能源2.0議題延燒　智慧電網重掀WSN熱潮

近期包括歐、美、日、中國大陸與台灣等各國政府均將「節能減碳」視為第一要務，進而推動傳統的單向能源架構步入可雙向互動之能源2.0。包含智慧電網(Smart Grid)(圖1)應用在內的能源2.0，由於強調可因應終端彈性需求而調整收費模式、供電強弱、進行監控等，因而在節能減碳政策中扮演重要角色。至於各式智慧感測技術則因可協助執行能源2.0相關計畫，也成為未來商機所在。

資料來源：英飛凌 圖1　智慧電網架構

根據台電智慧電網布建計畫，國內智慧型電表商機將在2011年突破新台幣400億元；而美國亦將在兩年內投入110億美元建置智慧電網；至於與智慧電網息息相關的無線感測網路(WSN)產業，其市場規模更將在未來兩年內增長十五倍，潛藏商機頗為可觀。為搶攻此波商機，包括IEEE 802.15.4如ZigBee、Zwave等、低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)、無線射頻辨識系統(RFID)、近距離無線通訊(NFC)與電力線通訊(PLC)等相關業者紛紛傾巢而出，趕搭此一節能減碳熱潮。

政府戮力推動　智慧電網成新興商機所在

2009年12月，全球一百九十二個國家與地區之代表齊聚哥本哈根，進行聯合國氣候變化大會。其主要原因便是基於各國追求經濟成長，卻忽視對環境生態的維護，因而期盼在會中獲得共識，針對能源效率與二氧化碳排放進行管制。也因為相關驅動力均來自各國政府，因此更被視為將有一定影響力，目前包括台灣、美國與中國大陸等，都在此領域有所動作。

國內由台電領軍

台電綜合研究所楊金石指出，儘管智慧電網是在近期才大行其道，但是推動其成長的因素其實存在已久，包括針對基礎架構之更新、提升能源效率與善用再生能源等，都是推力(圖2)。

圖2　智慧電網起飛因素

而看好智慧電網之綜合效益(表1)，台電亦已針對此領域進行規畫，並預計先從自動讀表系統(AMR)開始。楊金石表示，該公司預計分三階段在台建置相關系統，第一階段(2008～2009年)之自動讀表對象以特高壓用戶為主，並納入部分高壓(圖3)及低壓用戶。同時，亦打造含自動讀表系統應用軟體及讀表介面單元之控制中心。第二階段(2010～2011年)則重視輔導國內電表廠產製數位電表(具通訊模組)，並以第一階段建置之自動讀表系統繼續進行建置高壓用戶兩萬餘戶，預計2011年可建置完成。至於第三階段，則以檢討評估低壓用戶系統推動方式為主，再逐步推動建置低壓用戶。

表1　台電智慧電網減碳效益
估算每年節省 目標領域	2008年 估算每年節省	2012年 估算每年節省	2020年 估算每年節省
	Co2e:公斤	Co2e:公斤	Co2e:公斤
A.電網安全與可靠	3.35E+08	5.44E+08	1.53E+09
B.電能效率	1.02E+08	1.14E+08	1.44E+08
C.用戶服務品質	6.80E+05	2.51E+06	5.89E+06
D.分散型電源整合	4.23E+08	1.48E+09	2.41E+09
合計	8.61E+08	2.14E+09	4.09E+09

資料來源：台電綜合研究所

圖3　台電高壓用戶自動讀表系統架構

北美對大跳電心有餘悸

除了希望提升用電效率外，精準掌握電力配送與輸送狀況也是各國大舉建置智慧電網的原因之一。舉例來說，北美地區在2003年8月曾一度發生史上最嚴重的大停電事件，影響人數高達五千萬人，經濟損失超過60億美元。  

有鑑於此，北美在談論供電效率時，也一併把電力網路之監控與管理納入考量，希望可以透過適當的感測網路技術，即時了解供電狀況，以備不時之需。新上任之美國總統歐巴馬便於2009年10月宣布將提撥34億美元，在全美四十九州、一千八百萬家庭建構智慧電網，最終目標自是讓全美民眾能有效用電、減少電力事故。  

根據美國電力業者杜克能源(Duke Energy)之預估，智慧電網若在美國順利完成布建，3年內用電量最低將可減少350億kW，等同於四百萬輛汽車的碳排放量。上述數字，皆有助歐巴馬政府與當地民眾對智慧電網的認同。

中國大陸積極建構智慧能源網

再看成長最快的新興經濟體--中國大陸，儘管其甫於聯合國氣候變化大會與西方國家正面衝突，但中國大陸內部對智慧電網之投入卻未稍歇。事實上，中國大陸正積極規畫一項比智慧電網更高層級、規模更大的新型能源網路「智慧能源網」，並將納入水、瓦斯等其他能源。

