Z-Wave
芯科偕Z-Wave聯盟開放無線通訊規範
芯科科技(Silicon Labs)與Z-Wave聯盟(Z-Wave Alliance)日前共同宣布開放Z-Wave規範,使其成為一項已核准的多源無線通訊標準,可供所有晶片和協定堆疊供應商進行開發。透過這個變革,半導體和軟體供應業者將能加入Z-Wave生態鏈,並為此智慧家庭標準之未來發展貢獻己力,開發、提供sub-GHz Z-Wave射頻元件及軟體協定堆疊。Z-Wave聯盟將進一步擴展為Z-Wave規範的標準開發組織,並將繼續管理包括軟體和硬體在內的Z-Wave認證專案。
Silicon Labs副總裁暨物聯網家庭及消費產品事業部總經理Jake Alamat表示,Silicon Labs長期致力於建立業界協同性以提升智慧家庭裝置的安全性和相容性。智慧家庭產業未來的成功仰賴生態鏈間緊密的連結。面對智慧家庭龐大的市場潛能,冀望成為蓬勃發展中的推動者。當生態鏈的所有成員朝共同目標前進時,包括製造商、開發商、零售商和消費者在內的整個產業都將受益於此種開放合作。
開放Z-Wave規範預計將於2020年下半年推出,其中包括ITU.G9959 PHY/MAC射頻規範、應用層、網路層和主機設備通訊協定。Z-Wave將由Z-Wave聯盟工作小組成員所集體開發,以多源、無線智慧家庭標準取代單一來源的規範。憑藉已部署、總數超過1億台之可互操作性裝置、3200多款認證產品和700多家會員公司,Z-Wave將建立市場上最成熟且最普及的智慧家庭生態鏈。
Z-Wave聯盟執行董事Mitch Klein表示,作為一標準組織,Z-Wave聯盟將協助克服阻礙智慧家庭設備部署的互操作性挑戰。聯盟成員們將共同致力於同一個sub-GHZ連接解決方案,以確保發展物聯網所需的前後相容性、互操作性、安全性和強韌性。Z-Wave聯盟將共同推動可完整實現之智慧家庭標準。
聯盟成員和智慧家庭消費者都將受益於Z-Wave的標誌性功能,包括互操作性、向後相容、S2安全框架、SmartStart之安裝便捷性、具有10年電池續航時間的低功耗功能及具備sub-GHz網狀網路的遠距離覆蓋。Z-Wave聯盟將持續維護認證計畫,不但擴大供應範圍以為技術供應商提供硬體和協定堆疊認證,同時為系統產品製造商進行應用層認證。
芯科宣布開放Z-Wave標準 加大普及力道避免被邊緣化
為讓Z-Wave早日攻入智慧家庭生態鏈,擴大其普及率,芯科科技(Silicon Labs)與Z-Wave聯盟(Z-Wave Alliance)日前共同宣布開放Z-Wave規範,使其成為一項已核准的多源無線通訊標準,可供所有晶片和協定堆疊供應商進行開發。透過這個變革,半導體和軟體供應業者將能加入Z-Wave生態鏈,並基於此標準開發、提供sub-GHz Z-Wave射頻元件及軟體協定堆疊。同時,Z-Wave聯盟將進一步擴展為Z-Wave規範的標準開發組織,並將繼續管理包括軟體和硬體在內的Z-Wave認證專案。
Z-Wave聯盟執行董事Mitch Klein表示,作為一標準組織,Z-Wave聯盟將協助克服阻礙智慧家庭設備部署的互操作性挑戰。聯盟成員們將共同致力於同一個sub-GHZ連接解決方案,以確保發展物聯網所需的前後相容性、互操作性、安全性和強韌性。Z-Wave聯盟將共同推動可完整實現之智慧家庭標準。
Z-Wave聯盟董事會成員暨Trane數位產品部總經理George Land則說,作為Z-Wave技術之早期採用者,Silicon Labs的此一舉措,將實現一個可互操作、更廣大的生態系統將強化消費者和製造商的信心,進而推動業界的整體發展。
