三分钟告诉你！在智能电网上部署智能电表有多高明

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全球的传统电网开始因不断增长的能源需求而倍感压力。停电次数在增加。我们如何以可持续的方式改进这些系统？我们都听说过的一种可能的解决方案是将信息技术集成到电网中。通过将现代技术、架构和工具集成到已经使用和服务的电网中，并在规划新电网时集成进这些方法，将是个非常好的开端。

全球的传统电网开始因不断增长的能源需求而倍感压力。停电次数在增加。我们如何以可持续的方式改进这些系统？

我们都听说过的一种可能的解决方案是将信息技术集成到电网中。通过将现代技术、架构和工具集成到已经使用和服务的电网中，并在规划新电网时集成进这些方法，将是个非常好的开端。

大多数传统的电网由许多机电系统组成；在这些现有的电网中，大多数情况下通信只是单向发送给用户。我们必须有双向通信的机制来分享和使用信息，以提高输配电的服务水平和效率。

传统电网架构大多采用集中发电。主发电中心切切实实将总功率发送到输配电中心，以便在本地输配给用户。

我们需要的是在整个地区部署更多的输配渠道，以建立真正的分布式能源架构，比如部署可再生能源——这是我们称为智能电网的重要组成部分。

在智能电网情况下，现在即使是消费者也可以通过太阳能和风能等各种手段（即使电力公司将其视为与自己竞争进而掣肘它们）来产生能量以及配送多余能量。智能电网是一种具有双向通信功能的合适的联网系统。

由于传统电网没有采用类似典型智能电网架构中部署的各种现代传感器技术来实现监控，因此它们既“哑”又“瞎”。有时发电厂甚至不知道某个地区发生了停电或电力不足的情况，直到他们接到消费者的电话（电话系统具有备用电池供电）。在智能电网架构中，众多传感器部署在整个电网基础设施中，可以进行监控、测试和通信。此举甚至可以实现自我修复和复原/移除以及自动重新引导电能绕过故障点。

随着带有通信功能的电表进入到许多家庭，电力公司和能源监管机构设法利用该技术来提高节能意识。利用这一概念——有时称为智能电网——电力公司设法利用进入用户家中的网络，以便可以主动管理输电负载。

在美国亚利桑那州以及世界许多其他地区，电力公司现在可以提供实时价格信息，从而允许用户调整其电能使用。例如，在峰值负载条件下（如亚利桑那州典型的热浪天气），电力公司可以向用户发送信息，通知他们价格将在下一小时上涨，并鼓励他们关闭家电。某种家用显示器可以显示此消息。更好的是，电力公司可以通过智能电表与家中的设备进行通信，打开恒温器或关闭水池泵，以防止出现局部限电甚至大规模停电。该系统在电表和家电之间需要有可靠的通信协议，有时称为家域网（HAN）。使用ZigBee协议的900MHz无线通信在此是个很好的选择。HAN的例子见图1。

图1：家域网示例。

利用固态电子式电能表，我们现在可以添加通信链路，因此，如果该链路是无线的，那么电力公司用车只需要从旁边开过就可以收集到该数据。

在电表演进的此下一阶段，AMI可以与一系列其他的AMI电表联网；取决于位置，可以采用卫星或低成本的射频链路。目前使用的两种主要的RF通信协议是电力线载波（PLC）和免牌照的工业、科学和医疗（ISM）频段。我们可以充分期待，5G在未来几年内将“风光无限”。

电能表演变

我还记得在我长大的纽约市布鲁克林区一幢六户公寓的地下室里安装的传统电表。有一次，我清楚地记得因为拖欠/未付账单，爱迪生联合电气公司切断了我家的供电（我父母竭尽全力，但在我成长的50和60年代，我家日子过得紧巴巴的）。爱迪生联合电气公司的那位伙计走到我们小四室公寓的门口，说要断掉我家的电，让我跟着他去装着电表的地下室。我那年刚满9岁，冬天即将到来。

来到排在一起的六块电表旁时，他转过身来对我说：“现在我得把你家公寓的电表从这个插座上拆下来带走。我会用保护罩盖住电表插座，以免裸露的电线电到人。”因为我已经知道我将会成为一名电气工程师，所以我非常仔细地聆听和观察。“在我盖上这些电气触点前，我把这根线像这样穿过这些触点连起来”（他短接了与电表串联的触点）。“现在，在你老爸付清帐单前，你家也还会有电。但这事跟谁都别说，我不会承认我知道这件事的，懂吗？”

好吧，那天我在人性和电方面真的被好好上了一课！我感谢他，在那天也学到了电表与电源是串联的，并且有一种简单的方法可以绕过电表。那是1959年。大约两周后我家付清了账单，一切都很顺利，但这段经历清清楚楚地留在了我的记忆中，直到今天仍然历历在目——记得我从哪里来，并了解了那个时代的那些老式的机电式电表。

图2：19世纪末开始使用的机电式电能表。

图3：接下来是固态电子式电能表。这种电表可以测量瞬时功率、功率因数和无功功率，并存储这些数据。

如果你家像我家那样，也有众多的无线设备（无线局域网、家庭安全系统和智能手机等），以及从屋外大量涌入的其他射频信号。这使得实现可靠的无线数据通信非常困难（射频输入端接收到亚微伏级别的信号并不少见——甚至要抑制的不良RF“干扰”功率等级更高）。由于电表可能放在屋内、屋外或地下室等任何地方，因此其与电线杆或电力公司用车之间必须要有可靠的RF连接。

如果电表工作在免牌照的射频频段，为了符合各地区或国家的辐射标准，我们必须认真考虑通信协议。900MHz、2.4GHz和5.8GHz是广泛使用的几个频段。900MHz是将电表连接起来并连接至数据采集目的地的首选频段。900MHz可提供更长的通信范围，特别适用于低功耗预算应用。无线M-Bus是用于远程抄表的欧洲标准，现在是EN 13757中拟定的EN欧洲规范标准（EN European Normative Standard）中的一部分。Silicon Labs有一款好用的无线M-Bus开发套件和软件。