【導(dǎo)讀】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(huì)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(chǎng)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(dòng)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 ADE516x,1 ADE556x,2 ADE716x,3 ADE756x,4 和 ADE77xx5 系列 電能計(jì)量IC.6 來計(jì)量電能。這 些器件通過一個(gè)高精度的∑-? A DC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(duì)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(shì)。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(chǔ)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(huì)受到外部磁場(chǎng)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)IM S 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(dòng)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(huì)通過寬帶或無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娏尽?/div>
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(jiǎn)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(shí)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(huì)替代AMR，以突出與簡(jiǎn)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(duì)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 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(duì)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(duì)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(guó)，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(chǎng)試驗(yàn)的很有意思的頁面，它顯示了最新的部署信息。
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線設(shè)備的房屋內(nèi)部或周邊，確?？煽康臒o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
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)。
參考電路
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2. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5566/products/product.html
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7. IMS Research Report 2008
8. www.analog.com/en/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers.html
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11. www.m-bus.com
12. www.analog.com/ADF7020
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14. www.zigbee.org
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