ADI:智能化电能计量技能提高能效，让国际变得更环保

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导言

咱们都很了解那些躲藏在车库、地下室或其它荫蔽之处的电表了。咱们乃至或许每月会查看它一次或两次，并将电表上的最新读数打电话告知电力公司，而不是预算一个数字。跟着技能的开展，一场静悄悄的革新正在这普普通通的电表上发作。

图1显现的是一款在19世纪后期开发的传统机电式电表，它带有一个转盘和一个机械计数显现器。这种电表经过核算该转盘的旋转圈数来计量电能，金属转盘的旋转速度与所用电能成必定份额。转盘周围的线圈经过施加一个与瞬时电流和电压成份额的涡电流和推力滚动转盘，它运用一个永久磁铁在转盘上施加阻尼力，以在断电后使之中止旋转。

电表开展的第一个里程碑是机电式电表被固态电子式电表所代替。电子式电表运用高度集成的器材（如 ADE516x,¹ ADE556x,² ADE716x,³ ADE756x,⁴ 和 ADE77xx⁵ 系列 电能计量IC.⁶ 来计量电能。这些器材经过一个高精度的∑-∆ A DC来将瞬时电压和电流转成数字量，然后核算电压和电流的乘积，就能到以瓦特为单位的瞬时功率。对瞬时功率按时刻进行积分就可以得出已耗费的电能值，它一般以千瓦时 (kWh) 为单位计量。耗费的电能数据显现在一个液晶显现屏 (LCD) 上，如图2所示。

电子式电表有许多优势。除了可计量瞬时功率以外，它还可以计量其它参数，如功率因数和无功功率。它可以每隔一个特定时段计量并存储数据，这就答应电力公司供给分时段计费服务。这样一来，聪明的用户在费率较低的非顶峰时期运用首要电器（如洗衣机和烘干机），这样能节约电费，并且顶峰期的电能需求量削减了，电力公司也可以防止建造新的发电厂。电子式电表还不会受到外部磁场或电表自身放置视点的影响，因而它们的防窃电功用要优于机电式电表。此外，电子式电表的牢靠性也十分高。

ADI公司在机电式电表向电子式电表的演化进程中起到了要害的效果，迄今为止现已出售了超越2.25亿块电能计量IC。依据IM SResearch公司的陈述，2007年付运的一切电表中，75%是电子式的，25%是机电式的。⁷

电子式电表翻开新的机会

一旦电表数据可以以电子方式得到，在电表上添加通讯功用就变得很有含义了，由于这样就答应电表经过通讯链路运用主动抄表(AMR) 功用长途发送电表数据。电表制作商现已开宣布多种不同的长途抄表体系架构，大致可分为近间隔无线抄表体系、车载无线抄表体系和联网抄表体系。图3显现了车载抄表体系。在该事例中，电力公司派出一部装有无线数据搜集器的轿车，该车只需经过居住区就可高效地搜集电表数据。车载抄表体系使一个电力公司员工可以在一天内抄到的电表数量是近间隔抄表体系的五倍，是人工抄表数量的十倍。在联网抄表体系中，电表数据被传输到一个固定的数据搜集器，它一般坐落某大街或居民区止境的一根电线杆上。然后数据会经过宽带或无线蜂窝网络传输到电力公司。

从AMR到AMI

开端，以AMR体系代替人工抄表只被简略地看作是一种下降人工本钱的途径，但这一观点正在改动，由于业界认识到AMR答应电力公司方便地供给更大的优点和更好的服务（照实时计费），然后进一步进步能效、完成毛病即时陈述，以及供给更准确的数据来规范网络内用户的用电习气。AMI（先进抄表基础设施）有时会代替AMR，以杰出与简略长途抄表的差异。AMI联网抄表体系可以运用从卫星到低本钱无线电在内的各种技能来完成，其间两种主导性新式技能是RF技能（运用敞开的工业、科学和医学 (ISM) 频段）和电力线载波技能 (PLC)。

RF技能选用低功耗、低本钱的无线电体系来无线传输电表信息，PLC则运用电力线自身来传输。ADI公司现已开宣布了针对这两种技能的解决计划，ADF7xxx系列 短间隔收发器⁸ 可满意ISM频段RF运用的需求，而根据广泛运用的 Blackfin^® 处理器⁹ 9的SALEM®系列则可满意PLC技能的需求。这两种技能都各有利弊。特别关于水表和气表来说，根据在水或气周围布置电力线的安全问题考虑，RF技能正变成首要的挑选。水表由于经常被埋于地下，状况也更杂乱一些。关于电表而言，混合运用这两种技能看起来或许性最大，北美喜爱RF，而欧洲则倾向于PLC。在美国，一小部分家庭一般只连接到一个变压器，这使得PLC计划不太经济。在某些状况下，电力公司选用混合计划布置AMI，电力线用于数据搜集器和电表之间的通讯，RF用于电表和室内其它计量表或设备之间的通讯。Google地图中有一个显现全球 AMR/AMI 布置¹⁰和现场实验的很有意思的页面，它显现了最新的布置信息。

规划AMR/AMI电表中的RF电路

电表一般坐落具有越来越多无线设备的房子内部或周边，保证牢靠的无线电通讯是一大应战，这就要求RF电路有必要具有高功用，以按捺无线LAN等设备宣布的较强信号的搅扰， RF输入端或许接纳低至1微伏以下的信号，并进行解码。

