基于蜂窝 WAN 的智能计量智能电网解决方案

　　无线嵌入式模块简化了物联网硬件和软件设备的开发。选择和设计通常由性能要求驱动，例如工作范围、数据速率、安全性以及与其他产品的互操作性。蜂窝 WAN 解决方案为智能计量应用提供了许多优势，包括较低的通信基础设施成本。

　　智能计量和智能电网

　　近年来测量仪器的转变极大地提高了控制工程的质量，通过与各种电子系统的主动接口，可以对数据进行更大的分析和解释。特别是传统的机械和机电电能表，例如水和煤气表，可以用数字计量功能代替。在同一时期，基于互联网的设备行业也发生了翻天覆地的变化，而且这种变化无所不在：看看大街上的人们如何使用智能手机作为我们感官的延伸。

　　世界各地的能源供应商都在投资新技术以优化现有的智能电网。使用双向和数字端到端智能基础设施，公用事业可以实时捕获能源传输和消耗方式的详细信息。ABI Research 估计，到 2020 年，全球部署的智能电表数量将达到 7.8 亿个电力、1.5 亿个燃气和 9000 万个水。这是一个巨大的市场机会。连接技术将是关键选择。智能电网概念（图 1）包括一系列技术，如能源生产（可再生能源、分布式发电等）、输配电、智能测量（住宅、商业和工业）和电动汽车（站管理充电） ）。

　　图 1：智能电网是一个带有收集实时信息的智能传感器的配电网络。

　　智能电表正在帮助实现电网现代化，提供远程监控功能，可以更频繁、更可靠地传输有关能源质量和电力的信息。通过实时收集能源消耗信息，智能计量基础设施允许供应商通过更好地管理其运营来降低成本。同时，智能计量改善预测并降低能耗，简化微发电监控，监控发电和消耗的能源。智能计量绝对对最终客户也有好处，可为他们节省能源并提高服务的可靠性。

　　然而，为了确保所有这些好处是真实的，公用事业需要一个安全且现有的双向通信基础设施来连接和通信给定位置的各种智能电表。虽然电力线通信 （PLC） 和各种类型的射频 （RF） 技术历来用于大规模测量基础设施，但蜂窝通信现在是首选。移动网络是理想的，因为它是一个现有且经过验证的基础设施，在大多数地区几乎完全覆盖。蜂窝技术使公用事业单位能够以更低的成本远程、更频繁地获取仪表读数。此外，与其他解决方案相比，蜂窝技术简化了硬件和软件部署，并提高了运营效率。今天在很多方面‘ s 智能电表是即插即用的，可以实现更快、更简单和更便宜的安装。移动运营商促进与后端管理、计费和远程云管理系统的集成。这些系统受益于已经支持数百万台设备的软件和平台，并使用强大的加密、安全连接和安全访问机制来确保网络及其客户数据极其安全。

　　各种智能电表的实施，例如与用水有关的电表，正值对环境的关注以及对可持续性和效率的讨论非常热门的时候。例如，通过开发蜂窝技术，智能水表和测量基础设施现在可以在节水方面发挥关键作用。更简单和更便宜的安装。移动运营商促进与后端管理、计费和远程云管理系统的集成。这些系统受益于已经支持数百万台设备的软件和平台，并使用强大的加密、安全连接和安全访问机制来确保网络及其客户数据极其安全。各种智能电表的实施，例如与用水有关的电表，正值对环境的关注以及对可持续性和效率的讨论非常热门的时候。例如，通过开发蜂窝技术，智能水表和测量基础设施现在可以在节水方面发挥关键作用。更简单和更便宜的安装。移动运营商促进与后端管理、计费和远程云管理系统的集成。这些系统受益于已经支持数百万台设备的软件和平台，并使用强大的加密、安全连接和安全访问机制来确保网络及其客户数据极其安全。

　　蜂窝网络

　　长期以来，电力供应商一直在使用 WAN 无线解决方案与大量应用中的电表进行通信。今天，蜂窝技术正在成为智能计量和智能电网整体实施的重要组成部分。供应商有两种主要的 WAN/蜂窝技术选项：第二代 （2G） 和第三代 （3G）。当今大多数移动点对点智能计量基础设施是全球移动通信系统 （GSM） 网络的一部分，并使用通用分组无线服务 （GPRS） 数据服务，这是一种低成本的 2G 解决方案。然而，较新的 2G 移动智能测量基础设施更有可能使用 GPRS 的演进、GSM 演进的增强数据速率 （EDGE）。EDGE 技术提供比 GPRS 更大的带宽和更快的连接速度，并允许您将多个设备连接到网络。利用其带宽和传输速度，3G、4G 和后续技术有望在智能计量实施中发挥重要作用。

