智能計量技術(shù)提高能源效率，打造更綠色的世界

我們都熟悉隱藏在車庫、地下室或其他視線之外的電表。我們甚至可能看了一兩次，以打電話給公用事業(yè)公司的最新讀數(shù)來代替估計。多虧了技術(shù)，一場安靜的革命正在這個看起來無害的儀表內(nèi)發(fā)生。

圖 1 顯示了傳統(tǒng)機電儀表的示例，該儀表于 19 年末首次開發(fā)千世紀——有一個旋轉(zhuǎn)盤和一個機械計數(shù)器顯示器。這種類型的儀表通過計算金屬盤的轉(zhuǎn)數(shù)來工作，金屬盤的旋轉(zhuǎn)速度與通過主保險絲盒消耗的功率成正比。附近的線圈通過感應(yīng)渦流和與瞬時電流和電壓成比例的力來旋轉(zhuǎn)圓盤。永磁體在圓盤上施加阻尼力，在電源斷開后停止其旋轉(zhuǎn)。

圖1.機電式電能表。

儀表發(fā)展的第一步是用固態(tài)電子儀表取代機電儀表。電子儀表使用高度集成的元件（如ADE516x）測量能量，1 ADE556x，2 ADE716x，3 ADE756x，4和ADE77xx5電能測量 IC 系列。6這些器件通過高分辨率Σ-Δ型ADC對瞬時電壓和電流進行數(shù)字化。計算電壓和電流的乘積給出了以瓦特為單位的瞬時功率。隨著時間的推移，積分給出了使用的能量，通常以千瓦時 （kWh） 為單位。能量數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器（LCD）上，如圖2所示。

電子儀表有幾個好處。除了測量瞬時功率外，它們還可以測量其他參數(shù)，例如功率因數(shù)和無功功率。數(shù)據(jù)可以按特定的時間間隔進行測量和存儲，允許公用事業(yè)公司根據(jù)一天中的使用時間提供價格計劃。這使得精明的消費者可以通過在低成本的非高峰時段運行洗衣機和烘干機等主要電器來節(jié)省資金;公用事業(yè)公司可以避免建造新的發(fā)電廠，因為在高峰期需要的容量較少。電子儀表不受外部磁鐵或儀表本身方向的影響，因此它們比機電儀表更防篡改。電子儀表也非?？煽俊?/p>

ADI公司一直是從機電儀表向電子儀表過渡的關(guān)鍵參與者，迄今為止出貨量超過2.25億個電能測量IC。根據(jù)IMS Research的數(shù)據(jù)，2007年出貨的所有電表中有75%是電子的，而不是機電的。

圖2.固態(tài)電子式電能表。

電子儀表開辟新的可能性

一旦電表數(shù)據(jù)以電子形式提供，就可以向電表添加通信，允許電表使用自動抄表（AMR）通過通信鏈路遠程訪問數(shù)據(jù)。儀表制造商開發(fā)了不同的遠程抄表系統(tǒng)架構(gòu)，大致分為步行、路過或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在這種情況下，公用事業(yè)公司派出一輛帶有車載無線數(shù)據(jù)收集器的貨車。面包車穿過社區(qū)，有效地收集儀表數(shù)據(jù)。與步行系統(tǒng)相比，駕車系統(tǒng)將公用事業(yè)員工一天內(nèi)可以讀取的儀表數(shù)量提高了五倍，與手動抄表相比增加了十倍以上。在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，儀表數(shù)據(jù)被饋送到固定數(shù)據(jù)收集器，該數(shù)據(jù)收集器通常位于街道或社區(qū)盡頭的桿子上。數(shù)據(jù)通過寬帶或蜂窩骨干網(wǎng)反饋給公用事業(yè)公司。