據悉,開放Z-Wave規範預計將於2020年下半年推出,其中包括ITU.G9959 PHY/MAC射頻規範、應用層、網路層和主機設備通訊協定。Z-Wave將由Z-Wave聯盟工作小組成員所集體開發,以多源、無線智慧家庭標準取代單一來源的規範。
芯科和Z-Wave聯盟希望透過開放的Z-Wave規範,讓聯盟成員和智慧家庭消費者都將受益於Z-Wave的標誌性功能,包括互操作性、向後相容、S2安全框架、SmartStart之安裝便捷性、具有10年電池續航時間的低功耗功能及具備sub-GHz網狀網路的遠距離覆蓋。
芯科希望透過開放標準推動Z-Wave普及。
另外,透過將Z-Wave擴展為由多家供應商所支援之標準,除了將使智慧家庭生態鏈受益於更廣泛的技術支援及市場的加速採用率之外,此一舉措也有助於拓展Z-Wave的普及率,讓更多半導體業者或智慧家庭消費業者採用此一通訊標準。
未來Z-Wave聯盟將持續維護認證計畫,不但擴大供應範圍以為技術供應商提供硬體和協定堆疊認證,同時為系統產品製造商進行應用層認證;而芯科也將持續投資Z-Wave技術,並透過擴大的Z-Wave聯盟與新供應商合作推動其未來之成長。開放Z-Wave規範之開發將透過於2020年第三季所成立之全新工作小組管理,相關晶片和協定堆疊平台認證計畫之詳細資訊並將於第3季公布。
Silicon Labs副總裁暨物聯網家庭及消費產品事業部總經理Jake Alamat說,該公司長期致力於建立業界協同性以提升智慧家庭裝置的安全性和相容性。智慧家庭產業未來的成功仰賴生態鏈間緊密的連結;而當生態鏈的所有成員朝共同目標前進時,包括製造商、開發商、零售商和消費者在內的整個產業都將受益於此種開放合作。
AIoT大舉進駐 智慧家庭開啟創新應用大門
AI、邊緣運算技術快速蓬勃,為智慧家庭應用開啟創新大門,除了影音娛樂、照明控制、智慧家電等功能再上層樓外,包括居家監控、門鎖、廚衛用品、暖通空調、睡眠寢具等也都開始導入智慧化、聯網化設計;還有智慧音箱和AI語音助理大舉進駐智慧家庭。
顯而易見,智慧家庭的AI應用正快速擴散,而如何在嵌入式系統中實作語音辨識、機器學習與邊緣AI功能?以及如何運用藍牙、ZigBee、Wi-Fi等聯網技術無縫串連家中智慧裝置?將是家電產品與消費性電子製造商成功搶占智慧家庭AI應用商機的重要課題。
本活動邀請相關領域代表性業者與專家,深入探討智慧家庭AI技術與應用趨勢,並剖析產品設計開發對策。同時,活動中也揭曉由經濟部工業局主辦的家電產品設計競賽得獎名單,並舉辦頒獎活動,鼓勵青年學子投入智慧家電研發並厚植相關領域能量,提升家電產業產品附加價值。
家電設計發揮創意
今年獲獎的設計分別為釀造機、環境降溫爐架、補蚊器、居家無塵室除菌機。獲得金獎的「釀相」保留傳統製麴工法,運用現代科技製作發酵食物,溫濕度調控系統的設置確保其環境適合讓麴生長;並內建藍牙讓裝置可與手機聯結,操作與紀錄關於自釀的大小事。銀獎「涼盛吉食」為針對廚房高溫與油煙設計的環境降溫爐架。為解決火爐之熱輻射直射使用者的問題,「涼盛吉食」替換了現有的爐架,使用白色、亮面的絕熱陶瓷將火源關住,讓熱輻射不再直射出來,並提高爐火的能源效率,更能降低瓦斯的使用量。
獲得銅獎的「合拍」是個有電蚊拍、循環扇和捕蚊燈功能的組合家電,電蚊拍平時吸附在循環扇上,成為吸入式電擊捕蚊燈,也可拆開一分為二,成為電蚊拍、循環扇單獨使用。佳作的居家無塵室除菌機,將無塵室的概念帶入居家,利用臭氧的功效,使家人回到家中能進行簡單快速的全身潔淨,清除細菌和沾染的煙味異味。
家電服務導入AI改善使用者體驗
