智能电网中的智能设备设计与连接分析

智能电网有望改变游戏规则，但新游戏的规则仍在编写中。迅速发展的智能电网基础设施有望降低成本并支持各种创新的消费，工业和嵌入式设备。

智能电网有望成为整个电子行业的游戏规则改变者，包括消费者，工业和嵌入式所有类型的设备。创新是由价值驱动的，要么是因为新产品降低了现有技术的成本，要么是因为它提供了用户愿意支付的新功能。虽然消费者是否愿意为新功能支付高价并不总是可以预测，但降低运营成本的前景始终具有吸引力。

考虑照明自动化行业。十多年来，远程控制房屋中的每盏灯都已成为可能。高端系统提供每个消费者都希望拥有的功能，而不是以最有能力或愿意支付的价格。 X10技术为照明自动化提供了一种经济有效的方法，但其不可靠性使得消费者不感兴趣。因此，家庭照明自动化市场经历了有限的增长。随着智能电网技术的发展，首要关注的是通过智能监控和管理功耗来实现显着的成本节约。只需几美元，设备就能够准确地测量功耗，并根据电源可用性和基于时间的定价层自行打开和关闭。然而，随着智能电网的部署，它还将带来一个基础设施，可以轻松支持各种自动化功能。

智能电源管理的最佳选择是消耗大量功率并且相当的设备自行决定何时使用。家庭和企业中的主要电力消费者通常是HVAC（加热通风A/C）系统，其次是具有电动机和电源（例如洗衣机和干衣机）的电器。像冰箱和炉灶这样的物品可能消耗电力，但在使用时不是随意的，因此对它们的智能化需求则相关性较小。

推动采用智能电网技术的其他主要趋势包括：

更有效地管理电网电力：

电力容量继续超过功耗增长。建造新的电源是非常昂贵的，并且公用事业公司希望尽可能长时间地推迟。另一种方法是更好地管理峰值功率负载。这可以通过各种减载和需求响应程序来实现;例如，如果消费者允许其公用事业公司在高峰使用时间内控制其恒温器，那么消费者将获得折扣或价格优惠。

通过可见性为消费者带来能源意识：

对于大多数人来说，功耗是邮件中每月一次到达的单个号码。当人们不知道何时或如何使用电源时，很难尝试对一个人的使用负责。通过提供对家庭和企业使用模式的实时可见性，消费者可以主动分析并减少他们的消费。

使设备能够监控其使用情况并支持远程管理：消费者可以访问能源信息，首先必须收集。虽然许多功率计现在跟踪使用情况和时间，但他们只能看到总功耗（见图1）。由于没有跟踪特定设备，消费者无法判断使用量是否来自冰箱，热水浴缸，烘干机或空调设备。

图1：由于没有旋转轮，智能电表可以跟踪使用情况和时间。但是，它们仅限于测量总功耗，除非设备支持智能功率跟踪和自我监控。

在整个家庭内外共享能源信息：当用户可以跟踪整个家庭的用电量时，他们可以做出更明智的选择（即，将使用时间转移到较低价格等级的时候）。存在两个主要障碍：如何在整个家庭中共享信息以及如何将这些信息传输到互联网云上。

随着电动汽车进入电网管理不断增加的负载：电动汽车需要大量的电源，大多数司机将在下班回家时将车插入。问题在于邻域层面的问题：在同一变压器上同时充电的几辆车的存在可能给公用事业公司带来许多问题。当使用率趋于最低时，充电负荷可以在整个晚上分散，而不是升级设备。

跟踪和自我监控

准确跟踪电力使用和模式需要在电器本身。计量IC降低设备电流以测量能耗并将此信息提供给设备的主处理器。计量设备的主要成本驱动因素之一是需要多少精度。对于某些设备，如智能电表本身，动态范围会影响精度，因此需要更高分辨率的ADC。对于在明确定义的范围内运行的系统，较低分辨率的ADC可能就足够了。

