分析：看智能电表如何雄霸能源管理领域
- 2012/9/7 9:37:52 42350
- 来源：中国电工仪器仪表信息网
摘要：导读：随着绿色能源管理成逐步化，使用智能系统和无线技术来利用能源和其他资源成为普遍情况。能源计量生态系统所监测和控制的能源相当广泛，包括气、水、电和热能源。自动读表功能带来了极大便利，同时现在的设备正在发展双向网络，如此可进一步让个人和公司更有效地利用他们所消耗的能源，下文做了阐述。
导读：随着绿色能源管理成逐步化，使用智能系统和无线技术来利用能源和其他资源成为普遍情况。能源计量生态系统所监测和控制的能源相当广泛，包括气、水、电和热能源。自动读表功能带来了极大便利，同时现在的设备正在发展双向网络，如此可进一步让个人和公司更有效地利用他们所消耗的能源，下文做了阐述。
随着绿色能源管理成逐步化，使用智能系统和无线技术来利用能源和其他资源成为普遍情况。一开始的想法相对简单，如果在传统仪表装置中嵌入智能和通信连接，就能远程接入此仪表所收集的数据。其中出现且效果明显的应用，莫过于读表和收费程序的简化。通过表面上看似简单的强化通信连接，构成了网络系统，随之而来的便是更多应用和创新作法改变了能源测量、定价和消耗的方式。
能源计量生态系统所监测和控制的能源相当广泛，包括气、水、电和热能源。对于来自住宅、商业及产业设备的计量信息，共享的计量收集装置会以固定的时间间隔进行取样并计算，之后再提供给服务提供商。自动读表功能带来了极大便利，同时现在的设备正在发展双向网络，如此可进一步让个人和公司更有效地利用他们所消耗的能源。家用的能源显示器、恒温器及负载控制器在市场上渐渐普及，这些工具能进一步提高控制水平。运营商也能享有双向网络系统的好处，因为这能改善可靠性并提供互动收费机制。
公用仪表基本类别
计量装置相关应用相当广泛，主要分为三类。常见的就是计算电力消耗的电表。其次是测量液体消耗的仪表，比如水、天然气或燃油等。第三类则是计量热能消耗的仪表，通常指热量表或是热成本分配器。
关于电表，按功能可被分为两大功能区：计量或测量功能以及通信子系统。计量功能的要求因区域和仪表种类而异（如住家或工业），其中的一些变量包括测量相位的数目、测量度、因使用时间而异的费率要求、通信层所需的安全级别（包括加密）等。一般而言，这些系统会测量客户所消耗的电力、负载的电力因子以及耗电的时间，以支持多重费率的计量。这些测量依靠能和系统中的电源相数数量相匹配的各种传感技术。一般大众的仪表多为单相，而商业和工业客户则可能拥有多相仪表。一般而言，这些仪表会使用来自主管线的电力，不过仍需要另外的电力供应，例如电池或超级电容，以便在断电或是供电条件恶劣时仍能维持运作。
煤气和水表（见图1）一般是以电池供电并含有嵌入式控制器，可接到计量传感器、显示器以及通信部件，主要是无线发射器或收发器。它们通常使用容积式流量计测量单位流量流过此仪表的次数。针对较黏稠的液体，其流量是以磁铁或轴杆的旋转来计算，每一次的旋转会被转换为一个电气信号，并由嵌入式控制器累计。不太黏稠的液体如天然气，则可能是以超音波传感器测量庞大的流量。无论待测物的性质为何，低功耗都是这些系统中极为关键的设计参数，因为电力线通常不会拉至这些仪表所在之处。
图1基于Si10xx无线微控制器的智能气/水仪表系统示例
第三类仪表为热能计。热量计和热成本分配器一般安装在有多个住家并使用中央暖气系统的建筑物中。这些仪表会计量在特定的一段时间内传送至某位置的热量。同样，这些仪表采用电池供电的解决方案，并针对低的整体系统功耗进行优化。
与煤气和水表的拓扑结构相似，热能计一般会具备嵌入式控制器，并结合显示器和通信部件以测量热流的流动和温度。暖气的收费是按照被传输至某位置的热量（每单位时间的热能）来计算，其根据在特定期间内测量热流的流动，以及输入和输出液体的温度而来。客户可以通过仪表中集成的显示器或远程显示器看到这些信息。各个地方收集到的信息通常会通过无线连接传送至收集器，并在此整合传输给服务提供商。
测量功能
以上是基本的仪表种类，几乎每种仪表都必须提供以下一种或多种功能：