多年前資通訊產業就看好科技產品在家庭應用的潛力,從數位家庭到智慧家庭,大同家電電子事業部課長傅郁翔(圖1)指出,過去數位家庭是以控制主機如PC、電視或網路閘道器為中心,再對家電進行控制。而現在智慧家庭的概念則是以雲端平台為中心,使用無線網路技術將家電、安防/監控裝置、感測節點等串連起來,透過雲端服務進行產品的控制與管理,安裝與整合彈性較高。也導入AI提升影音品質、整合應用強化生活管理並利用科技降低料理門檻。
圖1 大同家電電子事業部課長傅郁翔指出,智慧家庭的概念是以雲端平台為中心,透過雲端服務進行產品控制與管理。
在智慧家庭發展趨勢部分,傅郁翔表示,未來將發展更多元的操控介面,如語音控制、手機App與穿戴裝置等,多雲串聯將促使服務更加豐富,智慧產品除白色家電之外,燈光、門禁、監控都是。而雲端服務也可蒐集產品使用訊息,大同便以此發展一套產品改善系統,透過主被動蒐集而來的資料,進行分析並提出改善建議。
家用無線網路多協議支援為趨勢
網路身為智慧家庭的連接骨幹,在過去控制主機的架構下,網路架構技術種類較單一,以多點式的星狀網路(Star Network)為主;現今智慧家庭則進化為無明顯主從的網狀網路(Mesh Network)架構,芯科科技(Silicon Labs)資深應用工程師黃金評(圖2)解釋,網狀網路有幾項優勢,包括:延伸網路距離、降低功耗、擴增系統規模、提供最佳響應能力等。現在家庭中網路環境越來越複雜,主要的短距無線技術有:藍牙(Bluetooth)、Wi-Fi、ZigBee、Thread、Z-Wave等。
圖2 芯科科技資深應用工程師黃金評解釋,在智慧家庭的應用中,互連互通是消費者非常重視的功能。
面對混合式的無線/有線網路環境,Silicon Labs近年積極投入發展多協定支援技術,黃金評提出,根據產業研究機構調查,在智慧家庭的應用中,互連互通是消費者非常重視的主要功能。該公司的Mighty Gecko無線微控制器,就支援了Zigbee、Thread和藍牙網狀網路應用,包括聯網照明、網關、語音助理和智慧電表。採用80MHz ARM Cortex-M33核心,專用安全核心可支援快速加密、安全啟動加載以及調試訪問控制。EFR32MG21可提供RF鏈路,以確保可靠的通信。並可使用開發套件、SDK、行動應用程序和Silicon Labs的網路分析器縮短產品上市時間。
另外,Z-Wave也是一種短距離的傳輸技術,和ZigBee一樣基於無線射頻,屬於硬體架構跟協定上的技術,功耗遠低於Wi-Fi跟藍牙,在智慧家庭的應用領域占有一定優勢。黃金評解釋,該技術運作在sub-GHz的低頻段,支援網狀網路架構,在互連互通功能上,該技術支援裝置與命令溝通,並且需要送認證確保裝置的互通性,同時支援向下相容與隨插即用。
善用AI強化技術/產品競爭力
IoT與AI是當今科技產業發展的兩大顯學,釩創科技顧問高達人(圖3)說,AIoT就是兩者的結合,AI無所不在會影響工作與生活,但AI只是一種工具,如何善加應用AI帶來的便利性,以強化產品與技術的深度,而現在全球的科技巨擘,臉書(Facebook)、蘋果(Apple)、亞馬遜(Amazon)、谷歌(Google)、Netflix等,都是善用最新技術的公司,科技產業很多層面的競爭已經沒有國界的限制,將自己的專長做到最好才是真正的競爭力。
圖3 釩創科技顧問高達人說,AI無所不在會影響工作與生活,但AI只是一種工具,善用AI帶來的便利才是重點。
AI應用會滲透到各個領域與層面,不過在智慧醫療、機器人、智慧眼鏡、智慧工廠、智慧家庭/智慧家電、智慧照明、智慧照護等則是較為熱門的領域。對所有廠商而言,導入AI是否成功,高達人認為,最重要的原則就是:AI功能是否簡單易用。面對AI帶來的機會與挑戰,台灣過去幾十年發展資通訊硬體製造的經驗,就是最好的資本,前述AI大廠會不斷發掘AI商機,台灣廠商則是要依著自己的強項找尋立基點,創造與大廠合作的機會。
