中文简体版   English   星期四 ,7月 18日, 2019 (台北)
登入  申請試用  MY DIGITIMES236

安全、通訊、精度 數位電錶設計三重點

  • DIGITIMES企劃

智慧電錶多建置於戶外,安全常受忽視。(ET&T)

智慧電錶不僅作為紀錄用電數據,還肩負自動傳輸資訊作用,而通訊又會牽涉到安全與準確性,新世代的智慧電錶必須兼顧安全、通訊、精度,方能成為智慧電網的第一線尖兵。

近年來,由於「用電問題」與環境議題的結合,再生能源的發展,也成為「電」的重要議題;由於再生能源的併網,亦牽扯到智慧電網的發展,包括安全性與穩定度等相關議題的發酵,電網的「智慧化」隱然成為目前科技的顯學,其中,貫穿智慧電網整體架構的角色,莫過於智慧電錶(Smart Meter),因此如何設計合適的電錶來智慧化整合電網,成為發展智慧電網的第一項課題。

過去有人將智慧電錶功能狹義解釋為僅有自動計費,但若要達到聰明管理用電行為,必須要整合其他功能,AMI(Advanced Metering Infrastructure;或稱智慧電錶基礎建設)的主要功能,在於透過資通訊科技取代傳統人工抄錶的工作,以及支援不同電價費率規畫,提供用戶能源使用資訊,並引導其自發性節能;此外,支援傳送信號進行用戶負載控制、支援故障偵測及復電等停電管理、改善負載預測及用戶用電的品質管理等,也是AMI的主要功能。

多元整合 驅動市場成長

AMI一般認為最大的應用市場會是家庭,但除了家庭外,包括再生能源或是電力車充電站等系統,都將與智慧電錶共同整合,業界均認為,智慧電錶的應用範圍日趨廣泛,由於電網與電錶互為表裡,驅動智慧電網的成長動力的因素,也應該與智慧電錶不會有太大的差異。

AMI由於系統架構相當龐大複雜,「整合」將成為首要問題,以電壓範圍區分,電網可分為「高壓」與「低壓」兩大範圍,尤其是低壓領域,雖然產品多元,可為廠商帶來龐大的商機,但也同時將帶來整合性問題,這造成傳統資通訊業者要進入該市場,的確著實不易。

就電錶系統來說,其必須支援不同費率反應的價格,包括緊急尖峰電價、時間電價與即時電價等,在整合上就必須突破;此外,在相容性面向上,電錶本身不但需要向上整合自動化系統、廣域的有線或無線網路,也必須向下整合HEMS(Home Energy Management System;家庭能源管理系統)與建築區域網路BAN(Building Area Network)等;此外,智慧電錶的整體系統設計,也必須配合當地政府的能源政策,難度不可謂不高。因此就整體資源來看,智慧電錶的系統設計,仍必須考量相當多複雜因素。

就目前台灣智慧電錶的發展現況,似乎仍停留在OEM階段,整體發展上亦相對較慢;加上智慧電錶的設計成本不能太高,在規畫上不能使用太過複雜的元件,從成本與功能要求的競合下,如能開發自有IC,對於台灣產業發展,將有相當大的幫助。

安全議題不可忽視

雖然AMI涵蓋範圍相當廣泛,但由於電網系統本身涉及計費與安全系統,必須以封閉系統進行,加上ICT技術整合智慧家電系統,從通訊技術出發,就已包涵WiMAX、ADSL、GPRS、WCDMA、ZigBee、乙太網路、電力線通訊與RS485等技術,與家庭區域網路產生更多的互動與連結,再與網際網路結合,等於將封閉系統打開了一個缺口,不論開放程度多少,如何維持電網系統的資訊安全,亦成為另一個必須重視的問題。

