智能化電能計(jì)量技術(shù)提升能效，讓世界變得更環(huán)保

設(shè)計(jì)AMR/AMI電表中的RF電路

電表通常位于擁有越來越多無(wú)線設(shè)備的房屋內(nèi)部或周邊，確保可靠的無(wú)線電通信是一大挑戰(zhàn)，這就要求RF電路必須具備高性能，以抑制無(wú)線LAN等設(shè)備發(fā)出的較強(qiáng)信號(hào)的干擾， RF輸入端可能接收低至1微伏以下的信號(hào)，并進(jìn)行解碼。

RF模塊也要求具有良好的無(wú)線電靈敏度，因?yàn)楦叩撵`敏度意味著更長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離。記住，電表可能位于地下室甚至地底下，它需要和幾條街之外某根電線桿上的無(wú)線電設(shè)備或與街上電力公司的抄表車進(jìn)行通信。靈敏度越低，接收無(wú)線電就必須靠得越近才能正確地解碼信息。對(duì)于一個(gè)移動(dòng)的車載抄表系統(tǒng)來說，這意味著抄表車必須與您的房屋靠得更近，但固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必須使用更小的單元和相應(yīng)更多的數(shù)據(jù)收集器。因此，高靈敏度可以使網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的成本最小。

低功耗是電池供電的氣表和水表的關(guān)鍵性能要求。電表供應(yīng)商常常努力嘗試降低電表的功耗，因?yàn)檫@樣一來他們就可以將相同的設(shè)計(jì)移植到水表或氣表上。此外，為了在開放的頻段內(nèi)工作，計(jì)量表和抄表器使用的通信協(xié)議必須符合所在國(guó)家的無(wú)線電發(fā)射規(guī)定。目前全世界有多個(gè)開放頻段，其中最常用的是900MHz、2.4GHz和5.8GHz。

大部分電表制造商都選擇了900MHz頻段作為電表之間和電表與數(shù)據(jù)收集器之間的通信頻段。在某一給定的功率預(yù)算下，900MHz頻段的無(wú)線傳輸距離比2.4GHz頻段更長(zhǎng)，基站或數(shù)據(jù)收集器就可以覆蓋更大的范圍。不過，從電力公司的角度來說，使用這個(gè)頻段的一個(gè)缺點(diǎn)在于缺乏可用的標(biāo)準(zhǔn)。1GHz以下頻段顯然是電池供電型氣表和水表的最佳技術(shù)選擇，這推動(dòng)了業(yè)界對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，以便不同制造商的系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互操作性。已經(jīng)從有線M-Bus用戶群體成長(zhǎng)起來的無(wú)線M-Bus，就是一個(gè)計(jì)量表之間以及計(jì)量表和數(shù)據(jù)收集器之間通信標(biāo)準(zhǔn)的例子。M-Bus11目前是歐洲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一部分，詳情可見EN 13757標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線M-Bus協(xié)議的詳細(xì)內(nèi)容在衍生標(biāo)準(zhǔn)EN 13757-4中。900MHz頻段的其它標(biāo)準(zhǔn)化工作也在進(jìn)行之中。

ADF702012和即將推出的ADF7023就是900MHz的無(wú)線電器件，這兩款器件在設(shè)計(jì)過程中就考慮了計(jì)量應(yīng)用的需求，這兩款器件也都適用于必須符合無(wú)線M-Bus標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。圖4顯示了ADF7020的功能框圖。

