擔綱智慧電網核心　智慧化計價系統角色吃重

英國廣播節目Electronic Ride於2010年的廣播中，一組團隊駕駛Think研發的電動車橫越歐洲4,000哩，其面臨的問題是如何在100哩的範圍內，定期找到充電站充電，讓車輛維持行駛的狀態。因為正式的充電站寥寥可數，該廣播團隊不得不透過農民、餐館主人和當地居民的熱心協助，替電動車補充電能。

對電動車來說，無論是在外地充電或在特定的付費充電站，目前還沒有標準的收費方式，Electronic Ride團隊發現，甚至沒有一個標準的方式，從充電站購買電力。有些充電站是政府機關所有，有些則是由私人公司經營，這些單位分別有自己的定價系統，因此，不開立多個帳戶，很難可靠地補充電力。

電動車可望成為新興電力來源

充電式電動汽車(Plug-in Electric Vehicle, PEV)和充電式混合動力電動汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)可安裝太陽能板，以便在主要以電力網路的充電方式外，增加其他補充電能的方式，若是長時間停車，也可小量的回饋電力到電力網路。而氫燃料電池汽車能自己產生足夠的能量，甚至可在電力需求高峰期間向電力網路提供能源。

經濟趨勢基金會的創始人和總裁Jeremy Rifkin曾表示，具有20kW發電能力的氫燃料電動車，有成為「輪子上的發電站」的潛力。就算只有25%的駕駛者把車輛作為小型發電廠，即可全部鏟除現在所依賴，並對環境造成污染的大型發電廠。

在家中，將電能返回到電力網路顯得格外重要。微量發電使家庭成為電力網路中，積極參與的一部分，利用太陽光電板、風力渦輪機和其他發電設備提供電力給房子使用，並可將多餘的電力輸出到電力網路。

未來所需的是雙向的智慧電網，涵蓋這些不同的能源生成和消費系統，但這並不是唯一所需要的改變。大多數的個人和機構，對於他們如何或在哪裡使用能源，並沒有一個清楚的概念。沒有這方面的知識，無論在任何精確度下，都很難發現要如何減少或改善能源的使用。

虛擬能源帳戶建構新型收費標準

新型態的能源記帳系統具備處理個人、家庭或公司所有發電量和消費的能力，是有必要的，這種新方式能為虛擬能源帳戶，使用網路技術，整合全部所需要的各種資訊；伺服器則收集資訊，針對每筆的能源交易，以確定能源是如何消耗和生成。

如同Rifkin的預測，虛擬能源帳戶須搭配網際網路以及龐大、分散的全球通訊網路，相同的設計原則和智慧型科技，將用於重新配置全球電網，使人們可以開始點對點地分享能源，就像他們現在分享資訊一樣，創造一個全新、分散的能源使用方式。

就如人們有可能在家中進行能源資訊分析，該系統可用於支援能源漫遊，亦即在不同地理位置使用，無論是旅館房間，休閒中心或服務式辦公室都可在離開家中時，使用安全裝置進行身分驗證和授權能源交易，以便進行識別、計量，並在虛擬能源帳戶上記帳收費。透過整合許多不同的能源交易，虛擬能源帳戶可能徹底地改變收費系統。目前的能源收費是靜態的，就算是動態的，通常也只有隨著時間而改變。這種基於時間的收費方式已行之有年。

1970年代的英國曾推出有關蓄熱電暖器的新計價方式Economy 7。該計價系統為電暖器在夜間開啟，於非尖峰時段使用，可降低家庭的暖氣成本，然而，像這樣的系統沒有彈性，往往須安裝特殊的設備，且此種固定的計時方式也不是很適用新的能源供應環境。低碳的可再生能源，如風力渦輪機和太陽能光電板的電力產出很難預測，想對低碳或廉價的能源，採用類似Economy 7固定時間方式，並找出最好的時段很困難。顯然，將能源的使用與多餘的低碳能源進行整合是有必要的。

