基于通信能力的智能电网改进与发展

　　全球正在开展大量活动来升级电网，使电力能以更有效、更可靠、更环保也更经济的方式传输。其中包括升级电网发电、输配电和计量部分所用的各种设备和技术。这些升级活动的一个重要方面是在各种监控和计量设备中加入通信能力。目前有多种无线和有线通信技术在世界各地进行评估和部署。RF通信已成为许多地区和应用的首选技术，但也面临着自己的挑战。

　　在电网中加入通信能力的一般原则是在网络中的发电点、输配电点和用电点之间提供双向通信。为使电网更高效地运作，这种通信链路是至关重要的工具。然而，RF技术最初采用时并不是出于此目的，其初衷是让电表、水表和煤气表的抄表工作自动化，从而不需要通过人工来记录消费数据。

　　这种自动抄表（AMR）系统旨在支持从电力公司到消费者的单向电力流。AMR系统还向电力公司提供单向信息流用以计费，并在一定的时间内传输用电信息。数据速率很低，传输的总数据量也很少，每月通常不到1 kb.目前大约有1.5亿只在用的电表、水表和煤气表具有通信能力，其中大部分具有这种低数据速率、单向通信能力。

　　在多种力量的共同推动下，一种与上世纪所开发的电网截然不同的新型电网已浮出水面。随着全球电力需求迅速增长，以及人们减少对化石燃料依赖的强烈愿望，新一代能源将越来越多地来自可再生能源，如风能和太阳能等。美国能源部预测，未来25年全球电力消耗增长将超过80%，可再生能源将成为第二大发电来源（见图1）。

　　与传统的化石燃料发电厂相比，风能和太阳能发电更加难以预测，因而其管理系统也更加复杂。此外，来自电动汽车的电力需求预计会大幅提高，这会导致需求量不均衡。最后，为了减慢电力需求的增长速度，企业和家庭用户需要通过新的方式来管理用电。

　　因此，我们需要一种拥有更高层次测量、通信、控制和保护功能的“智能电网”。“智能电网”的功能远不止是抄表，它还可以运用双向信息流让通信变得更加频繁。在智能电网的支持下，许多功能将得以实现，包括：

　　●平衡集中式发电厂的发电量

　　●优化电力配送

　　●改善电力质量监控和停电响应

　　●支持对最终用户的负荷量进行控制

　　●实现按天计费制

　　●兼容多种能源，包括再生能源

　　●支持远程连接/断开

　　●向消费者实时反馈其需求曲线

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　　一旦这种通信方式部署到位，电力公司和消费者就可以合作降低耗电量，提高电网的效率和可靠性，支持电动汽车和再生能源的更广泛使用。

　　驱动智能电网发展的要求和挑战

　　智能电网计划已经启动，并且设定了一系列宏大目标。许多情况下，为了实现这些目标，在我们尚未充分了解相关问题及其解决方案之前，需要构建一个基础设施来解决现有的问题并迎接将来的挑战。“美国能源独立和安全法案（2007）”针对智能电网列出了10多个关键政策目标，其中既有笼统性的目标，例如“利用数字技术提高电网的可靠性、安全性和效率”，也有更为具体的目标，例如“采用自动化计量、电网运作和状态管理以及分布式电网管理”。根据这些目标，期望中的电网应能整合分布式可再生资源，落实需求响应资源，支持电力储存，支持插电式电动汽车，集成“智能”电器和其它设备以向消费者提供及时用电信息并允许其加以控制。

　　除了这些挑战以外，并存的风险要求我们制定网络安全和互通标准。这些标准将使得电力公司初期部署的网络基础设施有能力兼容将来由许多公司开发的数以百万计的互连设备。但这数以百万计能够轻松互连的节点，其中一些还能关闭或接通家庭和变电站的电源，或者向电网增加难以掌控的负荷，无疑会令人们担忧心怀不轨者可能通过恶意攻击而使严重依赖电力的国家瘫痪。除了这种广泛的风险之外，还存在对个人隐私的担忧。有人认为，对能源使用情况的持续跟踪是在人们的家庭和生活中打开的又一扇不受欢迎的数字窗户。

