標準/技術驅動　智慧電網商機蔓延

各國積極布建智慧電網(Smart Grid)，也衍生許多商機。除了中國大陸十二五規畫中將智慧電網視為重要發展主軸，並計畫投資人民幣4兆元外，美國也計畫在未來20年內陸續投資1,650億美元，且歐洲各國與日本等也積極發展。為掌握商機，美國國家標準技術研究所(NIST)與日本經濟產業省計畫主導智慧電網標準，而國際電工委員(IEC)也在美國主導下，開始展開智慧電網相關規範的研究。

由於智慧電網應用範圍不僅是一般家庭，還將擴大到社區或地區電網的結合，因此通訊技術將扮演重要角色，各式有線與無線通訊技術包括全球行動通訊系統(GSM)、ZigBee、藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)、電力線通訊(PLC)、光纖與最新的G.hn標準也紛紛瞄準智慧電網龐大的市場。

美/日搶訂標準　智慧電網發展再推進

各國陸續展開布建智慧電網，引爆龐大商機。為取得主導權，美國與日本積極制定智慧電網的統一標準，除可解決目前各家廠商各自為政的問題，強化智慧電網的互通性、健全性與安全性外，亦可進而掌握主要獲利來源，而相關廠商對此也抱以樂觀態度。

根據美國能源部(DOE)報告，智慧電網具有比投資金額高出四倍的獲利空間，因此美國計畫在未來20年內陸續投資1,650億美元，獲利可望高達約7,000億美元。此外，中國大陸也開始大規模建設智慧電網，預計10年內總投資金額預計超過人民幣4兆元。事實上，主導標準等同於取得最大獲利來源，因此NIST已就智慧電網的發展議題，與日本經濟產業省展開標準化討論，而IEC也在美方的主導下，展開標準的研擬，以改善新一代智慧電網的互通性、健全性與安全性，進一步擴大智慧電網整體市場的發展。

圖1　微芯智慧型能源方案部門商務事業處主任Clayton Pillion表示，微芯將持續關注智慧電網標準的發展，以確保備妥必要的軟體和硬體基本元件。

對於美日積極主導智慧電網標準，廠商普遍以正面角度解讀，微芯(Microchip)智慧型能源方案部門商務事業處主任Clayton Pillion(圖1)表示，標準化為市場成熟必經過程，供應商踴躍提出解決方案的結果促成智慧電網的規模經濟，有效降低設備與營運成本，然而，電力網路牽涉很廣，包括個別國家、政府和地方業者所擁有的設備與架構，由於每一家電力公司各有其決策機制，並因應各地區的需求進行微幅的客製化，因此此種欠缺一致性的情形對標準化將帶來挑戰。意法半導體(STMicroelectronics)則認為，統一的標準將讓智慧電網廠商發展相關產品更有跡可循，在互通性方面也可因而獲得解決，此外，美日欲制定的標準主要鎖定於如何將小電網擴大為大電網的整合規範，晶片廠商的產品若具備可彈性修改軟體與韌體的特性，則毋須擔心標準的底定對產品將帶來何種影響。

標準的訂立雖將減少目前廠商各自為政的現象，卻也會對現階段的智慧電網市場帶來衝擊。Pillion解釋，各自為政、個別訂立設備、產品規格的發展現象對當前電網的發展，仍然可行，因為現今的電網只是單純的將能源從一個地點輸送到另一地點，然而新一代的電網朝智慧電網的目標邁進，須在點與點之間傳送資料，傳輸如控制訊號、營收資料和請求等資訊。這種層級的資料交換要求傳送者和接收者能相互溝通，但這些傳送者和接收者極可能各自屬於不同的公司或單位，因此一套定義完善的標準可避免通訊障礙，並促成完全的互通性。至於半導體業者是否也可成為主導標準的角色？Pillion則認為，智慧電網的標準仍須以系統級的需求而定，而非僅由單一半導體IC產品規格與韌體即可決定。

半導體業者提供全方位解決方案

圖2　愛特梅爾策略行銷經理 Pierre Roux表示，愛特梅爾為業界能支援2.4GHz，並同時提供所有sub-1GHz頻段的其中三個廠商之一。

無論智慧電網標準如何制定，愛特梅爾(Atmel)的業務策略是透過以微控制器(MCU)為核心的專業技術為基礎，再結合低功耗、連接、安全性和類比採集方面的能力，支援更廣闊範圍的電表應用。愛特梅爾策略行銷經理Pierre Roux(圖2)表示，該公 司擁有的廣泛產品系列，有能力為智慧電網任何一部分提供解決方案，包括從獨立的電表、燃氣表、水表，到智慧電表、資料收集器或集中器、能源閘道器，再到家用顯示器，亦即控制顯示器等。