結合網路實現動態計價

使用以網路為基礎的現代技術，就可能對任何能源消耗或生成的技術進行動態計價。電力經銷商可發布線上價目表，能源設備上的感測器和軟體能接收報告，並根據預先設定的使用規則，作出回應。

感測器可提供另一種形式的控制，和現今任何方式都不同，比如每樣設備的效率與使用狀況。很多電器都有保險絲和斷路器保護，但這些只是防止災難性的故障，例如說短路，許多家用電器的工作狀況可能永遠都不觸發這些保護電路，但卻會出現出損耗的訊號，而這只要有適當的感測器就可檢測出。

能源簽名(Energy Signature)是可用來幫助控制這些電器的概念，其由能源感測器測量的結果組成，與每個簽名對應的是一組規則，定義可接受的使用狀況，如果某樣設備消耗比正常所需還高的能量，則發出該設備須維修的訊號，或是若簽名有問題，發出該設備即將故障的訊號。網際網路連結與嵌入式控制的結合，將使智慧電網更具有智慧，徹底地改變能源是如何生成與消耗。

感測器/網路優化智慧計價系統

GreenFire系統包含上述有關能源使用及計帳的新方法。GreenFire由感測器和伺服器要件構成。感測器負責測量其所附著裝置的功率流，以及能源簽名所使用的參數，其沒有顯示輸出，但可透過網際網路通訊協定(IP)和外界通訊，感測器可能有許多不同的形式，但都是建基於相同的基本架構。伺服器是負責整合及組織來自許多不同的感測器資訊，讓使用者知道能源如何被使用，以及回報使用情況給服務供應商。

感測器的擁有者可能是能源服務供應商，也可能是由消費者自己安裝，或是原本就嵌於電器設備上。另一種第三方感應器，則提供公共能源接收點，讓任何獲得正確授權的人都可下載能源。

圖1顯示GreenFire感測器的基本架構。主要輸入連接到一個感測器區塊，將電源線上的電壓和電流轉換為低電壓訊號，以便由類比至數位轉換器數位化。輸入可是家庭設備的單相輸入，或是工業應用的三向輸入。

圖1　GreenFire感測器架構

數位化之後，數位訊號由專屬的數位訊號處理器(DSP)演算法獲得測量結果，若有需要，也可同時取得能源簽名參數。由此產生的數據由微控制器定期讀取，做進一步的處理及將資訊封包，以便回傳伺服器。

一個選擇性的功能是固態驅動器或電源控制器，這使感測器能控制其所連接的電路，可將其完全打開或關閉，或是控制能源的消耗。這些功能都可以即時完成，不論是由遠端伺服器下命令，遵循預先排定的行程，或是由儲存在微控制器的規則所控制。充電站和其他需要一個第三方感測器的設施，可安裝智慧卡讀卡機以作為身分驗證，以及將使用數據或參數傳送到智慧卡或行動裝置上。

系統安全性不可忽視

更智慧化的計價系統架構需要數個條件達成。首先是高整合度。感測器實體必須要小且不突兀，能置入電源插座或嵌入電器內，雖然尺寸小，仍必須包含物理感測器和類比數位轉換器(ADC)、DSP、邏輯和加密電路，以及一個微控制器處理通訊及一般作業。

裝置的成本必須夠低，以便達到高市場占有率。這意味著不只是低成本的零件，也代表低非經常性工程成本(Non-recurring Engineering, NRE)，低經營成本也很重要，功率消耗也必須減至最低，以避免感測器成為電網中顯著的電力消耗者。

安全性是必要的。從安全角度來看，GreenFire感測器成為一個誘人的目標。破解智慧電網就好比偷竊燃料，惡意使用以控制電器設備、汽車、家庭、辦公室或工業機器的電力，若許多系統遭到侵入破壞，電網本身的穩定性和完整性就將受到威脅。

入侵者的範圍很廣，好奇的孩子或惡作劇皆會讓鄰居感到不便，或是為了讓個人獲得免費的電力，乃至於意圖擾亂社會的團體。隨著技術進步，這些系統安裝後將維持很長的時間，但因為安全漏洞進行的更換，其所需的花費有可能超過裝置本身。

