全球布建加速 智能电网引爆半导体商机

2014-07-03 09:08:01来源: 新电子


    半导体厂正扩大抢攻智慧电网市场。能源危机及极端天气发生频率逐渐提高,促使各国政府加快智慧电网建置脚步,以建立能精准监控并弹性分配电力的电网系统,因而带动微控制器(MCU)、低功耗无线连结及数位隔离等元件需求增温,吸引半导体厂争相抢食市场大饼。

    智慧电网市场可望为半导体业者挹注更多营收。随着愈来愈多的再生能源如太阳能、风力等发电系统建设逐步到位,电力公司为让整体使用效率最大化,正积极利用智慧电网管理各种分散式能源发、输、配、用的情形,而半导体厂商也开始着眼于这块商机大饼,推出一系列针对智慧电网市场需求的解决方案。 

中国国家电网开放民资 智慧能源市场添柴薪

    事实上,目前全球布建智慧能源相关建设最为积极的国家非中国大陆莫属,且今年5月中国大陆国家电网公司正式开放民间投资分散式电源并网工程,及电动汽车充换电设备市场,因此,未来民营资本将可以投资、建设和营运太阳能发电、风力发电等分散式能源的电网建设工程,预计将带动大规模的智慧能源商机。 

图1 飞思卡尔微控制器亚太区市场与业务拓展高级经理孙东认为,中国大陆政府开放民间投资分散式能源的政策,将为产业注入强心针。

    飞思卡尔(Freescale)微控制器(MCU)亚太区市场与业务拓展高级经理孙东(图1)表示,中国大陆政府投资经营的国家电网公司于今年5月底甫颁布最新政策,未来将开放民间资本投资两大市场,分别是分散式电源并网工程以及电动车充换电设施建设,此举可视为中国大陆再生能源政策的一大转变,未来民间资源将成为推动中国大陆境内太阳能、风力等再生能源市场产值的重要动力。 

    孙东进一步指出,中国大陆政府在智慧能源市场正火力全开,其中,电动车的发展亦是其不遗余力推动的重要项目,此次国家电网公司开放民营资本投资,将让过往仅由国家电网及南方电网公司承包的充电桩设备商机一举爆发,预计2014?2015年中国大陆全国充电桩设备的投资额将超过人民币600亿元,而电动车及相关设备逐渐到位,将突显加速建设智慧电网及部署分散式能源的必要性。 

    事实上,中国大陆智慧能源市场规模的扩张速度已为全球之冠。中国大陆国家电网公司计划于2020年前投资人民币4兆元于智慧电网设备工程的建设工作,这笔资金将被分配至风力、太阳能等再生能源的合并与储存、能源输送监测、智慧配电站、电动车充电设备及智慧电表建置等用途上,欲建立智慧化的发、输、配、用电整合性电网,提升营运效率。 

    这波市场热度持续升温的趋势,从2013年中国大陆政府在智慧电网的投资金额可见一斑。中国大陆政府光是去年的智慧电网投资金额即达43亿美元,其中大部分用于新建的六千两百万具电表安装花费上。中国大陆官方计划于2015~2017年间完成境内所有智慧电表的建置工作,目前该地区的智慧电表安装量已高达两亿五千万具,系美国境内安装量的两倍以上。反观美国由于补助政策中止,导致其智慧电网市场投资额于去年急遽萎缩33%,仅36亿美元,因此中国大陆在去年正式一跃成为全球最大的智慧电网市场。 

    孙东指出,未来几年中国大陆政府除将加速于企业、家家户户建置电表外,更将加码投资超高压(UHV)电网的建设。中国国家电网公司计划于2015年前投资755亿美元建置750千伏特(kV)的超高压电网,藉此扩大整个国家的电网系统涵盖范围。超高压电网与一般250kV电网不同的地方在于,其可以更小的电流输配电,因此整体电网的电力损耗将大幅度降低,提升电力公司配电效率。 

    除中国大陆政府引入民间资金推动智慧电网建设外,全球多个国家政府正以政策、法规持续推动智慧电网建设,包括美国、日、韩及其他新兴市场政府皆已投资大笔金额,积极布建先进读表基础建设(AMI),而AMI厂商正展开合纵连横策略,以布局通讯技术,期抢食庞大商机。 

智慧电网热潮延烧 AMI厂加速布局通讯技术

    工研院产经中心(IEK)绿能研究部分析师江致惟表示,2013?2016年美国及中国大陆大规模的在农村电网建设的投资,将系带动整体AMI产值的重要关键,前者在去年分两阶段投注1,800万及4,500万美元;而中国大陆则原本计划于2015年前安装两亿三千万具电表,但截至去年招标量已达两亿五千万具,而中国大陆国家电网公司于今年初的工作会议更提及将加大农村电网改革规模,因此可预见美国与中国大陆双方政府仍将持续推动AMI市场规模的成长。 