AIoT將在智慧家庭發揮重大影響
AI未來與智慧家庭的結合肯定會帶來重大影響,資策會數位轉型研究所董一志(圖4)博士表示,在智慧家庭的AI與IoT應用中,三個基礎分別為AI、Big Data與Cloud Computing。在AIoT的趨勢之下,無論是公共建設的推廣還是消費電子產品的問世,廠商必須去思考人們真正的需求為何。而家庭中,燈是最普遍、入門的裝置之一,業界具影響力人士預測,智慧照明會是帶動智慧家庭的基礎應用與架構之一,家居產品/服務大廠也推出可聯結Apple HomeKit、Amazon Echo與Google Home平台的燈泡。
圖4 資策會數位轉型研究所董一志博士表示,在家庭網路應用中,透過深度學習演算法,讓雲端與邊緣裝置協同合作。
而在前瞻創意的應用部分,董一志指出,國外已經出現結合語音助理與無人機的產品,可以自由在室內空間移動,配合人們在家裡各個空間的活動,再回到固定的充電位置;另外,智慧化的家庭網路,透過軟硬體技術,將家用網路聯結優化/最佳化,整合有/無線網路,設定最佳的網路路徑選擇;在家庭網路應用中,透過深度學習演算法,讓雲端與邊緣裝置協同合作;深度神經網路(Deep Neural Network, DNN)近期也應用在網路攝影機上,強化人臉辨識為主的影像辨識功能,讓傳統的家用網路設備增加保全、照護等新功能。
無線/感測/平台同步進擊 智慧家庭AI加持邁向康莊大道
AI技術近年引起熱烈討論,與家電結合之後,將真正打通智慧家庭任督二脈,在家中各個角落埋設的感測器蒐集溫度、濕度、空氣品質等環境訊息,透過無線技術如Zigbee、Thread、Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)5網狀網路(Mesh Network)等與家電連結,再利用人工智慧深度學習演算法,判斷出最適合使用家電的時機,讓家裡的各項環境數值時時保持最舒適的狀態。甚至透過語音指令操作各類電器,讓家庭裡所有裝置的控制與家電使用真正智慧化。
同時,相關商機也吸引Apple、Google、Amazon等國際大廠積極布局,根據Strategy Analytics預估,全球智慧家庭硬體裝置與服務市場規模在2020年將高達1,300億美元,2015~2020年的複合成長率(CAGR)為16%,本活動邀請相關領域代表性業者與專家深入探討智慧家庭的設計與應用趨勢,並剖析部署對策及未來發展趨勢。另外,為鼓勵學生投入智慧家電並厚植相關領域能量,由經濟部工業局主辦的家電產品設計競賽,強化台灣家電產業之時尚美學與色彩運用能量,提升產品附加價值,特於會中舉辦頒獎活動,鼓勵得獎作品與團隊,並於現場展示。
感測器在智慧家庭無所不在
家庭在智慧化的過程中,感測器(Sensor)的應用將越見普遍,藉由偵測環境如光、空氣的感知與控制,改善人們的生活並提升舒適性,艾邁斯半導體(ams)台灣區總經理李定翰(圖1)表示,該公司感測器的發展與應用是以人為本,為人或是人所在的環境而服務。感測器蒐集類比世界各種訊息,並整合MCU、演算法、參考設計等與數位世界連接,同時經由數據的判斷達成自動化。
圖1 艾邁斯半導體台灣區總經理李定翰表示,該公司感測器的發展與應用是以人為本,為人或是人所在的環境而服務。
