智能電表后起之秀 未來如何稱雄能源管理領(lǐng)域

本文通過專家的深入分析和重點闡述為大家展示了智能電表是如何為能源管理帶來智能化、互聯(lián)互通和有效數(shù)據(jù)保護等功能的。通過本文的介紹，相信大家會對“智能電表如何雄霸能源管理領(lǐng)域”有著更為深刻的理解。

隨著綠色能源管理成逐步全球化，使用智能系統(tǒng)和無線技術(shù)來高效利用能源和其他資源成為普遍情況。一開始的想法相對簡單，如果在傳統(tǒng)儀表裝置中嵌入智能和通信連接，就能遠程接入此儀表所收集的數(shù)據(jù)。其中率先出現(xiàn)且效果最明顯的應用，莫過于讀表和收費程序的簡化。通過表面上看似簡單的強化通信連接，構(gòu)成了網(wǎng)絡系統(tǒng)，隨之而來的便是更多應用和創(chuàng)新作法改變了能源測量、定價和消耗的方式。

能源計量生態(tài)系統(tǒng)所監(jiān)測和控制的能源相當廣泛，包括氣、水、電和熱能源。對于來自住宅、商業(yè)及產(chǎn)業(yè)設備的計量信息，共享的計量收集裝置會以固定的時間間隔進行取樣并計算，之后再提供給服務提供商。自動讀表功能帶來了極大便利，同時現(xiàn)在的設備正在發(fā)展雙向網(wǎng)絡，如此可進一步讓個人和公司更有效地利用他們所消耗的能源。家用的能源顯示器、恒溫器及負載控制器在市場上漸漸普及，這些工具能進一步提高控制水平。運營商也能享有雙向網(wǎng)絡系統(tǒng)的好處，因為這能改善可靠性并提供互動收費機制。

計量裝置相關(guān)應用相當廣泛，主要分為三類。最常見的就是計算電力消耗的電表。其次是測量液體消耗的儀表，比如水、天然氣或燃油等。第三類則是計量熱能消耗的儀表，通常指熱量表或是熱成本分配器。

關(guān)于電表，按功能可被分為兩大功能區(qū)：計量或測量功能以及通信子系統(tǒng)。計量功能的要求因區(qū)域和儀表種類而異(如住家或工業(yè))，其中的一些變量包括測量相位的數(shù)目、測量精確度、因使用時間而異的費率要求、通信層所需的安全級別(包括加密)等。一般而言，這些系統(tǒng)會測量客戶所消耗的電力、負載的電力因子以及耗電的時間，以支持多重費率的計量。這些測量依靠能和系統(tǒng)中的電源相數(shù)數(shù)量相匹配的各種傳感技術(shù)。一般大眾的儀表多為單相，而商業(yè)和工業(yè)客戶則可能擁有多相儀表。一般而言，這些儀表會使用來自主管線的電力，不過仍需要另外的電力供應，例如電池或超級電容，以便在斷電或是供電條件惡劣時仍能維持運作。

煤氣和水表一般是以電池供電并含有嵌入式控制器，可接到計量傳感器、顯示器以及通信部件，主要是無線發(fā)射器或收發(fā)器。它們通常使用容積式流量計測量單位流量流過此儀表的次數(shù)。針對較黏稠的液體，其流量是以磁鐵或軸桿的旋轉(zhuǎn)來計算，每一次的旋轉(zhuǎn)會被轉(zhuǎn)換為一個電氣信號，并由嵌入式控制器累計。不太黏稠的液體如天然氣，則可能是以超音波傳感器測量龐大的流量。無論待測物的性質(zhì)為何，低功耗都是這些系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的設計參數(shù)，因為電力線通常不會拉至這些儀表所在之處。

第三類儀表為熱能計。熱量計和熱成本分配器一般安裝在有多個住家并使用中央暖氣系統(tǒng)的建筑物中。這些儀表會計量在特定的一段時間內(nèi)傳送至某位置的熱量。同樣，這些儀表采用電池供電的解決方案，并針對最低的整體系統(tǒng)功耗進行優(yōu)化。

與煤氣和水表的拓撲結(jié)構(gòu)相似，熱能計一般會具備嵌入式控制器，并結(jié)合顯示器和通信部件以測量熱流的流動和溫度。暖氣的收費是按照被傳輸至某位置的熱量(每單位時間的熱能)來計算，其根據(jù)在特定期間內(nèi)測量熱流的流動，以及輸入和輸出液體的溫度而來。客戶可以通過儀表中集成的顯示器或遠程顯示器看到這些信息。各個地方收集到的信息通常會通過無線連接傳送至收集器，并在此整合傳輸給服務提供商。

