智能電網(wǎng)中智能電表的重要性

美國能源部2009年智能電網(wǎng)報(bào)告中特別指出：智能電表是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。它不僅向電力公司和消費(fèi)者提供用電量和用電時(shí)間的相關(guān)信息，而且還會(huì)獲取市場用電狀況，幫助協(xié)調(diào)用電設(shè)備的運(yùn)行并調(diào)整能耗。

如果不能廣泛、深入地向每個(gè)家庭提供這種成功的高級計(jì)量技術(shù)和相關(guān)服務(wù)，就會(huì)拉大能量供給與需求之間的差距，從而削弱智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)效率，使公眾利益受到損害。另一方面，按照愛迪生電氣學(xué)會(huì)會(huì)長Tom Kuhn的觀點(diǎn)，成功開發(fā)高級計(jì)量系統(tǒng)需要采用新的通信方案、加密技術(shù)，充分利用新一代高度可靠、高度安全的低成本智能電表集成方案。智能電網(wǎng)開發(fā)所面臨的重大挑戰(zhàn)之一是成本問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電力公司在高級計(jì)量設(shè)備的花費(fèi)就高達(dá)270億美元。

智能電網(wǎng)中，電能消費(fèi)者即使不是最重要的因素，也是設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的因素。這里面臨的挑戰(zhàn)是必須轉(zhuǎn)變消費(fèi)者的消費(fèi)習(xí)慣和態(tài)度，通過提高重要信息的透明度和互通性，幫助消費(fèi)者有“選擇”地使用電能，并充分了解合理“選擇”帶來的益處。值得慶幸的是，能源危機(jī)使得人們開始重視能效問題，各行各業(yè)也開始參與高效節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)，以及面向消費(fèi)者的能量管理和自動(dòng)化產(chǎn)品(諸如智能設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)入口以及類似服務(wù))的開發(fā)。因此，這也是大勢所趨。從全球范圍看，當(dāng)前安裝的16億電表中僅有6%屬于具有雙向通信功能的智能電表。

消費(fèi)者在動(dòng)態(tài)價(jià)格信息或其它經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，開始青睞能夠幫助降低并調(diào)整能耗的“智能器件”。價(jià)格信息不一定通過專用的智能電表獲得，也可通過寬帶路由器/網(wǎng)關(guān)等用戶互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳送。對于電力公司及其用戶來說，兩種傳輸渠道各有利弊，需要權(quán)衡信息安全性(隱私)、網(wǎng)絡(luò)安全性以及各種設(shè)備之間的互操作性和商業(yè)流通性等因素。最基本的要求是：兩種技術(shù)既可以單獨(dú)工作，也可以協(xié)同工作。目前主要關(guān)注智能設(shè)備的有效性，集成了智能電表和動(dòng)態(tài)價(jià)格調(diào)整架構(gòu)的器件能夠給出更明確的結(jié)果，大幅降低高峰期的用電量，進(jìn)而有效降低電能成本。絕大部分初期工作基于簡單的判決算法，根據(jù)收到的價(jià)格信息可以更有效地控制設(shè)備的運(yùn)行/關(guān)閉狀態(tài)。狀態(tài)控制也可以基于更多細(xì)節(jié)，例如設(shè)備的分類計(jì)量結(jié)果，這里消費(fèi)者可以更靈活地操控電能的使用，做出更明智的選擇。這項(xiàng)工作還處于開發(fā)階段，很大程度上取決于消費(fèi)者對測量設(shè)備的成本效益要求。