定量测量：因仪表种类有所不同，但是任何仪表的基本功能都是测量某物的数量。这些测量系统涵括极为广泛的拓扑，仅仅举出其中某些例子：温度传感器、水流传感器、分流电阻器，隔离变压器、电流互感器，以及计时系统等。
控制和校准：这也会因仪表的种类而有不同，一般都需要补偿量测系统中的小变化。它们也能执行诸如防破坏和服务中断的功能。
通信：可用来配置仪表中的参数，并通过有线或无线连接，将储存的数据传送至主机。它也能被用来更新仪表的固件或其它操作特性。
电源管理：当电力下降时，低功耗和系统稳定度便格外重要。在非电力线供电的测量应用中，要将功耗降至低，并将电池服务周期延至长，电源管理扮演相当关键的角色。
显示：连接到低成本和低功率LCD及LED显示器，用户界面通常以七段式、字母数字或是矩阵显示。多数情况下，用户需要能直接从仪表看到使用量及费用。
同步：要可靠地将数据传送至控制中心或其它收集系统，时钟同步是相当重要的，如此才能支持诸如数据分析和计费等功能。这对于不稳定的或是使用异步通信协议的无线网络尤其重要。
节能源于超低功耗技术
在一些应用和市场中，仪表要受到低功耗要求的严格限制。比如：地下水表的服务周期为二十年甚至更久。对于这些应用，具有极低自放电率的特殊化学锂电池，例如：亚硫酸二氯化锂（Li-SOCl2），必须满足长寿命的要求，很不幸地，相较于其它已建立市场地位的竞争产品，这些电池化学物太过昂贵了。
一个典型的“D”尺寸--Li-SOCl2电池具有介于16和19安培时的电容值。即使在量大时，每一安培时仍要花费50至75美分的不合理成本。然而，当我们全盘考虑长达二十年的服务周期，则稳定的系统状态所耗费的10mA电流，仅会让仪表供应业者支出几美元的电池成本而已。
10mA*24时/天*365天/年*20年*$0.75安培/时=$1.31电池（亦即系统）成本
仪表厂商每年生产运输数百万个仪表是很平常的，如此大量的智能仪表运输清楚说明了针对计量系统低功耗进行优化的重要性。
智能化仪表
当我们来看这些仪表的不同种类并比较它们的功能，我们发现对系统设计人员而言，核心能力和技术是构建各部件的关键所在。对任何嵌入式智能系统来说，微控制器是关键。在这些应用中，微控制器必须具备极低的功率，并集成实时时钟、模数转换器以及通信接口等功能。像集成的LCD控制器、循环冗余检验部件，或是加密引擎这样更先进的特性可以进一步减少MCU的负荷，并使其能长时间处于低功率模式，如此便能降低整体系统功耗。
图2SiliconLabsSi10xx无线MCU提供高集成度控制和无线互联解决方案
无线发射器、接收器和收发器在这些系统中越来越常见，其中重要特性包括高集成度、极低功率的操作、自低功率状态中快速启动、高接收敏感度（高于-118dBm），以及无需外部功率放大器的高发射功率（高至20dBm）。更先进的特性包括自动封包处理、集成型FIFO以及变频和调变结构。
集成了MCU功能和无线收发器的无线MCU（见图2）也能应用在智能仪表中。这些高集成度的单片设备能帮助减少BOM和系统成本，提供具有高性能无线连接的低功耗嵌入式控制方案。
实现下一世代计量系统的其它技术包括有线接入产品，例如可线性数据通信的调制解调器，提供网络同步的时序解决方案，以及提供安全和数据保护的隔离产品。
智能电表的数据保护
智能电表使用新的集成电路（IC）技术进行测量并报告消耗的电量，智能电表比机电式电表复杂，但更加注重测量数据的完整性，这会直接影响公共事业供应商的结算收入。在智能电表设计中确保数据完整性的有效的解决办法之一就是使用先进的数字隔离技术。
智能电表使用电流隔离来保护内部低压集成电路，也使工作人员避免暴露在高压电线下。在有线计量应用中，比如高密度部署的住宅区，隔离器也可用于隔离控制器和数字数据总线，如图3所示。
图3具有数字通信总线的智能电表
其他子系统，特别是那些暴露于高电压下的部分，也必须进行隔离电路。例如，需要在智能电表控制器IC和电源线通信（PLC）调制解调器之间进行电流隔离。这些系统中信号隔离可以采用多种方式实现。