持續關注智慧電網市場發展的德州儀器(TI)，亦以其廣泛的產品線搶攻市場，為智慧型量測計提供最佳化並針對各種應用的專用嵌入式處理器、低功耗射頻(RF)、高效能類比產品、電源管理及無線射頻辨識系統(RFID)，以及可支援ZigBee、6LoWPAN、WMBUS、正交分頻多工(OFDM)及SFSK的軟、硬體，以滿足客戶的需求。

各式通訊技術躍躍欲試

由於智慧電網架構龐大，需要通訊技術連結各種設備或各個電網，也吸引各式通訊技術進入智慧電網市場。Pillion表示，目前70～80%的美國電網通訊基礎設施以射頻網狀網路(RF Mesh Networking)為基礎。平均而言，美國每一個變壓器僅連結六至個住宅電表，若與如歐洲的每一個變壓器對三百或四百個電表相比，較不符合成本效益。現階段，美國所採用的小部分PLC技術，大致上是以FSK調變為基礎。儘管基於OFDM技術的PLC，如PRIME、G.hn擁有較高資料傳輸速率和更好的抗雜訊能力等優勢，但其較高的成本和缺乏前人採用的經驗分享等因素，皆延緩PLC的普及率。

Roux指出，PLC適用於一般建築物或學校的供電網，但因雜訊問題，不適用於更大的覆蓋範圍，而在無線技術方面，ZigBee可能具備較大潛力，不過，由於中國大陸的國家電網尚未確立射頻無線傳輸的標準規範，而且某些電表製造商更喜歡採用470MHz射頻頻率。同時，Wi-Fi也積極進軍智慧電網市場，IEEE 802.15工作小組和中國大陸無線個人區域網路(WPAN)工作小組正合作開發一個共同的解決方案，期望使同時進行開發的IEEE和中國大陸區標準WPAN標準可相容。此外，IEEE 802.15.4c增補協議已於2009年9月通過，中國大陸中央政府、北京市政府及北京地區政府的官員皆出席會議。

圖3　德州儀器亞太區高效能類比產品行銷經理何國東指出，由於智慧電網能創造智慧能源生活，使智慧電網的各種技術應用因而崛起，ZigBee即為一例。

於ZigBee發展不遺餘力的德州儀器亞太區高效能類比產品行銷經理何國東(圖3)表示，ZigBee智慧能源規範第二版(ZigBee Smart Energy Profile 2.0)奠基於ZigBee Smart Energy技術，為智慧電網家庭系統打造的新一代能源管理協定。另外，Wi-Fi在北美住家擁有最雄厚的裝置基礎，提供一個立即可用且廣為人知的網路方案，透過ZigBee與Wi-Fi的合作，ZigBee Smart Energy Profile 2.0預計將應用於Wi-Fi技術領域，有助於兩種通訊技術在智慧家庭環境的運用中更緊密整合，未來將可應用於水電表、自動調溫器、家電、家庭娛樂裝置、運算系統與汽車等裝置。

廠商普遍認為，無線技術將是未來智慧電網的關鍵通訊技術，目前行動資料服務供應商扮演利基角色，但預期隨著4G網路的擴充，服務供應商的角色將更為重要。Pillion認為，為方便行動資料傳輸，業者致力於布建基礎設施，以提供涵蓋廣和可靠的高速通訊，但由於物料清單(BOM)成本高，因此被局限使用於後端服務，如連結電力機房或者大型資料集中器(Data Concentrator)至電力公司，而新一代4G網路將能符合電網監測設備的需求，如同步相量技術(Synchrophasor)與錯誤偵測設備。

智慧電表採用成定局　ZigBee發展吃定心丸

各國智慧電網發展如火如荼，智慧電表將是主要布建的部分，然智慧電表須與住宅中的控制中心連結，回報用電量，因此也讓各式通訊技術蓄勢待發，希冀可搶占此龐大市場商機，不過，目前各國智慧電表已確定採用ZigBee，作為短距離數據通訊技術，也讓ZigBee發展更加穩當。

圖4　意法半導體產品行銷經理楊正廉指出，為搶攻智慧電表商機，ZigBee聯盟研擬新的Smart Energy Profile 2.0規範。

各國推動智慧電網布建，亦帶動智慧型電表基礎建設(AMI)產業發展，根據工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)研究指出，2010年是智慧電網的時代，而ABI則預估2010年全球智慧電表安裝量將達九千五百萬戶，較2009年的七千六百萬戶成長13%，直至2015年全球智慧電表安裝量將達二億一千二百萬戶，且預期未來5年內智慧電表主要市場仍以歐洲與北美洲為主，而亞洲國家在中國大陸帶動下將成為潛力市場。意法半導體產品行銷經理楊正廉(圖4)表示，智慧電網中，所採用的通訊技術相當多元，依傳輸距離而有不同的適用技術，在短距傳輸中，雖然有ZigBee、藍牙等相互競爭，但目前ZigBee已成為智慧電表採用的主要通訊技術，許多國家智慧電表的規格中，已確定採用ZigBee，在台灣，台灣電力公司也確定導入ZigBee作為智慧電表的短距通訊技術。