與環境有關的感測器種類繁多,李定翰說明,光感測器在家庭應用將最為普遍,因為燈具無所不在,未來燈具的自動化是光感測器主要應用之一,根據研究機構IHS Markit的數據,2017年全球光感測器市場規模達26億個。而光感測的應用不僅在燈具的感應與控制,近期愈來越被市場討論的光譜晶片與食物晶片,其實都是光感測的應用,透過光線的折射、透射與繞射現象,可以檢測水質、分析血液、油品品質,甚至感測食物中的水分,分析食物的新鮮度,應用層面相當廣泛。
另外,空氣污染近年也是人們關心的重大議題,環境中經由人們呼吸進入人體的有害物質如灰塵類的霧霾、室內裝潢散發的甲醛、無色無味的一氧化碳、二氧化碳等,李定翰解釋,氣體感測器(Gas Sensor)應用同樣深具潛力,揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)感測器可以協助發現有害氣體,還給消費者清新健康的空氣。而磁性位置感測器(Magnetic Position Sensor)是一種利用霍爾效應(Hall Effect)或磁阻(Magneto Resistive)的晶片,可搭配其他感測器來追蹤移動中的裝置元件其轉速及線性角度,透過磁場偵測功能來定位。
智慧家電高度互連互通發展
智慧家庭中,除了環境的自動化之外,智慧家電也是談論已久的核心裝置,大同家電電子事業部廠長張忠棋(圖2)指出,前一波智慧家庭中談論的智慧家電,主要是將家電導入電子化的功能,但基本上整個生態系中的各領域業者還是各做各的,因此無法發揮整合性的效益,物聯網則提供了一個新的契機,除了產品的智慧化之外,開發App,結合實體與網路門市,深化會員服務,還要連結雲端服務與共通性的網路協定。
圖2 大同家電電子事業部廠長張忠棋指出,智慧家庭高度互連互通的發展趨勢,促使家電業者朝向開放平台Open API的方向發展。
因此,張忠棋強調,未來的智慧家電發展趨勢,已經不再是單純的遠端控制,還包括節能管理、排程控制、情境控制、智慧烹調、智慧服務、智慧診斷與近期最熱門的智慧助理。而在雲端也提供家電管理、情境管理、設備分享、智慧助理、開關機提示、長時間使用提示、區域設定、用電管理等整合性的服務。而開放性平台,讓不同廠牌家電產品能夠互連互通亦非常重要。
因應智慧家庭高度互連互通的趨勢,智慧能源、智慧生活、跨平台協作的三大主軸,大同也朝向開放平台Open API的方向發展,張忠棋期許,該公司的家電產品與服務也能與各領域之物聯網聯盟與軟體服務進行整合,朝提供消費者有感的智慧生活體驗來建構AIoT物聯網生態系統。
家用無線網路混合型架構
在家庭的環境中,網路連結是另一個重要的元素,未來智慧家庭網路尤其是無線網路,是混合型的網路架構,Silicon Labs台灣區總經理寶陸格(圖3)提到,WiFi、藍牙、Zigbee、Thread、Z-Wave還有特定的無線標準等,都會共存在家庭環境中。除了目前熱門的智慧音箱之外,以美國家庭為例,平均每個家庭擁有40個燈,燈光控制的智慧化需求也陸續浮現,2019年為家庭燈座導入智慧功能可能會出現大幅成長。
圖3 Silicon Labs台灣區總經理寶陸格提到,智慧家庭混合式無線環境的應用與順暢度,是未來無線方案供應商發展重點。
另外,越來越多家用裝置具備聯網能力,也將使多對多架構的網狀網路(Mesh Network),取代過去以網路閘道器為中心,一對多架構的星狀網路。寶陸格表示,網狀網路相較星狀網路有連結距離較長、耗電量較低、網路規模較大、系統穩定性更佳,並提供更好的回應能力(Deliver Optimal Responsiveness)等優勢。目前Bluetooth Mesh、Thread、Zigbee都可以提供網狀網路功能(圖4),技術各有優劣勢,智慧家庭平台業者亦會針對自身的需求導入相關服務。
圖4 Bluetooth、Thread、Zigbee網狀網路技術特性比較
