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智能电表是智能电网的基础 |
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| http://cn.newmaker.com
3/16/2011 12:30:00 PM
佳工机电网
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美国能源部2009年智能电网报告中特别指出：智能电表是智能电网的基础。它不仅向电力公司和消费者提供用电量和用电时间的相关信息，而且还会获取市场用电状况，帮助协调用电设备的运行并调整能耗。
如果不能广泛、深入地向每个家庭提供这种成功的高级计量技术和相关服务，就会拉大能量供给与需求之间的差距，从而削弱智能电网基础设施运转效率，使公众利益受到损害。另一方面，按照爱迪生电气学会会长Tom Kuhn的观点，成功开发高级计量系统需要采用新的通信方案、加密技术，充分利用新一代高度可靠、高度安全的低成本智能电表集成方案。智能电网开发所面临的重大挑战之一是成本问题，据不完全统计，电力公司在高级计量设备的花费就高达270亿美元。
智能电网中，电能消费者即使不是最重要的因素，也是设计中需要关注的因素。这里面临的挑战是必须转变消费者的消费习惯和态度，通过提高重要信息的透明度和互通性，帮助消费者有“选择”地使用电能，并充分了解合理“选择”带来的益处。值得庆幸的是，能源危机使得人们开始重视能效问题，各行各业也开始参与高效节能产品的开发，以及面向消费者的能量管理和自动化产品(诸如智能设备、互联网入口以及类似服务)的开发。因此，这也是大势所趋。从全球范围看，当前安装的16亿电表中仅有6%属于具有双向通信功能的智能电表。
消费者在动态价格信息或其它经济利益的驱使下，开始青睐能够帮助降低并调整能耗的“智能器件”。价格信息不一定通过专用的智能电表获得，也可通过宽带路由器/网关等用户互联网设备传送。对于电力公司及其用户来说，两种传输渠道各有利弊，需要权衡信息安全性(隐私)、网络安全性以及各种设备之间的互操作性和商业流通性等因素。最基本的要求是：两种技术既可以单独工作，也可以协同工作。目前主要关注智能设备的有效性，集成了智能电表和动态价格调整架构的器件能够给出更明确的结果，大幅降低高峰期的用电量，进而有效降低电能成本。绝大部分初期工作基于简单的判决算法，根据收到的价格信息可以更有效地控制设备的运行/关闭状态。状态控制也可以基于更多细节，例如设备的分类计量结果，这里消费者可以更灵活地操控电能的使用，做出更明智的选择。这项工作还处于开发阶段，很大程度上取决于消费者对测量设备的成本效益要求。
一些主要的电表厂商已经开始研发智能产品，这一举措不仅受到联邦激励基金计划的推动，还受消费者期待参与并要求提高透明度的影响。从电力公司的角度看，如果增强这种透明度，消费者能够更好地了解设备运行的真正成本，培养良好的用电习惯，或者依靠高级系统(比如，由微软和Google开创的网络服务)控制并降低设备能耗，降低相关开销，从任何方面看，这都不失为一个双赢的结果。复杂产品的设计需要关注可靠性、成本、剪裁灵活性等问题。因此，用于能量测量的半导体产品不再像第一代产品那样只是简单地累计能量，而是具有更强的功能。
发展进程
即使2010年有4亿美元激励资金的支持，对于中、小规模的电力公司而言，开发成本仍是阻碍开发进程的屏障。智能电表硬件成本的增加加大了投资回报率的风险。这些成本主要涉及到一套复杂的与通信相关的功能装置，诸如数据存储、加密、连接电网和家用电器的多重加密双向通信功能，以及远端继电器和附加印制电路板(PCB)断开状态的显示。另外，如果不能向公众成功展示这些新产品的工作状况，也很难得到公众的支持和理解。