　　出于成本和容量的原因，供应商倾向于使用 3G 和 4G 网络，这使得它们对智能计量项目更具吸引力和便利性。因此，电力供应商可能在其计量应用中拥有较宽的可用带宽，从而为额外的消费者服务提供机会。智能 4G 传感器的另一个原因是最新的长期演进 （LTE） 版本包括 LTE-M，这是专为机器对机器通信而设计的规范的新部分。LTE-M 标准，如 1 类、M1 和 NB1（也称为 NB-IoT）针对大量设备、低数据复杂性以及连接到物联网 （IoT） 的分布式传感器网络的低功耗需求进行了优化）。特别是 M1 类别允许 LTE 经济地支持有效的、广泛的物联网设备中的低端应用。一般来说，LTE Cat M1 为数据管理提供更低的延迟和更大的带宽，而 LTE Cat NB1 提供更高的渗透率和电池寿命。与 GPRS 等技术以及 CDMA 和 UMTS 等其他常规 2G 和 3G 标准相比，两者都具有这些优势。

　　高端LTE网络架构由三个主要部分组成：用户设备（UE）；先进的 UMTS 地面接入网络（E-UTRAN）；和演进分组核心（EPC）。E-UTRAN 管理移动设备与高级数据包核心之间的无线电通信。它只有一个组件，即演进基站，称为 eNodeB 或 eNB。每个 eNB 都是一个基站，用于监视一个或多个小区中的移动设备。与移动设备通信的基站称为其 eNB 服务。

　　LARA：智能电网中蜂窝连接的认证模块

　　在使用蜂窝基础设施进行智能计量时，业界正在努力制定最佳实践设计指南。通过这些指南，电表生产商可以帮助确保蜂窝智能电表技术提供高性能和长使用寿命。例如，将通信协议构建到模块而不是电表中，允许供应商升级技术而无需更换电表本身。

　　通过避免将编码功能放入仪表本身，还可以保留通过软件更新添加新功能或满足新功能（例如满足新的安全标准）的能力。为了提供这种级别的适应性和智能性的通信模块，它应该具有类似于实时操作系统的处理能力。

　　u-blox 拥有完整的蜂窝通信模块系列，可以在世界任何地方启用智能测量系统。该公司致力于通过 ATEX 认证移动产品组合进入智能计量市场，其生产基于 ISO 16785 以保证和满足行业规范，例如在极端温度、湿度和振动的环境中工作。

　　LARA-R2 系列包括采用LARA LGA（26.0 x 24.0 毫米，100 针）封装的 LTE Cat 1 / 3G / 2G 模块，提供易于集成到超紧凑设计中的外形尺寸。LARA-R2 系列模块支持多达四个 LTE 频段、多达两个 3G UMTS/HSPA 频段以及多达两个用于语音和/或数据传输的 2G GSM/GPRS 频段（图 2）。

　　图 2：LARA-R2 系列框图。

　　LARA-R2 系列模块与 u-blox SARA、LISA 和 TOBY 移动蜂窝系列兼容，便于迁移到高速模块。由于 LTE 网络的长期可用性和可扩展性，这些模块非常适合从 2G 和 3G 切换到 LTE 的应用。这些模块具有一系列接口选项和集成 IP 堆栈，旨在支持广泛的数据中心应用。

　　对于可能需要语音功能的安全和监控等系统，LARA-R2 模块支持 LTE 语音 （VoLTE） 和从 LTE 到 3G 或 2G 的电路交换回退 （CSFB） 以提供音频服务。这些模块包括一个 4 线 I 2 S 数字音频接口（I2S_TXD、I2S_RXD、I2S_CLK、I2S_WA），可以在 PCM 模式（短同步信号）或普通 I 2 S 模式（信号长同步）下使用 AT 命令进行配置） 将数字音频数据作为音频编解码器从/向外部设备传输。它们包括 9 个引脚（GPIO1-GPIO5、I2S_TXD、I2S_RXD、I2S_CLK、I2S_WA），可配置为输入/输出或提供自定义功能。