一些主要的電表廠商已經(jīng)開始研發(fā)智能產(chǎn)品，這一舉措不僅受到聯(lián)邦激勵(lì)基金計(jì)劃的推動(dòng)，還受消費(fèi)者期待參與并要求提高透明度的影響。從電力公司的角度看，如果增強(qiáng)這種透明度，消費(fèi)者能夠更好地了解設(shè)備運(yùn)行的真正成本，培養(yǎng)良好的用電習(xí)慣，或者依靠高級系統(tǒng)(比如，由微軟和Google開創(chuàng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù))控制并降低設(shè)備能耗，降低相關(guān)開銷，從任何方面看，這都不失為一個(gè)雙贏的結(jié)果。復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要關(guān)注可靠性、成本、剪裁靈活性等問題。因此，用于能量測量的半導(dǎo)體產(chǎn)品不再像第一代產(chǎn)品那樣只是簡單地累計(jì)能量，而是具有更強(qiáng)的功能。

發(fā)展進(jìn)程

即使2010年有4億美元激勵(lì)資金的支持，對于中、小規(guī)模的電力公司而言，開發(fā)成本仍是阻礙開發(fā)進(jìn)程的屏障。智能電表硬件成本的增加加大了投資回報(bào)率的風(fēng)險(xiǎn)。這些成本主要涉及到一套復(fù)雜的與通信相關(guān)的功能裝置，諸如數(shù)據(jù)存儲、加密、連接電網(wǎng)和家用電器的多重加密雙向通信功能，以及遠(yuǎn)端繼電器和附加印制電路板(PCB)斷開狀態(tài)的顯示。另外，如果不能向公眾成功展示這些新產(chǎn)品的工作狀況，也很難得到公眾的支持和理解。

另外一個(gè)附加成本是這些系統(tǒng)缺乏足夠的可編程能力，產(chǎn)品升級困難、不能勝任未來智能電網(wǎng)發(fā)展對安全性和互操作性方面的需求?？紤]到這些因素，為安全起見需要在設(shè)計(jì)中嵌入更大容量的存儲器和更強(qiáng)大的通信功能，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了近期的使用需求，當(dāng)然也提高了系統(tǒng)成本。

沒有人希望在把設(shè)備大規(guī)模推向市場后，很快發(fā)現(xiàn)由于對智能電發(fā)展進(jìn)程的認(rèn)識不足，而導(dǎo)致產(chǎn)品存在缺陷并很快遭到市場淘汰。草率地把不夠成熟的產(chǎn)品推向市場，勢必造成頻繁更換基礎(chǔ)設(shè)備，這將為電力部門帶來極高的運(yùn)行成本，造成極大浪費(fèi)。人們所面臨的更嚴(yán)重的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，應(yīng)該是這些復(fù)雜的電氣基礎(chǔ)架構(gòu)較短的使用壽命和較低的可靠性。與二十多年以前的老舊、簡單設(shè)備相比，新設(shè)備包含了更多的元器件和互連單元，這也容易導(dǎo)致設(shè)備的頻繁更換。

半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)考慮

住宅電表開始大規(guī)模采用半導(dǎo)體技術(shù)的歷史，也反映了產(chǎn)品工作壽命的問題。這項(xiàng)技術(shù)始于十多年以前，目前在全球大概1.2億塊新電表中，大約有85%的電表采用半導(dǎo)體技術(shù)，其余則是傳統(tǒng)的機(jī)械式法拉盤電表。

2004年，我在印度海德拉巴市的ECE工業(yè)設(shè)備有限公司參觀了一個(gè)這樣的工廠，這曾經(jīng)是一家生意興隆的機(jī)械電表制造廠，利用從德國計(jì)量公司引進(jìn)的技術(shù)，每年的最高產(chǎn)量達(dá)到八百萬套。這個(gè)重要的工業(yè)制造廠坐落在美麗的花園綠洲之中，值得一提的是這里曾經(jīng)拍攝了多部寶萊塢時(shí)期的經(jīng)典影片。但在我參觀這座廠房是，它已經(jīng)是“人去樓空”，堆積著一些閑置設(shè)備，我的向?qū)?曾經(jīng)在這家工廠擔(dān)任過領(lǐng)班)悲哀地向我解釋說，由于具有高級防篡改功能的低成本半導(dǎo)體電表的快速發(fā)展，這座工廠已經(jīng)處于完全停產(chǎn)狀態(tài)。

