深度分析：看智能電表如何雄霸能源管理領(lǐng)域

本文通過(guò)專(zhuān)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(lái)智能化、互聯(lián)互通和有效數據保護等功能的。通過(guò)本文的介紹，相信大家會(huì )對“智能電表如何雄霸能源管理領(lǐng)域”有著(zhù)更為深刻的理解。

　　隨著(zhù)綠色能源管理成逐步全球化，使用智能系統和無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)高效利用能源和其他資源成為普遍情況。一開(kāi)始的想法相對簡(jiǎn)單，如果在傳統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據。其中率先出現且效果最明顯的應用，莫過(guò)于讀表和收費程序的簡(jiǎn)化。通過(guò)表面上看似簡(jiǎn)單的強化通信連接，構成了 網(wǎng)絡(luò )系統，隨之而來(lái)的便是更多應用和創(chuàng )新作法改變了能源測量、定價(jià)和消耗的方式?！?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/176300.htm

　　能源計量生態(tài)系統所監測和控制的能源相當廣泛，包括氣、水、電和熱能源。對于來(lái)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(huì )以固定的時(shí)間 間隔進(jìn)行取樣并計算，之后再提供給服務(wù)提供商。自動(dòng)讀表功能帶來(lái)了極大便利，同時(shí)現在的設備正在發(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、恒溫器及負載控制器在市場(chǎng)上漸漸普及，這些工具能進(jìn)一步提高控制水平。運營(yíng)商也能享有雙向網(wǎng)絡(luò )系統的好處，因為這能改善 可靠性并提供互動(dòng)收費機制。

　　公用儀表基本類(lèi)別

　　計量裝置相關(guān)應用相當廣泛，主要分為三類(lèi)。最常見(jiàn)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(lèi)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：計量或測量功能以及通信子系統。計量功能的要求因區域和儀表種類(lèi)而異（如住家或工業(yè)），其中的一些變量包括測量 相位的數目、測量精確度、因使用時(shí)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，這些系統會(huì )測量客戶(hù)所消耗的電力、負載的電力因子以 及耗電的時(shí)間，以支持多重費率的計量。這些測量依靠能和系統中的電源相數數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(hù)則可能擁有 多相儀表。一般而言，這些儀表會(huì )使用來(lái)自主管線(xiàn)的電力，不過(guò)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(shí)仍能維持運作。

　　煤氣和水表（見(jiàn)圖1）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(wú)線(xiàn)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(guò)此儀表的次數。針對較黏稠的液體，其流量是以磁鐵或軸桿的旋轉來(lái)計算，每一次的旋轉會(huì )被轉換為一個(gè)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(wú)論待測物的性質(zhì)為何，低功耗都是這些系統中極為關(guān)鍵的設計參數，因為電力線(xiàn)通常不會(huì )拉 至這些儀表所在之處。

　　
圖1 基于Si10xx無(wú)線(xiàn)微控制器的智能氣/水儀表系統示例

　　第三類(lèi)儀表為熱能計。熱量計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的建筑物中。這些儀表會(huì )計量在特定的一段時(shí)間內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功耗進(jìn)行優(yōu)化。

測量功能

　　以上是基本的儀表種類(lèi)，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(lèi)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量。這些測量系統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(shí)系統等。

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

　　通信：可用來(lái)配置儀表中的參數，并通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接，將儲存的數據傳送至主機。它也能被用來(lái)更新儀表的固件或其它操作特性。

　　電源管理：當電力下降時(shí)，低功耗和系統穩定度便格外重要。在非電力線(xiàn)供電的測量應用中，要將功耗降至最低，并將電池服務(wù)周期延至最長(cháng)，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(hù)界面通常以七段式、字母數字或是矩陣顯示。多數情況下，用戶(hù)需要能直接從儀表看到使用量及費用。

　　同步：要可靠地將數據傳送至控制中心或其它收集系統，時(shí)鐘同步是相當重要的，如此才能支持諸如數據分析和精確計費等功能。這對于不穩定的或是使用異步通信協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )尤其重要。

　　節能源于超低功耗技術(shù)

　　在一些應用和市場(chǎng)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(wù)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(xué)鋰電 池，例如：亞硫酸二氯化鋰（Li-SOCl2），必須滿(mǎn)足長(cháng)壽命的要求，很不幸地，相較于其它已建立市場(chǎng)地位的競爭產(chǎn)品，這些電池化學(xué)物太過(guò)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50至75美分的不合理成本。然 而，當我們全盤(pán)考慮長(cháng)達二十年的服務(wù)周期，則穩定的系統狀態(tài)所耗費的10mA電流，僅會(huì )讓儀表供應業(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） 成本

　　儀表廠(chǎng)商每年生產(chǎn)運輸數百萬(wàn)個(gè)儀表是很平常的，如此大量的智能儀表運輸清楚說(shuō)明了針對計量系統最低功耗進(jìn)行最優(yōu)化的重要性。