AMR 到 AMI

最初，用AMR系統(tǒng)取代手動抄表只是降低勞動力成本的一種方式，但隨著行業(yè)認識到AMR允許公用事業(yè)公司方便地提供更高階的好處和服務(wù)，例如實時定價以提高能源效率，即時報告故障檢測，以及更準確的數(shù)據(jù)用于分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的使用情況，這種情況正在發(fā)生變化。AMR 有時會被高級計量基礎(chǔ)設(shè)施 （AMI） 取代，以突出從簡單的遠程抄表演變而來。AMI網(wǎng)絡(luò)計量系統(tǒng)可以使用從衛(wèi)星到低成本無線電的各種技術(shù)來實現(xiàn)。兩種主要的新興技術(shù)是射頻（使用未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段）和電力線載波 （PLC）。

射頻技術(shù)使用低功耗、低成本的無線電無線傳輸儀表信息，而PLC使用電源線本身。ADI公司為這兩種技術(shù)開發(fā)了解決方案，包括ADF7xxx系列短程收發(fā)器8解決ISM頻段射頻段和基于流行的SALEM系列的?黑鰭金槍魚處理器?9解決 PLC 部分問題。這些技術(shù)中的每一種都有其優(yōu)點和缺點。特別是對于水和燃氣表，由于電源靠近水或燃氣的安全問題，射頻技術(shù)正在成為主要選擇。水表還具有經(jīng)常被埋在地下的額外復(fù)雜性。對于電表，這兩種方法的結(jié)合看起來最有可能，北美青睞RF，歐洲青睞電力線。在美國，少數(shù)房屋通常連接到單個變壓器，使PLC不太經(jīng)濟。在一些實現(xiàn)中，公用事業(yè)公司正在使用混合部署AMI，電力線用于從數(shù)據(jù)收集器到電表進行通信，并在電表和其他家用電表或設(shè)備之間使用RF。一個有趣的谷歌地圖頁面，重點介紹全球AMR/AMI部署10現(xiàn)場試驗顯示最新信息。

設(shè)計支持 AMR/AMI 的公用事業(yè)儀表的射頻部分

公用事業(yè)儀表通常位于擁有越來越多的無線設(shè)備的家庭中或周圍，因此確保可靠的無線電通信是一項挑戰(zhàn)。RF電路需要高性能來抑制來自無線LAN等設(shè)備的大無用信號，同時解碼無線電輸入端可能低至幾分之一微伏的所需信號。

還需要良好的無線電靈敏度，因為這會轉(zhuǎn)化為更長的信號傳輸范圍。請記住，儀表可以位于地下室，或者更糟糕的是，可以位于地下 - 但它需要與幾個街區(qū)外的桿子上的收音機或街道上的多功能車進行通信。靈敏度越低，接收無線電需要越接近正確解碼消息。對于移動路過系統(tǒng)，這僅意味著貨車必須靠近您的房屋，但固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必須使用較小的單元和相應(yīng)的大量數(shù)據(jù)收集器。因此，高靈敏度將最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施成本。

低功耗對于電池供電的燃氣表和水表至關(guān)重要。電表供應(yīng)商經(jīng)常嘗試降低電表的功耗，因為這允許他們將相同的設(shè)計移植到水表或燃氣表上。此外，為了在頻譜的未經(jīng)許可部分運行，儀表和讀取器使用的通信協(xié)議必須符合運營國家/地區(qū)的無線電發(fā)射法規(guī)。全球存在幾個未經(jīng)許可的頻段，最常見的頻段是 900 MHz、2.4 GHz 和 5.8 GHz。

大多數(shù)電表制造商都選擇了 900 MHz 頻段的無線電作為電表之間以及電表和數(shù)據(jù)收集器之間的鏈路。與競爭的2.4 GHz技術(shù)相比，這些頻率的無線電在給定功率預(yù)算下提供更好的通信范圍，因此可以為給定基站或數(shù)據(jù)收集器提供更廣泛的蜂窩覆蓋范圍。然而，從公用事業(yè)公司的角度來看，使用該頻段的一個缺點是缺乏可用的標準。sub-GHz頻段顯然是電池供電的燃氣表和水表的最佳技術(shù)選擇，激發(fā)了對標準化日益增長的需求，以實現(xiàn)不同制造商系統(tǒng)之間的互操作性。無線M-Bus是從有線M-Bus用戶組發(fā)展而來的，是電表之間以及電表和數(shù)據(jù)收集器之間通信標準的一個例子。M-巴士11現(xiàn)在是EN 13757中詳述的EN歐洲規(guī)范標準的一部分。無線M-Bus協(xié)議在EN 13757-4變體中有詳細說明。其他900 MHz標準化工作也在進行中。