而就在那個(gè)時(shí)候，中國也推出了第一代集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的表面貼裝計(jì)量ASIC，該器件把電壓和電流的乘積轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖輸出，脈沖信號送入千瓦時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)量。這一代產(chǎn)品在當(dāng)時(shí)對電器設(shè)備以及基本電費(fèi)計(jì)量高度需求的環(huán)境下，對于開發(fā)新興電表工業(yè)起到了一個(gè)重要的過渡作用。許多本地OEM廠商考慮到低成本的PCB制造工藝，都采用了這種技術(shù)。

隨著電力行業(yè)從傳統(tǒng)的基本費(fèi)率管理體制轉(zhuǎn)向以市場調(diào)控為主導(dǎo)的競爭機(jī)制，驅(qū)使電表計(jì)量結(jié)構(gòu)的第二次變革。由于電力公司開始引入分時(shí)計(jì)費(fèi)體制，增添了自動(dòng)抄表(AMR)、微控制器、無線電通信、LCD以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等器件，這些器件被集成到計(jì)量ASIC(也稱為模擬前端或AFE)，促進(jìn)了多芯片標(biāo)準(zhǔn)化方案在住宅電表設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

特殊的應(yīng)用和計(jì)量要求通常需要更高的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，隨著電力行業(yè)需求的改變以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的全球化，加上復(fù)雜電子系統(tǒng)整合的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，提高了進(jìn)入這一行業(yè)成為全球高端供應(yīng)商的門檻，也大大減少了專業(yè)制造商的數(shù)量。而在計(jì)量設(shè)備中增加基本通信功能的日趨重要性，也進(jìn)一步加劇了這一趨勢。當(dāng)然，并不是世界各地所有的供應(yīng)商都在同時(shí)經(jīng)歷這一轉(zhuǎn)折。

智能電網(wǎng)的優(yōu)勢

當(dāng)IC供應(yīng)商意識到，為了在更短的時(shí)間內(nèi)滿足大批量生產(chǎn)低成本、高復(fù)雜度、高可靠性產(chǎn)品需要大量的表計(jì)OEM廠商支持時(shí)，IC供應(yīng)商從2003年左右開始推出了高度集成的專用片上系統(tǒng)(SoC)產(chǎn)品。片上系統(tǒng)集成了AFE、RTC、LCD驅(qū)動(dòng)器以及MCU等通用模塊，并提高了可靠性、靈活性以及測量性能，使得全球各地的OEM廠商能夠以更快的速度開發(fā)出可靠的低成本電表。僅僅使用單片SoC，配合通信模塊，即可快速滿足專用的電力行業(yè)的基本要求。

智能電網(wǎng)概念的引入以及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，需要在智能電網(wǎng)應(yīng)用中增加更多的存儲器、安全和通信功能，這就要求器件中集成更多的數(shù)字電路，集成度按照摩爾定律不斷攀升的半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展也順應(yīng)了這一應(yīng)用需求。這是代表了半導(dǎo)體工藝發(fā)展價(jià)值的一個(gè)經(jīng)典案例，它加速了計(jì)量工業(yè)的變革。

整體大于部分

IC制造商可以按照部分與整合確立自身的定位，這種區(qū)別可能非常細(xì)微，但卻非常重要。初看起來，Teridian的計(jì)量SoC只是對傳統(tǒng)模塊的整合，其中也包括了基本計(jì)量表。這種快速的復(fù)制-粘貼方案類似于分離式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(ADC)或微控制器供應(yīng)商提供的相當(dāng)通用的設(shè)計(jì)。而分離式設(shè)計(jì)是針對特殊應(yīng)用提供參考設(shè)計(jì)和相關(guān)程序，并非芯片級設(shè)計(jì)。