　　LARA-R2 模块在经过 ISO / TS 16949 认证的设施中制造，确保最高的生产标准以及最高的质量和可靠性。每个模块都根据 ISO16750 进行了全面测试和认证 - 适用于安装在车辆中的系统。

　　LARA-R2 系列模块提供两个射频接口，用于连接外部天线。用于传输和接收 LTE/3G/2G 射频信号的主要射频输入/输出。第二个射频输入仅支持 LTE / 3G Rx 分集配置的 Rx。

　　图 3：模块必须通过三个 V CC引脚供电。这些代表模块电源输入，它们在内部连接到射频功率放大器和集成电源管理单元。

　　RF部分由RF收发器、PA、LNA、晶振、滤波器、双工器和RF开关组成。根据模块支持的 LTE 接收器分集无线电技术实现双接收路径，作为 LTE 类别 1 用户设备。基带和电源管理部分由以下主要元素组成：混合信号 ASIC、包含 NAND 闪存和 LPDDR2 RAM 的内存系统、稳压器和提供时钟参考的 32.768 kHz 晶体振荡器。

　　智能计量和蜂窝网络

　　智能电表之所以“智能”，是因为它能够将执行计量功能的前端电子电路连接到通信网络，从而为消费者和公用事业提供商提供测量数据。对于这些活动，仪器必须配备传感器、通信接口、电源和用于管理整个系统的微控制器。选择的智能电表类型取决于需要测量的内容：能源、水或燃气；以及将使用的通信技术。通过将通信网络外包给移动运营商，公用事业提供商可以显着降低其智能计量项目的安装成本和部署时间（图 4）。

　　图 4：a） 传统电能表与 a） 智能电表的简化框图。

　　当前的蜂窝覆盖范围几乎无处不在，覆盖了智能计量基础设施可寻址人口的约 99%。事实上，大多数地区都被多个蜂窝网络覆盖，使公用事业公司能够根据位置使用最佳可用蜂窝网络来部署智能电表，同时保持备用网络功能。在水和天然气等应用领域单独采用 LTE 进行智能测量有三个主要市场驱动力：长期使用；频谱效率，这意味着可以在给定的频谱上为许多其他智能端点提供服务；和移动网络运营商的投资。

　　安全是一个快速发展的领域，公用事业供应公司使用的复杂计算机网络将不得不工作很长时间。对智能电表固件的故障或恶意攻击可能会导致数百万台设备同时停用，从而对网络造成巨大破坏并影响该国的大部分地区。通过使用入侵检测系统 （IDS），可以通过实时研究网络流量来检测和验证异常情况。电力公司必须在集中式 IDS、嵌入式 IDS 或专用于单个公用事业需求的 IDS 之间进行选择。研究人员发现，对于典型的高级测量基础设施，集中式 IDS 架构在成本效率和安全收益方面具有优势。另一个考虑因素是仪表和公用事业之间所需的通信水平。在燃气、水和热方面，重点主要集中在数据收集和损失监测等需求上，这些要求都没有智能电表所需的按需管理或电网监测那么密集。

　　移动标准提供了与消费设备的一定程度的互操作性，允许双向通信，提供与其他外部服务的轻松互连。安全的智能电表必须足够灵活以应对任何安全威胁。因此，在长期运行过程中识别和处理威胁是确保智能电表安全有效部署的下一步。一个有前途的解决方案包括累积认证内核 （CAK） 和基于计量器的算法，以提供另一层安全性。CAK 可以在 8 位或 32 位微控制器上运行，并且需要最少的内存，使其具备典型智能电表设计的处理能力。

　　结论

　　从传统供应到基于可再生能源的系统的能源转变需要对基础设施进行根本性的改变。特别是，从集中式网络向分布式架构的转变极大地增加了对基于 ICT 的管理和控制方法的需求。

　　作为智能电网愿景的一部分，采用蜂窝通信的智能计量实现了强大且安全的解决方案，这是主要电表供应商实现满足未来期望的一种方式。LARA-R2 系列蜂窝模块为物联网设备提供支持，并提供了一种改进智能计量应用的方法。为了利用无线解决方案的安装成本、性能、快速运行时间和其他优势，电力供应商和电表制造商应仔细考虑移动技术可以在智能电网中提供最大价值的领域。他们应该确保现代智能计量设计的基本要求和最佳实践。