智能電網(wǎng)中智能電表的重要性

　　如果不能廣泛、深入地向每個(gè)家庭提供這種成功的高級計量技術(shù)和相關(guān)服務(wù)，就會(huì )拉大能量供給與需求之間的差距，從而削弱智能電網(wǎng)基礎設施運轉效率，使公眾利益受到損害。另一方面，按照愛(ài)迪生電氣學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)Tom Kuhn的觀(guān)點(diǎn)，成功開(kāi)發(fā)高級計量系統需要采用新的通信方案、加密技術(shù)，充分利用新一代高度可靠、高度安全的低成本智能電表集成方案。智能電網(wǎng)開(kāi)發(fā)所面臨的重大挑戰之一是成本問(wèn)題，據不完全統計，電力公司在高級計量設備的花費就高達270億美元。

　　智能電網(wǎng)中，電能消費者即使不是最重要的因素，也是設計中需要關(guān)注的因素。這里面臨的挑戰是必須轉變消費者的消費習慣和態(tài)度，通過(guò)提高重要信息的透明度和互通性，幫助消費者有“選擇”地使用電能，并充分了解合理“選擇”帶來(lái)的益處。值得慶幸的是，能源危機使得人們開(kāi)始重視能效問(wèn)題，各行各業(yè)也開(kāi)始參與高效節能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，以及面向消費者的能量管理和自動(dòng)化產(chǎn)品(諸如智能設備、互聯(lián)網(wǎng)入口以及類(lèi)似服務(wù))的開(kāi)發(fā)。因此，這也是大勢所趨。從全球范圍看，當前安裝的16億電表中僅有6%屬于具有雙向通信功能的智能電表。

　　消費者在動(dòng)態(tài)價(jià)格信息或其它經(jīng)濟利益的驅使下，開(kāi)始青睞能夠幫助降低并調整能耗的“智能器件”。價(jià)格信息不一定通過(guò)專(zhuān)用的智能電表獲得，也可通過(guò)寬帶路由器/網(wǎng)關(guān)等用戶(hù)互聯(lián)網(wǎng)設備傳送。對于電力公司及其用戶(hù)來(lái)說(shuō)，兩種傳輸渠道各有利弊，需要權衡信息安全性(隱私)、網(wǎng)絡(luò )安全性以及各種設備之間的互操作性和商業(yè)流通性等因素。最基本的要求是：兩種技術(shù)既可以單獨工作，也可以協(xié)同工作。目前主要關(guān)注智能設備的有效性，集成了智能電表和動(dòng)態(tài)價(jià)格調整架構的器件能夠給出更明確的結果，大幅降低高峰期的用電量，進(jìn)而有效降低電能成本。絕大部分初期工作基于簡(jiǎn)單的判決算法，根據收到的價(jià)格信息可以更有效地控制設備的運行/關(guān)閉狀態(tài)。狀態(tài)控制也可以基于更多細節，例如設備的分類(lèi)計量結果，這里消費者可以更靈活地操控電能的使用，做出更明智的選擇。這項工作還處于開(kāi)發(fā)階段，很大程度上取決于消費者對測量設備的成本效益要求。

　　一些主要的電表廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)智能產(chǎn)品，這一舉措不僅受到聯(lián)邦激勵基金計劃的推動(dòng)，還受消費者期待參與并要求提高透明度的影響。從電力公司的角度看，如果增強這種透明度，消費者能夠更好地了解設備運行的真正成本，培養良好的用電習慣，或者依靠高級系統(比如，由微軟和Google開(kāi)創(chuàng )的網(wǎng)絡(luò )服務(wù))控制并降低設備能耗，降低相關(guān)開(kāi)銷(xiāo)，從任何方面看，這都不失為一個(gè)雙贏(yíng)的結果。復雜產(chǎn)品的設計需要關(guān)注可靠性、成本、剪裁靈活性等問(wèn)題。因此，用于能量測量的半導體產(chǎn)品不再像第一代產(chǎn)品那樣只是簡(jiǎn)單地累計能量，而是具有更強的功能。

　　發(fā)展進(jìn)程

　　即使2010年有4億美元激勵資金的支持，對于中、小規模的電力公司而言，開(kāi)發(fā)成本仍是阻礙開(kāi)發(fā)進(jìn)程的屏障。智能電表硬件成本的增加加大了投資回報率的風(fēng)險。這些成本主要涉及到一套復雜的與通信相關(guān)的功能裝置，諸如數據存儲、加密、連接電網(wǎng)和家用電器的多重加密雙向通信功能，以及遠端繼電器和附加印制電路板(PCB)斷開(kāi)狀態(tài)的顯示。另外，如果不能向公眾成功展示這些新產(chǎn)品的工作狀況，也很難得到公眾的支持和理解。

　　另外一個(gè)附加成本是這些系統缺乏足夠的可編程能力，產(chǎn)品升級困難、不能勝任未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展對安全性和互操作性方面的需求?？紤]到這些因素，為安全起見(jiàn)需要在設計中嵌入更大容量的存儲器和更強大的通信功能，這遠遠超出了近期的使用需求，當然也提高了系統成本。

　　沒(méi)有人希望在把設備大規模推向市場(chǎng)后，很快發(fā)現由于對智能電發(fā)展進(jìn)程的認識不足，而導致產(chǎn)品存在缺陷并很快遭到市場(chǎng)淘汰。草率地把不夠成熟的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，勢必造成頻繁更換基礎設備，這將為電力部門(mén)帶來(lái)極高的運行成本，造成極大浪費。人們所面臨的更嚴重的設計挑戰，應該是這些復雜的電氣基礎架構較短的使用壽命和較低的可靠性。與二十多年以前的老舊、簡(jiǎn)單設備相比，新設備包含了更多的元器件和互連單元，這也容易導致設備的頻繁更換。