軟體需求和硬體一樣重要。建立嵌入式系統傳統的方式是使用即時作業系統(Real-time Operating System, RTOS)，其利用C語言編寫的任務和應用程式排程。雖然這提供很好的即時控制，GreenFire解決方案須要能更快地進入市場，以及高度的程式碼再使用性，而使用Java和可重複使用的框架，為手機產業開發的軟體架構，是如何滿足這些要求一個很好的例子。

高整合元件具成本/低功耗優勢

GreenFire感應器硬體設計有多種可選擇的技術，美高森美(Microsemi)系統單晶片(SoC)SmartFusion系列也是選項之一。透過結合三個主要的電子硬體，SmartFusion能提供把感測器放入插頭和電器內部的高整合度，安全性則是元件設計和製造時，與生俱來的功能。

首先，每個元件包含一個安謀國際(ARM) Cortex-M3微處理器子系統，包括單晶片記憶體和硬體周邊。其次，元件包含一個內建，緊密結合的現場可編程閘陣列(FPGA)及靜態隨機存取記憶體(SRAM)區塊。FPGA可用於實作其他微控制器周邊，處理數位訊號這點讓其架構適合於GreenFire或一般邏輯應用。元件中第三個主要部分是可程式類比區塊，可用於實現前端感應器的功能。

Cortex-M3是由安謀國際設計，專門用來控制應用的處理器核心，實現版本7的安謀國際指令集，與所有使用Thumb及Thumb-2指令的安謀國際處理器軟體相容，因此容易將軟體移植到同系列其他處理器中。該處理器採用Harvard架構，每MHz可達到1.25 Dhrystone MIPS的執行速度，比許多微控制器供應商所提供的ARM 7TDMI高出30%以上的效能。比起舊架構，該核心每MHz的功耗降低30%。

該處理器核心包含一個整合的向量式中斷控制器(Nested Vector Interrupt Controller, NVIC)，在Cortex-M3/NVIC架構，具有低且可以預估延遲的中斷特性，微處理器核心還包含一個記憶體保護單元(MPU)與八個可規畫的記憶區域，可透過硬體實施記憶體安全措施。

所有晶片上記憶體、周邊和FPGA結構都用五層的先進高速匯流排(Advanced High-Speed Bus, AHB)連接，總共有五個Master和七個Slave。AHB提供三組先進週邊匯流排(Advanced Peripheral Bus, APB)橋接供速度較慢的周邊設備使用，和一個八通道的直接記憶體存取(DMA)引擎，而此多層匯流排最大的頻寬為16Gbit/s。

FPGA架構是基於廠商的ProASIC 3 FPGA架構。這是一個精細的架構，運行速度高達350MHz。被選做GreenFrie感測器的A2F200元件具有二十萬個系統閘，可以實作約四千六百個正反器或其他邏輯，再加上有八個緊密結合的SRAM區塊，每個包含四千六百零八個記憶體位元，可組成不同的寬度，最高可達18位元寬度。因位於單一晶片上，FPGA架構可使用數個高頻寬介面與Cortex-M3的子系統溝通，這在雙晶片解決方案上很難達成或很昂貴。

智慧型混合訊號FPGA是以Flash為基礎的架構，不像其他大多數建基於SRAM的FPGA。這表示元件一旦經過燒錄，即使在移除電源後，仍可保留其設定，重新接上電源就可幾乎立即啟動。每次通電無需外部的唯讀存儲記憶體(ROM)重新設定，藉此可維持高度整合和占用較小的電路板空間。Flash架構同時還有助於降低功耗，因Flash本質上比SRAM更不漏電流。

在GreenFire感測器中，FPGA架構被用於實現某些DSP演算法，如快速傅立葉變換(FFT)。電力線的電壓和電流經由晶片上的類比至數位轉換器進行採樣與數位化，採樣序列透過FFT決定某些分量，如功率因數和諧波含量。

