隔離傳感器：智能電表防竊電的關(guān)鍵

公用事業(yè)單位正在推動(dòng)采用微控制器的智能電表替代老式的機(jī)電電表，智能電表除了有智能和通信能力以外，還能防止篡改。

另外，還存在著一個(gè)發(fā)展中的單個(gè)小型電表市場(chǎng)，以及在服務(wù)器級(jí)（或單個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)級(jí)）上作計(jì)量的新興市場(chǎng)。

要求

在無線網(wǎng)絡(luò)與802.11設(shè)備尚未提供與蜂窩技術(shù)相同質(zhì)量以前，F(xiàn)MC（固定/移動(dòng)融合）技術(shù)不可能起飛。

供應(yīng)商與服務(wù)提供商必須以FMC的主要好處作資本：即能夠用一臺(tái)設(shè)備和一個(gè)電話號(hào)碼，同時(shí)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和公司或家庭網(wǎng)絡(luò)。

需要做大量測(cè)試，證明Wi-Fi漫游的效率足以維持?jǐn)?shù)據(jù)流量、話音質(zhì)量以及呼叫連續(xù)性。

工程上高效的Wi-Fi-蜂窩之間切換需要對(duì)后端蜂窩網(wǎng)絡(luò)和決策算法作復(fù)雜的修改。

今天，美國(guó)大多數(shù)民用和商業(yè)建筑還在用老式的機(jī)電型電表跟蹤電力的使用情況。這些表可靠且便宜，但不適于需要精確、可重復(fù)電力計(jì)量以及有線或無線通信的電力分配系統(tǒng)，換句話說，不適合即將到來的SmartGird（智能電網(wǎng)）電力分配系統(tǒng)。

SmartGrid需依賴有完備通信能力的智能電表來監(jiān)控能量使用，使居民和商務(wù)消費(fèi)者都能對(duì)能源用量和使用時(shí)間作出有根據(jù)的決策。但SmartGrid也面臨著困難。雖然在聯(lián)邦政府方面，華盛頓已通過了相關(guān)立法，如2007年能源法案和2009年的刺激計(jì)劃，但公用事業(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是以各州為基礎(chǔ)分配電力。在SmartGrid的準(zhǔn)備中，加利福尼亞州與德克薩斯州是最積極地轉(zhuǎn)向智能計(jì)量的兩個(gè)州（參考文獻(xiàn)1）。

無論SmartGrid是否能在（美國(guó)）國(guó)家層面上以某種形式順利和無縫地進(jìn)行下去，已有足夠的獨(dú)立公用事業(yè)機(jī)構(gòu)正在采購和安裝電子電表，使之成為了一個(gè)重要的市場(chǎng)。看一下過去20年來的重要應(yīng)用：手機(jī)、計(jì)算機(jī)、大屏幕電視。它們之所以聲名顯著是因?yàn)閾碛幸粋€(gè)數(shù)億元的市場(chǎng)。公用事業(yè)安裝的電表也有一個(gè)類似的龐大市場(chǎng)。每個(gè)房屋和商業(yè)建筑都需要一塊電表。今后10年內(nèi)，全球公用事業(yè)公司可能要更換5億塊電表。

智能電表由一個(gè)帶有板載ADC和DAC的微控制器、一個(gè)電壓和電流檢測(cè)元件、一個(gè)AC/DC電源轉(zhuǎn)換器、備份電池以及無線或有線通信功能組成。

多家公司都提供電表IC，包括德州儀器（TI）公司、安森美半導(dǎo)體（ONSemiconductor）公司、Maxim、AnalogDevices、Teridian和e2v。這些IC基本都是微控制器，它們追蹤電量的使用信息以及從公用事業(yè)機(jī)構(gòu)回傳的信息。它們可以對(duì)電壓波形和質(zhì)量作一些DSP運(yùn)算，將信息傳送到一個(gè)顯示屏，并存儲(chǔ)待發(fā)的信息。雖然“智能電表”這個(gè)詞匯表示微處理器是中心元件，但防篡改措施則使電流檢測(cè)元件和電源備份的選擇成為智能電表的重要決策。

電表中主要采用了三種類型的電流檢測(cè)技術(shù)：電流變壓器、Rogowski線圈以及電阻分流器。使用哪種技術(shù)取決于電力分配是多相還是單相。世界上多數(shù)家庭只使用從發(fā)電機(jī)進(jìn)入家中布線的單相電源。美國(guó)民用市場(chǎng)采用一種分相配電，它向居民提供120VAC和高達(dá)240VAC，需要用一個(gè)電流變壓器作為隔離電壓/電流傳感器。北歐的商用與某些民用電力是三相電源，但家里一般還是單相。一般來說，在檢測(cè)電壓與電流以確定計(jì)量的使用電量時(shí)，單相配電系統(tǒng)中會(huì)使用一支分流電阻，而在分相或三相系統(tǒng)中使用電流變壓器或Rogowski線圈，因?yàn)榭绮煌辔粶y(cè)量的電壓會(huì)超過半導(dǎo)體器件的電壓容限。