定量測量：因儀表種類有所不同，但是任何儀表的基本功能都是精準測量某物的數(shù)量。這些測量系統(tǒng)涵括極為廣泛的拓撲，僅僅舉出其中某些例子：溫度傳感器、水流傳感器、分流電阻器，隔離變壓器、電流互感器，以及計時系統(tǒng)等。內(nèi)容來自:中電易展網(wǎng)

控制和校準：這也會因儀表的種類而有不同，一般都需要補償量測系統(tǒng)中的小變化。它們也能執(zhí)行諸如防破壞和服務中斷的功能。

通信：可用來配置儀表中的參數(shù)，并通過有線或無線連接，將儲存的數(shù)據(jù)傳送至主機。它也能被用來更新儀表的固件或其它操作特性。

電源管理：當電力下降時，低功耗和系統(tǒng)穩(wěn)定度便格外重要。在非電力線供電的測量應用中，要將功耗降至最低，并將電池服務周期延至最長，電源管理扮演相當關(guān)鍵的角色。

顯示：連接到低成本和低功率LCD及LED顯示器，用戶界面通常以七段式、字母數(shù)字或是矩陣顯示。多數(shù)情況下，用戶需要能直接從儀表看到使用量及費用。

同步：要可靠地將數(shù)據(jù)傳送至控制中心或其它收集系統(tǒng)，時鐘同步是相當重要的，如此才能支持諸如數(shù)據(jù)分析和精確計費等功能。這對于不穩(wěn)定的或是使用異步通信協(xié)議的無線網(wǎng)絡尤其重要。

節(jié)能源于超低功耗技術(shù)

在一些應用和市場中，儀表要受到低功耗要求的嚴格限制。比如：地下水表的服務周期為二十年甚至更久。對于這些應用，具有極低自放電率的特殊化學鋰電池，例如：亞硫酸二氯化鋰(Li-SOCl2)，必須滿足長壽命的要求，很不幸地，相較于其它已建立市場地位的競爭產(chǎn)品，這些電池化學物太過昂貴了。

一個典型的“D”尺寸--Li-SOCl2電池具有介于16和19安培時的電容值。即使在量大時，每一安培時仍要花費50至75美分的不合理成本。然而，當我們?nèi)P考慮長達二十年的服務周期，則穩(wěn)定的系統(tǒng)狀態(tài)所耗費的10mA電流，僅會讓儀表供應業(yè)者支出幾美元的電池成本而已。

10mA*24時/天*365天/年*20年*$0.75安培/時=$1.31電池(亦即系統(tǒng))成本

儀表廠商每年生產(chǎn)運輸數(shù)百萬個儀表是很平常的，如此大量的智能儀表運輸清楚說明了針對計量系統(tǒng)最低功耗進行最優(yōu)化的重要性。

智能化儀表

當我們來看這些儀表的不同種類并比較它們的功能，我們發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)設計人員而言，核心能力和技術(shù)是構(gòu)建各部件的關(guān)鍵所在。對任何嵌入式智能系統(tǒng)來說，微控制器是關(guān)鍵。在這些應用中，微控制器必須具備極低的功率，并集成實時時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通信接口等功能。像集成的LCD控制器、循環(huán)冗余檢驗部件，或是加密引擎這樣更先進的特性可以進一步減少MCU的負荷，并使其能長時間處于低功率模式，如此便能降低整體系統(tǒng)功耗。

無線發(fā)射器、接收器和收發(fā)器在這些系統(tǒng)中越來越常見，其中重要特性包括高集成度、極低功率的操作、自低功率狀態(tài)中快速啟動、高接收敏感度(高于-118dBm)，以及無需外部功率放大器的高發(fā)射功率(高至20dBm)。更先進的特性包括自動封包處理、集成型FIFO以及變頻和調(diào)變結(jié)構(gòu)。

集成了MCU功能和無線收發(fā)器的無線MCU也能應用在智能儀表中。這些高集成度的單片設備能幫助減少BOM和系統(tǒng)成本，提供具有高性能無線連接的低功耗嵌入式控制方案。

實現(xiàn)下一世代計量系統(tǒng)的其它技術(shù)包括有線接入產(chǎn)品，例如可線性數(shù)據(jù)通信的調(diào)制解調(diào)器，提供網(wǎng)絡同步的時序解決方案，以及提供安全和數(shù)據(jù)保護的隔離產(chǎn)品。

智能電表的數(shù)據(jù)保護

智能電表使用最新的集成電路(IC)技術(shù)進行精確測量并報告消耗的電量，智能電表比機電式電表復雜，但更加注重測量數(shù)據(jù)的完整性，這會直接影響公共事業(yè)供應商的結(jié)算收入。在智能電表設計中確保數(shù)據(jù)完整性的最有效的解決辦法之一就是使用最先進的數(shù)字隔離技術(shù)。

智能電表使用電流隔離來保護內(nèi)部低壓集成電路，也使工作人員避免暴露在高壓電線下。在有線計量應用中，比如高密度部署的住宅區(qū)，隔離器也可用于隔離控制器和數(shù)字數(shù)據(jù)總線.