ADF702012即將發(fā)布的ADF7023收發(fā)器是900 MHz無線電的示例，這些無線電在設(shè)計時考慮了計量。這兩款器件也適用于必須符合無線M-Bus標準的系統(tǒng)。ADF7020的框圖如圖4所示。

圖4.ADF7020的功能框圖。

ADF7020是一款完全集成的低功耗無線電收發(fā)器，工作在中國為433 MHz、歐洲為868 MHz和北美為915 MHz的免許可ISM頻段。它集成了完整的發(fā)射和接收RF部分以及模擬和數(shù)字基帶。為支持 AMR 的公用事業(yè)儀表實現(xiàn)無線電卡13通常需要ADF7020、天線、少量外部無源器件和一個簡單的微控制器來運行通信協(xié)議，如圖5所示。ADF7020集成超低功耗、8位RISC內(nèi)核來運行一些較低級別的通信功能，從而顯著減輕了外部微控制器的負擔(dān)。在許多情況下，這可以消除對單獨通信專用微控制器的需求。與競爭產(chǎn)品相比，電表制造商也選擇ADF702x系列，因為他們的無線電具有一流的靈敏度和阻塞性能，從而在電表和數(shù)據(jù)采集器之間具有更好的范圍。ADF7020提供超過70 dB的阻塞性能，這意味著即使不需要的帶外信號比所需信號高70 dB，也可以正確檢測和解碼所需信號。相鄰?fù)ǖ酪种萍s為40 dB，靈敏度可低至–120 dBm，具體取決于數(shù)據(jù)速率。這比性能最佳的 ZigBee 解決方案低 20 分貝以上。

漢恩網(wǎng)絡(luò)

隨著通信電表即將在許多家庭中推出，公用事業(yè)公司和能源監(jiān)管機構(gòu)正在展望未來，看看他們?nèi)绾卫迷摷夹g(shù)來提高節(jié)能和意識。使用這個概念，有時稱為智能電網(wǎng)，公用事業(yè)公司可以使用將一直延伸到客戶家中的網(wǎng)絡(luò)來積極管理傳輸負載。其中一項服務(wù)可以提供實時價格信息，允許消費者調(diào)節(jié)能源使用。例如，在高峰負荷期間，例如在熱浪期間，公用事業(yè)公司可以向房屋發(fā)送信息，告訴房主下一個小時價格將上漲，并鼓勵他們關(guān)閉電器。這將需要一個可以顯示此類消息的家庭顯示器。更進一步，公用事業(yè)公司可以通過儀表與您家中的設(shè)備進行通信，例如，打開恒溫器或關(guān)閉泳池泵。該系統(tǒng)需要電表和家用電器之間的通信，有時稱為家庭局域網(wǎng)（HAN）。ADF702x和ZigBee無線電等900 MHz無線電都在這里受到青睞。

大多數(shù)行業(yè)參與者認識到，與先進的電表基礎(chǔ)設(shè)施相連的完全工作的家庭局域網(wǎng)還需要數(shù)年時間，但這種系統(tǒng)的好處意味著許多公司正在積極參與開發(fā)當今的家庭局域網(wǎng)解決方案。

結(jié)論

ADI公司專注于為計量市場提供領(lǐng)先的技術(shù)，包括RF收發(fā)器、電能測量芯片組、RF放大器、隔離產(chǎn)品和電力線控制。ADF702x高性能、全集成收發(fā)器適用于支持通信或AMI就緒的電表，為全球電表制造商提供緊湊、可靠、低成本的解決方案。

審核編輯：郭婷