　　所有这些目标和风险加在一起，代表了一个复杂的闭环系统问题。如果只比较智能电网与互联网或蜂窝网络各自所需的数据速率，现有通信技术似乎绰绰有余，但真正的挑战在于寿命、可靠性、成本和未来需求之间的平衡。智能电网对于电力公司和政府来说将是一笔巨大的投资（Pike‘s Research估计到2015年全球累计支出将达到2000亿美元），而且电力公司对设备的投资还会持续20年甚至更长的时间。这些通信系统要求能够适应未来的发展，设计留有足够的余量，应考虑到10年后可能出现的问题。电力公司和设备供应商需要不断比较和权衡当前的实施成本与未来相对模糊的需求。

　　智能电网通信：多个互连网络

　　由于智能电网将不同发电形式之间的双向通信扩展到电力消费者，因此它会涉及到多个具有不同控制、测量、数据记录、保护和优化程度的系统。主要的系统可以分为以下组别：1） 输配电现场和广域网络；2） 连接到数据采集器或网络接入点的智能表计；3）连接到家用电器或充电站的智能表计（见图2）。

　　智能计量通信：投资的主要部分

　　以智能计量为中心的通信系统吸引了最多的目光，成为不同技术的必争之地。美国的潜在表计更换量超过1.4亿只，全球超过10亿只，因此智能表计代表了智能电网通信系统中的绝大部分节点，大部分成本都集中于此。

　　世界各地不同程度地采用了两种主要的竞争技术：RF和电力线载波（PLC）。北美市场以RF解决方案为主。由于免执照高功率ISM频段中存在可用的频谱，并且每个变压器对应的表计相对较少，因此一般来说，RF解决方案在北美市场能以较低的成本进行部署。

　　智能计量RF通信技术使用现状

　　进一步分析目前用来连接表计与电力公司的RF系统，我们会发现另一层次的竞争技术：网格系统和星型系统。这两种系统试图通过不同方式应对智能计量的RF挑战。

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　　将数百万只表计连接到电力公司是一个巨大的挑战。仅就美国而言，连接现有表计意味着需要创建超过1亿个预定位置的RF链路。其中许多位置处在对RF通信不利的环境中，例如地下室和混凝土墙后面。还有许多位置是在RF干扰源众多且不断变化的城市区域。

　　网格系统通过相邻表计为单只表计创建多条连接到一个中心采集器的较短路径，中心表计充当电力公司广域网的网关。目前有多家供应商提供网格系统，其数据速率通常为100 - 150 kbps，采用FSK或扩频调制方案，一般工作在以915 MHz为中心的ISM频段，信道带宽为50 - 200 kHz.

　　星型系统主要使用特许执照频段中的窄带信号来连接相距较远但数量较少的中心采集器。中心采集器所需的数量较少，位于山顶或高楼楼顶等视线清晰的位置，但其发射功率较高。星型系统通常采用FSK调制，其数据速率低于带宽较宽的网格系统。除了所需中心采集器的数量较少外，星型系统的拥护者还提出它具有带内频谱无干扰和网络协议更简单的优势。

　　智能计量RF网络：在受干扰限制的环境中如何成功部署

　　在美国，ISM频段和特许执照频段均已变得非常拥挤。对于网格系统和星型系统，这都意味着干扰是必须攻克的中心挑战。大规模计量网络的部署会明显显著提高频谱拥挤程度，因为系统的最大干扰源可能正是系统本身。

　　这种拥挤会给无线电和网络要求带来严重影响。例如，良好的空闲信道评估（CCA）和跳频程序可以简化空闲信道的查找。提高数据速率可以缩短各节点的传输时长，但其代价是链路裕量减少。对于无线电，这种拥挤还意味着阻塞和邻道抑制常常比接收灵敏度更紧要。

　　如上所述，计量基础设施的主要挑战在于表计的位置是固定的。它不像家用无线路由器，可以通过调整方向、高度或位置来解决干扰问题。此外，为了适合现有表计外壳，表计通常需要进行改装，因此几乎或根本不存在为增强RF性能而改变封装的灵活性。表计一般固定在离地仅一米左右的厚钢筋混凝土墙上。简单的视线模型难以有效地描述信道。

　　需要注意的干扰源因频段和地区的不同而异。在美国，特许执照频段和ISM频段系统均存在重大干扰源。常见干扰源包括电视白带信号、蜂窝载波和工作在同一频段的其它设备，这些设备可能是、也可能不是同一系统的一部分。就数据包结构、调制方案选择和发射频谱符合FCC原则的程度而言，工作在同一频段的设备可能不是按照“和平共处”方针进行设计的。

