智能表計(jì)飛速發(fā)展的幕后英雄

表計(jì)設(shè)備

全球能源變革以及智慧城市深入發(fā)展的大背景下，對(duì)能源管理的需求和要求都在提升。要實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、高效的能源管理，用戶端側(cè)的表計(jì)設(shè)備是重要一環(huán)。表計(jì)設(shè)備負(fù)責(zé)收集所有用戶節(jié)點(diǎn)的能源消耗信息，并及時(shí)將信息回傳給能源中央管理平臺(tái)，從而幫助構(gòu)建一個(gè)具備高可靠性和彈性的能源管理網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展讓表計(jì)設(shè)備發(fā)展也變得更加智能化，具備了實(shí)時(shí)計(jì)量、控制和連接等多項(xiàng)功能。這些智能化的實(shí)現(xiàn)也意味著和傳統(tǒng)表計(jì)相比，智能表計(jì)的系統(tǒng)要復(fù)雜得多。下面就為大家來(lái)解析一下智能表計(jì)發(fā)展背后的推動(dòng)力和技術(shù)支撐。

智能表計(jì)：

構(gòu)建智慧能源網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

日常生產(chǎn)生活中的表計(jì)設(shè)備分為水、氣、電、熱四種，而所謂智能表計(jì)，是指能夠記錄能源消耗水平和能源參數(shù)等信息，并且能夠與中央系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信的儀表。通過(guò)精細(xì)測(cè)量、智能測(cè)算和實(shí)時(shí)信息同步，新一代的智能表計(jì)可以為能源公司的遠(yuǎn)程診斷、動(dòng)態(tài)定價(jià)、消耗分析等服務(wù)提供支持；為用戶提供更準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)和優(yōu)化建議，從而進(jìn)一步提高能源整體利用效率。

圖1：智能表計(jì)的優(yōu)勢(shì)

（圖源：bonkers.ie）

智能表計(jì)發(fā)展，不斷突破

從傳統(tǒng)表計(jì)設(shè)備到現(xiàn)代化智能表計(jì)的發(fā)展，可以大致分為三個(gè)階段。最初的表計(jì)通常采用機(jī)械式設(shè)計(jì)，通過(guò)內(nèi)部機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)來(lái)簡(jiǎn)單測(cè)算能源消耗。例如機(jī)械電表通過(guò)磁通鋁盤(pán)感應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并將之傳動(dòng)到蝸桿計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)電能消耗的計(jì)量；傳統(tǒng)水表則通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)碼盤(pán)計(jì)數(shù)。傳統(tǒng)表計(jì)以人工抄表和預(yù)付費(fèi)卡為主，存在管理難、成本高、測(cè)不準(zhǔn)、易錯(cuò)漏等痛點(diǎn)，而且這種表計(jì)僅能夠記錄用戶的能源消耗總量，并沒(méi)有關(guān)鍵的時(shí)間信息。

而后隨著電子計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，電子式儀表開(kāi)始取代傳統(tǒng)機(jī)械表計(jì)。大部分電子表計(jì)都實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)測(cè)量，這增加了監(jiān)控的可行性，延長(zhǎng)了儀表的使用壽命。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，一些電表已經(jīng)具備了PLC雙向通信的功能，自動(dòng)抄表的功能得以實(shí)現(xiàn)，這大幅減少了電力公司營(yíng)運(yùn)成本，并方便了客戶的繳費(fèi)充值。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新一代的智能表計(jì)將更多地采用LPWA無(wú)線連接技術(shù)，并且在計(jì)量精度、多功能融合和機(jī)器學(xué)習(xí)等方向上持續(xù)發(fā)展。

智能表計(jì)應(yīng)用，持續(xù)增長(zhǎng)

根據(jù)Berg Insight機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，北美新一代智能表計(jì)的安裝基數(shù)將以5.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，從2019年的1.104億增加到2025年的1.538億。亞太地區(qū)新一代智能表計(jì)的裝機(jī)量將從2019年的6.593億增長(zhǎng)到2025年的8.861億。歐洲已經(jīng)部署了超過(guò)2.09億個(gè)智能電表和燃?xì)獗?，而?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1252/" target="_blank">無(wú)線通信儀表的部署正在加速，純無(wú)線通信選項(xiàng)的智能表計(jì)的年度出貨量份額將從2021年的32%增長(zhǎng)到2027年的57%。

亞太地區(qū)構(gòu)成了世界上從規(guī)模到增長(zhǎng)速度都位居前列的儀表市場(chǎng)，安裝了超過(guò)13億臺(tái)電力和燃?xì)庥?jì)量設(shè)備。該地區(qū)對(duì)電表的年需求量在9,000萬(wàn)臺(tái)?1.45億臺(tái)之間，而其中中國(guó)約占總量的70%?80%。