資料來源:Silicon Labs整理
而在現有混和式網路環境下,多重協議也會共存在一個環境中,寶陸格指出,多重協議主要分成切換式與動態式兩種模式,以智慧燈泡的控制為例,使用者的手機通常有藍牙功能,於是先透過藍牙把上網功能喚醒,經過10~15秒重新啟動,將網路切換到Zigbee架構下,燈泡實際運作時的控制就是透過Zigbee網路。
另外,在零售賣場,燈泡控制是Zigbee網路,因應消費者的購買行為,需要不定時發送信標(Beacons)推播訊息到消費者的手機上,推播訊息需要採用藍牙網路,這個情境是在Zigbee網路架構下,即時、動態切換到藍牙網路。現在Silicon Labs就推動支援2.4GHz與sub-GHz頻段,支援多通訊協議藍牙、Zigbee、Thread與特定協定的多重協議單晶片解決方案,與原先需要2~3顆晶片的解決方案,不但較為省電也更具備成本效益。
另外,會中也同時舉辦由經濟部工業局主辦的家電產品設計競賽頒獎典禮,執行單位電電公會毛恩洸副秘書長致詞時表示,家電是每個家庭必備的產品,市場需求不會消失,設計競賽活動的舉辦,就是為了促使家電更符合現在的應用需求,並結合技術趨勢發展新的家電,本次活動共131件 產品經過兩階段評選,選出的優勝作品,無論在造型設計、功能應用與新技術導入都有各自傑出之處,希望藉此鼓勵得獎作品與團隊,也推動台灣家電產業維持發展與創新的動力。
Silicon Labs智慧家庭平台推動IoT裝置發展
芯科科技(Silicon Labs)日前宣布推出適用Wireless Gecko平台之新一代Z-Wave700,該平台是業界最全面性的物聯網(IoT)硬體和軟體連接解決方案。繼Silicon Labs在2018年4月策略性收購Z-Wave技術後,Z-Wave 700的發表再次展現該公司願景及平台整合藍圖。
全新智慧家庭平台以Z-Wave的S2安全架構和互操作性為基礎,提供高效能並提高性能、延長射頻覆蓋距離。透過Wireless Gecko平台,Z-Wave 700讓開發人員能以更低成本和縮短的上市時間打造最新型的智慧家庭產品。
消費性物聯網IDC資深分析師Adam Wright表示,2022年全球智慧家庭市場年出貨量預計增加至13億台,其中大部分增加的產品由支援人工智慧和邊緣運算應用的感測器所推動,這些應用可以在安全、居家安養、能源、語音控制和保險等新的垂直領域中提供智慧體驗。無線技術的進步(如Z-Wave 700)正推動著電池供電感測器的發展趨勢,使這些裝置能更簡易的安裝和部署。
Z-Wave 700整合了ARM處理器的強大平台和大容量記憶體,可在邊緣實現更高的智能,並在不到一秒內安全入網。節能型Z-Wave 700平台採用鈕扣型電池供電,使用壽命高達10年,可實現更多無線感測器的應用。Z-Wave 700增強的射頻性能使相關裝置打破傳統距離限制,以無縫覆蓋至庭院周邊及住宅的各個角落。
導入AI電網管理效率提升 虛擬電廠平衡電力供需
為了改善突發性的缺電問題並維持電網平衡,先進國家率先在電力市場導入需量反映制度,藉由要求客戶在尖峰時段關閉空調等設備,將省下來的電回饋給電網,以調度電力給急需用電的客戶、並支付節電獎勵,或是透過以價制量的方式,針對尖峰用電收取較高的電費,刺激客戶減少在尖峰時段的用電量。因此,部分能源業者瞄準需量訂價的需求缺口,協助客戶在電費較高的用電時段,從高價的電網電力轉向使用較便宜的蓄電池電力,讓客戶在不改變用電行為下,降低營運的電力成本,如美國STEM。
此外,為了改善再生能源供電不穩的問題,也有能源業者從自產自用的綠電生產者(Prosumer)角度思考,協助綠電生產者運用蓄電池儲存餘電,以便於需要時或電價較高的時段,使用蓄電池的電力來降低電費,或出售給急需用電的人來賺取營收,如德國Sonnen和美國Tesla。