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　　对于已经部署的80%到90%的表计来说，通信相对较为容易。其余的10%到20%表计因为地理位置、物理对象、严重的局部干扰或附近噪声源等因素，面临着严峻的RF挑战。由于无法移动存在问题的表计，系统层面的解决方案只有增加数据采集器或中继器，增加PLC或蜂窝等辅助替代通信设备，或者增强无线电性能。广泛存在的计量基础设施最终必须极其鲁棒，提供100%的覆盖率。联系实际来说，大规模部署的电表数量可能是500万只，如果覆盖率只有99%，那么将有5万只电表无法读取。

　　无线电架构和设计

　　典型的无线电模块包括一根天线、一个用于更高输出应用的外部功率放大器、一个RF频段选择滤波器、一个无线电IC、一个通信处理器和多个用于匹配和旁路的分立元件。许多模块还包括一个外部低噪声放大器（LNA），它通常与前端模块（FEM）中的外部RF频段选择滤波器、开关和放大器封装在一起。由于表计外壳和表计本身位置的物理限制，天线常常处在非最佳位置，或者内置于表计外壳中。

　　外部RF频段选择滤波器，如表面声波（SAW）滤波器等，常用来帮助衰减目标频段之外的干扰信号。例如，在一个902 - 928 MHz系统中，该滤波器将帮助消除850 MHz蜂窝频段、896-901/935-940 MHz陆地无线电特许执照频段和901 - 902 MHz Part 24个人通信服务（PCS）频段中的干扰。典型RF频段选择滤波器可以将干扰信号衰减30 dB到60 dB，具体取决于滤波器的质量、干扰信号的频率以及信号与通带的接近程度。

　　任何收发器设计都必须针对各种性能参数、成本和功耗等，做出架构和设计上的许多权衡。计量通信环境涉及到的许多性能挑战可以通过投入更多资金或功耗（电压和/或电流）来缓解。然而，电力公司难以找到理由来部署大规模固定网络系统，而且增加成本可能不是一个可行的选择。

　　增加功耗会引起更复杂的争论。许多无线电模块既能在线路供电的系统中工作，也能在电池供电的系统中工作，而功耗主要由电池供电要求决定。电表中的大多数无线电模块具有“最后一息”能力，即使主电源丧失，模块也能工作一定的时间，因此无线电功耗要求是决定这种能力所需电荷储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规模。以上述500万个节点为例，假设电源电压为2.5 V，电流增加相对较小的量100mA，那么功耗将增加1.25 MW，每天耗电量增加30 MW-hr.

　　在某些计量应用中，固定接收机常常面临非常强大的电磁场，它会产生50 Hz或60 Hz倍数的杂散而影响零中频架构，此时低中频架构可能更具优势。表计控制和测量一侧的数据速率可能仍然在1 Mbps以下。由于相关的滤波要求可以被看作是窄带，因此零中频架构将需要同时解决直流失调和CMOS闪烁噪声等难题。

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　　示例：相位噪声如何影响阻塞性能有许多参数会影响收发器的阻塞性能。通常来说，窄带阻塞性能由接收机信道滤波器的抑制曲线决定，宽带阻塞性能由接收机本振（LO）的相位噪声性能决定。

　　阻塞通常利用误码率（BER）测试来衡量，其方法是将接收机的输入功率设置在+3 dB的灵敏度水平，然后找出导致BER下降10-3的最大阻塞信号功率。接收机的宽带阻塞性能可以通过下式估算：

　　MaxBlocker （dBm） = -174 dBm +3 dB + 噪声系数 – 相位噪声- 6 dB

　　其中，MaxBlocker指导致BER下降10-3的最大阻塞信号功率（单位dBm）；相位噪声指接收机的LO相位噪声，噪声系数指接收机的噪声系数。表1以对比方式列出了从多家供应商的收发器相位噪声性能得出的最大阻塞水平。

　　在这个简化的示例中，容易看出LO相位噪声对最大阻塞水平的重要性。在10 MHz偏移时，-142 dBc/Hz的LO性能将产生-30 dBm的最大阻塞水平。

　　相比之下，对于LO相位噪声为-130 dBc/Hz（同样在10 MHz偏移时）的收发器， 其最大阻塞水平为-42dBm.为了实现类似的性能，天线输入端需要使用外部RF频段选择或SAW滤波器来改善阻塞性能。然而，这会提高系统总成本，RF滤波器的插入损耗也会降低接收机的噪声系数。