最常用的隔離傳感器依次是：電流變壓器、Rogowski線圈和霍爾效應(yīng)傳感器（圖2）。電流變壓器有一個(gè)鐵芯，很容易受到強(qiáng)大永久磁場(chǎng)的影響。靠近變壓器的磁鐵會(huì)使磁芯飽和，使檢測(cè)線圈無法拾取交流線上的AC電場(chǎng)。Rogowski線圈為空氣磁芯，包括一卷圍繞著電力線的導(dǎo)線。與鐵芯不同，空氣磁芯在強(qiáng)永久磁場(chǎng)情況下不會(huì)飽和。但是，它易于受其它篡改方法的作用，如存在一個(gè)大電感場(chǎng)時(shí)，它會(huì)耦合到線圈上，壓制住線圈要檢測(cè)的AC電流。

霍爾效應(yīng)傳感器采用一種半導(dǎo)體器件，檢測(cè)電線中變動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。但它們的讀數(shù)會(huì)隨溫度而變化，不能在寬的電流區(qū)間上永遠(yuǎn)保持線性。這個(gè)問題在美國(guó)市場(chǎng)上更嚴(yán)重，因?yàn)檫@里的電表額定值高達(dá)200A，而在其它國(guó)家（如印度）電表測(cè)量20A或40A。Teridian公司電表產(chǎn)品業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理KouroshBoutorabi表示：“線性度在美國(guó)這樣的市場(chǎng)很重要。公用事業(yè)單位對(duì)電表的誤差要求是0.2%。世界其它地區(qū)的公差接近1%。如果你用電較多，則測(cè)量中較多的損耗就更重要，而測(cè)量精度也更重要。”

霍爾效應(yīng)傳感器也有優(yōu)點(diǎn)，他說：“雖然它們不（像電流變壓器那樣）精確，但它們比較便宜。霍爾效應(yīng)傳感器可以不用物理連接，而直接靠上（電力線）。”如果用電流變壓器，則必須手工將電力線與檢測(cè)線圈裝配起來。

世界上大多數(shù)電表都是單相表，用一個(gè)簡(jiǎn)單的分流電阻作電流檢測(cè)元件。Bourns公司電阻產(chǎn)品部產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理CathalSheehan將分流法的特性描述為簡(jiǎn)單、廉價(jià)和不受磁場(chǎng)與感應(yīng)場(chǎng)影響，后者常使磁性和感性傳感器產(chǎn)生混亂。

AnalogDevices公司能源計(jì)量產(chǎn)品營(yíng)銷工程師MarkStrzegowski承認(rèn)，分流法不提供多個(gè)相位之間的隔離，所以你需要在其它地方提供隔離功能。該公司的方案是使用一個(gè)帶隔離平面變壓器的分流電阻，它采用該公司用于隔離元件的iCoupler技術(shù)：iCoupler與分流電阻兩者相加，仍然低于電流變壓器或Rogowski線圈的成本，并且仍保持測(cè)量的線性。Strzegowski說：“選擇電流檢測(cè)技術(shù)時(shí)要考慮的重要問題之一是客戶要求的性能。市場(chǎng)有一種趨向更寬動(dòng)態(tài)范圍的趨勢(shì)，而這也增加了更多的測(cè)量次數(shù)。你需要以相同的精度，準(zhǔn)確地測(cè)量從100A到100mA的電流，因?yàn)?.1%是一個(gè)典型的精度規(guī)格。”

分流電阻天生就存在著發(fā)熱問題：雖然它們的響應(yīng)線性度很好，但它們無法處理一些最大的負(fù)荷，因?yàn)橛凶约訜嵝?yīng)。同樣，電流變壓器一般需要補(bǔ)償?shù)南辔皇д孑^小，尤其是當(dāng)應(yīng)用需要更精密的測(cè)量時(shí)，如對(duì)電抗與諧波能量的測(cè)量。一般來說，單相電表用分流電阻作傳感器，而三相電表則采用電流變壓器。

PowerIntegrations公司產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理SilvestroFimiani認(rèn)為，除了防止篡改以外，電表的效率也很重要，尤其是在不久的將來，全球可能安裝或更換的電表超過1億部。他說：“在電表的壽命期間，由于電表的無效使用耗費(fèi)的能源成本會(huì)多達(dá)20美元。這與電表的成本相當(dāng)。”在智能電表世界中，F(xiàn)imiani可能是少有的強(qiáng)調(diào)能源效率的人，幾乎沒有其它供應(yīng)商關(guān)心電表效率，也許因?yàn)殡姳淼牟少徴咭话闶枪檬聵I(yè)機(jī)構(gòu)，而不是為電表功耗付費(fèi)的組織。這個(gè)成本是不可見的，但卻會(huì)轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者。