在某些情況下，監測中的系統是否正常可由分析出來的參數判斷，預先示警可避免潛在的災難性故障發生，在FGPA架構中執行FFT演算法在微控制器中執行，保留更多時間讓微控制器進行控制的任務。此外，一個專屬的硬體FFT控制器，比在通用微處理器架構上執行相同工作的軟體更快，更省電。

類比子系統包含其他降低處理器負載的單元，使其能處理更複雜的條件設定。除類比輸入輸出電路，子系統包括一個獨立的處理單元，稱為類比計算引擎(Analog Compute Engine, ACE)，可管理所有類比輸入和輸出的排序和補償。ACE提供專屬的硬體可支援多達三個完全獨立的採樣迴路，類比轉換器輸入或輸出(包括數位乘法器)的數位前置或後置補償，把類比至數位轉換的結果進行數位比較，簡單的數位濾波功能，以及狀態過濾來避免因干擾導致的觸發。

軟體可信任架構把關系統安全性

GreenFire感測器內的元件具備安全功能，讓其提供感應器硬體的可信任架構(Root of Trust)，因為軟體本身是不安全的，任何可被眾人使用的系統必須要維持一個可信任架構。可信任架構是一個維護安全的重要概念，提供一個值得信賴的基礎，以及系統其他部分安全性的服務，可信任架構會檢查儲存在使用者可存取的記憶體內程式的簽名，以確保程式碼沒有被篡改。可信任架構可用來檢查偽造的系統，或是黑市所販售生產過多的硬體，這些可能被駭客用來進入如GreenFire這種基於服務器的系統。

快閃記憶體的運用，成為GreenFire系統重要的安全基礎。Flash可保存晶片上用來建立安全網路通訊的加密密鑰和證書。此外，須要用來設置和運行這些通訊通道的啟動碼都可保存在晶片內。相較之下，許多微處理器和其他絕大多數的FPGA，皆須在晶片外儲存啟動碼或資料，因為程式或資料在電路板層級將很容易被監聽或竄改，要確保安全性幾乎不可能。在大多數的情況下，在積體電路層級要竄改資料比在電路板層級要困難許多，元件內建的竄改檢測電路，使入侵者的工作變得更加困難。要進一步保護重要程式碼的安全，元件包含一個專屬的硬體加速解密引擎，可安全地載入，使用128位元加密密鑰，經由先進加密標準(AES)加密過的新串流檔案。

軟體架構以Java為主

為提供提早進入市場和軟體重複使用這些必要的功能，GreenFire選擇Aplix的picoJBlend環境作為軟體架構。picoJBlend是以Java語言開發應用程式的嵌入式中介軟體，是為資源有限的微控制器所設計，提供完整的通訊能力。

Java擁有許多特點，適合如GreenFire這樣的系統。Java程式語言可能是程式設計師中最眾所周知的語言，除了熟悉的語言核心，還有一套豐富且重點在網路、安全和通訊的程式庫，具有高度的再使用性和完善的說明文件。結合這些特點，提供高度的語言抽象化能力，使編寫複雜的系統更加容易。

Java語言的設計從一開始就是要成為針對網路應用程式的一種安全可靠的語言。提供一個隔離的「沙箱」讓網路程式在其中運行，但僅具有限的權限來存取其他系統資源，並對同一系統上所有運行的程序提供良好的隔離功能。平台的安全性部分，Java語言提供比C語言更好的方法完成相同的工作，如Java提供對程式物件的參考，不再須為這種應用使用指標，同時允許中介軟體動態地管理記憶體，不使用指標大大有助於語言的安全性，不論是由於意外或是來自惡意軟體的威脅。

Java語言提供自動的記憶體管理，也是另一個C語言程式設計師常常遇到難以追蹤的錯誤的地方。不像C，在撰寫Java時，程式設計師不須釋放記憶體，一個巧妙的物件回收機制可自動執行，這有助於消彌記憶體洩漏所可能導致的程式錯誤或危及其安全性。此外，Java是一種強型別語言，這有助於提高程式碼的可靠性，可移植性和可再使用性。

