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新型設(shè)計(jì)方法改善智能電表的性能 智能電表技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間：2020-07-29    來(lái)源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     
成熟的智能電網(wǎng)建成后，智能電表具有自動(dòng)查詢(xún)、遠(yuǎn)程抄表功能，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉閘斷電。但目前國(guó)內(nèi)智能電表主要還是以PLC方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，暫未采用RF通信方式。本文探討智能電表在設(shè)計(jì)上有哪些突破，在功能上還有哪些待完善的地方。

1 智能電表在設(shè)計(jì)上的突破

如圖1所示，在智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)中，智能電表介于電力用戶(hù)和信息采集現(xiàn)場(chǎng)終端之間，主要完成電力用戶(hù)用電信息的提供、管理和傳遞，是智能電網(wǎng)的最底層終端設(shè)備。


圖1：智能電表及用電信息采集系統(tǒng)

1.1信息的提供：計(jì)量技術(shù)的突破

從功能上講，傳統(tǒng)電表只要求計(jì)量有功電能，智能電表能夠?qū)崿F(xiàn)更多的計(jì)量和測(cè)量功能，比如電網(wǎng)電壓、電流、功率、頻率等參數(shù)。電表的核心任務(wù)是電能計(jì)量，但是電能計(jì)量已不再是智能電表的唯一功能，智能電表需要提供更多的電力使用狀況參數(shù)，并將這些信息進(jìn)行收集、分析和交互管理后產(chǎn)生有用的信息，電力系統(tǒng)再以此實(shí)時(shí)地做出更好的用電決策和電力系統(tǒng)配置優(yōu)化。

從性能上講，傳統(tǒng)電表精度等級(jí)較低，隨著計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，智能電表在計(jì)量的精度、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)上都有了很大的提高，在啟動(dòng)潛動(dòng)上也可以做的更準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)軟件校表極大提高生產(chǎn)效率。實(shí)際上，目前的智能電表尤其是智能單相表提供的精度等級(jí)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

從可靠性上講，傳統(tǒng)電表尤其是感應(yīng)式電表，其抗干擾性能、防竊電性能、溫度性能等方面都比較差，一些不法用戶(hù)很容易通過(guò)簡(jiǎn)單的手段干擾電表的正常運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到竊電的目的。智能電表采用比較好的現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，可以保證在強(qiáng)干擾、寬溫度范圍下的精確可靠計(jì)量，有效的保障電網(wǎng)公司和合法用戶(hù)的權(quán)益，實(shí)現(xiàn)用電的公平和公正。

1.2信息的管理：智能管理的突破

傳統(tǒng)電表沒(méi)有MCU或者M(jìn)CU只承擔(dān)很簡(jiǎn)單的管理功能，其信息通過(guò)字輪來(lái)顯示，僅能提供電量數(shù)據(jù)給用戶(hù)，不能對(duì)用電采集進(jìn)行智能管理。

智能電表的MCU系統(tǒng)擔(dān)負(fù)用電信息的存儲(chǔ)、用電信息的顯示和用電信息的傳遞等管理功能。通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、加密模塊、計(jì)量模塊、通信模塊、預(yù)付費(fèi)卡等的有效管理，智能電表可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)、復(fù)費(fèi)率、階梯電價(jià)等用電方式的管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉合閘、自動(dòng)報(bào)警等安全措施的管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)抄表等信息傳遞的管理。

使用智能電表，電力用戶(hù)可根據(jù)用電信息改變用電習(xí)慣、選擇用電方式和時(shí)間，提高能源使用效率，減少能源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電能的合理利用。

使用智能電表，電網(wǎng)公司可利用智能電表對(duì)用電信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題甚至電力故障，為用戶(hù)提供用電咨詢(xún)；每戶(hù)的電力需求可以詳細(xì)把握，并根據(jù)需求調(diào)節(jié)發(fā)電與配電設(shè)備，平衡高峰和低谷需求期的用電量，形成發(fā)電、配電與用電的及時(shí)互動(dòng)，減少大面積停電、斷電等影響社會(huì)正常生產(chǎn)、生活的事件發(fā)生。