自我监控的一个好处是能够对设备操作进行分析。通过足够的准确性，设备可以识别出其性能下降并警告所有者需要进行维修以避免系统故障。 Microchip，意法半导体和德州仪器等主要智能电网厂商提供各种计量IC，以支持其广泛的智能电网组件产品。低端应用的IC起价为1美元，高电流和高精度应用的IC最高可达20美元。为提高效率，设备还需要支持需求响应事件，并积极协助消费者根据分层费率做出使用选择。传统上，必须手动调整家用HVAC系统以反映定价层。当恒温器连接到智能电表时，可以下载实时汇率表并自动调整使用率。当峰值需求高时，恒温器可以调节到更高的温度，甚至可以由公用事业公司直接关闭。注意，诸如冰箱，通信设备（电话，路由器，计算机），尤其是医疗设备之类的设备不能被任意关闭。只有以这种方式管理连接到智能电网的设备。

自我监控还可以实现更精细的控制。智能恒温器（见图2）可以让消费者编制更复杂的时间表，甚至可以分析用电量，以确定当前是否有人在房屋或建筑物中，而不是仅支持工作日或周末设置的控制以降低编程复杂性。

图2：智能恒温器可以对供暖和空调系统进行智能管理，例如允许公用事业公司在高峰需求期间调整使用率。

设计师还需要考虑到某些设备需要的事实比简单地关闭更优雅地管理。例如，考虑作为需求响应事件的一部分在周期中关闭的洗衣机。除非仪表还能告诉洗衣机重新打开，否则衣服将在水中放置数小时。优选地，垫圈可以在关闭之前排出。洗衣机还应该有一个漂白指示器，以便洗衣机可以拒绝关闭，以防止衣服在消费者返回家中的几个小时内被破坏。或者，人可能正在为重要会议清洁衬衫并且需要能够覆盖需求响应机制。这些是制造商需要预测的各种问题。

连接

实时跟踪电力使用的一部分理念是提高消费者的消费意识，无论是按金额还是按时间。当前的计费系统每月一次为消费者提供一个消费号码，使得即使在没有充电时也难以识别即使是立体声留下的简单低效率或者使用电力的寄生墙式充电器。实时跟踪允许消费者通过剖析家中主要电力设备的使用情况来发现这种能量消耗。如果未计入使用的总数 - 即房屋中的所有其他电器和电子设备 - 很高，这将通过改变使用习惯提醒消费者潜在的改进区域。

提供远程访问和其他自动化功能，家电需要有一个到家庭网络和互联网的链接。作为家庭网络网关的候选人包括智能电表，单独购买的能源监控器或恒温器（因为它已连接到家中最大的耗电设备）。

家庭网络需要连接技术价格低廉，易于使用，可扩展且节能。最常见的智能电网应用包括：

ZigBee：ZigBee将自己定位为事实上的智能电表标准，声称其存在于绝大多数部署的智能电表中。 ZigBee提供智能能源和家庭自动化配置文件，定义设备如何与仪表相互通信（参见图3），简化了与家庭网络的集成。

图3：ZigBee的智能能源配置文件提供了一种通过智能电表连接家庭设备的有效方式，并允许公用事业公司整合能源数据。

Wi-Fi：作为无线技术，Wi -Fi具有巨大的安装基础，在大多数家庭中随时可用作互联网连接，并且对消费者来说是熟悉的。连接到支持Wi-Fi的设备与配置无线打印机一样复杂。然而，在某些圈子中，这被认为太复杂，并且需要一种不需要配置的技术。

电力线通信（PLC）：PLC为设备提供有线连接。由于它通过电力线运行，所有主要设备都已连接到智能电表。

专有：专有无线连接往往支持自动配置，并且风险较低，无法推向市场。但是，它们需要更多硬件，成本高于标准技术，并且往往具有有限的可扩展性。从技术角度来看，没有明显的获胜技术。今天的许多芯片供应商都提供各种现成的连接接口。可以使用所有必需的软件，硬件和功能（例如加密）。这些供应商不支持一种标准，因为它们销售其中几种。根据协议的不同，开发人员甚至可以在接口之间进行迁移，只需对系统设计进这使得制造商可以根据最终产品可以容忍的成本和复杂性来支持不同的连接选项。