電表中的元器件應(yīng)耗能很少，原因不僅是要節(jié)省成本和提高效率，也是為了確保在電池供電情況下，電表也能高效運(yùn)行。電表用電池供電似乎是一個(gè)奇怪的想法，但智能電表必須在掉電情況下也能持續(xù)工作。

電表中電池備份的重要性與所在區(qū)域有關(guān)。例如在美國(guó)，如果停電，則沒有可測(cè)量的東西，因此幾乎不存在讓電表處于蘇醒狀態(tài)的需求。AnalogDevices公司的Strzegowski指出，印度的情況不同，一些規(guī)定要求系統(tǒng)中必須有兩支電池。一支電池為電表提供的能量可將讀數(shù)和信息保存24或48小時(shí)，并保持顯示屏點(diǎn)亮。另一支電池則要將電表信息保持至少兩年時(shí)間，防止電表被篡改。它將電表從電力線中移開，這樣電表電路中就沒有電壓，但電力仍然在電線中輸送。

電表的電池備份一般采用鋰/亞硫酰氯電池，它的自放電率為納安量級(jí)，存放壽命超過10年。Tadiran公司是此類電池最大的美國(guó)制造商。電池本身足以完成電表中數(shù)據(jù)的備份，但不能通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)出去。有一種方案是用電池對(duì)一只超級(jí)電容作涓流充電。超級(jí)電容制造商Cap-xx公司應(yīng)用工程副總裁PierreMars解釋政府的規(guī)定如何影響電表：“雖然電表接在主電力線上，有冗余電源，但電表不能用它來發(fā)送數(shù)據(jù)。舉個(gè)例子，當(dāng)我在澳洲時(shí)，那里的規(guī)定是電表從用戶電力線中獲得的能量不能超過2W，所以它們需要用一只超級(jí)電容，為GSM突發(fā)通信傳輸提供能量，這需要0.6ms的突發(fā)6W功率，而平均功率不到0.75W。”Mars指出，如果政府制定能源使用的規(guī)則，而不是限定最高使用功率，就不存在這個(gè)問題了。

另外，超級(jí)電容還提供足夠作“臨終遺言”式傳輸?shù)墓β?，如?dāng)電力網(wǎng)中斷時(shí)，超級(jí)電容備份的電量夠作一次傳輸，警告電表已掉電。

全世界各個(gè)地區(qū)因偷電造成的電力損失各不相同：美國(guó)可能不到4%，而印度報(bào)告說損失大于10%，拉丁美洲國(guó)家的這種損耗可達(dá)20%。對(duì)于防竊電表的研究是轉(zhuǎn)向智能電表的另一個(gè)原因。篡改一塊電表最簡(jiǎn)單和最常見的方法是采用傳感器。

為什么在美國(guó)防竊電方法很重要？因?yàn)殡S著電力用量的不斷提高，4%的損失也足以引起公用事業(yè)單位的注意。但更重要的是，竊電是非法“大麻屋”最常用的能源。在鄉(xiāng)村地帶，這些房屋的電費(fèi)賬單很容易達(dá)到每月1萬美元，而從鄰近電力線偷電是最簡(jiǎn)單的取電方式。鄰居和公用事業(yè)單位都不喜歡“大麻屋”，采用智能電表可能是一種抑制這類活動(dòng)的有效方法。不過有些人也擔(dān)心任何涉及大型組織（如政府或公用事業(yè)機(jī)構(gòu)）的活動(dòng)都是在監(jiān)控個(gè)人的行為（見附文《用Google查詢你的用電狀態(tài)》）。

飛升的能源價(jià)格也促使非公用型應(yīng)用調(diào)整自己的電力測(cè)量工作。TI公司大批量模擬與邏輯業(yè)務(wù)高級(jí)副總裁DaveHeacock表示，服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)（serverfarm）有時(shí)會(huì)要求自己的前端AC/DC電源供應(yīng)商提供電力測(cè)量功能，這樣農(nóng)場(chǎng)可以根據(jù)使用情況向客戶收費(fèi)：如在高峰時(shí)間的用電將收取較高的費(fèi)率。Heacock說：“用戶會(huì)想，‘我得在半夜電力價(jià)格較低時(shí)再作所有的信用卡交易’”。

對(duì)這種應(yīng)用的容限可能不如一塊公用電表那么嚴(yán)格：Heacock建議，對(duì)負(fù)載大于滿負(fù)荷20%的情況，這類測(cè)量設(shè)備的典型公差為2%，而在5%滿負(fù)荷時(shí)降到5%。他解釋說，相對(duì)寬松容限的原因是他們不希望增加解決方案的成本。

參考文獻(xiàn)

1.Harbert,Tam,“Chipcompaniesallgedupoversmartmeters,”EDN,June24,2008.