有許多Java環境可供選擇。JavaSE(Java Platform Standard Edition)是為執行在應用程式級別的處理器，如個人電腦上，儘管有許多執行時的優化措施，仍是相當的龐大，需要大量晶片上和晶片外的記憶體和其他資源，而且一般僅用於具有虛擬記憶體管理的系統上。

中介軟體picoJBlend是基於公開可用的Java Card規範，和占用較少資源的平台如JavaME(Java Platform Micro Edition)較為接近。這些版本是設計在資源更有限的環境，如微控制器上運行。picoJBlend是專為機器對機器(M2M)的應用所設計，如GreenFire感測器。picoJBlend在FreeRTOS上運行，FreeRTOS是一個精簡的開放原始碼RTOS，其允許開發人員使用，除RTOS系統本身的改進和錯誤修正須公開，毋須發布有關自己智慧財產權的部分。

加快計費系統設計時程

經由與SmartFusion元件和GreenFire所使用的軟硬體環境相符合的概念模型技術，可進一步加快開發的速度。這使基於微處理器的開發，可以在開始撰寫程式碼前，就進行測試測量和分析功能的程序，容易做得更好。

GreenFire Workbench使用Mathworks發行的MATLAB和Simulink工具設計。圖2顯示了一個系統，模擬有兩個工作中的電器，加上背景消費，以及智慧型電表的家庭，該系統還假設屋主擁有一輛電動車，同時運行一個建立於風力發電機組的微型發電設施。

圖2　系統模擬一個使用智慧型電表的家庭

GreenFire Workbench產生兩個報告，一個顯示每個感應器的原始輸出，允許消費者存取能源使用的詳細資料；第二個能源費用報告，顯示三項費用，包括標準資費、GreenFire費用(根據可用的綠色低碳能源)，以及當從充電站下載能源時產生的第三方費用，該報告還顯示能源收入和碳的資產負債表。

一旦整個系統的設計完成，開發人員就可決定如何在硬體和軟體間劃分以達到最高效率。有幾種可能的方法開發嵌入式FPGA設計，首先，設計可直接用文字描述的硬體描述語言(Hardware Description Language, HDL)，如Verilog或VHDL。主要的程式庫區塊，如FFT或GPIO，可透過元件廠商取得，大多都不收費。FPGA廠商還提供明導國際(Mentor Graphics)的ModelSim Verilog和VHDL模擬器，可以進行暫存器傳輸級(Register Transfer Level, RTL)和閘級(後期合成)的邏輯模擬。

另一種設計方法，特別適合需要大量DSP的設計，使用Simulink和Synphony HLS AE DSP區塊程式庫和生成工具插件。FPGA的用戶可免費使用新思科技(Synopsys)工具，可在Simulink內抓取和模擬參數化的區塊圖，並用來自動產生混亂過後的Verilog或VHDL，供下游合成工具使用。Synphony HLS AE程式庫包括許多數位訊號處理的基本功能，如底層的增益和加法器區塊，以及更高層次的區塊，如FFT、CORDIC及FIR濾波器。

Libero整合設計環境(Integrated Design Environment, IDE)中的SmartDesign工具適用於添加更多的控制器周邊，如增加額外的通用異步收發器(UART)埠。該工具允許以拖放的方式添加用戶的設計到設計桌面上，並將自動連接主要的匯流排。當FPGA的設計以一種或多種上述提到的方法產生VHDL或Verilog後，就可使用Synopsys Synplify Pro編譯器合成電路，將設計從RTL轉換到閘級。然後，利用Libero IDE的布局和布線工具完成在某個特定元件上的實際電路製作，這包括時序收斂和功率分析，剩下的就是完成處理監測數據，讓GreenFire系統使用的軟體。

為了因應付政府獎勵提升效率的政策，電力網路須改善並變得更聰明。網際網路技術再加上一個安全、高整合的硬體平台，可將低碳能源做最大的利用，並提供優化消費和降低消費者的成本所需要的資訊。

(本文作者為美高森美策略性行銷產品企畫與建構師)