圖1顯示的是一款在19世紀后期開(kāi)發(fā)的傳統機電式電表，它帶有一個(gè)轉盤(pán)和一個(gè)機械計數顯示器。這種電表通過(guò)計算該轉盤(pán)的旋轉圈 數來(lái)計量電能，金屬轉盤(pán)的旋轉速度與所用電能成一定比例。轉盤(pán)周?chē)木€(xiàn)圈通過(guò)施加一個(gè)與瞬時(shí)電流和電壓成比例的渦電流和推 力轉動(dòng)轉盤(pán)，它利用一個(gè)永久磁鐵在轉盤(pán)上施加阻尼力，以在斷電后使之停止旋轉。

 

圖1. 機電式電表。

 

電表發(fā)展的第一個(gè)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(lái)計量電能。這 些器件通過(guò)一個(gè)高精度的∑-? A DC來(lái)將瞬時(shí)電壓和電流轉成數字量，然后計算電壓和電流的乘積，就能到以瓦特為單位的瞬時(shí)功率。 對瞬時(shí)功率按時(shí)間進(jìn)行積分就可以得出已消耗的電能值，它通常以千瓦時(shí) (kWh) 為單位計量。消耗的電能數據顯示在一個(gè)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(shí)功率以外，它還可以計量其它參數，如功率因數和無(wú)功功率。它能夠每隔一個(gè)特定時(shí)段計量 并存儲數據，這就允許電力公司提供分時(shí)段計費服務(wù)。這樣一來(lái)，聰明的用戶(hù)在費率較低的非高峰時(shí)期使用主要電器（如洗衣機和烘 干機），這樣能節省電費，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新的發(fā)電廠(chǎng)。電子式電表還不會(huì )受到外部磁場(chǎng)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(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用，迄今為止已經(jīng)銷(xiāo)售了超過(guò)2.25億塊電能計量IC。根據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(kāi)新的機遇

 

一旦電表數據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(guò)通信鏈路使用自動(dòng)抄表 (AMR) 功能遠程發(fā)送電表數據。電表制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種不同的遠程抄表系統架構，大致可分為近距離無(wú)線(xiàn)抄表系統、車(chē)載無(wú)線(xiàn)抄 表系統和聯(lián)網(wǎng)抄表系統。圖3顯示了車(chē)載抄表系統。在該案例中，電力公司派出一部裝有無(wú)線(xiàn)數據收集器的汽車(chē)，該車(chē)只要經(jīng)過(guò)居住區 就可高效地收集電表數據。車(chē)載抄表系統使一個(gè)電力公司員工能夠在一天內抄到的電表數量是近距離抄表系統的五倍，是人工抄表數 量的十倍。在聯(lián)網(wǎng)抄表系統中，電表數據被傳輸到一個(gè)固定的數據收集器，它通常位于某街道或居民區盡頭的一根電線(xiàn)桿上。然后數據會(huì )通過(guò)寬帶或無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )傳輸到電力公司。

 

圖3. 車(chē)載抄表器。

 

從AMR到AMI

 

最初，以AMR系統取代人工抄表只被簡(jiǎn)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(wù)（如實(shí)時(shí)計費），從而進(jìn)一步提升能效、實(shí)現故障即時(shí)報告，以及提供更精確的數據來(lái)規范 網(wǎng)絡(luò )內用戶(hù)的用電習慣。AMI（先進(jìn)抄表基礎設施）有時(shí)會(huì )替代AMR，以突出與簡(jiǎn)單遠程抄表的區別。AMI聯(lián)網(wǎng)抄表系統可以利用從衛星 到低成本無(wú)線(xiàn)電在內的各種技術(shù)來(lái)實(shí)現，其中兩種主導性新興技術(shù)是RF技術(shù)（利用開(kāi)放的工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué) (ISM) 頻段）和電力線(xiàn)載波技術(shù) (PLC)。

 

RF技術(shù)采用低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)電系統來(lái)無(wú)線(xiàn)傳輸電表信息，PLC 則利用電力線(xiàn)本身來(lái)傳輸。ADI公司已經(jīng)開(kāi)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(mǎn)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(mǎn)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(lái)說(shuō)，基于在水或氣旁邊部署電力線(xiàn)的安全問(wèn)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(lái)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(gè)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(xiàn)用于數據收集器和電表之間的通信，RF用于電表和室內其它計量表或設備之間的通信。Google地圖中有一個(gè)顯示全球 AMR/AMI 部署10和 現場(chǎng)試驗的很有意思的頁(yè)面，它顯示了最新的部署信息。

 

設計AMR/AMI電表中的RF電路

 

電表通常位于擁有越來(lái)越多無(wú)線(xiàn)設備的房屋內部或周邊，確?？煽康臒o(wú)線(xiàn)電通信是一大挑戰，這就要求RF電路必須具備高性能，以抑 制無(wú)線(xiàn)LAN等設備發(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(jìn)行解碼。