1.3信息的傳遞：通信技術(shù)的突破

傳統(tǒng)電表是電網(wǎng)中一個(gè)個(gè)孤立的終端，用電信息依靠人工抄表來(lái)收集，效率和可靠性都不能得到保障。而智能電網(wǎng)依靠各種通信手段將智能電表納入統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中，智能電表作為智能電網(wǎng)的智能終端節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、自動(dòng)控制等功能，大大提高了效率和可靠性。

智能電網(wǎng)常用的通信方式包括電力線載波、485、GPRS、小無(wú)線、光纖等，這些通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，通信模式將根據(jù)最終應(yīng)用進(jìn)行選擇，如智能電表與采集器/集中器之間一般采用載波和485等方式，采集器/集中器與主站之間一般采用GPRS、光纖等方式。

2 智能電表在功能上待完善的地方以及面臨的挑戰(zhàn)

智能電表的發(fā)展需要更高性能的器件，其中尤以集成了眾多功能的SOC芯片最引人注目。如圖2所示，以高性能SOC為核心的智能電表，再配上預(yù)付費(fèi)卡、加密芯片、LCD顯示屏、通信模塊等組成了新一代智能電表的主體。智能電表的發(fā)展對(duì)其中的一些關(guān)鍵模塊提出了新的要求，如下文所述。


圖2：以新型SOC為核心的智能電表應(yīng)用

2.1信息的提供：計(jì)量技術(shù)待完善的地方

從計(jì)量方案的穩(wěn)定性上講，智能電表現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件十分復(fù)雜，溫度、濕度、壓力、干擾等條件千變?nèi)f化，智能電表是最近幾年才研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品，其在現(xiàn)場(chǎng)安裝和運(yùn)行的可靠性、使用過(guò)程中暴露出來(lái)的故障和質(zhì)量問(wèn)題等都面臨挑戰(zhàn)。目前智能電表已經(jīng)安裝數(shù)千萬(wàn)只，也積累了很多現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，但是由于電表廠面臨很大的價(jià)格壓力，智能電表的方案層出不窮，核心芯片不斷更換為價(jià)格更低的產(chǎn)品，前期積累的經(jīng)驗(yàn)由于方案的更替不能有效的傳承下去。電表計(jì)量方案的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性將會(huì)成為將來(lái)智能電表面臨的重大挑戰(zhàn)。

從用電設(shè)備和用電環(huán)境的新發(fā)展來(lái)看，越來(lái)越多的負(fù)載呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)畸變負(fù)荷特性，如工業(yè)用戶(hù)中的鋼鐵、冶金、高鐵、機(jī)械加工、電動(dòng)汽車(chē)充電站等，民用用戶(hù)中的非法節(jié)電器等。這些負(fù)載加在電網(wǎng)上，造成了大量的諧波量和直流量，而且呈現(xiàn)出快速變化的特點(diǎn)。目前的電表均為靜止式電表，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量方法一直到檢定裝置等整個(gè)體系均只能保證穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下的準(zhǔn)確計(jì)量，如何應(yīng)對(duì)諧波狀況以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的準(zhǔn)確計(jì)量將成為未來(lái)計(jì)量技術(shù)需要完善的地方。另外，新能源的應(yīng)用也對(duì)計(jì)量技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，分布式發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)量方法以及標(biāo)準(zhǔn)需要在未來(lái)不斷完善發(fā)展。未來(lái)可針對(duì)這些特殊應(yīng)用的場(chǎng)合研發(fā)新的計(jì)量技術(shù)，在最終條件成熟時(shí)再全面推廣。

從計(jì)量參數(shù)的需求上看，目前智能電表已經(jīng)具備了電壓有效值、電流有效值、零線電流、有功功率、電壓線頻率、功率因數(shù)等參數(shù)，未來(lái)可能需要提供更多的電力參數(shù)用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和用電管理，如諧波含量、閃變等。