　　智能化儀表

　　當我們來(lái)看這些儀表的不同種類(lèi)并比較它們的功能，我們發(fā)現對系統設計人員而言，核心能力和技術(shù)是構建各部件的關(guān)鍵所在。對任何嵌入式智能系統來(lái)說(shuō)，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(shí)時(shí)時(shí)鐘、模數轉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(jìn)的特性可以進(jìn)一步減少MCU的負荷，并使其能長(cháng)時(shí)間處于低功率模式，如此便能降低整體系統功耗。

　　
圖2 Silicon Labs Si10xx無(wú)線(xiàn)MCU提供高集成度控制和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)解決方案

　　無(wú)線(xiàn)發(fā)射器、接收器和收發(fā)器在這些系統中越來(lái)越常見(jiàn)，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(dòng)、高接收敏感度（高于 -118 dBm），以及無(wú)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(dòng)封包處理、集成型FIFO以及變頻和調變結構。

　　集成了MCU功能和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)MCU（見(jiàn)圖2）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和系統成本，提供具有高性能無(wú)線(xiàn)連接的低功耗嵌入式控制方案。

　　實(shí)現下一世代計量系統的其它技術(shù)包括有線(xiàn)接入產(chǎn)品，例如可線(xiàn)性數據通信的調制解調器，提供網(wǎng)絡(luò )同步的時(shí)序解決方案，以及提供安全和數據保護的隔離產(chǎn)品。

智能電表的數據保護

　　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，但更加注重測量數據的完整性，這會(huì )直接影響公共事業(yè)供應商的結算收入。在智能電表設計中確保數據完整性的最有效的解決辦法之一就是使用最先進(jìn)的數字隔離技術(shù)。

　　智能電表使用電流隔離來(lái)保護內部低壓集成電路，也使工作人員避免暴露在高壓電線(xiàn)下。在有線(xiàn)計量應用中，比如高密度部署的住宅區，隔離器也可用于隔離控制器和數字數據總線(xiàn)，如圖3所示。

　
圖3 具有數字通信總線(xiàn)的智能電表

　　其他子系統，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(xiàn)通信（PLC）調制解調器之間進(jìn)行電流隔離。這些系統中信號隔離可以采用多種方式實(shí)現。

　　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(zhù)設計挑戰，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抑制快速瞬態(tài)噪聲信號的能力。由于光隔離器的物理結構所致，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(hù)，在光耦合器打開(kāi)時(shí)需要過(guò)量驅動(dòng)光耦合器LED燈來(lái)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，因為它們容易受到電磁干擾（EMI）而破壞數據。脈沖變壓器也不理想，因為其需要占用較寬帶寬，而帶寬對于數字信號傳輸是極為重要的。

　　有兩大原因使得電磁場(chǎng)（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(diǎn)的概率較高。其次，一些隔離技術(shù)可能是電表系統 應用中最薄弱的環(huán)節。例如，應用一個(gè)外部磁場(chǎng)到基于變壓器的系統將對數據的完整性產(chǎn)生不良影響，事實(shí)上也出現過(guò)客戶(hù)通過(guò)施加強磁鐵或線(xiàn)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(chǎng)或電磁場(chǎng)噪聲將導致錯誤測量數據提交到控制器。

　　現代CMOS數字隔離器克服了智能電表應用中的這些問(wèn)題。與光耦合器相比，基于CMOS的數字隔離器提供相當高的CMTI性能，同時(shí)保證了更長(cháng)的工作 壽命和高可靠性。例如，Silicon Labs公司的Si84xx CMOS數字隔離器系列滿(mǎn)足通用CMTI規格25kV/µs，新一代隔離元器件預計將比現有產(chǎn)品的性能水平提高兩倍。

　　就電磁場(chǎng)性能而言，CMOS數字隔離器大大優(yōu)于其他隔離技術(shù)。例如，Si84xx隔離器具有市場(chǎng)在售的數字隔離元器件中最高的EMI耐受性（》 300V/m電場(chǎng)抗擾度，和》1000A/m磁場(chǎng)抗擾度）。這些數字隔離器通過(guò)使用差分信號在隔離柵中進(jìn)行數據傳輸，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 數字隔離器中抑制共模噪聲的差分信號和窄帶接收機

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

　　隨著(zhù)智能電表在構建全球智能電網(wǎng)市場(chǎng)中變得越來(lái)越流行，電表的安裝環(huán)境有時(shí)不易因地制宜，這增加了測量數據被破壞的可能性。電表中的任何元器件都會(huì )受 到電噪聲或電磁場(chǎng)的影響而可能成為整個(gè)系統完整性中的薄弱環(huán)節。這些元器件有可能破壞智能電表控制器的數據，并最終使得計費信息無(wú)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)，在電表應用中應引起關(guān)注。CMOS數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(chǎng)抑制力。在智能電表中采用CMOS數字隔離器能確保電力測量數據通過(guò)隔離柵準確地到達系統控制器?？傊?，隨著(zhù)越來(lái)越多嵌入式智能、互聯(lián)選 擇和數據保護能力被集成到公用事業(yè)電表中，這將毫無(wú)疑問(wèn)的促進(jìn)綠色能源應用的增長(cháng)，并產(chǎn)生更多利用智能電表多種益處的機會(huì )。