    至于2016?2018年全球AMI市场则将由欧洲及日本、韩国接棒,其中,日本政府已开始加速导入AMI的时程、韩国则预计在2016年全面让AMI建设普及化;欧洲地区则除了已大规模建置AMI设备的西班牙外,英国、法国、荷兰、希腊等地的AMI市场产值亦将在政府的大力推助下持续攀升。 

    江致惟指出,2013年新兴市场也已开始掀动AMI导入热潮(表1),包括菲律宾、马来西亚、杜拜、土耳其、巴西、墨西哥等地区的电力公司皆因用电需求管理、改善营运效率、解决计价问题等原因开始发展AMI建设,而各大AMI厂商切入市场的关键即为提供低成本、符合地方需求的通讯技术,例如Cyan利用通讯模组改造旧电表的低成本方案即获得巴西青睐,而Kamstrup则因应土耳其的多山地形推出以无线区域网路(Wi-Fi)连结的AMI方案。 

    江致惟强调,通讯技术已经成为AMI厂商间的一大角力重点,因此Elster、Itron、Landis+Gyr、NICT与Silver Spring Networks等五大厂商已签订通讯技术相容协定,将共同采用国际电机电子工程学会(IEEE)802.15.4g标准,藉此让产品更快速进入市场,并降低彼此不相容的风险,此外,在五大厂商的领头带动下,其他AMI设备业者亦可遵循该标准抢食商机大饼。 

    传统AMI大厂不仅积极推动通讯协定互联互通,更进一步与半导体厂商合作,开创新的业务机会。如Itron即与高通(Qualcomm)合作,将于下一代的智慧能源平台中采用后者的Gobi MDM8x15晶片组并整合应用处理器(AP),让智慧电表系统以多模通讯技术沟通,包括2G/3G且可拓展至4G;Alstom则选择与英特尔(Intel)建立夥伴关系,针对未来电网架构开发嵌入式智慧(Embedded Intelligence)及IT系统安全技术。 

    江致惟指出,AMI大厂与通讯技术或半导体晶片商间的合作,将让电力产业迅速成为物联网市场重要成员,而厂商可藉此整合各大电力系统,并推出跨领域的整合产品,跨足商业照明或工业自动化等市场。 

    各家AMI厂商积极与资通讯厂商建立合作关系,意味着全球再生能源的计量设备将加速智慧化,并与物联网(IoT)无缝接轨,引爆另一波商机。 

智慧能源抢搭IoT商机 晶片商全面备战

    物联网风潮兴起,带动智慧能源设备开始导入无线连结技术,藉此让消费者能利用行动装置精准监测各式能源使用情形。半导体晶片商看好这波趋势,将推出一系列结合运算、通讯与感测的混合讯号方案,以协助智慧能源设备开发商于物联网市场中站稳脚步。 

    芯科实验室(Silicon Labs)隔离产品经理Ashish Gokhale表示,智慧能源发展在物联网市场中扮演着至关重要的角色。相较于每年半导体产业产值约3千亿美元,电力相关产业的规模则高达2兆美元,因此透过物联网技术改造能源消耗情形,将可以对全球经济造成更大规模的影响。同时,物联网技术透过监测与负载平衡(Load Balancing),可让能源使用更有效率,从而减少能源浪费,并嘉惠电力公司与消费者。 

    为确保智慧能源应用产品符合物联网市场的发展趋势,半导体厂商须提供具备极高能源使用效率、小尺寸及高成本效益的积体电路(IC)方案。由于大部分的物联网及智慧能源节点系由电池供电,且多利用如ZigBee、蓝牙(Bluetooth)Smart、无线区域网路等无线标准传输数据,因此若要延长产品电池续航力,高整合度且具备高能源使用效益的解决方案将是必要之选。 

    Gokhale指出,芯科实验室做为混合讯号半导体公司,将提供一系列低功耗的通讯、感测、时序(Timing)、校准(Calibration)、隔离及运算的智慧电表方案,包括超低功耗的8位元/32位元微控制器(MCU)、数位隔离器、sub-GHz无线发射器、振荡器(Oscillator)等元件,协助客户推出最新的智慧能源应用产品。 