STEM結合AI與儲能技術優化用電
STEM創立於2009年,前三年專注於儲能技術的研發,申請多項儲能相關專利,直到2012年才將公司從原本只提供硬體相關的儲能系統,轉為優化客戶用電之儲能服務,透過結合儲能、大數據分析及雲端運算技術,協助企業用戶在不改變原本的用電行為下,降低電費。此思維與傳統的能源管理方案不同,過往企業要降低用電成本,多從節能角度思考,有時甚至得配合電力公司在用電尖峰時段減少用電,但像飯店、工廠、養殖漁業等日常運作易受缺電所影響的產業,其電費將因需求高峰時段的加價,難以控制用電成本。
STEM並不僅是協助企業用戶控制用電成本,其最終目標是優化電網的服務效率,如降低電網尖峰負載、改善再生能源併網所產生的間歇性電力入網等電網平衡議題。因此,STEM一方面提供企業用戶服務,另一方面擴張其儲能站點,以累積足夠的可調度電力,協助電力公司進行大範圍場域的電力調度。此種透過儲能設備之間的相互連接所形成的蓄電池網路,構成了「虛擬電廠」,能在電力市場中扮演供電者的角色。
此虛擬電廠的概念於2015年初步被驗證。STEM藉由參與加州電力系統營運機構標案,進入到加州的電力零售市場,透過預測軟體將所設定的目標價格與市場競價,並自動調配可調度之儲電電力到電網中,且成功調度電力給PG&E(太平洋瓦斯電力公司)。
目前STEM已有800多個儲能站點(主要分布在加州和夏威夷),其中超過100個儲能系統參與虛擬電廠計畫,提供緊急電力調度服務,2017年內即有600多件虛擬電廠調度案例。特別是6月中的熱浪造成電價飆高,STEM於1小時內完成橫跨七區電網的電力調度,解救加州面臨大區域停電的威脅。
只有儲能技術並不足以協助用戶優化電力使用時段,需要一套機制判斷何時該用電網電力、何時該轉用蓄電池之電力。在STEM的解決方案中,由智慧能源監控裝置(Power Monitor)蒐集用戶電力使用習慣、當時氣候、電價等數據,進行用電行為之分析與預測,並透過PowerScope提供用戶可視化的分析報告,供用戶做營運決策之參考,如關燈、溫度調控、關閉部分設備等。然而,最關鍵的蓄電池放電與儲電時機的判斷,則交由儲能網路及系統背後的大腦--Athena,制定既快速又精準的用電優化策略。
Athena為全球第一個運用在儲能和虛擬電廠策略的人工智慧系統,透過大數據分析與深度學習技術,每分鐘可處理400MB資料,持續學習並改善其邏輯演算法。由於進行即時優化用電的決策過程非常複雜,即便擁有儲能技術,還必須經過數以千次的計算、預測模擬及瞬間判斷才能掌握低成本的用電時機。目前Athena已學習超過500萬小時,處理近兩億筆數據,並進行超過3,500萬次模擬預測,以確保掌握客戶的用電行為,精準地判斷切換電力來源的時機。
透過Athena的自動決策,可協助客戶進行24小時能源管理,在不增加客戶的工作負擔下,每年替客戶省下約800萬美元。此外,客戶還能加入虛擬電廠計畫,與800多個儲能站點共組虛擬發電廠,在電力市場賺取額外收入。
Sonnen P2P電力交易平台共享社區綠電
Sonnen於2010年成立,最初從家庭蓄電池製造進入市場,協助用戶解決太陽能供電不穩的特性,透過住宅式的儲能設備將餘電儲存,並結合社區能源共享與電力交易平台,讓用戶除了享受自用發電零電費,透過各家戶所裝設的儲能設備聯網,還能在自家發電不足時向鄰居借電,或是在餘電過盛時提供給需要用電的家戶。隨著Sonnen電池逐漸滲透市場,將所有蓄電池集結起來,甚至可以向電網供電,成為當地的虛擬電廠。