光耦合器常用于智能电表中的信号隔离，但它们的使用面临着设计挑战，其主要缺点是受到光耦合器的共模瞬变免疫能力（CMTI）的限制。CMTI是一个隔离能力的度量，代表在隔离栅输入和输出两侧抑制快速瞬态噪声信号的能力。由于光隔离器的物理结构所致，它们往往有较高的寄生输入输出电容（一般在pF量级）。高的内部寄生耦合电容导致CMTI性能变差。光耦合器供应商通常建议客户，在光耦合器打开时需要过量驱动光耦合器LED灯来提高抗噪声能力，反之在光耦合器关闭时要反向偏置LED灯。这些措施增加了光耦合器的CMTI，但同时也降低了器件寿命，影响了系统可靠性，增加了维护成本。
智能电表应用中所使用的另一种隔离解决方案是隔离变压器，但变压器一般应避免使用，因为它们容易受到电磁干扰（EMI）而破坏数据。脉冲变压器也不理想，因为其需要占用较宽带宽，而带宽对于数字信号传输是极为重要的。
有两大原因使得电磁场（EM）抑制力成为电表设计主要关注对象。首先，电表被安装到电磁噪声复杂的地点的概率较高。其次，一些隔离技术可能是电表系统应用中薄弱的环节。例如，应用一个外部磁场到基于变压器的系统将对数据的完整性产生不良影响，事实上也出现过客户通过施加强磁铁或线圈到仪器而中断了电表正常工作的案例。在这两种情况下，外部磁场或电磁场噪声将导致错误测量数据提交到控制器。
现代CMOS数字隔离器克服了智能电表应用中的这些问题。与光耦合器相比，基于CMOS的数字隔离器提供相当高的CMTI性能，同时保证了更长的工作寿命和高可靠性。例如，SiliconLabs公司的Si84xxCMOS数字隔离器系列满足通用CMTI规格25kV/µs，新一代隔离元器件预计将比现有产品的性能水平提高两倍。
就电磁场性能而言，CMOS数字隔离器大大优于其他隔离技术。例如，Si84xx隔离器具有市场在售的数字隔离元器件中高的EMI耐受性（》300V/m电场抗扰度，和》1000A/m磁场抗扰度）。这些数字隔离器通过使用差分信号在隔离栅中进行数据传输，成对的窄通带滤波提供了的共模噪声抑制能力，如图4所示。
图4数字隔离器中抑制共模噪声的差分信号和窄带接收机
此外，基于CMOS的隔离元器件实现了尺寸小化，有助于防止隔离器成为杂散磁场的天线，避免使用变压器使得系统能够保持抗电磁干扰特性。
随着智能电表在构建智能电网市场中变得越来越流行，电表的安装环境有时不易因地制宜，这增加了测量数据被破坏的可能性。电表中的任何元器件都会受到电噪声或电磁场的影响而可能成为整个系统完整性中的薄弱环节。这些元器件有可能破坏智能电表控制器的数据，并终使得计费信息无效。
尽管光耦合器和变压器隔离技术已经很普及，但这些解决方案有明显的弱点，在电表应用中应引起关注。CMOS数字隔离器提供了优的解决方案以及优良的电噪声和外部磁场抑制力。在智能电表中采用CMOS数字隔离器能确保电力测量数据通过隔离栅准确地到达系统控制器。总之，随着越来越多嵌入式智能、互联选择和数据保护能力被集成到公用事业电表中，这将毫无疑问的促进绿色能源应用的增长，并产生更多利用智能电表多种益处的机会。
随着绿色能源管理成逐步化，使用智能系统和无线技术来利用能源和其他资源成为普遍情况。一开始的想法相对简单，如果在传统仪表装置中嵌入智能和通信连接，就能远程接入此仪表所收集的数据。其中出现且效果明显的应用，莫过于读表和收费程序的简化。通过表面上看似简单的强化通信连接，构成了网络系统，随之而来的便是更多应用和创新作法改变了能源测量、定价和消耗的方式。
能源计量生态系统所监测和控制的能源相当广泛，包括气、水、电和热能源。对于来自住宅、商业及产业设备的计量信息，共享的计量收集装置会以固定的时间间隔进行取样并计算，之后再提供给服务提供商。自动读表功能带来了极大便利，同时现在的设备正在发展双向网络，如此可进一步让个人和公司更有效地利用他们所消耗的能源。家用的能源显示器、恒温器及负载控制器在市场上渐渐普及，这些工具能进一步提高控制水平。运营商也能享有双向网络系统的好处，因为这能改善可靠性并提供互动收费机制。
公用仪表基本类别
计量装置相关应用相当广泛，主要分为三类。常见的就是计算电力消耗的电表。其次是测量液体消耗的仪表，比如水、天然气或燃油等。第三类则是计量热能消耗的仪表，通常指热量表或是热成本分配器。
