智慧电网设计必须专注于能源计量与安全

随着智能电网在全球的部署程度日益普及，消费者、设计工程师及电力公司都在讨论智能电网将如何改变整个能源产业。智能电网使电力公司毋须遣派人员到现场记录电表，即可存取电表资料，节省资金成本。电力公司、电厂和消费者现在正极力寻求更为环保的替代燃料。

新商业模式透过激励措施(例如分时计价)降低尖峰时段的能耗，从而鼓励减少尖峰时段的需求量。分散式能源，例如电动汽车和各种形式的太阳能与风力发电，透过可再生资源及可利用资源支援尖峰时段的需求量。这些技术的进步也将造成更大的智慧电网资料分析量。有了智慧电网，电力公司从每个月抄表一次或若干次，到每天读取六至九十六次电表数。智慧电表产生的全部资料提供电力公司更多理解用电模式、电力浪费及其他消费行为的机会。

但归根究底，仅靠智能电表和电网管理并不能确保智慧电网的成功。如果想完全发挥该技术的优势，智慧电网设计必须专注于能源计量与安全。

遗憾的是，如今业界大肆强调智慧电网技术及其通讯架构的未来管理问题，人们很容易忘记能源计量和安全问题对于系统成功与否是相当重要的。毕竟与电力管理相关的网路不但必须计量其关键元件，而且也要保护传输元件的宝贵基础架构。

能源计量落实能源节约

智能电表利用称为「计量(Measurement)」的电力公司级能源测量功能，测量工业和消费者耗电。包括义大利、美国加州及斯堪的纳维亚半岛 (Scandinavia)等地区，智慧电表已经是大量机器对机器电力网路的组成部分。但是，只有电力公司热衷于能源计量吗?当然不是。广泛能源计量的好处可延伸至电网上的大量用户和提供者。

以我个人为例，去年10月、11月和12月的电费勐增。12月后期，我的烘乾机坏了，幸运的是，我和我妻子能够马上购买一台新的，这在深冬季节十分重要。事后回想，烘乾机马达系因过度耗电被烧坏，这就解释了每月电费勐增的塬因。

能源计量有助于解决这样的情形。对各种应用进行能源计量，例如消费性电子和工业马达，皆具有极大的好处，如降低耗电、辨识须要维护或甚至更换的重要资产、协助具有经验的使用者或系统运营者做出能源消耗和系统性能的明智决策。

在我的烘乾机的例子中，如果能准确计量马达的耗电，就可立即发现其耗电量随着时间拉长而不断增加。能源计量纪录就像汽车上的「检查引擎」的指示灯，能记录使用模式，从而在发生故障之前指示设备状态和运作状况。因此，使用模式将为我提供足够的时间维修烘乾机，或者干脆决定买台新的。

与计算烘乾机消耗及浪费能源相比，准确能源计量在工业电子设备应用的潜在利益较高。制造业中，马达占总耗电量的54%，对运作时间要求和生产目标并重的情况下，常处于高风险状态。假设一台100马力(hp)马达的电压不平衡为2.5%，则其每年会多耗费476美元的电力成本。除此之外，设备的磨损将带来更多维护及早期更换成本。由此可知，智慧电网系统中的能源计量为工业带来的潜在利益庞大。现在，利用这样的方法计算全球马达的电力和维护费用及能源计量效益，便可得知节能及省电具极大的发展机会。

在了解正确能源计量管理重要程度后，以下叙述执行方法，其中，智慧电表和计量系统为关键要素。业界为能源计量及马达监测提供多种解决方案，可提供高精度、四象限电力测量，并附有客制化韧体。这些元件针对工业应用中的太阳能面板转换效率、马达健康状态，以及照明和运算应用中的能源消耗情形进行监控与测量，并回馈测量资料。结果显示，相对于防止设备故障以及确保系统正常运作方面节省的资金，能源计量方案上的投资要小得多。

电网安全尚未受到应有重视

智能电网也要求全年无休的安全。大部分用户，甚至工业和电力公司都低估了智慧电网的重要性。智慧电网的端点，例如智慧电表、工业马达、消费性电子及分布很广的自动化设备均会消耗并控制电力。同时，由于智慧电网运营商充分利用「智慧」网路来修正功率因数、优化电压、准确定位故障以及降低维修时间，以确保正常运作时间，因此电网连接装置应用持续增加。

网路攻击、网际网路协定(IP)盗窃、对生产力的破坏等威胁不断在智慧电网和工业控制系统发生。无论是简单的家用衣物烘乾机还是先进的分散式工业中心，唯有优化智慧电网的完备安全措施才能防止这些严重的威胁，确保最大化正常运作时间。遗憾的是，许多情况下使用者并未完全意识到安全风险的严重性，仅有最低限制的安全措施。在一次与电力公司专家的交谈中，他告诉我在电力公司的变电站中「带刺铁丝网、挂锁和高电压是唯一的保护措施」。其他见识短浅的运营者相信硬体固有的安全措施，而没有了解到透过软体进行网路攻击带来的威胁更加严重。

智能电网可协助民众了解自我用电习惯。

由于设备从购买到制造、从运作到煺役的所有阶段都会发生潜在安全漏洞，所以电网安全具有深远的影响。而最有效的安全方案可通过硬体和软体以确保产品整个生命周期的安全。

若购买于智慧电网上运作的产品，购买者必须保证硅及其他关键运算元件的管道是可靠的，以避免仿造产品。因为制造过程中，安全认证技术可防止协力厂商，例如制造承包商盗窃金钥并随后利用这些金钥偷电或用病毒感染电网、现场使用时，安全储存金钥与多层加密通过通讯管道保护数据、安全引导装入程式可防止病毒和恶意软体装载至系统、硬体技术监测物理安全，能够回应篡改事件。未处于持续监测下的装置和感测器需要此类的全面安全保护。

业界提供完备安全产品方案，设计最有效的安全措施并整合至系统或电网本身，能满足智慧电网的安全需求。这些元件整合基本的多层安全认证方法，包括分持金钥(SplitKeys)、非对称加密、安全引导装入程式，以及各种物理窜改保护方法。

智慧电网安全保护措施可同时透过软、硬体双管齐下。

上述说法听起来是老生常谈，但却是千真万确的事实--智慧电网具有完全改变能源产业的潜力，这既令人兴奋也值得注意。当业界处于这种兴奋的状况时，很容易忽视能源计量与安全问题所隐藏的重要问题，这样的情境彰显高品质电表设计可贵之处。如果使用者持续关注能源计量和安全问题，并欲以此技术管理电网，那么就必须重视智慧电表实现智慧电网运作的方式。