深度分析：看智能電表如何雄霸能源管理領(lǐng)域

本文通過專家的深入分析和重點(diǎn)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(hù)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(yuǎn)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(yīng)用，莫過于讀表和收費(fèi)程序的簡化。通過表面上看似簡單的強(qiáng)化通信連接，構(gòu)成了 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，隨之而來的便是更多應(yīng)用和創(chuàng)新作法改變了能源測量、定價(jià)和消耗的方式。　

　　能源計(jì)量生態(tài)系統(tǒng)所監(jiān)測和控制的能源相當(dāng)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(shè)備的計(jì)量信息，共享的計(jì)量收集裝置會以固定的時(shí)間 間隔進(jìn)行取樣并計(jì)算，之后再提供給服務(wù)提供商。自動讀表功能帶來了極大便利，同時(shí)現(xiàn)在的設(shè)備正在發(fā)展雙向網(wǎng)絡(luò)，如此可進(jìn)一步讓個(gè)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(fù)載控制器在市場上漸漸普及，這些工具能進(jìn)一步提高控制水平。運(yùn)營商也能享有雙向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的好處，因?yàn)檫@能改善 可靠性并提供互動收費(fèi)機(jī)制。

　　公用儀表基本類別

　　計(jì)量裝置相關(guān)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，主要分為三類。最常見的就是計(jì)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(jì)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(jì)量或測量功能以及通信子系統(tǒng)。計(jì)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(shí)間而異的費(fèi)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(fù)載的電力因子以 及耗電的時(shí)間，以支持多重費(fèi)率的計(jì)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(yīng)，例如電池或超級電容，以便在斷電或是供電條件惡劣時(shí)仍能維持運(yùn)作。

　　煤氣和水表（見圖1）一般是以電池供電并含有嵌入式控制器，可接到計(jì)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(jì)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(jì)算，每一次的旋轉(zhuǎn)會被轉(zhuǎn)換為一個(gè)電氣信號，并由嵌入式控制器累計(jì)。 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(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)殡娏€通常不會拉 至這些儀表所在之處。

　　
圖1 基于Si10xx無線微控制器的智能氣/水儀表系統(tǒng)示例

　　第三類儀表為熱能計(jì)。熱量計(jì)和熱成本分配器一般安裝在有多個(gè)住家并使用中央暖氣系統(tǒng)的建筑物中。這些儀表會計(jì)量在特定的一段時(shí)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(jìn)行優(yōu)化。

測量功能

　　以上是基本的儀表種類，幾乎每種儀表都必須提供以下一種或多種功能：

　　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(zhǔn)測量某物的數(shù)量。這些測量系統(tǒng)涵括極為廣泛的拓?fù)?，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(jì)時(shí)系統(tǒng)等。

　　控制和校準(zhǔn)：這也會因儀表的種類而有不同，一般都需要補(bǔ)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(wù)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(jī)。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(dāng)電力下降時(shí)，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(yīng)用中，要將功耗降至最低，并將電池服務(wù)周期延至最長，電源管理扮演相當(dāng)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(fèi)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(shí)鐘同步是相當(dāng)重要的，如此才能支持諸如數(shù)據(jù)分析和精確計(jì)費(fèi)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(luò)尤其重要。

　　節(jié)能源于超低功耗技術(shù)

　　在一些應(yīng)用和市場中，儀表要受到低功耗要求的嚴(yán)格限制。比如：地下水表的服務(wù)周期為二十年甚至更久。對于這些應(yīng)用，具有極低自放電率的特殊化學(xué)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(xué)物太過昂貴了。

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

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

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

　　智能化儀表

　　當(dāng)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(shè)計(jì)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(yīng)用中，微控制器必須具備極低的功率，并集成實(shí)時(shí)時(shí)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(yàn)部件，或 是加密引擎這樣更先進(jìn)的特性可以進(jìn)一步減少M(fèi)CU的負(fù)荷，并使其能長時(shí)間處于低功率模式，如此便能降低整體系統(tǒng)功耗。

　　
圖2 Silicon Labs Si10xx無線MCU提供高集成度控制和無線互聯(lián)解決方案

　　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 -118 dBm），以及無需外部功率放大器的高發(fā)射功率（高至20 dBm）。更先進(jìn)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（見圖2）也能應(yīng)用在智能儀表中。這些高集成度的單片設(shè)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(shí)現(xiàn)下一世代計(jì)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(luò)同步的時(shí)序解決方案，以及提供安全和數(shù)據(jù)保護(hù)的隔離產(chǎn)品。

智能電表的數(shù)據(jù)保護(hù)

　　智能電表使用最新的集成電路（IC）技術(shù)進(jìn)行精確測量并報(bào)告消耗的電量，智能電表比機(jī)電式電表復(fù)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(yīng)商的結(jié)算收入。在智能電表設(shè)計(jì)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(jìn)的數(shù)字隔離技術(shù)。

　　智能電表使用電流隔離來保護(hù)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(jì)量應(yīng)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?jǐn)?shù)據(jù)總線，如圖3所示。

　
圖3 具有數(shù)字通信總線的智能電表

　　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(jìn)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(jìn)行電流隔離。這些系統(tǒng)中信號隔離可以采用多種方式實(shí)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其主要缺點(diǎn)是受到光耦合器的共模瞬變免疫能力（CMTI）的限制。 CMTI是一個(gè)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(dǎo)致CMTI性能變差。光耦合器供應(yīng)商通常建議客戶，在光耦合器打開時(shí)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(shí)要反向偏置LED燈。這些措施增加了光耦合器的CMTI，但同時(shí)也降低了器件壽命，影響了系統(tǒng)可靠性，增加了維護(hù)成本。

智能電表應(yīng)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(yīng)避免使用，因?yàn)樗鼈內(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?yàn)槠湫枰加幂^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(shè)計(jì)主要關(guān)注對象。首先，電表被安裝到電磁噪聲復(fù)雜的地點(diǎn)的概率較高。其次，一些隔離技術(shù)可能是電表系統(tǒng) 應(yīng)用中最薄弱的環(huán)節(jié)。例如，應(yīng)用一個(gè)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(shí)上也出現(xiàn)過客戶通過施加強(qiáng)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)高的CMTI性能，同時(shí)保證了更長的工作 壽命和高可靠性。例如，Silicon Labs公司的Si84xx CMOS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(yù)計(jì)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(jìn)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，如圖4所示。

　
圖4 數(shù)字隔離器中抑制共模噪聲的差分信號和窄帶接收機(jī)

　　此外，基于CMOS的隔離元器件實(shí)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(shí)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(gè)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(jì)費(fèi)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(diǎn)，在電表應(yīng)用中應(yīng)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(zhǔn)確地到達(dá)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(hù)能力被集成到公用事業(yè)電表中，這將毫無疑問的促進(jìn)綠色能源應(yīng)用的增長，并產(chǎn)生更多利用智能電表多種益處的機(jī)會。