关于电表，按功能可被分为两大功能区：计量或测量功能以及通信子系统。计量功能的要求因区域和仪表种类而异（如住家或工业），其中的一些变量包括测量相位的数目、测量度、因使用时间而异的费率要求、通信层所需的安全级别（包括加密）等。一般而言，这些系统会测量客户所消耗的电力、负载的电力因子以及耗电的时间，以支持多重费率的计量。这些测量依靠能和系统中的电源相数数量相匹配的各种传感技术。一般大众的仪表多为单相，而商业和工业客户则可能拥有多相仪表。一般而言，这些仪表会使用来自主管线的电力，不过仍需要另外的电力供应，例如电池或超级电容，以便在断电或是供电条件恶劣时仍能维持运作。
煤气和水表（见图1）一般是以电池供电并含有嵌入式控制器，可接到计量传感器、显示器以及通信部件，主要是无线发射器或收发器。它们通常使用容积式流量计测量单位流量流过此仪表的次数。针对较黏稠的液体，其流量是以磁铁或轴杆的旋转来计算，每一次的旋转会被转换为一个电气信号，并由嵌入式控制器累计。不太黏稠的液体如天然气，则可能是以超音波传感器测量庞大的流量。无论待测物的性质为何，低功耗都是这些系统中极为关键的设计参数，因为电力线通常不会拉至这些仪表所在之处。
图1基于Si10xx无线微控制器的智能气/水仪表系统示例
与煤气和水表的拓扑结构相似，热能计一般会具备嵌入式控制器，并结合显示器和通信部件以测量热流的流动和温度。暖气的收费是按照被传输至某位置的热量（每单位时间的热能）来计算，其根据在特定期间内测量热流的流动，以及输入和输出液体的温度而来。客户可以通过仪表中集成的显示器或远程显示器看到这些信息。各个地方收集到的信息通常会通过无线连接传送至收集器，并在此整合传输给服务提供商。
测量功能
以上是基本的仪表种类，几乎每种仪表都必须提供以下一种或多种功能：
定量测量：因仪表种类有所不同，但是任何仪表的基本功能都是测量某物的数量。这些测量系统涵括极为广泛的拓扑，仅仅举出其中某些例子：温度传感器、水流传感器、分流电阻器，隔离变压器、电流互感器，以及计时系统等。
控制和校准：这也会因仪表的种类而有不同，一般都需要补偿量测系统中的小变化。它们也能执行诸如防破坏和服务中断的功能。
通信：可用来配置仪表中的参数，并通过有线或无线连接，将储存的数据传送至主机。它也能被用来更新仪表的固件或其它操作特性。
电源管理：当电力下降时，低功耗和系统稳定度便格外重要。在非电力线供电的测量应用中，要将功耗降至低，并将电池服务周期延至长，电源管理扮演相当关键的角色。
显示：连接到低成本和低功率LCD及LED显示器，用户界面通常以七段式、字母数字或是矩阵显示。多数情况下，用户需要能直接从仪表看到使用量及费用。
同步：要可靠地将数据传送至控制中心或其它收集系统，时钟同步是相当重要的，如此才能支持诸如数据分析和计费等功能。这对于不稳定的或是使用异步通信协议的无线网络尤其重要。
节能源于超低功耗技术
在一些应用和市场中，仪表要受到低功耗要求的严格限制。比如：地下水表的服务周期为二十年甚至更久。对于这些应用，具有极低自放电率的特殊化学锂电池，例如：亚硫酸二氯化锂（Li-SOCl2），必须满足长寿命的要求，很不幸地，相较于其它已建立市场地位的竞争产品，这些电池化学物太过昂贵了。
一个典型的“D”尺寸--Li-SOCl2电池具有介于16和19安培时的电容值。即使在量大时，每一安培时仍要花费50至75美分的不合理成本。然而，当我们全盘考虑长达二十年的服务周期，则稳定的系统状态所耗费的10mA电流，仅会让仪表供应业者支出几美元的电池成本而已。
10mA*24时/天*365天/年*20年*$0.75安培/时=$1.31电池（亦即系统）成本
仪表厂商每年生产运输数百万个仪表是很平常的，如此大量的智能仪表运输清楚说明了针对计量系统低功耗进行优化的重要性。
智能化仪表
当我们来看这些仪表的不同种类并比较它们的功能，我们发现对系统设计人员而言，核心能力和技术是构建各部件的关键所在。对任何嵌入式智能系统来说，微控制器是关键。在这些应用中，微控制器必须具备极低的功率，并集成实时时钟、模数转换器以及通信接口等功能。像集成的LCD控制器、循环冗余检验部件，或是加密引擎这样更先进的特性可以进一步减少MCU的负荷，并使其能长时间处于低功率模式，如此便能降低整体系统功耗。