RF模块也要求具有杰出的无线电灵敏度，由于更高的灵敏度意味着更长的信号传输间隔。记住，电表或许坐落地下室乃至地底下，它需求和几条街之外某根电线杆上的无线电设备或与街上电力公司的抄表车进行通讯。灵敏度越低，接纳无线电就有必要靠得越近才干正确地解码信息。关于一个移动的车载抄表体系来说，这意味着抄表车有必要与您的房子靠得更近，但固定网络基础设施有必要运用更小的单元和相应更多的数据搜集器。因而，高灵敏度可以使网络基础设施的本钱最小。

低功耗是电池供电的气表和水表的要害功用要求。电表供货商常常尽力测验下降电表的功耗，由于这样一来他们就可以将相同的规划移植到水表或气表上。此外，为了在敞开的频段内作业，计量表和抄表器运用的通讯协议有必要契合地点国家的无线电发射规则。现在全世界有多个敞开频段，其间最常用的是900MHz、2.4GHz和5.8GHz。

大部分电表制作商都挑选了900MHz频段作为电表之间和电表与数据搜集器之间的通讯频段。在某一给定的功率预算下，900MHz频段的无线传输间隔比2.4GHz频段更长，基站或数据搜集器就可以掩盖更大的规模。不过，从电力公司的视点来说，运用这个频段的一个缺陷在于缺少可用的规范。1GHz以下频段显然是电池供电型气表和水表的最佳技能挑选，这推进了业界对规范化的要求，以便不同制作商的体系之间完成互操作性。现已从有线M-Bus用户集体生长起来的无线M-Bus，便是一个计量表之间以及计量表和数据搜集器之间通讯规范的比方。 M-Bus¹¹ 现在是欧洲规范规范的一部分，概况可见EN 13757规范。无线M-Bus协议的详细内容在衍生规范EN 13757-4中。900MHz频段的其它规范化作业也在进行之中。

ADF7020¹² 和行将推出的 ADF7023 便是900MHz的无线电器材，这两款器材在规划进程中就考虑了计量运用的需求，这两款器材也都适用于有必要契合无线M-Bus规范的体系。图4显现了ADF7020的功用框图。

ADF7020全集成的低功耗无线电收发器可作业在以下敞开ISM频段上：中国是433MHz，欧洲是868MHz，北美则是915MHz。它集成了完好的RF发射和接纳电路以及模仿和数字基带。如图5所示，完成一个用于AMR电表¹³ 的射频卡，一般只需求ADF7020、一根天线、几个外部无源器材和一个运转通讯协议的简略微操控器。ADF7020经过集成一个超低功耗的8位RISC内核来履行一些初级的通讯功用，大幅减轻了外部微操控器的担负。在许多状况下，这样可以防止选用通讯专用微操控器。电表制作商挑选ADF702x系列收发器而不是其竞赛器材的另一个原因是，ADF702x系列收发器能供给业界最好的灵敏度和堵塞功用，它答应电表和数据搜集器之间有更长的通讯间隔。ADF7020供给超越70dB的堵塞功用，这意味着，即便在一个带外信号比所需信号高出70dB的状况下，ADF7020也可以正确地检测出所需的信号并进行正确的解码。ADF7020的相邻信道按捺方针大约为40dB，灵敏度可以到达–120dBm，详细需取决于数据率。这比体现最好的 ZigBee 解决计划^®14的灵敏度还低出20dB。

HAN网络

跟着许多家庭将很快装备一个具有通讯才干的电表，电力公司和动力办理机构开端考虑未来怎么运用该技能来进步能效和节能认识。运用这个有时被称为”智能电网“的概念，电力公司可以运用这一扩展到千家万户的网络，来积极地办理电能运送负荷。例如可以供给实时价格信息，然后让用户可以调整用电习气。在用电顶峰期，比方酷热气候时，电力公司可以给用户发送一个信息，提示用户下一个小时的费率会进步，鼓舞其关掉电器，这就需求在室内装置一个可以显现该信息的显现器。电力公司还可以更进一步地经过电表来操控用户家中的电器，比方调低空调或封闭游泳池的水泵，这个体系需求电表和家用电器之间进行通讯，有时这被称为家庭区域网 (HAN)。900-MHz射频解决计划（如ADF702x和ZigBee射频解决计划）都在这一范畴找到了用武之地。

大多数业界人士都认识到，一个与先进的计量基础设施相连的可以彻底运转的家庭区域网还需求若干年才干完成。但是，这样的体系的优点让今日许多公司都积极为家庭区域网开发解决计划。图6显现了家庭区域网的示意图。

结束语

ADI公司专心于为电表商场供给一流的技能和产品，包含RF收发器、电能计量芯片组、RF放大器、阻隔产品和电力线操控产品。ADF702x高功用全集成收发器适用于具有通讯功用或支撑AMI的电表，为全球电表制作商供给了紧凑、牢靠和低本钱的解决计划。

AMI和智能电网被视为是进步能效的要害潜在技能，将终究协助完成削减二氧化碳排放的方针。ADI公司许诺供给推进这一商场开展的创新式高能效器材，并在未来持续为进步能效和促进节能作出其应有的奉献。

参阅电路

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