【導讀】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，而不是估算一個數(shù)字。隨著技術(shù)的發(fā)展，一場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世紀后期開發(fā)的傳統(tǒng)機電式電表，它帶有一個轉(zhuǎn)盤和一個機械計數(shù)顯示器。這種電表通過計算該轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)圈 數(shù)來計量電能，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與瞬時電流和電壓成比例的渦電流和推 力轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，它利用一個永久磁鐵在轉(zhuǎn)盤上施加阻尼力，以在斷電后使之停止旋轉(zhuǎn)。
圖1. 機電式電表。
電表發(fā)展的第一個里程碑是機電式電表被固態(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 電能計量IC.6 來計量電能。這 些器件通過一個高精度的∑-? A DC來將瞬時電壓和電流轉(zhuǎn)成數(shù)字量，然后計算電壓和電流的乘積，就能到以瓦特為單位的瞬時功率。 對瞬時功率按時間進行積分就可以得出已消耗的電能值，它通常以千瓦時 (kWh) 為單位計量。消耗的電能數(shù)據(jù)顯示在一個液晶顯示屏 (LCD) 上，如圖2所示。
電子式電表有很多優(yōu)勢。除了可計量瞬時功率以外，它還可以計量其它參數(shù)，如功率因數(shù)和無功功率。它能夠每隔一個特定時段計量 并存儲數(shù)據(jù)，這就允許電力公司提供分時段計費服務。這樣一來，聰明的用戶在費率較低的非高峰時期使用主要電器（如洗衣機和烘 干機），這樣能節(jié)省電費，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。電子式電表還不會受到外部磁場或 電表本身放置角度的影響，因此它們的防竊電性能要優(yōu)于機電式電表。此外，電子式電表的可靠性也非常高。
ADI公司在機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2.25億塊電能計量IC。根據(jù)IM S Research公司的報告，2007年付運的所有電表中，75%是電子式的，25%是機電式的。7
圖2. 固態(tài)電子式電表。
電子式電表打開新的機遇
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，因為這樣就允許電表通過通信鏈路使用自動抄表 (AMR) 功能遠程發(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€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)會通過寬帶或無線蜂窩網(wǎng)絡傳輸?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，因為業(yè)界認識到AMR允許電力 公司方便地提供更大的好處和更好的服務（如實時計費），從而進一步提升能效、實現(xiàn)故障即時報告，以及提供更精確的數(shù)據(jù)來規(guī)范 網(wǎng)絡內(nèi)用戶的用電習慣。AMI（先進抄表基礎(chǔ)設(shè)施）有時會替代AMR，以突出與簡單遠程抄表的區(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)來實現(xiàn)，其中兩種主導性新興技術(shù)是RF技術(shù)（利用開放的工業(yè)、科學和醫(yī)學 (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，情況也更復雜一些。對于電表而言，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，一小部分家庭通常只連接到一個變壓器，這使得PLC方案不太經(jīng)濟。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)其它計量表或設(shè)備之間的通信。Google地圖中有一個顯示全球 AMR/AMI 部署10和 現(xiàn)場試驗的很有意思的頁面，它顯示了最新的部署信息。
設(shè)計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，確保可靠的無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)出的較強信號的干擾， RF輸入端可能接收低至1微伏以下的信號，并進行解碼。
RF模塊也要求具有良好的無線電靈敏度，因為更高的靈敏度意味著更長的信號傳輸距離。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。對于一個移動的車載抄表系統(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)絡基礎(chǔ)設(shè)施必須使用更小的單 元和相應更多的數(shù)據(jù)收集器。因此，高靈敏度可以使網(wǎng)絡基礎(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。電表供應商常常努力嘗試降低電表的功耗，因為這樣一來他們就可以將相同的設(shè)計 移植到水表或氣表上。此外，為了在開放的頻段內(nèi)工作，計量表和抄表器使用的通信協(xié)議必須符合所在國家的無線電發(fā)射規(guī)定。目前全 世界有多個開放頻段，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算下，900MHz頻段 的無線傳輸距離比2.4GHz頻段更長，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，使用這個頻段的一個缺 點在于缺乏可用的標準。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，這推動了業(yè)界對標準化的要求，以便不同制造 商的系統(tǒng)之間實現(xiàn)互操作性。已經(jīng)從有線M-Bus用戶群體成長起來的無線M-Bus，就是一個計量表之間以及計量表和數(shù)據(jù)收集器之間 通信標準的例子。 M-Bus11 目前是歐洲規(guī)范標準的一部分，詳情可見 EN 13757標準。無線M-Bus協(xié)議的詳細內(nèi)容在衍生標準EN 13757-4中。900MHz頻段的其它標準化工作也在進行之中。
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)計過程中就考慮了計量應用的需求，這兩款器件也都適用于必須符合無線M-Bus標準的系統(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，實現(xiàn)一個 用于AMR電表13 的射頻卡，通常只需要ADF7020、一根天線、幾個外 部無源器件和一個運行通信協(xié)議的簡單微控制器。ADF7020通過集 成一個超低功耗的8位RISC內(nèi)核來執(zhí)行一些低級的通信功能，大幅 減輕了外部微控制器的負擔。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 爭器件的另一個原因是，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，即便在一個帶外信 號比所需信號高出70dB的情況下，ADF7020也可以正確地檢測出所 需的信號并進行正確的解碼。ADF7020的相鄰信道抑制指標大約為 40dB，靈敏度可以達到–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
隨著很多家庭將很快配備一個具有通信能力的電表，電力公司和能源管理機構(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。 利用這個有時被稱為"智能電網(wǎng)"的概念，電力公司可以利用這一擴展到千家萬戶的網(wǎng)絡，來積極地管理電能輸送負荷。例如可以提供 實時價格信息，從而讓用戶可以調(diào)整用電習慣。在用電高峰期，比如炎熱天氣時，電力公司可以給用戶發(fā)送一個信息，提醒用戶下一個 小時的費率會提高，鼓勵其關(guān)掉電器，這就需要在室內(nèi)安裝一個可以顯示該信息的顯示器。電力公司還可以更進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，這個系統(tǒng)需要電表和家用電器之間進行通信，有時這被稱為家庭區(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)人士都認識到，一個與先進的計量基礎(chǔ)設(shè)施相連的能夠完全運行的家庭區(qū)域網(wǎng)還需要若干年才能實現(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提供一流的技術(shù)和產(chǎn)品，包括RF收發(fā)器、電能計量芯片組、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)，將最終幫助實現(xiàn)減少二氧化碳排放的目標。ADI公司承諾提供推動這一市場發(fā)展 的創(chuàng)新型高能效器件，并在未來繼續(xù)為提高能效和促進節(jié)能作出其應有的貢獻。
參考電路
1. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5166/products/product.html
2. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5566/products/product.html
3. www.analog.com/ADE7166
4. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7566/products/product.html
5. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7751/products/product.html
6. www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/integrated-special-purpose-converters/energy-metering-ics.html
7. IMS Research Report 2008
8. www.analog.com/en/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers.html
9. www.analog.com/en/embedded-processing-dsp/blackfin/content/index.html
10. http://maps.google.com/maps/ms?ie=UTF8&hl=en&msa=0&msid=115519311058367534348.0000011362ac6d7d21187&om=1&ll=43.325178,-4.21875&spn=90,-33.046875&source=embed
11. www.m-bus.com
12. www.analog.com/ADF7020
13. www.analog.com/en/applications/markets/energy/metering-and-energy-monitoring/electric-meters.html
14. www.zigbee.org
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