图2SiliconLabsSi10xx无线MCU提供高集成度控制和无线互联解决方案
集成了MCU功能和无线收发器的无线MCU（见图2）也能应用在智能仪表中。这些高集成度的单片设备能帮助减少BOM和系统成本，提供具有高性能无线连接的低功耗嵌入式控制方案。
实现下一世代计量系统的其它技术包括有线接入产品，例如可线性数据通信的调制解调器，提供网络同步的时序解决方案，以及提供安全和数据保护的隔离产品。
智能电表的数据保护
智能电表使用新的集成电路（IC）技术进行测量并报告消耗的电量，智能电表比机电式电表复杂，但更加注重测量数据的完整性，这会直接影响公共事业供应商的结算收入。在智能电表设计中确保数据完整性的有效的解决办法之一就是使用先进的数字隔离技术。
智能电表使用电流隔离来保护内部低压集成电路，也使工作人员避免暴露在高压电线下。在有线计量应用中，比如高密度部署的住宅区，隔离器也可用于隔离控制器和数字数据总线，如图3所示。
图3具有数字通信总线的智能电表
光耦合器常用于智能电表中的信号隔离，但它们的使用面临着设计挑战，其主要缺点是受到光耦合器的共模瞬变免疫能力（CMTI）的限制。CMTI是一个隔离能力的度量，代表在隔离栅输入和输出两侧抑制快速瞬态噪声信号的能力。由于光隔离器的物理结构所致，它们往往有较高的寄生输入输出电容（一般在pF量级）。高的内部寄生耦合电容导致CMTI性能变差。光耦合器供应商通常建议客户，在光耦合器打开时需要过量驱动光耦合器LED灯来提高抗噪声能力，反之在光耦合器关闭时要反向偏置LED灯。这些措施增加了光耦合器的CMTI，但同时也降低了器件寿命，影响了系统可靠性，增加了维护成本。
智能电表应用中所使用的另一种隔离解决方案是隔离变压器，但变压器一般应避免使用，因为它们容易受到电磁干扰（EMI）而破坏数据。脉冲变压器也不理想，因为其需要占用较宽带宽，而带宽对于数字信号传输是极为重要的。
有两大原因使得电磁场（EM）抑制力成为电表设计主要关注对象。首先，电表被安装到电磁噪声复杂的地点的概率较高。其次，一些隔离技术可能是电表系统应用中薄弱的环节。例如，应用一个外部磁场到基于变压器的系统将对数据的完整性产生不良影响，事实上也出现过客户通过施加强磁铁或线圈到仪器而中断了电表正常工作的案例。在这两种情况下，外部磁场或电磁场噪声将导致错误测量数据提交到控制器。
现代CMOS数字隔离器克服了智能电表应用中的这些问题。与光耦合器相比，基于CMOS的数字隔离器提供相当高的CMTI性能，同时保证了更长的工作寿命和高可靠性。例如，SiliconLabs公司的Si84xxCMOS数字隔离器系列满足通用CMTI规格25kV/µs，新一代隔离元器件预计将比现有产品的性能水平提高两倍。
就电磁场性能而言，CMOS数字隔离器大大优于其他隔离技术。例如，Si84xx隔离器具有市场在售的数字隔离元器件中高的EMI耐受性（》300V/m电场抗扰度，和》1000A/m磁场抗扰度）。这些数字隔离器通过使用差分信号在隔离栅中进行数据传输，成对的窄通带滤波提供了的共模噪声抑制能力，如图4所示。
图4数字隔离器中抑制共模噪声的差分信号和窄带接收机
随着智能电表在构建智能电网市场中变得越来越流行，电表的安装环境有时不易因地制宜，这增加了测量数据被破坏的可能性。电表中的任何元器件都会受到电噪声或电磁场的影响而可能成为整个系统完整性中的薄弱环节。这些元器件有可能破坏智能电表控制器的数据，并终使得计费信息无效。
尽管光耦合器和变压器隔离技术已经很普及，但这些解决方案有明显的弱点，在电表应用中应引起关注。CMOS数字隔离器提供了优的解决方案以及优良的电噪声和外部磁场抑制力。在智能电表中采用CMOS数字隔离器能确保电力测量数据通过隔离栅准确地到达系统控制器。总之，随着越来越多嵌入式智能、互联选择和数据保护能力被集成到公用事业电表中，这将毫无疑问的促进绿色能源应用的增长，并产生更多利用智能电表多种益处的机会。
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