AMI的資訊安全議題在電網議題的重要性眾所周知,尤其是資訊安全問題,絕對不能等閒視之,由於所有的電子設備與基礎建設都與「電」息息相關,一旦失去電力,最嚴重的情形是會癱瘓國家的運作機能,過去傳統所提倡的自動讀表系統AMR概念已經過時,如何從既有的AMR服務中,去找到系統或是政府所需要的功能,或是滿足現有系統有所缺漏之處,才是AMI未來發展的重點所在。

電網上的安全問題,最基本的就必須考量網路的「機密性」、「完整性」與「有效性」,網路安全的前提,主要是可以透過系統的認證與加密,讓進入系統者可依其授權閱讀或更改相關資料,以維持其「機密性」,更透過權限的分級,讓無授權得進入者絕對無法更改資料,建立系統的「完整性」,以及在經過合法授權的使用者,能夠「有效」地絕對安全利用系統上的相關資料,透過建立AMI達成上述目標,絕對是智慧電網發展的第一步。

現在談到智慧電錶的「安全性議題」,的確不免牽涉到資料加密、金鑰、防火牆,以及通訊技術安全等次議題,現況上各類ICT通訊技術,基本上在資訊安全功能,就存在一些弱點;此外,就電錶本身來說,如何避免在有心人士發動惡意攻擊之前,就先更新硬體上的軟體與韌體版本,以強化其防禦能力,甚至是面對最令人困擾的「物理性」攻擊時,得以直接讓控制端掌握狀況,以即時反應,前述的問題,都是電錶在初期設計時,就必須直接考量的方向。

因此在智慧電錶的硬體設計中,既然必須要考量多元的需求,就必須將成本因素置於第二,將整體的系統架構中,所必須因應的所有問題整合考量,並加以解決放在第一優先順位,因此台灣業者若要以智慧電錶打入國際市場,就必須考量到更多的細節,為了節省初期的製造成本,造成不符市場需求成為庫存,「因小而失大。

通訊與成本的考量

在設計方面,除了安全外,通訊與精度也是智慧電錶的主軸,就通訊領域來看,有線面向的電力線通訊技術,亦成為市場主要角色;而相較於FSK(Frequency-Shift Keying;頻率偏移調變)或是PRIME技術,業界普遍更以G3-PLC作為電力線傳輸的主要技術。

採用此技術的主要原因,在於G3-PLC的通訊速度高達300kbps,為目前業界速度最快;同時G3-PLC屬於低頻領域,可避免在進行通訊時,遭遇到信息無法經過高壓電設備的問題。另一方面,因應雲端運算的概念,G3-PLC也支援IPv6協定,亦可與現有的網通技術進行進一步的接軌,智慧電錶的佈建,必須考量到智慧電網未來的發展性。

此外以智慧電網來看,成本也是考量的重點之一,但如何協助整體的建設與後續的管理成本下降,也是關鍵所在,以法國為例,法國就已採用G3-PLC的解決方案,協助壓低法國在智慧電網建設的總體成本約30%,此外軟體與韌體也必須適時更新的要求,在量測上現多採用可編程計量法的技術,透過軟體的更新,可以滿足不同系統的設計需求;而在處理器方面,多以傳統的8051配合32位元DSP的核心架構,以廣泛支援多元的資訊安全相關編解碼方法。

儘管智慧電錶的商機無限,但由於過去台灣業者擅長消費性電子領域,其系統作業環境適應性及產品生命週期也相對較短,加上目前市場規模龐大,習慣性容易採用規模經濟的方式在該領域攻城掠地,就現況來說,智慧電錶的作業環境相對較為惡劣,其作業溫度大多為以工業標準-40℃到85℃為基礎,台灣業者在此領域的主要工業電腦廠商,因此要有所作為也多屬此一族群。

至於其他領域的廠商,由於智慧電錶的應用領域,也有一部份在家庭自動化領域有所著墨,這與消費性電子的產業特性相對接近,加上市場規模仍相當可觀,以及配合多元的無線技術的前提下,台灣業者對於無線通訊與消費性電子相對熟悉,可以考慮先進入此一領域加以經營,不失為另一個進入策略。