圖2：智能電表市場(chǎng)預(yù)估

（圖源：Berg Insight）

新一代的智能表計(jì)將在通信技術(shù)和智能化兩個(gè)方向上繼續(xù)演進(jìn)。早期的智能表計(jì)采用2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接，而隨著2G/3G退網(wǎng)，更多表計(jì)需要在未來(lái)幾年內(nèi)升級(jí)。新一代表計(jì)設(shè)備更多將采用LPWN無(wú)線技術(shù)和新一代的蜂窩技術(shù)，提供高速率低延時(shí)的雙向通信體驗(yàn)。

在智能化方面，很多智能電表將具備負(fù)載辨識(shí)功能，通過(guò)識(shí)別不同電器的啟動(dòng)電流來(lái)記錄各種用電設(shè)備的用電量和時(shí)間信息，并結(jié)合人工智能分析給出建議。例如某一臺(tái)空調(diào)的用電量如果遠(yuǎn)高于同類空調(diào)的用電量，則說(shuō)明該空調(diào)已經(jīng)到了使用年限，可以提醒用戶進(jìn)行更換。通過(guò)智能表計(jì)構(gòu)建的能源網(wǎng)絡(luò)，可以自動(dòng)感知故障位置，在無(wú)需用戶主動(dòng)報(bào)警的情況下，能源公司就可以實(shí)現(xiàn)故障遠(yuǎn)程診斷和快速上門(mén)搶修。

圖3：新一代智能表計(jì)場(chǎng)景

（圖源：Smart Energy International）

智能表計(jì)：

集感知、計(jì)算和連接于一體

智能表計(jì)集感知、計(jì)算和連接等功能于一體，看起來(lái)和其他的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并無(wú)不同，但實(shí)際上因?yàn)槠涮厥獾膽?yīng)用場(chǎng)景，在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要比其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更具挑戰(zhàn)性?？傮w來(lái)看，高可靠性、極低功耗和精準(zhǔn)測(cè)量是智能表計(jì)必須滿足的三大設(shè)計(jì)要求。

1

高精度

高精度是智能表計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要要求。以電表為例，通常情況下其精度要求應(yīng)該符合國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053-21的規(guī)范，即在額定負(fù)載下，智能電表的測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差不應(yīng)超過(guò)正負(fù)0.5%。

2

高可靠性

高可靠性是指智能表計(jì)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，具有穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力。電表通常需要具備抵御突發(fā)電磁干擾、電壓浪涌等異常情況的能力。一旦智能表計(jì)出現(xiàn)故障，則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)漏傳、錯(cuò)傳等問(wèn)題，無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)街醒胩幚砥脚_(tái)，進(jìn)而影響到整個(gè)能源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

3

低功耗

低功耗則是智能表計(jì)的另一大特點(diǎn)，通常電池供電的智能表計(jì)可以保證多達(dá)十年的正常穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17215.321-2008多功能電能表第3部分：測(cè)試方法和要求》，多功能電能表的有功功率消耗應(yīng)該低于1W，無(wú)功功率消耗應(yīng)該低于0.5W。同時(shí)，在待機(jī)模式下，功率消耗應(yīng)該低于0.5W。目前很多智能電表的待機(jī)功耗已經(jīng)小于0.2W。

圖4：智能表計(jì)設(shè)計(jì)要求

（圖源：TE Connectivity）

與其它IoT設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)有所不同，智能表計(jì)不會(huì)過(guò)分追求小體積，將盡可能多的功能高度集成到一個(gè)芯片、一塊PCB板上；而是會(huì)選擇多模塊、多PCB板的方式，從而確保各子系統(tǒng)的功能隔離，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，并保證后期的設(shè)備靈活升級(jí)和拓展。

根據(jù)IEC的IR46新標(biāo)準(zhǔn)，智能表計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需要將關(guān)鍵子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件分離，采用多芯模組化設(shè)計(jì)理念。計(jì)量、控制、連接和其它擴(kuò)展功能模塊應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，多個(gè)模塊以插拔方式結(jié)合，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景在基表上配置不同模塊。

圖5：智能表計(jì)拆解圖

（圖源：TE Connectivity）

要實(shí)現(xiàn)智能表計(jì)的以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，要從多個(gè)方向著手。在計(jì)量部分要選擇高精度的傳感電路設(shè)計(jì)，并在生產(chǎn)過(guò)程中做好精度校準(zhǔn)。在控制和通信上需要選擇低功耗的MCU和射頻技術(shù)，并且根據(jù)不同工作負(fù)載，動(dòng)態(tài)細(xì)化設(shè)備狀態(tài)。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功耗。然而在這些關(guān)鍵芯片選型之外，不可忽視的一點(diǎn)是對(duì)于連接器的選擇?？梢哉f(shuō)對(duì)于智能表計(jì)而言，連接器的選型相比其他IoT設(shè)備而言會(huì)更加重要。

多模塊的智能表計(jì)

連接器選型很關(guān)鍵

智能表計(jì)采用多芯多模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，這也就意味著需要更多的板與板之間的連接；智能表計(jì)對(duì)于可靠性要求極高，不同子系統(tǒng)之間的連接和數(shù)據(jù)通信也要確保高速可靠。同時(shí)因?yàn)橹悄鼙碛?jì)的多模塊設(shè)計(jì)占用體積較大，就更需要通過(guò)小尺寸的連接設(shè)計(jì)，來(lái)幫助節(jié)省整體內(nèi)部空間。