據悉，中國大陸早在2～3年前便開始重視自動抄表系統與相關系統之建置，並以中國大陸西部地區為首要目標。初期該系統之建置乃為提升偏遠地區水表、電表之正確性，同時節省抄表人力。但隨著智慧電網日益演進，相關系統也從單純的自動抄表演進為即時反應、兼具監控與管理，以及與其他能源系統結合。中國大陸政府亦透露，該國將在2020年前全面建成智慧電網。  

圖4　英飛凌經銷管理與電子製造服務處協理田經曾分析，智慧電網應用多元、需求也各異，可望衍生出頗具差異化之型態。

也因此，當地市調單位易觀國際認為，作為智慧電網與其他網路發展核心的無線感測器網路產業，將在未來兩年內大幅成長，達到人民幣40億元。

綜觀各國發展可以看出，全球各地對智慧電網之需求大異其趣，有些國家基於提升能源效率而導入、部分為了有效管理與監控、某些國家則更重視與再生能源之整合，甚至有少數地區純粹是為了遏止人民偷電而導入。英飛凌(Infineon)經銷管理與電子製造服務處協理田經曾(圖4)強調，正因為智慧電網的需求與特性極為多元，因此最終呈現的型態也頗為不同。不過，無論如何，導入智慧電網的首要前提，便是必須具備適當的通訊技術，其中尤以IEEE 802.15.4為無線感測網路之最佳主角。

搭上智慧電網順風車無線感測網路再掀波瀾

嚴格來說，無線感測網路並不是全新的技術，如最具代表性的IEEE 802.15.4，早在2003年便已問世。易觀國際將無線感測網路簡單定義為「將一系列在空間上分散的感測器單元，通過自我組織的無線網路進行連接，從而將各自採集的資料進行傳輸匯總，以實現對空間分散範圍內的物理或環境狀況的協作監控，並根據這些資訊進行相應的分析和處理。」  

無論如何，由於IEEE 802.15.4具有多節點、成本低廉、涵蓋範圍廣、功耗超低以及可與其他通訊技術互相連結等特點，初問世時便引領一股風潮，被認為是應用於工業監控、醫療健康、環境監測等產業的最佳無線技術。而符合IEEE 802.15.4之ZigBee，更是箇中翹楚。  

ZigBee的使用頻率為868MHz(歐洲)、915MHz(美洲)與2.4GHz(全球)，其在868MHz一個通道時的原始資料吞吐量為20kbit/s；915MHz十個通道時為40kbit/s；2.5GHz於十六個通道則可達到250kbit/s。傳輸距離則為10～75公尺，受輸出功率和環境有所不同。  

截至2009年為止，投入ZigBee晶片研發之廠商則包括德州儀器(TI)、Ember、電氣(Oki)、愛特梅爾(Atmel)、UBEC、ZMD、RadioPulse、飛思卡爾(Freescale)、Integration Associates與捷力(Jennic)等。

然而，儘管不少大廠投入，歷經多年演進，ZigBee相關技術卻仍未全面普及，包括專屬與開放性標準的拉扯，遍尋不著殺手級應用，再加上新興之低功耗無線技術接二連三冒出頭來等，在在挑戰ZigBee之地位。但就算如此，支持ZigBee之業者仍認為，該技術必有出頭的一天。

好的開始不等於成功的一半？

儘管根據市調機構Harbor Research及ABI的預測，2010年無線感測設備和感測器出貨量可望突破兩億個；不過若以問世逾6年的角度來看，相關產業的表現似乎差強人意。  

圖5 飛思卡爾ZigBee/RF4CE亞太區行銷經理鄺景亮表示，ZigBee還在起步階段，真正商機大爆發的時間尚未真正來臨

部分業者認為，雖然ZigBee因為具有多節點(Node)的特性而大受歡迎，但也因為具有網狀網路(Mesh)的複雜度而令設計人員卻步。尤其ZigBee架構中個別區分不同節點之功能特性如主節點、從節點等，也提升了ZigBee的採用門檻。雖然ZigBee初問世時就被不少市調單位樂觀看待，預期可在問世後獲得驚人成長，然就近期各供應商之發展來看，仍未找到甜蜜點(Sweet Spot)。  

飛思卡爾(Freescale) ZigBee/RF4CE亞太區行銷經理鄺景亮(圖5)不諱言，雖然ZigBee現身已久，但其真正的爆發性成長卻未到來。ZigBee一路走來，雖被視為可應用於家用自動化、醫療照護、建築自動化與電信服務上，但若就滲透率來說，仍有不少成長空間。  

鄺景亮表示，若單就ZigBee技術之現狀來看，其實已極為成熟，多數廠商之解決方案均可直接使用。不過，對於家用自動化、醫療照護、建築自動化與電信服務等系統業者來說，由於ZigBee的存在無法直接為終端產品加值，或因為終端用戶認知有限，難以從需求端提振ZigBee聲勢，都是影響ZigBee普及腳步的原因。不過，鄺景亮也看好ZigBee與智慧電網結合(圖6)的潛在商機，他認為，近期甫抬頭的智慧能源與家電遙控才是真正商機之所在，也可望重掀ZigBee熱潮。