另外一个附加成本是这些系统缺乏足够的可编程能力，产品升级困难、不能胜任未来智能电网发展对安全性和互操作性方面的需求。考虑到这些因素，为安全起见需要在设计中嵌入更大容量的存储器和更强大的通信功能，这远远超出了近期的使用需求，当然也提高了系统成本。
没有人希望在把设备大规模推向市场后，很快发现由于对智能电发展进程的认识不足，而导致产品存在缺陷并很快遭到市场淘汰。草率地把不够成熟的产品推向市场，势必造成频繁更换基础设备，这将为电力部门带来极高的运行成本，造成极大浪费。人们所面临的更严重的设计挑战，应该是这些复杂的电气基础架构较短的使用寿命和较低的可靠性。与二十多年以前的老旧、简单设备相比，新设备包含了更多的元器件和互连单元，这也容易导致设备的频繁更换。
半导体器件的设计考虑
住宅电表开始大规模采用半导体技术的历史，也反映了产品工作寿命的问题。这项技术始于十多年以前，目前在全球大概1.2亿块新电表中，大约有85%的电表采用半导体技术，其余则是传统的机械式法拉盘电表。
2004年，我在印度海德拉巴市的ECE工业设备有限公司参观了一个这样的工厂，这曾经是一家生意兴隆的机械电表制造厂，利用从德国计量公司引进的技术，每年的最高产量达到八百万套。这个重要的工业制造厂坐落在美丽的花园绿洲之中，值得一提的是这里曾经拍摄了多部宝莱坞时期的经典影片。但在我参观这座厂房是，它已经是“人去楼空”，堆积着一些闲置设备，我的向导(曾经在这家工厂担任过领班)悲哀地向我解释说，由于具有高级防篡改功能的低成本半导体电表的快速发展，这座工厂已经处于完全停产状态。
而就在那个时候，中国也推出了第一代集成了模/数转换器的表面贴装计量ASIC，该器件把电压和电流的乘积转换成数字脉冲输出，脉冲信号送入千瓦时计数器进行计量。这一代产品在当时对电器设备以及基本电费计量高度需求的环境下，对于开发新兴电表工业起到了一个重要的过渡作用。许多本地OEM厂商考虑到低成本的PCB制造工艺，都采用了这种技术。
随着电力行业从传统的基本费率管理体制转向以市场调控为主导的竞争机制，驱使电表计量结构的第二次变革。由于电力公司开始引入分时计费体制，增添了自动抄表(AMR)、微控制器、无线电通信、LCD以及实时时钟(RTC)等器件，这些器件被集成到计量ASIC(也称为模拟前端或AFE)，促进了多芯片标准化方案在住宅电表设计中应用。
特殊的应用和计量要求通常需要更高的设计水准，随着电力行业需求的改变以及设计标准的全球化，加上复杂电子系统整合的设计挑战，提高了进入这一行业成为全球高端供应商的门槛，也大大减少了专业制造商的数量。而在计量设备中增加基本通信功能的日趋重要性，也进一步加剧了这一趋势。当然，并不是世界各地所有的供应商都在同时经历这一转折。
智能电网的优势
当IC供应商意识到，为了在更短的时间内满足大批量生产低成本、高复杂度、高可靠性产品需要大量的表计OEM厂商支持时，IC供应商从2003年左右开始推出了高度集成的专用片上系统(SoC)产品。片上系统集成了AFE、RTC、LCD驱动器以及MCU等通用模块，并提高了可靠性、灵活性以及测量性能，使得全球各地的OEM厂商能够以更快的速度开发出可靠的低成本电表。仅仅使用单片SoC，配合通信模块，即可快速满足专用的电力行业的基本要求。
智能电网概念的引入以及电力行业标准要求的不断提高，需要在智能电网应用中增加更多的存储器、安全和通信功能，这就要求器件中集成更多的数字电路，集成度按照摩尔定律不断攀升的半导体制造工艺的发展也顺应了这一应用需求。这是代表了半导体工艺发展价值的一个经典案例，它加速了计量工业的变革。
整体大于部分
IC制造商可以按照部分与整合确立自身的定位，这种区别可能非常细微，但却非常重要。初看起来，Teridian的计量SoC只是对传统模块的整合，其中也包括了基本计量表。这种快速的复制-粘贴方案类似于分离式数/模转换器(ADC)或微控制器供应商提供的相当通用的设计。而分离式设计是针对特殊应用提供参考设计和相关程序，并非芯片级设计。