所有这些技术很可能在同一家庭或企业中用于连接各种设备。 ZigBee似乎在集成到许多智能电表架构中具有明显的领先优势。然而，有人担心可能存在距离仪表或其他ZigBee节点太远的设备以实现可靠的连接。相反，PLC保证连接。一种可能的情况是在仪表中安装ZigBee和PLC PHY。然而，对电表制造商而言，接入电表对于电器制造商来说是一个巨大的挑战。这是因为每个国家/地区使用的实施种类繁多。公用事业公司使用不同类型的仪表，并需要一组不同的API来连接它们。此外，许多公用事业公司还没有激活和打开他们的通信链路供设备使用，从而阻止了仪表被用作能源网关。虽然可以使用独立的能源网关，但它们也支持各种协议。从这个角度来看，制造商将智能电网技术整合到他们的设备中的谨慎是可以理解的，因为目标还没有明确的目标。大多数设备的使用寿命都很长，而提供死端实施可能会损害品牌无论使用何种技术，当连接中断时，设备都需要能够运行。理想情况下，设备会自行跟踪时间，并能够调出最后收到的能源费率配置文件。他们还可能能够预测需求响应事件，以在潜在的昂贵时段期间警告用户。这些都是重要的考虑因素，因为设备制造商将负责能源管理系统的稳健性。

整合

公用事业和制造商的主要设计考虑因素之一是管理和整合能源流信息。从每月一个数据点移动到每半小时几个数据点代表了大量要收集和关联的数据。随着越来越多的设备采用显示器，他们将能够提供自己消费的会计。然而，能量跟踪的大部分价值来自于能够从中心点协调家庭或企业中的所有设备。虽然恒温器，智能电表或中央能量监控器可以作为连接设备的数据网关，但这些设备可能具有有限的显示功能，无法有效传达家中所有设备的信息。

一种方法是支持访问可通过无线链接提供完整配置和UI功能的PC或智能手机。理想情况下，消费者希望远程访问能源信息，要求将信息传递到互联网云。但是，这种方法要求在后端服务器上收集信息。支持这样的服务器可能会给设备设计带来额外的复杂性和费用。此外，为了对消费者最有用，整个家庭的能源信息需要整合到一个管理平台上，这样消费者就不必手动跟踪单个设备。巩固节能也有可能提高消费者对节能的响应能力。例如，一台烘干机说每月节省5美元可能不会给消费者留下深刻的印象，因为看到整个家庭节省的费用是每月40美元。

一些公用事业和能源监控公司选择使用Google Power Meter作为投资的替代方案在建立自己的能源管理平台。 Google Power Meter可直接通过其公用事业公司或通过可单独购买的网关设备为消费者和企业提供支持。作为一个标准化平台，Google Power Meter可以通过提供基于智能能源设计的通用且易于使用的API来促进向消费者能源意识的更顺利过渡。它还消除了公用事业或电器公司开发自己的专有管理平台的需要。

跟踪数据的能力引发了许多问题：能源数据可用于确定人们在他们的房屋中做什么（隐私）以及他们目前是否在家（安全）。尚未解决的一个更棘手的问题是谁在收集能源消耗数据后拥有这些数据。在家中，仪表或能量监视器可以使用标准安全协议和证书来保护家庭网络通信。网关和后端管理平台之间需要采用类似的机制。为了支持安全性，设备还需要一种简单直观的方式与能源网关配对。配对可以通过使用在设备上输入的网关提供的PIN来完成。

智能电网技术仍处于早期阶段。幸运的是，实施智能能源管理所需的基础技术本身已经成熟并且已经在市场上得到证实。制造商面临的挑战在于确定要集成哪些技术以及何时发布它们。已有产品进入市场以支持能源意识，随着家电制造商继续进行试验和测试，更多应添加到商店楼层。智能能源管理的优势如此之高，尤其是具有增强自动化能力的承诺，不久之后，如何连接设备的细节就清晰了。