目前Sonnen已成為歐洲最大的蓄電池製造商,約有三萬套系統在全球營運,市占率超過20%,除了歐洲,也銷售至美國和澳洲。其中,Sonnen虛擬電廠服務已被驗證,並向德國、義大利、奧地利和瑞士的10萬名用戶提供虛擬電廠供電服務。
Sonnen從家庭蓄電池起家,考量到太陽能發電受限於氣候及日照時間,會有供電不穩的情況發生。為了讓用戶享受低成本的乾淨能源,Sonnen打造出P2P能源交易平台,讓裝設Sonnen蓄電池之用戶彼此之間可以進行儲電交易,打破傳統電廠對用戶的B2C銷電模式。
SonnenCommunity讓缺電戶以低於電網之電價購入綠電,讓餘電戶獲得高於電網收購之收益,加速用戶回收蓄電池裝設之成本,協助用戶達到零成本用電之目標,因此家戶的太陽能發電系統不僅能自用,還可透過能源交易平台創造收入,用戶不必擔心政府取消補貼再生能源發電後,將無法負擔再生能源發電設備之成本。此外,當加入SonnenCommunity的成員越多,越能促進綠電使用效率,形成一個獨立於中央電網的能源自給自足社區。
藉由能源交易平台所累積的服務基礎,Sonnen更進一步地嘗試將儲能系統結合區塊鏈技術,協助中央電網平衡電力供需。2017年11月,Sonnen和歐洲電網營運商Tennet進行歐洲第一個透過區塊鏈技術平衡電網供需試驗計畫,運用IBM的區塊鏈技術及Sonnen家庭儲能系統來穩定供電,讓德國北部過盛的風電可以儲存下來,並且透過南部儲能系統釋放太陽光電,改善北部風電浪費及南部工業區缺電問題。
此服務營運之關鍵在於蓄電池及家電設備的聯網和區塊鏈技術的配合。Sonnen採用Z-Wave通訊標準,讓蓄電池能和家用電器及其他設備之間進行無線控制,了解家電的用電時段,在電網超載時挪出儲電空間或在電量短缺時支援電網電力,並透過區塊鏈技術進行各時段之電力供需紀錄與電價計算,支援大量小額交易,以快速調節中央電網之負載,以較低成本的儲電服務改善電網營運。相較於過往為了要解決風電過剩或供電不足的瓶頸,電網營運商必須和第三方電廠針對風電減產或緊急供電額外簽約,大幅增加營運成本。以Tennet為例,2016年在德國就大約花費8億歐元的成本在平衡電網的供電系統。
此計畫除了降低穩定電網營運之成本,藉助現有的輸電線路和儲電設備,也能協助政府省下興建輸電線路的費用,提升了用戶家庭蓄電池服務的價值。目前試驗計畫正處於測試階段,將在六個月後進行結果評估。此外,為更進一步研究P2P能源交易機制,Sonnen於2018年3月加入NEMoGrid計畫,希望透過區塊鏈技術改善電網對住戶或住戶間的大量小額交易對當地電力成本、當地電網穩定性的影響,以促成分散式能源交易,進一步擴大儲能市場的規模。
台灣電力市場尚未普及需量反應制度,但台電正積極鋪設智慧電表,且台北市公宅也將進行需量反應之試驗,若能及早進入智慧能源管理軟體研發,將用電行為與儲能設備及電廠供電進行整合,所累積的服務經驗及相關能源資料蒐集,日後將成為電力公司及企業爭相合作之對象。
雖然台灣業者在今年已推出首座分散式智慧能源交易市場,然而和歐洲電力市場結構不同,無法直接仿效Sonnen的P2P綠電交易平台。事實上,目前美國市場也未開放民眾之間自由交易電力,因此Sonnen在進入美國市場時也無法直接導入在歐洲的成功模式,而是透過與當地建商合作,將儲能設備整合在新屋內,作為未來向電力公司提供、虛擬電廠服務之基礎設備。
台灣和美國市場相同,不開放民眾自由購電,但可以參考Sonnen進入美國的策略,在翻新舊社區計畫或新建案規劃時,將虛擬電廠概念埋入社區建造,為住戶描繪出永續生活之願景,作為未來尖峰用電短缺時,可彈性調度之電力,解除台灣缺電之困境。
資策會MIC產業分析師甘岱右