　　无线计量应用还必须考虑接收机的IIP2和IIP3性能，特别是在城市环境下，其中的高带内和带外干扰水平可能会在混频器输出端产生有害频谱产物，从而限制接收机的可用动态范围。作为器件对双音干扰的韧性要求的基准，本例所述收发器的实测IIP2为+18.5 dBm，IIP3为-11.5 dBm，同时功耗保持在12.8 mA的较低水平。此外，片内RISC处理器支持片内里德所罗门前向纠错（FEC）功能，这使它对瞬态干扰或快速信号衰落环境所造成的突发类型错误更具韧性。

　　相位噪声的重要性及其对接收机动态范围性能的影响，对空闲信道评估（CCA）也有意义。在基于竞争的“先听后发”MAC协议中，表计的接收机会在它要用来发射的信道上进行功率测量。空闲信道指接收机“看到”的功率测量结果接近热噪底的信道。线性度和/或相位噪声规格不佳的无线电可能会将大干扰信号看作高噪声，导致始终不能通过CCA测试。由于这种失败，严重干扰或线性度/相位噪声规格不足可能会妨碍某些节点与网络通信。

　　总而言之，用于计量基础设施的多数收发器都是在成本和功耗限制范围内提供最高性能，这需要精心细致的设计以及对许多参数进行艰难的权衡。系统设计人员必须明白，除了灵敏度和信道选择之外，还要分析接收机的非线性度及其抗干扰能力，并将其视为智能电网无线网络设计的一部分。

　　影响当前部署的未来问题

　　对AM器件的干扰增加

　　计量通信系统所在的环境预期会不断变化。流应用或高集中度需要更高的带宽，调制方案将更加复杂，需要大量幅度调制（AM）器件，因而干扰可能会更加严重。考虑到这些极具挑战性的干扰，IIP2和IIP3规格对于无线电和网络性能将变得更加重要。

　　窄带越来越窄

　　最近，FCC提高了Part 90特许执照频段的频谱效率要求，美国的许多计量系统都使用这一频段。Part 90私人陆地移动服务频段以前分配有12.5 kHz和25 kHz信道，后来增加了6.25 kHz信道。25 kHz信道正在逐渐淘汰，并且增加了提高频谱效率的要求，以便支持每6.25 kHz带宽4.8 kbps的数据速率。随着时间推移，预计全球都会实施更加严厉的频谱效率规定，迫使业界使用更加复杂的调制或更低的调制指数。

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　　为新的协议和安全标准提供更大裕量

　　智能电网的RF挑战可以概括为预估当前及未来的频谱挑战，并且适当地权衡RF器件的性能、功耗与成本。随着工业通用的协议和网络安全标准日渐被采用，业界需要更多适应未来发展的策略，以便扩展到所有资源，包括RF、处理器和存储器。一个例子是ZigBee SEP 1.0预计会升级到ZigBee SEP 2.0.许多智能表计支持ZigBee认证网络，使用智能能源配置

　　方案1.0与未来的家用设备通信。新的ZigBee智能能源配置方案2.0正在开发之中，支持基于IP的寻址，并且重新定义了MAC和PHY之上的各层。电力公司强烈希望部署能够支持现有SEP 1.0标准的电表，同时希望确保在新的配置方案完成后，电表能够下载新的配置方案。这只是有关新标准的许多升级要求中的一个示例，所有这些都需要在处理能力和存储器方面提供更大的裕量。

　　总结

　　智能电网在技术、市场和社会方面带来了许多挑战。RF设计人员必须提出新的优化措施，满足工业级产品的需求，使其能在日益拥挤的频谱环境中数十年如一日地工作，由此我们将获得能够灵活适应电力需求和供应发展的电网基础设施。

　　作者简介：

　　James Frame于1995年、1995年和1998年分别获得伊利诺伊大学香槟分校电气工程学士学位、硕士学位和博士学位。他已在ADI公司工作5年，目前是能源部系统应用工程师。此前，他曾作为资深开发工程师在Advantest America工作过5年。

　　Jeritt Kent拥有爱达荷大学电气工程学士学位和硕士学位。他已在ADI公司工作11年，目前是工业和仪器仪表部RF和能源专家。此前，他曾受雇于AllegroMicrosystems，并在American Microsystems Inc.从事过6年的CMOS ASIC设计工作。

　　Ian Lawee 于1988 年获得宾夕法尼亚大学计算机科学学士和硕士学位，并于1995 年获得麻省理工学院电气工程硕士学位和工商管理硕士学位。他目前担任ADI 公司市场营销经理，负责电能通信、电源和测量IC 的营销工作。此前，他在半导体测试和测量行业工作过14 年，担任过工程和营销管理方面的多种职位。