2.2信息的管理：智能管理待完善的地方

隨著智能電網(wǎng)系統(tǒng)推出越來(lái)越多的功能，智能電表的功能越來(lái)越復(fù)雜，智能電表需要控制的任務(wù)和處理的數(shù)據(jù)也大幅增加。如需要更高的安全性、篡改保護(hù)和檢測(cè)性能；需要增加升級(jí)次數(shù)，保證信息及時(shí)更新；需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)和遠(yuǎn)程流量控制；需要更復(fù)雜的加密算法。因此，根據(jù)應(yīng)用的要求和MCU內(nèi)核的負(fù)載，未來(lái)智能電表將遷移到32位內(nèi)核，而且對(duì)程序存儲(chǔ)器（一般為內(nèi)嵌FLASH）提出了更高的需求，雖然8位機(jī)仍然是目前智能電表的主流，但是可以肯定的是8位機(jī)不能滿足未來(lái)智能電表的需求。電表業(yè)界需要提早在一個(gè)更高性能的平臺(tái)上迎接不斷增長(zhǎng)的需求。

智能電表的另一挑戰(zhàn)是對(duì)其壽命的預(yù)期，感應(yīng)式電表具備較長(zhǎng)的工作壽命，智能電表如要達(dá)到10年甚至15年的工作壽命，電池是其中關(guān)鍵之一，電池完成電表掉電情況下的計(jì)時(shí)、顯示等的供電，這對(duì)低功耗的SOC提出了需求，尤其是掉電情況下的耗電量，需要將MCU待機(jī)、自動(dòng)溫補(bǔ)RTC、LCD顯示等的功耗控制在微安量級(jí)，這樣電池才可以維持10年以上的壽命。

2.3信息的傳遞：通信技術(shù)待完善的地方

智能電表的興起很大程度上取決于智能電表所支持的通信模式的發(fā)展。目前智能電表的主流通信方式是載波和485，如圖1中所示。其他的通信方式，如RF、光纖、GPRS等，鑒于成本的考慮暫未成為主流。但是485方式和載波方式有其固有的缺點(diǎn)，485方式布網(wǎng)復(fù)雜成本稍高，載波方式成本最低但是實(shí)時(shí)性和可靠性最差。

未來(lái)的智能電表需要具備雙向?qū)崟r(shí)通信，需要具備安全的通信功能，需要具備欺詐活動(dòng)的偵測(cè)和預(yù)防，需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，需要具備較低的布網(wǎng)成本。目前的單一通信模式尚不具備以上所有特征，因此未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展是智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。智能電網(wǎng)需要根據(jù)最終應(yīng)用需求選擇合適的通信方式。

2.4智能電表還能做什么

智能電表的本質(zhì)任務(wù)是作為電網(wǎng)公司向電力用戶(hù)收費(fèi)的一桿秤，目的是完成電量的準(zhǔn)確可靠計(jì)量。目前智能電網(wǎng)的發(fā)展又賦予了其遠(yuǎn)程智能終端的功能，智能電表未來(lái)還能做什么？消費(fèi)者如何使用智能電表與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)？這些問(wèn)題都需要進(jìn)一步的研究。 智能電表是指具備雙向通信功能，能夠管理建筑內(nèi)設(shè)備用電狀況的高功能電表。

還可在光伏發(fā)電等可再生能源設(shè)備管理方面發(fā)揮作用，作為可為構(gòu)筑智能電網(wǎng)做出貢獻(xiàn)的技術(shù)受到期待。

智能電表具備幾十～100米左右的近距離無(wú)線通信功能。可通過(guò)雙向通信，連接空調(diào)、照明、各種家電、安全裝置等家庭及事務(wù)所內(nèi)使用的設(shè)備，對(duì)其能源使用量進(jìn)行管理。

使用智能電表，首先能夠?qū)崿F(xiàn)家庭及事務(wù)所內(nèi)能源使用狀況的“可視化”，促進(jìn)用戶(hù)在節(jié)電方面動(dòng)腦筋、做出努力，這是智能電表的作用之一。并且，在實(shí)施分時(shí)段電費(fèi)制度后，有望提供使用智能電表的新服務(wù)，例如提示電費(fèi)最低的洗滌時(shí)間等。

除了上述與電費(fèi)有關(guān)的對(duì)用戶(hù)有利之處外，采用智能電表的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)。

