什么是智能电网以及如何实现智能计表？

最近，我们经常在电视，互联网或报纸见到关于“智能电网”(Smart Meter)的报道。现在智能电网是一个全球性的热门话题。许多人预测，智能电网将成为一个广泛的基础设施，甚至比互联网的应用还要广泛。

我们已经知道环境的污染、能源枯竭以及全球变暖所引起的问题的严重性。我们正在经历自然灾害为世界各地带来的损失。

很多国家一直在寻找解决办法拯救地球，并承认“能源”是所有问题的主要原因。目前，设计欠佳的的能源网浪费了很多能源。有人建议用可再生能源或核能来解决这个问题，但生产效率和电力管理是解决该问题的最重要因素。

我们每天都在不停消耗电力进行生产，并周而复始。

智能电网技术的实现，可以更好的管理这个输电用电的循环。

<wbr><span style="font-size:11px"><span style="font-size:13px">然而，当前发电系统有几个问题。电力的生产效率很低，因为有很大一部份的能源被浪费掉了。即使我们的发电量多过实际需求，如果没有及时消耗，多余的电力都会被浪费。正因我们不能估计实时的电力需求，唯一的方法就是生产多余的电力来保证供应。因此，我们需要有更多的电力生产设施和燃料。煤炭，石油和天然气为燃料的使用是导致全球变暖的主要来源。</span></span></wbr>

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如果我们的发电量可以实现按需发电，并有效地使用它，我们可以减少燃料的过度使用和二氧化碳的排放。换言之，我们能阻止环境的污染和全球变暖的进展，并减缓自然资源枯竭。

智能电网技术的核心就是有效地实行电力的生产和管理。

我们通过智能电网可以检查能源的供应和耗用量以及实时电表状态。

世界各地对智能电网的兴趣正在逐渐增加。自2001年以来,美国一直建立智能电网基础设施,以取代旧的电力系统和加强能源安全，这个项目预计将于2030年完成。EPRI, EDF,日立，GE和一些主要的美国电力公司都参与了这项业务。

自2006年,欧盟政府一直领先的项目“欧洲智能电网技术平台”，这一项目将于2020年完成。

该项目主要面对的问题是欧盟国家之间可替代能源和电力的交易。德国，意大利，英国和西班牙都积极支持这一项目，ABB，西门子，Shell都在参与这项业务。

日本正在开发国家项目’III’，也就是智能 (Intelligent), 互动(Interactive), 以及整合(Integrate)的电力系统。他们正在开发新的电力网, 将在可再生能源系统中使用。

智能电网技术的主要特点是电力网络的融合和IT实时数据通信技术。通过智能电网，发电和用电都将比上一代电网更加有效。用户可以选择在电费低廉的时段使用电力。

例如，您可以在午夜, 当其他人用电量很小的时候去使用洗衣机, 从而享受比白天低的用电费用。通过监测实时用电，电力供应商可以灵活地控制电力生产，减少浪费及节省再用能源。从家用电器到工业设备，智能网将都扮演电力系统的重要角色。

人们在智能电网发展方面有许多的考虑。其中，AMI (Advanced Metering Infrastructure)也就是‘高级测量基础设施’正在被迅速应用到市场。该系统是专门为客户提供实时定价。用户使用实时定价系统可以节省他们的电费。

智能仪表(Smart Meter)是AMI的主要设备。目前很多国家都在积极开发和商业化智能仪表设备，其市场规模更大至无法预测。智能仪表位于智能电网的底层，并安装于客户使用现场，如家庭，学校，办公室和工厂。根据美国政府估计，仅美国市场的规模就有约十亿美元的市场规模。

智能电网是双向的通讯系统并可启动再生能源系统（风能，太阳能，地热和潮汐能），鼓励用户节约能源，提高电力管理的效率。互联网是最重要的沟通工具之一。

互联网是一个在我们的日常生活的必需品，但它也可以导致严重的问题。

我们已经经历过由互联网带来的大量副作用。网络恐怖主义或黑客可以麻痹我们的信息网络，并直接影响我们的电力系统。我们会遇到国家紧急状态- 交通堵塞，医疗事故，金融系统崩溃，犯罪增加等。而如果一旦发生电力系统的瘫痪，其造成的经济破坏损失将是巨大的。

为了克服在互联网上存在的问题，我们应该考虑如何设计智能仪表设备。

第一考虑的是安全。智能电网连接到互联网。通过这方面，互联网黑客或病毒可以攻击仪表设备的内存（RAM）。如果一个设备被攻击而遭到破坏，它将会迅速蔓延到整个电网。

当我们设计仪表设备时，我们必须应用安全技术，

如PKI（Public key Interchange）

或NAC（Network Access control）和一个基于网站的安全协议，如HTTPS。

除了以上这些软件解决方案，我们也应该考虑基于硬件的解决方案。高性能计算机对于病毒或黑客（如DDoS攻击)仍然很脆弱。如果我们可以在主CPU和网络接口之间添加一个硬件，就可以有一个完善的安全体系。

智能仪表设备的用量将会十分巨大，因为它们被安装至每个家庭，办公室，学校，工厂等。智能电网并不局限于个别行业，其整个网络可以扩展到国家政策和公共事业部门。因此，智能仪表设备的成本应该足够低，以适应每个人的需求。

这种智能仪表系统应该得到优化、简化，而且应该低成本的供应给实际生产。互联网和安全性也必须得到实现。但是，我们不能使用OS（操作系统）。为了运作这个操作系统，该系统需要一个高性能的CPU和较大内存，这样的话我们不能作出质优价廉的仪表设备。我们要优化我们的平台，用有限的微处理器（MCU）和内存资源来实现所有必需的功能。

我们还需要保证系统的可靠性和稳定性。依赖软件的系统, 对面对各种问题是薄弱的，包括安全隐患。如果所有的功能由硬件实现，这个系统将是最可靠的，但其实不可能有这样的一个系统。

如果与互联网相关的部分由单独的硬件处理及管理，CPU不会受到攻击。此外，CPU有更多的资源，因为网络处理的负载全部卸载到了专用硬件。

实现互联网连接需要足够的技术知识和经验，因为不同的应用环境会有很多的变化及特点。即使有良好的基于软件的解决方案，它都需要很长的开发时间来优化和测试代码。因此，如果我们可以使用一个市场认可的专用网络芯片，我们的工程师开发难度会大大降低，从而可以轻松建立一个可靠和稳定的系统。

目前的智能仪表的平台还是几乎和迷你PC一样过于规范和昂贵。依靠这样的平台，我们永远不能打开智能电网的市场。要优化智能电网系统，我们必须采取低成本的CPU（16位或32位的）和专用的互联网芯片。

通过数据包的过滤，专用的互联网芯片会加强系统的安全性。如果再加入基于软件的安全协议（如PKI, NAC, HTTPS），该系统将完全可以阻挡任何类型的网络攻击。

如果有可能以固件(firmware)或者简单的嵌入式操作系统来实现全部功能，您就可以最大限度地为硬件平台减小成本。

通过硬件逻辑处理所有互联网的功能，网络芯片将使你轻松实现互联网功能而无需要求任何网络知识，并且提供更加稳定和可靠的系统。

互联网芯片并不意味着如MAC和PHY的简单的控制器。当这种芯片用来处理所有的TCP / IP协议和互联网功能，我们的芯片对于其他基于软件的系统有明显的优势。

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