Z roku na rok zwiększa się światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Produkcja coraz większej ilości energii prowadzi do coraz intensywniejszej eksploatacji złóż naturalnych surowców energetycznych takich jak węgiel kamienny i brunaftny, ropa naftowa, gaz ziemny itp., które razem stanowią dużą część źródeł energii wykorzystywanych przez człowieka. Wymienione surowce są nieodnawialne, więc ich wydobywanie skutkuje postępującą degradacją środowiska. Instytucje odpowiedzialne za regulację rynku energetycznego mają tego świadomość, dlatego chcąc działać na rzecz ochrony środowiska nie ograniczając jednocześnie produkcji energii, podejmują inicjatywy mające na celu zwiększenie efektywności wykorzystania energii poprzez zoptymalizowanie procesu jej produkcji, dystrybucji i zużycia. Wdrażaną na największą (globalną) skalę ideą mającą na celu pomóc osiągnąć ten ambitny cel jest Smart Grid (rys. 1).
Rys. 1. Smart Grid
Smart Grid to pojęcie, które rozumieć należy jako inteligentny system elektroenergetyczny. Według jednej z definicji „Smart Grid to system elektroenergetyczny integrujący w sposób inteligentny działania wszystkich uczestników procesów generacji, przesyłu, dystrybucji i użytkowania, w celu dostarczania energii elektrycznej w sposób niezawodny, bezpieczny i ekonomiczny, z uwzględnieniem wymogów ochrony środowiska” [1]. Przytoczona definicja pokazuje innowacyjność tej koncepcji oraz wynikającą z niej skalę przedsięwzięcia, którego realizacja wymaga modernizacji sieci energetycznych w każdej domenie ich działania. Z tego powodu firmy pragnące sprzedawać mierniki dla systemów Smart Grid muszą opracować nowe urządzenia, które będą w stanie nie tylko wykonywać pomiar zużycia energii lub innego medium, ale także realizować zadania wynikające z pracy w inteligentnym systemie elektroenergetycznym. Do najważniejszego z nowych zadań należy umiejętność komunikowania się z innymi urządzeniami sieci (np. w celu przesłania zmierzonego pomiaru do koncentratora danych lub wykonania zdalnej konfiguracji miernika). Komunikacja może być realizowana przy użyciu standardów transmisji przewodowej (np. PLC – Powel Line Communication) lub bezprzewodowej (np. Wireless MBUS, ZigBee). Takie mierniki mogą być budowane przy wykorzystaniu standardowych komponentów elektronicznych – mikrokontrolerów, układów pomiarowych, układów komunikacji przewodowej i radiowej i innych, jednak dużo lepszym pomysłem jest stosowanie układów dedykowanych, zaprojektowanych specjalnie dla systemów Smart Grid, które integrują w sobie wszystkie wymienione funkcjonalności – przetwarzanie danych, pomiar i komunikację. Jedną z firm wyspecjalizowanych w produkcji układów dla Smart Grid jest Accent. W niniejszym artykule przedstawiona zostanie oferta tego producenta.
Firma Accent na przestrzeni swojej historii, która sięga roku 1993, kiedy została powołana do życia dzięki współpracy firm ST Microelectronics i Cadence Design Systems, stworzyła unikalną ofertę układów przeznaczonych dla aplikacji Smart Grid. Obecnie na portfolio Accent składają się układy z rodziny ASMgrid1, ASMgrid2 oraz dedykowane dla nich programistyczne i sprzętowe narzędzia rozwojowe.
ASMgrid1
Pierwszym opracowanym przez firmę Accent układem jest ASMgrid1 (rys. 2). Jest to rozwiązanie typu SoC (System on Chip), które łączy w sobie rdzeń mikroprocesorowy, pamięć, peryferia, układ do komunikacji bezprzewodowej i układ do komunikacji PLC. Sercem ASMgrid1 jest rdzeń ARM Cortex-M3 o wydajności 60 MIPS. Może on korzystać z wbudowanej w układ pamięci Flash i SRAM o pojemności odpowiednio 384 kB i 96 kB. Podstawowe zasoby ASMgrid1 to kontroler wyświetlacza LCD, moduł szyfrujący AES, zegar czasu rzeczywistego (RTC), porty wejścia/wyjścia (I/O), Watchdog, timery, moduł DMA, interfejsy komunikacyjne (UART, I2C, SPI), przetwornik A/C i czujnik temperatury.
Rys. 2. ASMgrid1
Wbudowany układ komunikacji bezprzewodowej umożliwia realizację transmisji radiowej w paśmie 2.4 GHz zgodnie ze standardem IEEE 802.15.4 i protokołem ZigBee. Zużycie prądu w odbiorczym trybie pracy wynosi 20 mA. Podczas wysyłania wiadomości zużycie prądu wzrasta do 21 mA. W celu optymalizacji konsumpcji energii w układzie radiowym zaimplementowany został tryb uśpienia, w którym pobór prądu wynosi tylko 0.33 µA. Parametry transmisyjne układu są następujące: moc wyjściowa +3 dBm, czułość odbiornika -99 dBm, bilans łącza +102 dB.
Zintegrowany w ASMgrid1 układ transmisyjny PLC składa się z nadajnika, odbiornika, modulatora i demodulatora. Układ może przesyłać dane z prędkością do 100 kb/s gwarantując współczynnik BER (Bit Error Ratio) na poziomie 10-9. Za pomocą sieci PLC może zostać połączonych do 65000 węzłów wykorzystujących ASMgrid1.
ASMgrid1 oferowany jest w dwóch obudowach: 144PQFP i 180BGA. Układ może być zasilany napięciem od 2.4 do 3.6 V i został dostosowany do pracy w zakresie temperatur od -40 do +85°C. Firma Accent deklaruje możliwość dostosowania ASMgrid1 do potrzeb klienta poprzez zmiany w strukturze układu. Czas trwania tego procesu wynosi od 3 do 6 miesięcy.
Producent zadbał o przygotowanie narzędzi dla swoich produktów. Dla platformy ASMgrid1 opracowany został zestaw ewaluacyjny ASMgrid Development Kit (rys. 3) oraz środowisko projektowe. Programiści mogą korzystać ponadto z narzędzi firm IAR Systems i Keil. W celu skrócenia czasu wprowadzenia produktu do sprzedaży firma Accent przygotowała biblioteki programistyczne oraz stosy protokołów (PLC i ZigBee).
Rys. 3. ASMgrid Development Kit