楊正廉並強調，智慧電網中，最大的商機即為智慧電表，原因在於布建數量相當龐大，而ZigBee也將因而成為最大的受惠者，使其市場發展更加穩健。事實上，ZigBee均衡發展消費性電子、工業與家庭各領域，在各主要市場已找到其發展的利基，如家庭市場以RF4CE強攻遙控器市場，也獲得多數家電大廠的支持，因此未來ZigBee的發展將如同倒吃甘蔗般，漸入佳境。

為因應智慧電表低功耗、低成本的需求，意法半導體也根據客戶所需，推出整合32位元微控制器與ZigBee射頻的系統單晶片(SoC)，未來也將進一步發展更低功耗、低成本的產品，預計2011年第二季問世。

Roux指出，ZigBee標準已面世多年，該技術與其他無線標準一直面臨類似的挑戰，如不同的發展階段的產品互不相容，以及ZigBee聯盟成員間對未來發展方向的爭議等。ZigBee是以IEEE 802.15.4-2003標準為基礎，所以ZigBee應用程式可以使用IEEE標準規定的媒體存取控制(MAC)層和實體(PHY)層功能。電機電子工程師學會(IEEE)標準的實體層規範定義各種可使用的調制方式、資料傳輸速率、設備功能、資料傳輸概念及頻段，其中最知名的是2.4GHz工業、科學與醫療(ISM)頻段。

避免2.4GHz過於擁擠　sub-1GHz頻段受矚目

除了ZigBee外，包括Wi-Fi、藍牙等技術亦使用2.4GHz頻段，因此802.15.4採用展頻(Spread Spectrum)技術，提高應用設備在此一高度擁擠頻段中的防干擾能力，以確保ZigBee設備能在藍牙網路並存的環境中正常運作，ZigBee標準還提供另一個非常有用的選項，就是使用地區性頻段。這個地區性頻段範圍通常被稱為「sub-1GHz」或「在1GHz以下的頻段」。Roux解釋，由於頻率較低，這類頻段可使應用設備獲得更好的訊號傳輸距離和傳播效果，可減低室內環境下的負面效應，如多路徑傳播；而2.4GHz訊號則在室內環境中更容易被光滑牆壁或金屬物體所反射，以及被潮濕空氣削弱。

目前，經批准的頻段有四個，其具體頻譜與分部地區如圖5所示，日本為950MHz，北美和澳洲為902MHz，歐洲為868MHz，中國大陸則為780MHz。開發人員利用這些頻段，能建構出適合全球各地及地區性要求的產品，同時提供可讓不同頻段的ZigBee使用相近的應用層協定及網路層協定，且發揮靈活射頻參數配置，如可用輸出功率優勢的產品。Roux強調，智慧抄表或家庭自動化等應用領域可得益於sub-1GHz頻段，因為產品能取得更大的傳輸距離或穿越牆壁的能力，也能讓無線網路毋須採用昂貴的功率放大電路，就能覆蓋整棟建築物，sub-1GHz訊號的另一優點是，可讓一棟普通建築物地下室中一個電表與第一層樓中的一個家用控制器直接連接。

資料來源：愛特梅爾 圖5　全球各地區sub-1GHz的頻段。

至於若廠商各自以其ZigBee產品投入智慧電網中，是否造成相容性問題？楊政廉指出，ZigBee聯盟目前已針對智慧電網應用推出ZigBee Smart Energy Profile，只要符合規範或是先前ZigBee聯盟所制定的標準，將不會出現相容性問題。Roux表示，愛特梅爾致力取得各種智慧讀表標準的相容認證，此外，愛特梅爾也是ZigBee聯盟的成員，積極參與智慧抄表設備應用軟體的開發工作。

何國東則認為，ZigBee聯盟對於各種產品應用均設立標準規範，包括儀表測量也已設立標準，各家廠商都須依照標準研發產品，一旦通過測試實驗室的認證，即能夠確保不同廠商產品間的相容性，目前客戶使用於智慧電網的產品，皆適用於智Smart Energy 1.x的規範，而且ZigBee無線聯盟正在修訂2.0的標準，考慮到相容性問題，目前客戶產品多傾向導入標準規範，並非自行採用非標準化的規範。

至於ZigBee RF4CE能否分食智慧電網大餅？楊正廉表示，目前尚未有客戶將ZigBee RF4CE導入智慧電網，該規格仍以家用電器遙控器為主要應用市場。何國東指出，以家用電力網路來說，使用同一個無線網路，可說是最終的目標，但為了充分運用各種不同的產品應用，還需要不同的位址，因此目前RF4CE仍有技術上的問題待克服。

綜上所述，除了ZigBee在智慧電網應用中將成為最大贏家外，事實上，對於半導體業者而言，智慧電網是環保熱門議題之一，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，半導體業者也不斷推出符合智慧電網各式需求的產品，致力落實智慧電網的應用。