相比其他有源器件，連接器是單獨(dú)的一門(mén)技術(shù)。諸如在智能表計(jì)這樣的設(shè)備需要多種連接器組合。常見(jiàn)的連接器包括插針式、螺紋式和彈簧式等類型。插針式在安裝上更便捷，但易受到外界干擾松動(dòng)。螺紋式連接器則是通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋將兩個(gè)接口牢固地連接在一起，連接更加穩(wěn)定可靠。彈簧式連接器則是使用彈性元件將兩個(gè)接口固定在一起，這種連接器通常具有良好的電氣性能和密封性能，并且容易安裝和拆卸。然而，由于彈性元件的材質(zhì)和設(shè)計(jì)存在限制，彈簧式連接器的壽命較短，需要定期更換。

作為深耕連接器領(lǐng)域超過(guò)80年的連接器和電子元件供應(yīng)商，TE Connectivity推出了一系列適合智能表計(jì)的連接器產(chǎn)品。接下來(lái)就為大家推薦幾款獨(dú)具特色的連接器產(chǎn)品。

在通信方面

可以選擇TE的SIM卡連接器系列。該系列通過(guò)球面觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，增加了觸點(diǎn)的赫茲應(yīng)力，優(yōu)化了預(yù)裝接觸件及防卡殼特性。通過(guò)TE高度可靠的連接器技術(shù)，該SIM卡連接器有助于降低生產(chǎn)線缺陷率，而更大的設(shè)計(jì)自由度則讓設(shè)計(jì)人員能夠更好地滿足設(shè)備要求。

我們推薦的這款產(chǎn)品在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號(hào)為“2174803-2”。這是一款薄至1.27mm的低面雙推型Micro SIM連接器，比其他輕薄器件還能額外節(jié)約多達(dá)50%的空間。

圖6：超薄雙推型SIM卡連接器

（圖源：TE Connectivity）

在供電和數(shù)據(jù)通信方面

可以選擇TE的防濺型USB Type-C連接器。該系列連接器擁有出色的EMI保護(hù)和增強(qiáng)保持特性，通過(guò)單一連接可以更快地傳輸數(shù)據(jù)、電力和音頻/視頻等多種信息，并且支持高速數(shù)據(jù)傳輸，包括：USB2.0(480mbps)、USB3.1 gen 1（5Gbps）和USB3.1 gen 2（10Gbps）。在供電功率方面，該連接器在電壓20V時(shí)功率容量可以提升至100W。這款產(chǎn)品在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號(hào)為“1-2295018-2”。

圖7：USB Type-C連接器

（圖源：TE Connectivity）

在線纜與板之間的連接方面

可以選擇TE Connectivity的薄型FPC連接器。該產(chǎn)品采用了先進(jìn)的鎖定機(jī)制和耐壓插座設(shè)計(jì)，可以提供可靠的連接和優(yōu)異的電氣性能。此外，該連接器具有0.25mm至1.25mm引腳間距，非常適用于無(wú)法憑借較小引腳間距實(shí)現(xiàn)較大線對(duì)板互連的應(yīng)用。這款產(chǎn)品在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號(hào)為“1-2328724-3”。

圖8：薄型FPC連接器

（圖源：TE Connectivity）

在插頭與插座之間的連接

可以選擇TE的D-Subminiature連接器。該系列產(chǎn)品符合AMPLIMITE標(biāo)準(zhǔn)，是一款結(jié)構(gòu)緊湊的插頭和插座連接器，專為高密度封裝設(shè)計(jì)。該連接器符合MIL-DTL-24308標(biāo)準(zhǔn)，可為復(fù)雜的應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)的解決方案。TE提供了豐富的產(chǎn)品選型，用戶可以前往www.mouser.cn/c/?marcom=144227019選擇適合的連接器型號(hào)。

智能表計(jì)的未來(lái)：

融入智慧能源網(wǎng)絡(luò)

未來(lái)的智能表計(jì)，不僅僅是單一的測(cè)量?jī)x表，更是具備分布式處理能力的智慧終端，將會(huì)成為分布式能源網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。以電能表為例，未來(lái)的智能電表將能夠在本地處理測(cè)量工作，并實(shí)現(xiàn)其他多種用例，包括：分布式發(fā)電或電動(dòng)汽車檢測(cè)、線路和儀表相位識(shí)別、負(fù)載分解、需求管理等。

簡(jiǎn)而言之，未來(lái)的智能表計(jì)將會(huì)是傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)向智慧能源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的核心。水、氣、熱、電四表的數(shù)據(jù)融合、統(tǒng)一上報(bào)也是一個(gè)可探索的方向。這些智能表計(jì)設(shè)備收集的數(shù)據(jù)可以融入邊緣計(jì)算、云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)等其他數(shù)字技術(shù)，幫助整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)升級(jí)，進(jìn)一步改善客戶體驗(yàn)，助力我們更快實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，邁向可持續(xù)發(fā)展道路。

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