圖6 ZigBee與智慧電網架構圖

ZigBee完整連接智慧電網　架構

圖7　德州儀器低功耗無線產品線亞洲區行銷經理陳雄基透露，該公司並未排除整合多種不同解決方案如ZigBee、PLC等在智慧電網上的可能性。

看好智慧電網的，不只有飛思卡爾而已。德州儀器(TI)低功耗無線產品線亞洲區行銷經理陳雄基(圖7)指出，智慧電網是熱門環保議題之一，它不但能為通訊產業帶來商機，還激發了許多關於智慧電網的新概念，並為整個半導體產業創造許多潛在商機。  

過去幾年中，許多不同的供應商其實早已售出成千上萬的IEEE 802.15.4裝置，然而，或許是因為利用IEEE 802.15.4無線電驅動的裝置並無明確標示，使得很多消費者並不知道周遭的某些裝置就是使用IEEE 802.15.4。陳雄基認為，畢竟，客戶會使用IEEE 802.15.4看上的就是技術優勢，例如穩定度就是一例。而智慧電網則是IEEE 802.15.4/ZigBee技術的一個重要焦點，尤其西方國家對其關注度更高，因此帶來的商機將更為驚人。  

德州儀器在2009年9月時宣布已有公用事業業者採用其解決方案，該業者透過德州儀器之協助，完成了水、電與瓦斯量表之建置，且相關通訊模組亦涵括自動讀表基礎設施(AMI)、電力線通訊與射頻介面等。  

陳雄基表示，由於無線感測網路是智慧電網當中一個重要的概念，它能協助以最少的電力創造最舒適的環境，且客戶亦可藉由ZigBee協定堆疊來實行無線感測網路與智慧電網。雖然德州儀器的技術奠基於ZigBee，但此產業中之各供應商均希望自己具備獨特的標準，因此在必要的情況下，德州儀器能以不同的射頻方案來滿足客戶的需求。

候選技術所在多有

圖8 英飛凌工業與多元電子亞太區域中心市場部經理麥正奇表示，ZigBee雖被視為智慧電網之適用通訊技術，但其他技術如GPRS、WiMAX亦有發展空間。

值得一提的是，雖然不少業者將ZigBee視為智慧電網之重要核心，不過也有廠商提出不同看法。如英飛凌工業與多元電子亞太區域中心市場部經理麥正奇(圖8)便指出，在中國大陸等特定地區，ZigBee僅是候選技術之一，其他尚有通用封包無線服務(GPRS)、全球微波存取互通介面(WiMAX)等，亦可在智慧電網領域發聲。  

麥正奇進一步解釋，ZigBee因其技術特性，確實在不少地區均有大展身手之契機，但若以中國大陸偏遠地區為例，由於農村或鄉鎮間的距離極為廣袤，加上部分電信業者已積極布建農村地區，因此包括GPRS或是WiMAX均有其發展空間。 不過，多數業者仍相信，ZigBee獨有之低功耗與多節點等特性，仍是最適宜智慧電網及其延伸應用之無線通訊技術。  

技術與市場脫節細火慢熬砌商機  

有趣的是，雖然無線感測網路與智慧電網可說是「最佳拍檔」，不過多數業者都認為，今日兩者的發展均已與技術本身演進脫節，與其說「技術好壞」是左右市場起飛的關鍵，不如說「因時制宜」才是真正重心。  

田經曾表示，由於各地之能源需求有所不同，因此無論是對智慧電網或是無線感測網路，也都特別重視彈性應變與客製化需求。他舉例指出，北美同時追求電力網路之堅固性與高品質，歐洲地區更重視與環境之友善程度，亞洲則由開發中國家為首，要求更大的耗能與能源效率。正因如此，若相對應之解決方案無法彈性應變，也就無法符合各地需求。  

鄺景亮則透露，由於今日之無線感測網路多半已趨成熟，相較於射頻(RF)之元件，該公司更重視與其搭配之微控制器(MCU)效能。目前市面上多數ZigBee解決方案均為射頻元件整合微控制器，因此微控制器之表現也成評斷標準。他以該公司產品為例指出，飛思卡爾已推出32位元之ZigBee微控制器，藉由較高的處理效能為不同環境彈性應變。  

陳雄基則是看好各種通訊技術在智慧電網之整合應用，包括有線或無線均大有契機。  

總結各家廠商意見與業界動態，智慧電網由於搭上近期全球能源效率、監控與管理之熱潮，未來仍有一定成長空間。而無線感測網路雖一度找不到殺手級應用，但若能順利與智慧電網相結合，仍可望實現龐大商機。