作者：Austin Harney

引言

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(jì)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)。

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A DE516x1、ADE556x 2、ADE716x3、ADE756x4和ADE77xx5系列電能計量IC6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(wù)。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 SResearch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。

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(luò)傳輸?shù)诫娏尽?/p>

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(wù)（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(luò)內(nèi)用戶的用電習(xí)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(dǎo)性新興技術(shù)是RF技術(shù)（利用開放的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) (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(yīng)用的需要，而基于廣泛使用的Blackfin?處理器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(fù)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?？煽康臒o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(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必須使用更小的單元和相應(yīng)更多的數(shù)據(jù)收集器。因此，高靈敏度可以使網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的例子。M-Bus11目前是歐洲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一部分，詳情可見EN 13757標(biāo)準(zhǔn)。無線M-Bus協(xié)議的詳細內(nèi)容在衍生標(biāo)準(zhǔn)EN 13757-4中。
900MHz頻段的其它標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的需求，這兩款器件也都適用于必須符合無線M-Bus標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。圖4顯示了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(dān)。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(biāo)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。

HAN網(wǎng)絡(luò)

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(luò)，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(xí)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。

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(biāo)。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(yīng)有的貢獻。

作者簡介

Austin Harney [austin.harney@analog.com] 1999年畢業(yè)于愛爾蘭國立都柏林大學(xué)，獲得工學(xué)學(xué)士
學(xué)位，并在畢業(yè)后加入ADI公司。他現(xiàn)在是位于愛爾蘭Limerick的ADI公司ISM頻段無線產(chǎn)品部的應(yīng)用工程師。Austin業(yè)余時間喜歡足球、音樂，以及與他的女兒共度閑暇時光。