往查看每一个电表。

　　TI 已经提高了其现场测试计量评估套件的可用性，并扩大其计量IC的产品线，让它们内存更大、安全性和精确度更高。例如，作为其MCU产品组合的一部分，TI 新的多相电表工具包基于msp430f6779">MSP430F6679 SoC，为广大开发人员提供一流的精确度、更大的集成内存和更先进的防篡改保护。这些SoC所实现的电表精确度达到甚至超过了世界许多智能多相电表的许多 标准，包括IEC 62053-22和ANSI C12.20 Class 0.2标准。另外，高达512KB的集成闪存内存可实现更多复杂的电表功能，例如：动态计价表、DLMS/COSEM或者网络接入堆栈。

　 　TI 致力于满足不同网络接入解决方案的需求，为智能电网网络接入提供业界最为丰富的产品组合，包括Sub-1GHz、2.4GHz、Wi-Fi、 ZigBee、NFC和PLC等。除为各主要PLC联盟的积极创立成员以外，TI还利用其丰富的专业知识和大量现场试验，开发出业界第一个PLC器件，在 同一块芯片上同时集成了对PRIME、G3和试行版IEEE P1901.2窄带OFDM PLC的支持。该器件让开发人员可以轻松地开发出面向未来需求的智能电表，其可以通过全世界任何国家的现有输电线高效地传输数据。如“智能电表板3.0” 视频中所展示的那样，TI提供许多独特的系统解决方案，它们把模拟和数字硬件组件与相关软件堆栈组合，以支持世界各种智能电表架构。

　　下一步是智能电表的部署

　 　尽管网络型计量表的部署最初始于电力行业，但流量表市场(气、水、热和暧气使用分配器)也正获得发展的动力，在不远的将来，有望会部署数百万台这类设 备。派克研究公司2012年报告预测，全球智能水表保有量不断增长，到2017年，将从2011年的1030万台增长近2倍至2990万台。对于气表更是 如此，其年出货量将从2010年的190万台，增加至2016年的780万台(派克研究公司2011年报告)。欧洲《能效标准》(EED)推动发展 “20-20-20”计划，其目的是解决这个行业长期面临的挑战，维持低成本、安全和可持续的能源供应。作为该计划的组成部分，20%的能效目标正推动英 国(部署数量最多，达2200万台)等国家大规模使用智能气表，而意大利(2100万台)和法国(1100台)则紧随其后(数据来源于2011年范●戴克 公司和2010年因创公司报告)。

　　另外，从简单计量表转向智能流量表涉及通信和跨设备网络连接。

　　图2 TI拥有多种网络接入方案的智能流量表解决方案

　 　图 2显示了一个通用流量表拓扑的不同网络接入方法。LPRF无线电通常用于电池供电型气表或者水表，与另一个网状网络内计量表或者传统有线解决方案(例如： 有线MBUS)顶部数据采集器之间通信。这种计量表还可以接收价目表信息、固件更新或者关闭阀门激活指令，其通常与预付功能(有时基于NFC系统)一起使 用。电池预期寿命从10年到15年以上不等，这给流量表制造厂商带来了一个挑战。使用正确的电源设计来维持规定功率输出和无线电性能，并且电池不出现漏电 现象，这样便可在系统层解决电源需求问题。例如，把TPS62730降压转换器和MSP430微控制器一起用于TI不断增长的Sub-1GHz wM-Bus解决方案系列产品，例如：SimpleLink CC1120 RF收发器，便可完美提供业界最佳的选择性和阻隔性能。这种系统级解决方案还拥有最低的系统功耗，保证计量表在户外工作许多年，无需更换电池。

　 　流量表或是任何电池供电型终端节点(例如：无线传感器)的网络接入功能，都要求把模拟及数字硬件与软件相结合的系统级方法。例如，TI已经演示过，使用 结合了RPL路由协议的TSCH和IPv6的 802.15.4e MAC层，可极大提高传感器网络应用的寿命、可靠性、覆盖范围和可扩展性(请参看视频)。物联网要求给未来网络设备带来了冲击，但是设备和应用决定了物联 网的可行性。

　　除此以外，模块化、更具风险规避能力的方法往往带来更高的材料费用(BOM)，而设计复用可为那些面向多个市场的 复杂智能计量表设计带来节省成本的可能性。例如，使用基于超低功耗MSP430F5435A MCU的相同MCU平台，面向Sub-1GHz和2.4GHz市场，或者使用基于TI的SimpleLink CC1200 Sub-1GHz收发器的相同RF模块，同时用于气表和水表解决方案。IC供应商通常还会提供引脚兼容型MCU或者RF系列产品，其拥有更大的内存及 (或)更高的系统性能(Stefanov公司2012年报告)。这些灵活性可极大减少后续设计修改所需的资源。对于计量表制造厂商来说，这就意味着更低的 制造成本以及更大的投资回报。对于智能电网而言，它还意味着更快的网络接入设备部署，符合相关规定，并且标准也已确定。

　　规定和标准是大规模部署网络设备的关键所在

　 　规定影响智能计量表使用率和确定计量表功能的规范。例如，美国国防部似乎正在寻求取得由总务管理局(GSA)负责管理的政府基础设施，意在获得联邦预算 费用。与美国一样，中国大陆也正通过启动“智能城市”项目，以在节能方面发挥核心作用。特别值得注意的是，Sub-1GHz频带更适合于大型公寓楼的信号 覆盖。

　　标准保证多个厂商产品之间的通用性，让大规模部署成为可能，并让智能电网成为现实。例如，今天的窄带OFDM输电线通信 标准，PRIME联盟在西班牙和波兰推出全智能电表(重要的试验项目)，而G3-PLC联盟则在法国、荷兰、日本和其他国家做同样的事情。就流量表而言， 无线MBus169MHz通信标准现在在欧洲已成熟，并正在法国和意大利实施大规模气表部署计划。

　　与此同时，各种标准不断发展并且获得 实现(硬件和软件)，而紧跟发展的步伐至关重要。例如，为了促进输电线通信在全球范围的发展，并为智能电网开发商们提供面向未来需求的设计，TI利用其丰 富的专业知识和现场试验，开发出业界首款PLC器件，在同一块芯片上实现了对PRIME、G3和试行版IEEE P1901.2窄带OFDM PLC的支持。

　　在RF方面，英国能源与气候变化部(DECC)现正致力于其第二版《智能计量设备技术规范》(SMETS)。根据第二版 SMETS，建议把2.4GHz和 868MHz(ZigBee SEP v1.x为气表建议应用层)作为英国的RF通信标准，同时继续开发和部署2.4GHz计量表，因此未来另外还需支持868MHz计量表的可能性增加了面向 未来需求的智能计量表的设计复杂度。

　　今天，为了让智能电网成功联网，必须符合规定标准。作为主要PLC联盟的创立成员之一，TI正积极 参与各种标准组织，包括ZigBee、WISUN、IEEE 802.15.4g等，目的是为客户提供领先的硬件和软件解决方案。各种标准和规定，让软件和通信堆栈可用性变得对智能电网和物联网至关重要。

　 　今天，数百万的计量表已经联网，并且网络型电网的发展动力正不断增长。但是，为了发挥其最大潜力，构建网络型智能电网的第一步是从机械计量表转变为智能 电子计量表，以在计量表和公共服务供应商之间建立起双向通信。不断变化的规定和标准正推动这一发展趋势，但同时也强调了硬件和软件灵活性的重要性。第二步 是，电网基础设施的自动化，通过在配电站之间建立通信网络，连接输电和配电。