按照市场需求，Teridian拥有专利的“单转换器技术”集成了一个21位、2阶Σ-? ADC，七个多路复用模拟输入和一个可编程计算引擎(CE)，如图1所示。这种架构解决了多路数据采集方案存在的众多问题，比如噪声和不均衡。在工业温度范围内，该ADC仍可保持由于2000:1的动态范围，具有业内最佳指标。32位CE为信号处理器，通过硬件实现标准测量功能，并可对系统进行升级支持新的用户功能。
图：Teridian最新一代计量IC，在单芯片中集成了计量和接口功能。电路通过ADC前端的多路复用器实现多相测量，同时集成了计算引擎实现测量功能。
第四代Teridian器件采用专有的隔离技术(见图)，利用低成本电流分流器替代电流变压器和铜馈线。Teridian的最新一代计量IC集成了计量和接口功能，结构区别主要在于多路复用ADC和用于测量的专用计算引擎。
集成通信功能？
到目前为止，绝大多数分离式和基于SoC的计量方案，均采用传统的计量与通信模块相分离的方案。这种系统分割主要依据了AMR行业的惯例。许多通信基础设施运营商作为独立的商业实体运作，并通过专用的通信模块提供电表的连接。然而，这种惯例在大型电网中正在开始改变，把通信功能集成到单板设计或更高集成度SoC，可以有效降低硬件成本。这不仅降低了智能电表的成本，同时也提高了产品的可靠性。
我们目前看到的智能电网在设计架构上发生了根大变革，涉及不同的行业和边缘技术，特别是把计量与通信功能整合到了单一器件。截止2009年，接近50%的智能电表是基于单板设计，SoC取代了许多冗余微控制器、存储器件和接口。此外，许多设计中低端收发器被RF/电力线通信(PLC)调制解调器所取代，并将功能强大的协议处理集成到SoC。
如上所述，智能电网正在开发RF和PLC技术的应用。在美国，家庭连通方案主要采用ZigBee、Homeplug和Wi-Fi (IEEE 802.15.11)技术。网络连通(电网)可能采用任何非标准方案，而在通信模块和设备(诸如智能电表和家用电器)之间将制定一套标准接口(详细信息请参考www.usnap.org)。
电网设备中不可或缺的是安全性和高层互通性(定义为ANSI12.19)，以确保各种智能电网子系统成为互通、安全网络。正在开发的SUN PHY (IEEE 802.15.4修订)和IEEE 1901技术致力于制定统一的PLC技术(http://grouper.ieee.org/groups/1901/)。这些技术开发使得人们目前很难预测主导未来市场的标准。但有一点是确定的，家庭网络(HAN)中消费者在市场上会有多种选择方案，通信链路之间的桥接方案将很快投放市场。
至于安全性，目前HAN(ZigBee、Homeplug)采用的是128位加密方案，电网中可能采用256位加密方案，例如：ZigBee智能能量管理2和802.16 WiMAX。许多AMI设备的数据传输速率达到了50至100kbps。如需了解美国智能电网开发的系列标准，请访问网站：http://smartgrid.ieee.org/standards/ieee-smartgrid-standards-in-development。
参考文献
1.美国能源部2009年智能电网系统报告
www.oe.energy.gov/SGSRMain_090707_lowres.pdf
2.“减少温室气体排放的立法建议”
http://energycommerce.house.gov/images/stories/Documents/Hearings/PDF/Testimony/EAQ/110-eaq-hrg.061908.Kuhn-testimony.pdf
作者: Kourosh Boutorabi
高级计量基础产品部经理 美信集成产品公司
Kourosh.bourtorabi@maxim-ic.com
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