一是可實(shí)現(xiàn)能源使用量的遠(yuǎn)程抄表及遠(yuǎn)程斷路。利用互聯(lián)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，電力公司便無(wú)需再上門(mén)抄表（確認(rèn)使用量）。并且還可遠(yuǎn)程停止供電及解除停止等。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能夠與家電等設(shè)備之間形成信息通信網(wǎng)絡(luò)。用戶(hù)可從遠(yuǎn)方對(duì)家電等進(jìn)行控制。


在住宅中采用智能電表的概念圖。利用無(wú)線功能對(duì)與節(jié)能、創(chuàng)能、蓄能有關(guān)的設(shè)備利用狀況進(jìn)行管理，促進(jìn)用戶(hù)進(jìn)行優(yōu)化利用。作為用戶(hù)終端，也在考慮利用智能手機(jī)等。（資料：《日經(jīng)建筑》制作）

智能電表所具備的管理功能在采用電力供給量（發(fā)電量）容易不穩(wěn)定的可再生能源設(shè)備時(shí)，也將成為強(qiáng)有力的支持。不僅是家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS），在構(gòu)筑廣域智能電網(wǎng)方面也具有重要作用。


在燃?xì)夂徒o排水方面的采用也取得進(jìn)展

不只是電力，在燃?xì)?、給排水的使用管理方面，采用智能電表也將取得進(jìn)展。例如，東京燃?xì)夤鹃_(kāi)始試運(yùn)用具備無(wú)線通信功能的煤氣表，并考慮將為此開(kāi)發(fā)的通信系統(tǒng)應(yīng)用于水表的抄表。在美國(guó)，IBM公司目前也在致力于推進(jìn)水表的智能化。

隨著采用智能電表的優(yōu)點(diǎn)獲得越來(lái)越多的認(rèn)可，在日本國(guó)內(nèi)，與智能電表有關(guān)的企業(yè)活動(dòng)也開(kāi)始活躍起來(lái)。

東芝于2011年收購(gòu)了最大的智能電表企業(yè)瑞士Landis＋Gyr公司，不僅在日本國(guó)內(nèi)，而且作為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)開(kāi)始發(fā)揮其影響力。在歐美已積累了業(yè)績(jī)的美國(guó)通用電氣公司也于同一年與大型電力廠商富士電機(jī)控股合資設(shè)立了GE富士電機(jī)電表公司。在歐洲供貨業(yè)績(jī)豐富的美國(guó)惠普公司也開(kāi)始涉足日本市場(chǎng)。并且，在也有日本企業(yè)參與的“天津生態(tài)城”等智能城市建設(shè)項(xiàng)目中，日立制作所和大崎電氣工業(yè)目前正在共同努力推進(jìn)供應(yīng)智能電表的業(yè)務(wù)。

需要充分考慮用戶(hù)心理

采用智能電表時(shí)所面臨的課題也已明朗。

例如，雖然一般認(rèn)為通過(guò)采用智能電表電費(fèi)就會(huì)下降，但是也有相反的意見(jiàn)指出，由于電力公司轉(zhuǎn)嫁設(shè)備投資成本，因此電費(fèi)會(huì)上升。如果不能使對(duì)用戶(hù)的有利之處更明確，那么在推進(jìn)采用智能電表的過(guò)程中或許會(huì)遭到抵制。

對(duì)于遠(yuǎn)程而不是人工抄表的擔(dān)心也已明顯。在率先進(jìn)行采用的美國(guó)，關(guān)于其準(zhǔn)確程度，也發(fā)生了糾紛。例如美國(guó)加利福尼亞州及德克薩斯州在采用智能電表之后，電費(fèi)猛然升高，用戶(hù)對(duì)此怨聲載道，當(dāng)?shù)卮笮碗娏I(yè)務(wù)公司還遭到了起訴。針對(duì)該問(wèn)題，加利福尼亞州和德克薩斯州的公益事業(yè)委員會(huì)委托第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行了審查，結(jié)果證實(shí)了智能電表的計(jì)量是準(zhǔn)確的。