其他子系統(tǒng)，特別是那些暴露于高電壓下的部分，也必須進行隔離電路。例如，需要在智能電表控制器IC和電源線通信(PLC)調(diào)制解調(diào)器之間進行電流隔離。這些系統(tǒng)中信號隔離可以采用多種方式實現(xiàn)。

光耦合器常用于智能電表中的信號隔離，但它們的使用面臨著設計挑戰(zhàn)，其主要缺點是受到光耦合器的共模瞬變免疫能力(CMTI)的限制。CMTI是一個隔離能力的度量，代表在隔離柵輸入和輸出兩側(cè)抑制快速瞬態(tài)噪聲信號的能力。由于光隔離器的物理結(jié)構(gòu)所致，它們往往有較高的寄生輸入輸出電容(一般在pF量級)。高的內(nèi)部寄生耦合電容導致CMTI性能變差。光耦合器供應商通常建議客戶，在光耦合器打開時需要過量驅(qū)動光耦合器LED燈來提高抗噪聲能力，反之在光耦合器關(guān)閉時要反向偏置LED燈。這些措施增加了光耦合器的CMTI，但同時也降低了器件壽命，影響了系統(tǒng)可靠性，增加了維護成本。

智能電表應用中所使用的另一種隔離解決方案是隔離變壓器，但變壓器一般應避免使用，因為它們?nèi)菀资艿诫姶鸥蓴_(EMI)而破壞數(shù)據(jù)。脈沖變壓器也不理想，因為其需要占用較寬帶寬，而帶寬對于數(shù)字信號傳輸是極為重要的。

有兩大原因使得電磁場(EM)抑制力成為電表設計主要關(guān)注對象。首先，電表被安裝到電磁噪聲復雜的地點的概率較高。其次，一些隔離技術(shù)可能是電表系統(tǒng)應用中最薄弱的環(huán)節(jié)。例如，應用一個外部磁場到基于變壓器的系統(tǒng)將對數(shù)據(jù)的完整性產(chǎn)生不良影響，事實上也出現(xiàn)過客戶通過施加強磁鐵或線圈到儀器而中斷了電表正常工作的案例。在這兩種情況下，外部磁場或電磁場噪聲將導致錯誤測量數(shù)據(jù)提交到控制器。

現(xiàn)代CMOS數(shù)字隔離器克服了智能電表應用中的這些問題。與光耦合器相比，基于CMOS的數(shù)字隔離器提供相當高的CMTI性能，同時保證了更長的工作壽命和高可靠性。例如，SiliconLabs公司的Si84xxCMOS數(shù)字隔離器系列滿足通用CMTI規(guī)格25kV/µs，新一代隔離元器件預計將比現(xiàn)有產(chǎn)品的性能水平提高兩倍。

就電磁場性能而言，CMOS數(shù)字隔離器大大優(yōu)于其他隔離技術(shù)。例如，Si84xx隔離器具有市場在售的數(shù)字隔離元器件中最高的EMI耐受性(》300V/m電場抗擾度，和》1000A/m磁場抗擾度)。這些數(shù)字隔離器通過使用差分信號在隔離柵中進行數(shù)據(jù)傳輸，成對的窄通帶濾波提供了極佳的共模噪聲抑制能力。

此外，基于CMOS的隔離元器件實現(xiàn)了尺寸最小化，有助于防止隔離器成為雜散磁場的天線，避免使用變壓器使得系統(tǒng)能夠保持高級抗電磁干擾特性。

隨著智能電表在構(gòu)建全球電網(wǎng)target="_blank">智能電網(wǎng)市場中變得越來越流行，電表的安裝環(huán)境有時不易因地制宜，這增加了測量數(shù)據(jù)被破壞的可能性。電表中的任何元器件都會受到電噪聲或電磁場的影響而可能成為整個系統(tǒng)完整性中的薄弱環(huán)節(jié)。這些元器件有可能破壞智能電表控制器的數(shù)據(jù)，并最終使得計費信息無效。

盡管光耦合器和變壓器隔離技術(shù)已經(jīng)很普及，但這些解決方案有明顯的弱點，在電表應用中應引起關(guān)注。CMOS數(shù)字隔離器提供了最優(yōu)的解決方案以及優(yōu)良的電噪聲和外部磁場抑制力。在智能電表中采用CMOS數(shù)字隔離器能確保電力測量數(shù)據(jù)通過隔離柵準確地到達系統(tǒng)控制器。總之，隨著越來越多嵌入式智能、互聯(lián)選擇和數(shù)據(jù)保護能力被集成到公用事業(yè)電表中，這將毫無疑問的促進綠色能源應用的增長，并產(chǎn)生更多利用智能電表多種益處的機會。