圖4：ADF7020的功能框圖。

ADF7020全集成的低功耗無(wú)線電收發(fā)器可工作在以下開放ISM頻段上：中國(guó)是433MHz，歐洲是868MHz，北美則是915MHz。它集成了完整的RF發(fā)射和接收電路以及模擬和數(shù)字基帶。如圖5所示，實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于AMR電表13的射頻卡，通常只需要ADF7020、一根天線、幾個(gè)外部無(wú)源器件和一個(gè)運(yùn)行通信協(xié)議的簡(jiǎn)單微控制器。ADF7020通過集成一個(gè)超低功耗的8位RISC內(nèi)核來執(zhí)行一些低級(jí)的通信功能，大幅減輕了外部微控制器的負(fù)擔(dān)。在很多情況下，這樣可以避免采用通信專用微控制器。電表制造商選擇ADF702x系列收發(fā)器而不是其競(jìng)爭(zhēng)器件的另一個(gè)原因是，ADF702x系列收發(fā)器能提供業(yè)內(nèi)最好的靈敏度和阻塞性能，它允許電表和數(shù)據(jù)收集器之間有更長(zhǎng)的通信距離。ADF7020提供超過70dB的阻塞性能，這意味著，即便在一個(gè)帶外信號(hào)比所需信號(hào)高出70dB的情況下，ADF7020也可以正確地檢測(cè)出所需的信號(hào)并進(jìn)行正確的解碼。ADF7020的相鄰信道抑制指標(biāo)大約為40dB，靈敏度可以達(dá)到–120dBm，具體需取決于數(shù)據(jù)率。這比表現(xiàn)最好的ZigBee解決方案?14的靈敏度還低出20dB。

圖5：具有AMR功能的公用儀表。

HAN網(wǎng)絡(luò)

隨著很多家庭將很快配備一個(gè)具有通信能力的電表，電力公司和能源管理機(jī)構(gòu)開始思考未來如何利用該技術(shù)來提高能效和節(jié)能意識(shí)。利用這個(gè)有時(shí)被稱為“智能電網(wǎng)”的概念，電力公司可以利用這一擴(kuò)展到千家萬(wàn)戶的網(wǎng)絡(luò)，來積極地管理電能輸送負(fù)荷。例如可以提供實(shí)時(shí)價(jià)格信息，從而讓用戶可以調(diào)整用電習(xí)慣。在用電高峰期，比如炎熱天氣時(shí)，電力公司可以給用戶發(fā)送一個(gè)信息，提醒用戶下一個(gè)小時(shí)的費(fèi)率會(huì)提高，鼓勵(lì)其關(guān)掉電器，這就需要在室內(nèi)安裝一個(gè)可以顯示該信息的顯示器。電力公司還可以更進(jìn)一步地通過電表來控制用戶家中的電器，比如調(diào)低空調(diào)或關(guān)閉游泳池的水泵，這個(gè)系統(tǒng)需要電表和家用電器之間進(jìn)行通信，有時(shí)這被稱為家庭區(qū)域網(wǎng)(HAN)。900-MHz射頻解決方案(如ADF702x和ZigBee射頻解決方案)都在這一領(lǐng)域找到了用武之地。

大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)識(shí)到，一個(gè)與先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施相連的能夠完全運(yùn)行的家庭區(qū)域網(wǎng)還需要若干年才能實(shí)現(xiàn)。然而，這樣的系統(tǒng)的好處讓今天很多公司都積極為家庭區(qū)域網(wǎng)開發(fā)解決方案。圖6顯示了家庭區(qū)域網(wǎng)的示意圖。

圖6：家庭區(qū)域網(wǎng)。

結(jié)束語(yǔ)

ADI公司專注于為電表市場(chǎng)提供一流的技術(shù)和產(chǎn)品，包括RF收發(fā)器、電能計(jì)量芯片組、RF放大器、隔離產(chǎn)品和電力線控制產(chǎn)品。ADF702x高性能全集成收發(fā)器適用于具有通信功能或支持AMI的電表，為全球電表制造商提供了緊湊、可靠和低成本的解決方案。

AMI和智能電網(wǎng)被視為是提高能效的關(guān)鍵潛在技術(shù)，將最終幫助實(shí)現(xiàn)減少二氧化碳排放的目標(biāo)。ADI公司承諾提供推動(dòng)這一市場(chǎng)發(fā)展的創(chuàng)新型高能效器件，并在未來繼續(xù)為提高能效和促進(jìn)節(jié)能作出其應(yīng)有的貢獻(xiàn)。