按照市場需求，Teridian擁有專利的“單轉(zhuǎn)換器技術(shù)”集成了一個(gè)21位、2階Σ-? ADC，七個(gè)多路復(fù)用模擬輸入和一個(gè)可編程計(jì)算引擎(CE)，如圖1所示。這種架構(gòu)解決了多路數(shù)據(jù)采集方案存在的眾多問題，比如噪聲和不均衡。在工業(yè)溫度范圍內(nèi)，該ADC仍可保持由于2000:1的動(dòng)態(tài)范圍，具有業(yè)內(nèi)最佳指標(biāo)。32位CE為信號處理器，通過硬件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)測量功能，并可對系統(tǒng)進(jìn)行升級支持新的用戶功能。

圖：Teridian最新一代計(jì)量IC，在單芯片中集成了計(jì)量和接口功能。

通過ADC前端的多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)多相測量，同時(shí)集成了計(jì)算引擎實(shí)現(xiàn)測量功能。

第四代Teridian器件采用專有的隔離技術(shù)(見圖)，利用低成本電流分流器替代電流變壓器和銅饋線。Teridian的最新一代計(jì)量IC集成了計(jì)量和接口功能，結(jié)構(gòu)區(qū)別主要在于多路復(fù)用ADC和用于測量的專用計(jì)算引擎。

集成通信功能?

到目前為止，絕大多數(shù)分離式和基于SoC的計(jì)量方案，均采用傳統(tǒng)的計(jì)量與通信模塊相分離的方案。這種系統(tǒng)分割主要依據(jù)了AMR行業(yè)的慣例。許多通信基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商作為獨(dú)立的商業(yè)實(shí)體運(yùn)作，并通過專用的通信模塊提供電表的連接。然而，這種慣例在大型電網(wǎng)中正在開始改變，把通信功能集成到單板設(shè)計(jì)或更高集成度SoC，可以有效降低硬件成本。這不僅降低了智能電表的成本，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的可靠性。

我們目前看到的智能電網(wǎng)在設(shè)計(jì)架構(gòu)上發(fā)生了根大變革，涉及不同的行業(yè)和邊緣技術(shù)，特別是把計(jì)量與通信功能整合到了單一器件。截止2009年，接近50%的智能電表是基于單板設(shè)計(jì)，SoC取代了許多冗余微控制器、存儲器件和接口。此外，許多設(shè)計(jì)中低端收發(fā)器被RF/電力線通信(PLC)調(diào)制解調(diào)器所取代，并將功能強(qiáng)大的協(xié)議處理集成到SoC。

如上所述，智能電網(wǎng)正在開發(fā)RF和PLC技術(shù)的應(yīng)用。在美國，家庭連通方案主要采用ZigBee、Homeplug和Wi-Fi (IEEE 802.15.11)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)連通(電網(wǎng))可能采用任何非標(biāo)準(zhǔn)方案，而在通信模塊和設(shè)備(諸如智能電表和家用電器)之間將制定一套標(biāo)準(zhǔn)接口(詳細(xì)信息請參考www.usnap.org)。

電網(wǎng)設(shè)備中不可或缺的是安全性和高層互通性(定義為ANSI12.19)，以確保各種智能電網(wǎng)子系統(tǒng)成為互通、安全網(wǎng)絡(luò)。正在開發(fā)的SUN PHY (IEEE 802.15.4修訂)和IEEE 1901技術(shù)致力于制定統(tǒng)一的PLC技術(shù)(http://grouper.ieee.org/groups/1901/)。這些技術(shù)開發(fā)使得人們目前很難預(yù)測主導(dǎo)未來市場的標(biāo)準(zhǔn)。但有一點(diǎn)是確定的，家庭網(wǎng)絡(luò)(HAN)中消費(fèi)者在市場上會(huì)有多種選擇方案，通信鏈路之間的橋接方案將很快投放市場。

至于安全性，目前HAN(ZigBee、Homeplug)采用的是128位加密方案，電網(wǎng)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。許多AMI設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了50至100kbps。