    Gokhale强调,该公司独道之处在于可把日常生活中的类比讯号,与电脑运算的数位功能结合于单颗晶片方案中,再额外加上通讯技术。此类混合讯号的整合方案由于具备运算、通讯及感测功能,可降低嵌入式应用系统的成本与导入复杂度,让智慧能源市场扩张速度持续提升。 

    根据市调机构IHS研究报告,随着欧洲各国智慧电表专案已陆续步上轨道,以及新兴市场如中国大陆等积极跟进布建脚步,2015年全球智慧电表出货量将急遽上升,传统单向传输的先进读表系统将一一被汰换为奠基于整体封包无线电服务(GPRS)的电表或住宅式智慧电表,以提供双向沟通服务。该机构指出,2011年全球安装的一百四十三亿具电表中,仅有18%的产品可利用连结技术与物联网接轨,但至2016年全球智慧电表安装数量将翻倍成长,扮演物联网重要一角。 

图2 ST大中华与南亚地区电源与类比元件资深经理乐艾伦认为,PRIME联盟虽有先行者优势,且目前市场渗透率仍较高,不过G3-PLC势力正挟高可靠度特色火速崛起。

    意法半导体(ST)大中华与南亚地区电源与类比元件资深经理乐艾伦(Allan Lagasca)(图2)指出,市面上已出现愈来愈多的智慧家庭闸道器(Gateway),负责管理家中所有智慧节点的运作及用电情形,其除了内建上述的无线通讯技术外,更重要的是透过窄频电力线通讯(PLC)方式,与户外的智慧电网系统连接,而G3-PLC联盟(G3-PLC Alliance)已迅速成为窄频电力线通讯市场的关注焦点。 

全球智慧电网相继采用 G3-PLC势力迅速壮大

    在多家半导体晶片商与电力公司的齐心推动下,G3-PLC标准已获美国、德国、法国等国家的智慧电网大规模导入,加速蚕食竞争对手PRIME阵营的市场版图,因此半导体厂商纷纷转向推出支援G3-PLC标准的产品,确保市占表现。 

    乐艾伦表示,在智慧家庭风潮的带动下,各式家电的用电情形监测已成为消费者开始关注的议题,因此智慧电表的市场热度已逐渐增温,而延伸至家庭外,连接各个家庭智慧电表的智慧电网,更扮演电力公司与智慧家庭间即时沟通的重要桥梁。 

    乐艾伦进一步指出,目前电力公司在建设智慧电网时所遵循的窄频通讯技术分为两大阵营,分别是行之有年的PRIME联盟与羽翼渐丰的G3-PLC联盟。前者因推出时间较早,因此在智慧电表的安装量上已小有成就,据PRIME联盟官方统计,其全球装置数量已达四百万具之谱,包括英国、波兰、葡萄牙等国家智慧电网/电表均采用该标准,不过近年来G3-PLC联盟的势力正火速崛起。 

    据了解,多家晶片商相当重视G3-PLC联盟的崛起,因而选择在PRIME联盟之外,加码押宝G3-PLC联盟,从会员名单中不难发现,Maxim、瑞萨电子(Renesas Electronics)、意法半导体(ST)、德州仪器(TI)等皆采取同样策略。事实上,上述四家厂商与飞思卡尔(Freescale),已在2012年底完成支援G3-PLC标准的晶片实体层(PHY)互联互通测试。 

    目前G3-PLC联盟已有超过四十四家厂商加入,包括智慧电网大厂Landis+Gyr、Itron等,而更多来自亚洲的厂商亦相继成为该联盟的推广成员之一。 

    乐艾伦指出,PRIME阵营目前仍拥有高市场渗透率的优势,不过由于G3-PLC技术在大范围的智慧电网数据传输表现上较为理想且可靠,因此愈来愈多电力公司倾向采用G3-PLC标准,做为未来大规模部署智慧电网的窄频通讯方案。 

    Maxim Integrated能源方案商业总监Gregory Guez指出,由Maxim开发出的G3-PLC电力线通讯标准正由法国电力公司ERDF带头导入产品中,未来几年该电力公司将安装超过三千两百万具智慧电表,皆系采用G3-PLC电力线通讯技术。 

    G3-PLC联盟指出,该技术具备高可靠度的原因在于其支援第六代网际网路协定(IPv6),数据传输率高于20kbit/s,且可让数据在电力线管道中透过6LoWPAN适应层(Adaptation Layer)传送封包,并进一步与以网际网路为基础的能源管理系统与应用接轨。此外,基于IEEE 802.15.4的媒体接取层(MAC)亦可确保G3-PLC产品间的互通性。 