　　半導體器件的設計考慮

　　住宅電表開(kāi)始大規模采用半導體技術(shù)的歷史，也反映了產(chǎn)品工作壽命的問(wèn)題。這項技術(shù)始于十多年以前，目前在全球大概1.2億塊新電表中，大約有85%的電表采用半導體技術(shù)，其余則是傳統的機械式法拉盤(pán)電表。

　　2004年，我在印度海德拉巴市的ECE工業(yè)設備有限公司參觀(guān)了一個(gè)這樣的工廠(chǎng)，這曾經(jīng)是一家生意興隆的機械電表制造廠(chǎng)，利用從德國計量公司引進(jìn)的技術(shù)，每年的最高產(chǎn)量達到八百萬(wàn)套。這個(gè)重要的工業(yè)制造廠(chǎng)坐落在美麗的花園綠洲之中，值得一提的是這里曾經(jīng)拍攝了多部寶萊塢時(shí)期的經(jīng)典影片。但在我參觀(guān)這座廠(chǎng)房是，它已經(jīng)是“人去樓空”，堆積著(zhù)一些閑置設備，我的向導(曾經(jīng)在這家工廠(chǎng)擔任過(guò)領(lǐng)班)悲哀地向我解釋說(shuō)，由于具有高級防篡改功能的低成本半導體電表的快速發(fā)展，這座工廠(chǎng)已經(jīng)處于完全停產(chǎn)狀態(tài)。

　　而就在那個(gè)時(shí)候，中國也推出了第一代集成了模/數轉換器的表面貼裝計量ASIC，該器件把電壓和電流的乘積轉換成數字脈沖輸出，脈沖信號送入千瓦時(shí)計數器進(jìn)行計量。這一代產(chǎn)品在當時(shí)對電器設備以及基本電費計量高度需求的環(huán)境下，對于開(kāi)發(fā)新興電表工業(yè)起到了一個(gè)重要的過(guò)渡作用。許多本地OEM廠(chǎng)商考慮到低成本的PCB制造工藝，都采用了這種技術(shù)。

　　隨著(zhù)電力行業(yè)從傳統的基本費率管理體制轉向以市場(chǎng)調控為主導的競爭機制，驅使電表計量結構的第二次變革。由于電力公司開(kāi)始引入分時(shí)計費體制，增添了自動(dòng)抄表(AMR)、微控制器、無(wú)線(xiàn)電通信、LCD以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等器件，這些器件被集成到計量ASIC(也稱(chēng)為模擬前端或AFE)，促進(jìn)了多芯片標準化方案在住宅電表設計中應用。

　　特殊的應用和計量要求通常需要更高的設計水準，隨著(zhù)電力行業(yè)需求的改變以及設計標準的全球化，加上復雜電子系統整合的設計挑戰，提高了進(jìn)入這一行業(yè)成為全球高端供應商的門(mén)檻，也大大減少了專(zhuān)業(yè)制造商的數量。而在計量設備中增加基本通信功能的日趨重要性，也進(jìn)一步加劇了這一趨勢。當然，并不是世界各地所有的供應商都在同時(shí)經(jīng)歷這一轉折。

　　智能電網(wǎng)的優(yōu)勢

　　當IC供應商意識到，為了在更短的時(shí)間內滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)低成本、高復雜度、高可靠性產(chǎn)品需要大量的表計OEM廠(chǎng)商支持時(shí)，IC供應商從2003年左右開(kāi)始推出了高度集成的專(zhuān)用片上系統(SoC)產(chǎn)品。片上系統集成了AFE、RTC、LCD驅動(dòng)器以及MCU等通用模塊，并提高了可靠性、靈活性以及測量性能，使得全球各地的OEM廠(chǎng)商能夠以更快的速度開(kāi)發(fā)出可靠的低成本電表。僅僅使用單片SoC，配合通信模塊，即可快速滿(mǎn)足專(zhuān)用的電力行業(yè)的基本要求。

　　智能電網(wǎng)概念的引入以及電力行業(yè)標準要求的不斷提高，需要在智能電網(wǎng)應用中增加更多的存儲器、安全和通信功能，這就要求器件中集成更多的數字電路，集成度按照摩爾定律不斷攀升的半導體制造工藝的發(fā)展也順應了這一應用需求。這是代表了半導體工藝發(fā)展價(jià)值的一個(gè)經(jīng)典案例，它加速了計量工業(yè)的變革。

整體大于部分

　　IC制造商可以按照部分與整合確立自身的定位，這種區別可能非常細微，但卻非常重要。初看起來(lái)，Teridian的計量SoC只是對傳統模塊的整合，其中也包括了基本計量表。這種快速的復制-粘貼方案類(lèi)似于分離式數/模轉換器(ADC)或微控制器供應商提供的相當通用的設計。而分離式設計是針對特殊應用提供參考設計和相關(guān)程序，并非芯片級設計。

　　按照市場(chǎng)需求，Teridian擁有專(zhuān)利的“單轉換器技術(shù)”集成了一個(gè)21位、2階Σ-? ADC，七個(gè)多路復用模擬輸入和一個(gè)可編程計算引擎(CE)，如圖1所示。這種架構解決了多路數據采集方案存在的眾多問(wèn)題，比如噪聲和不均衡。在工業(yè)溫度范圍內，該ADC仍可保持由于2000:1的動(dòng)態(tài)范圍，具有業(yè)內最佳指標。32位CE為信號處理器，通過(guò)硬件實(shí)現標準測量功能，并可對系統進(jìn)行升級支持新的用戶(hù)功能。

　　圖：Teridian最新一代計量IC，在單芯片中集成了計量和接口功能。電路