 

RF模塊也要求具有良好的無(wú)線(xiàn)電靈敏度，因為更高的靈敏度意味著(zhù)更長(cháng)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(xiàn)桿上的無(wú)線(xiàn)電設備或與街上電力公司的抄表車(chē)進(jìn)行通信。靈敏度越低，接收無(wú)線(xiàn)電就必須靠得越近才能正確 地解碼信息。對于一個(gè)移動(dòng)的車(chē)載抄表系統來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)抄表車(chē)必須與您的房屋靠得更近，但固定網(wǎng)絡(luò )基礎設施必須使用更小的單 元和相應更多的數據收集器。因此，高靈敏度可以使網(wǎng)絡(luò )基礎設施的成本最小。

 

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(lái)他們就可以將相同的設計 移植到水表或氣表上。此外，為了在開(kāi)放的頻段內工作，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(wú)線(xiàn)電發(fā)射規定。目前全 世界有多個(gè)開(kāi)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據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(wú)線(xiàn)傳輸距離比2.4GHz頻段更長(cháng)，基站或數據收集器就可以覆蓋更大的范圍。不過(guò)，從電力公司的角度來(lái)說(shuō)，使用這個(gè)頻段的一個(gè)缺 點(diǎn)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(dòng)了業(yè)界對標準化的要求，以便不同制造 商的系統之間實(shí)現互操作性。已經(jīng)從有線(xiàn)M-Bus用戶(hù)群體成長(cháng)起來(lái)的無(wú)線(xiàn)M-Bus，就是一個(gè)計量表之間以及計量表和數據收集器之間 通信標準的例子。 M-Bus11 目前是歐洲規范標準的一部分，詳情可見(jiàn) EN 13757標準。無(wú)線(xiàn)M-Bus協(xié)議的詳細內容在衍生標準EN 13757-4中。900MHz頻段的其它標準化工作也在進(jìn)行之中。

 

ADF702012 和即將推出的 ADF7023 就是900MHz的無(wú)線(xiàn)電器件，這兩 款器件在設計過(guò)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(wú)線(xiàn)M-Bus標準的系統。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(wú)線(xiàn)電收發(fā)器可工作在以下開(kāi)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字基帶。如圖5所示，實(shí)現一個(gè) 用于A(yíng)MR電表13 的射頻卡，通常只需要ADF7020、一根天線(xiàn)、幾個(gè)外 部無(wú)源器件和一個(gè)運行通信協(xié)議的簡(jiǎn)單微控制器。ADF7020通過(guò)集 成一個(gè)超低功耗的8位RISC內核來(lái)執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(zhuān)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(gè)原因是，ADF702x系列收發(fā)器能提供業(yè)內最好的靈 敏度和阻塞性能，它允許電表和數據收集器之間有更長(cháng)的通信距離。 ADF7020提供超過(guò)70dB的阻塞性能，這意味著(zhù)，即便在一個(gè)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(jìn)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，具體需取決于數據率。這比表現最 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(luò )

 

隨著(zhù)很多家庭將很快配備一個(gè)具有通信能力的電表，電力公司和能源管理機構開(kāi)始思考未來(lái)如何利用該技術(shù)來(lái)提高能效和節能意識。 利用這個(gè)有時(shí)被稱(chēng)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(wàn)戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )，來(lái)積極地管理電能輸送負荷。例如可以提供 實(shí)時(shí)價(jià)格信息，從而讓用戶(hù)可以調整用電習慣。在用電高峰期，比如炎熱天氣時(shí)，電力公司可以給用戶(hù)發(fā)送一個(gè)信息，提醒用戶(hù)下一個(gè) 小時(shí)的費率會(huì )提高，鼓勵其關(guān)掉電器，這就需要在室內安裝一個(gè)可以顯示該信息的顯示器。電力公司還可以更進(jìn)一步地通過(guò)電表來(lái)控 制用戶(hù)家中的電器，比如調低空調或關(guān)閉游泳池的水泵，這個(gè)系統需要電表和家用電器之間進(jìn)行通信，有時(shí)這被稱(chēng)為家庭區域網(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。

 

大多數業(yè)內人士都認識到，一個(gè)與先進(jìn)的計量基礎設施相連的能夠完全運行的家庭區域網(wǎng)還需要若干年才能實(shí)現。然而，這樣的系統 的好處讓今天很多公司都積極為家庭區域網(wǎng)開(kāi)發(fā)解決方案。圖6顯示了家庭區域網(wǎng)的示意圖。

 

圖6. 家庭區域網(wǎng)。

 

結束語(yǔ)

 

ADI公司專(zhuān)注于為電表市場(chǎng)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(xiàn)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(shí)現減少二氧化碳排放的目標。ADI公司承諾提供推動(dòng)這一市場(chǎng)發(fā)展 的創(chuàng )新型高能效器件，并在未來(lái)繼續為提高能效和促進(jìn)節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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