    展望未来,将有数家智慧电网厂商以G3-PLC标准做为大规模建设工程的主要通讯技术,包括荷兰Enexis的智慧电表建设、法国ERDF智慧电表Linky专案,以及日本TEPCO亦将导入该技术于家庭能源管理系统,而其他数个国家如葡萄牙、美国、台湾、墨西哥等,也正如火如荼展开以G3-PLC标准为技术基础的智慧电网现场测试(Field Test)。 

    看好G3-PLC标准发展后势,除开发该标准的Maxim已具备一系列支援G3-PLC规格的智慧电表解决方案外,意法半导体亦于产品蓝图中新增符合G3-PLC标准的产品线(图3),至于德州仪器(TI)则是推出横跨欧洲电工标准化委员会(CENELEC)和美国联邦通讯委员会(FCC)频段,支援G3-PLC、PRIME和IEEE-1901.2标准的数据机平台,藉此提供客户更多的设计选择。 

图3 意法半导体智慧电表产品蓝图 资料来源:ST

    值得一提的是,除电力公司大规模布建智慧电网及电表设施外,智慧家庭市场也开始以微电网(Microgrid)做为连接各式智慧家电及分散式能源的重要网路,而近距离通讯技术及Sub-GHz无线通讯元件,将于微电网市场占有一席之地。 

微电网大啖智慧家庭商机 无线通讯元件市场热度升温

    全球微电网布建速度将持续加快,而其连接的不仅是智慧电表,尚包括水、瓦斯、暖气等各式其他电力线通讯技术无法大展长才的计量设备,因此无线通讯元件仍将做为智慧电表及其他计量设备与智慧电网间相当重要的沟通桥梁。 

    市调机构Navigant Research首席研究分析师Peter Asmus表示,在不同的应用领域里,全球微电网的导入步调皆火速加快中。以美国为例,极端天气发生的频率愈来愈高,让传统电厂开始重新思考其历史定位,因为当天灾发生时,唯一能维持电力运作等重要任务的将是与大型电网没有连结(Disconnect)、由消费者拥有的微电网,因此2014?2020年该国将拥有全世界最大规模的微电网市场,而全球微电网安装量也将由866MW上升至4,100MW之谱。 

    事实上,北美目前即是全球微电网安装量最高的区域,而随着该地区的企业及消费者积极追求用电的独立性,美国将持续居于首位至2020年。不过,由于未来几年,亚太地区国家如印度、中国大陆、马来西亚等地的人口数成长速度飞快,用电量也将大幅度增加,在此市场变化下,传统电网架构已不敷使用,因此2014?2020年亚太地区的微电网安装量将达2,800MW,而至2030年左右,该地区将一举取代美国成为全球微电网最大安装量的所在地。 

    微电网之所以能大受居家市场欢迎,主要原因在于智慧家庭风潮正夯,而消费者可以利用自有的微电网系统及智慧电表轻松地明瞭目前用电情形。目前微电网或更小规模、更省电的奈米电网(Nanogrid)多半与智慧家电、照明控制系统以及暖通空调(HVAC)系统连接,藉此创造更显著的省电效益(图4)。 

图4 智慧电网应用情境 资料来源:ST

    大部分智慧电网与智慧电表等可利用既有的电力线架构,以窄频电力线通讯技术传输数据,不过,在智慧家庭的风潮中,不仅智慧电表可帮消费者省下多余支出,水、瓦斯、暖气等计量设备也都是节省能源的重要关键,但由于电力线在这些应用中须额外导入所以不实际,因此这些非电表类的计量设备将采用以sub-GHz频段通讯的无线通讯元件为主,至于2.4GHz的ZigBee技术由于可支援网状(Mesh)拓扑,也被频繁地使用在智慧电表与智慧家电间的通讯应用。 

    对于采用无线通讯技术的智慧电表及智慧电网而言,最大的设计挑战即为提升能源使用效率。大部分的无线电表倾向采用电池做为电力来源,且必须拥有够长的电池续航力,因此半导体厂商已开始针对此类应用投资更多低功耗元件技术,如8位元/32位元微控制器(MCU)、sub-GHz讯号发射器、ZigBee系统单晶片以及数位隔离器、类比电源管理晶片等,皆是能确保无线智慧电表及智慧电网电池续航力的重要关键。 

    全球智慧能源布建工程风起云涌,无论是大规模的欧美成熟市场,或中国大陆、中南美洲等新兴市场皆已掀起一股智慧电网、电表导入热潮,而相关半导体商机也被一举引爆,各大晶片商已利用各式解决方案展开卡位,欲在市场全面起飞搭上商机顺风车。

关键字:智能电网  半导体

编辑:刘燚 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2014/0703/article_10039.html
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