智能化電能計(jì)量技術(shù)提升能效，讓世界變得更環(huán)保

引言

我們都很熟悉那些隱藏在車庫、地下室或其它隱蔽之處的電表了。我們甚至可能每月會檢查它一次或兩次，并將電表上的最新讀數(shù)打電話告訴電力公司，而不是估算一個(gè)數(shù)字。隨著技術(shù)的發(fā)展，一場靜悄悄的革命正在這普普通通的電表上發(fā)生。

圖1顯示的是一款在19世紀(jì)后期開發(fā)的傳統(tǒng)機(jī)電式電表，它帶有一個(gè)轉(zhuǎn)盤和一個(gè)機(jī)械計(jì)數(shù)顯示器。這種電表通過計(jì)算該轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來計(jì)量電能，金屬轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度與所用電能成一定比例。轉(zhuǎn)盤周圍的線圈通過施加一個(gè)與瞬時(shí)電流和電壓成比例的渦電流和推力轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，它利用一個(gè)永久磁鐵在轉(zhuǎn)盤上施加阻尼力，以在斷電后使之停止旋轉(zhuǎn)。

圖1：機(jī)電式電表。

電表發(fā)展的第一個(gè)里程碑是機(jī)電式電表被固態(tài)電子式電表所代替。電子式電表利用高度集成的器件(如ADE516x1、ADE556x2 、ADE716x3、ADE756x4和ADE77xx5系列電能計(jì)量IC6來計(jì)量電能。這些器件通過一個(gè)高精度的Σ-ΔADC來將瞬時(shí)電壓和電流轉(zhuǎn)成數(shù)字量，然后計(jì)算電壓和電流的乘積，就能到以瓦特為單位的瞬時(shí)功率 。對瞬時(shí)功率按時(shí)間進(jìn)行積分就可以得出已消耗的電能值，它通常以千瓦時(shí)(kWh)為單位計(jì)量。消耗的電能數(shù)據(jù)顯示在一個(gè)液晶顯示屏(LCD)上，如圖2所示。

電子式電表有很多優(yōu)勢。除了可計(jì)量瞬時(shí)功率以外，它還可以計(jì)量其它參數(shù)，如功率因數(shù)和無功功率。它能夠每隔一個(gè)特定時(shí)段計(jì)量并存儲數(shù)據(jù)，這就允許電力公司提供分時(shí)段計(jì)費(fèi)服務(wù)。這樣一來，聰明的用戶在費(fèi)率較低的非高峰時(shí)期使用主要電器(如洗衣機(jī)和烘干機(jī))，這樣能節(jié)省電費(fèi)，而且高峰期的電能需求量減少了，電力公司也可以避免建設(shè)新的發(fā)電廠。電子式電表還不會受到外部磁場或電表本身放置角度的影響，因此它們的防竊電性能要優(yōu)于機(jī)電式電表。此外，電子式電表的可靠性也非常高。

ADI公司在機(jī)電式電表向電子式電表的演變過程中起到了關(guān)鍵的作用，迄今為止已經(jīng)銷售了超過2.25億塊電能計(jì)量IC。根據(jù)IMS Research公司的報(bào)告，2007年付運(yùn)的所有電表中，75%是電子式的，25%是機(jī)電式的7。

圖2：固態(tài)電子式電表。

電子式電表打開新的機(jī)遇

一旦電表數(shù)據(jù)可以以電子形式得到，在電表上增加通信功能就變得很有意義了，因?yàn)檫@樣就允許電表通過通信鏈路使用自動抄表(AMR)功能遠(yuǎn)程發(fā)送電表數(shù)據(jù)。電表制造商已經(jīng)開發(fā)出多種不同的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)架構(gòu)，大致可分為近距離無線抄表系統(tǒng)、車載無線抄表系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)。圖3顯示了車載抄表系統(tǒng)。在該案例中，電力公司派出一部裝有無線數(shù)據(jù)收集器的汽車，該車只要經(jīng)過居住區(qū)就可高效地收集電表數(shù)據(jù)。車載抄表系統(tǒng)使一個(gè)電力公司員工能夠在一天內(nèi)抄到的電表數(shù)量是近距離抄表系統(tǒng)的五倍，是人工抄表數(shù)量的十倍。在聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)中，電表數(shù)據(jù)被傳輸?shù)揭粋€(gè)固定的數(shù)據(jù)收集器，它通常位于某街道或居民區(qū)盡頭的一根電線桿上。然后數(shù)據(jù)會通過寬帶或無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娏尽?/P>

圖3：車載抄表器。

從AMR到AMI

最初，以AMR系統(tǒng)取代人工抄表只被簡單地看作是一種降低人工成本的途徑，但這一看法正在改變，因?yàn)闃I(yè)界認(rèn)識到AMR允許電力公司方便地提供更大的好處和更好的服務(wù)(如實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi))，從而進(jìn)一步提升能效、實(shí)現(xiàn)故障即時(shí)報(bào)告，以及提供更精確的數(shù)據(jù)來規(guī)范網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶的用電習(xí)慣。AMI(先進(jìn)抄表基礎(chǔ)設(shè)施)有時(shí)會替代AMR，以突出與簡單遠(yuǎn)程抄表的區(qū)別。AMI聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)可以利用從衛(wèi)星到低成本無線電在內(nèi)的各種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其中兩種主導(dǎo)性新興技術(shù)是RF技術(shù)(利用開放的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)頻段)和電力線載波技術(shù)(PLC)。

RF技術(shù)采用低功耗、低成本的無線電系統(tǒng)來無線傳輸電表信息，PLC則利用電力線本身來傳輸。ADI公司已經(jīng)開發(fā)出了針對這兩種技術(shù)的解決方案，ADF7xxx系列短距離收發(fā)器8可滿足ISM頻段RF應(yīng)用的需要，而基于廣泛使用的Blackfin?處理器9的SALEM?系列則可滿足PLC技術(shù)的需要。這兩種技術(shù)都各有利弊。特別對于水表和氣表來說，基于在水或氣旁邊部署電力線的安全問題考慮，RF技術(shù)正變成主要的選擇。水表由于經(jīng)常被埋于地下，情況也更復(fù)雜一些。對于電表而言，混合使用這兩種技術(shù)看起來可能性最大，北美青睞RF，而歐洲則傾向于PLC。在美國，一小部分家庭通常只連接到一個(gè)變壓器，這使得PLC方案不太經(jīng)濟(jì)。在某些情況下，電力公司采用混合方案部署AMI，電力線用于數(shù)據(jù)收集器和電表之間的通信，RF用于電表和室內(nèi)其它計(jì)量表或設(shè)備之間的通信。Google地圖中有一個(gè)顯示全球AMR/AMI部署10和現(xiàn)場試驗(yàn)的很有意思的頁面，它顯示了最新的部署信息。