隨著這種抵制情緒日趨明顯，美國(guó)有關(guān)方面認(rèn)識(shí)到，消費(fèi)者政策及行動(dòng)心理學(xué)方面的課題比技術(shù)性問(wèn)題更重要性。擁有面向終端用戶(hù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)事務(wù)所開(kāi)始參與開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)等，也可以說(shuō)是其具體表現(xiàn)之一。

而且，如何利用通過(guò)智能電表及傳感器收集的信息也將成為一個(gè)課題。

能源相關(guān)企業(yè)等在策劃利用從住宅、辦公室和工廠等收集的信息，向用戶(hù)提供多種服務(wù)。而近年來(lái)，對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)企業(yè)如何利用從用戶(hù)收集到的龐大信息，用戶(hù)的反感和不信任日趨顯著。同樣的問(wèn)題很有可能會(huì)在智能電表領(lǐng)域出現(xiàn)。根據(jù)所獲得數(shù)據(jù)的提供范圍，或許會(huì)發(fā)生與個(gè)人隱私有關(guān)的問(wèn)題，因此也需要采取安全對(duì)策。 采用智能電表讓企業(yè)和工程師有更多機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)出符合不斷演進(jìn)的全球標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量解決方案，這些解決方案能夠滿足未來(lái)需求，并將成為大眾解決方案的一部分，即低成本解決方案。然而，要設(shè)計(jì)出成功的計(jì)量解決方案，還需要克服許多難題。

很多時(shí)候，開(kāi)發(fā)計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)人員甚至沒(méi)有意識(shí)到計(jì)量解決方案所面對(duì)的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，使產(chǎn)品因?yàn)樾〉脑O(shè)計(jì)缺陷而無(wú)法用于最終解決方案。

本文將介紹計(jì)量SoC設(shè)計(jì)中的一些主要問(wèn)題，并提出一些能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的解決方案。同時(shí)，本文還使SoC設(shè)計(jì)人員能夠提前了解挑戰(zhàn)，從而能夠從容應(yīng)對(duì)并設(shè)計(jì)出有效的解決方案。

挑戰(zhàn)1：精確度

精確度是計(jì)量應(yīng)用獲得成功的關(guān)鍵，因?yàn)榉?wù)提供商絕不會(huì)采用無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的儀表。精確度對(duì)于電表應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤為重要，因?yàn)榕c天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴(lài)模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測(cè)量電流和電壓的電平(因?yàn)槠釧DC會(huì)增加最終解決方案的價(jià)格)。另一方面，燃?xì)?span href=http://cn.newmaker.com/cat_1160013.html target=_blank>流量計(jì)使用片外傳感器感應(yīng)氣體流的速度。

這些傳感器能夠以一系列脈沖的形式提供數(shù)字輸出，這些輸出與流速成正比。由于這些傳感器一般都采用數(shù)字接口，因此整體精度對(duì)SoC的依賴(lài)性較低，更多地依賴(lài)于外部傳感器。

另一方面，對(duì)于電能計(jì)量，精確度取決于兩個(gè)方面：輸電線如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線圈等)以及片上AFE(模擬前端)對(duì)電壓和電流的測(cè)量精度。

因此，對(duì)于燃?xì)?水流量表來(lái)說(shuō)，精度在很大程度上取決于所連接的傳感器的精度。對(duì)于電表，精度取決于兩個(gè)因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個(gè)進(jìn)行討論。

模擬前端(AFE)從客戶(hù)的角度來(lái)說(shuō)，AFE的精度是較為重要的因素。通常情況下，ADC的結(jié)果決定SoC的可擴(kuò)展性。

模擬系統(tǒng)的精度主要取決于ADC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計(jì)量應(yīng)用中常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，并執(zhí)行轉(zhuǎn)換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應(yīng)用。

然而，它們可能不適合在非常嘈雜的環(huán)境中使用。因此，根據(jù)ADC的性能和用例環(huán)境，可以在ADC輸入端使用低通濾波器過(guò)濾噪聲。同時(shí)，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時(shí)間-穩(wěn)定ADC以給出準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換值所需的時(shí)間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應(yīng)用，快速切換通道會(huì)導(dǎo)致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時(shí)鐘，從而縮短穩(wěn)定時(shí)間。因此，這會(huì)提高解決方案的最終成本并增加功耗。

負(fù)載線接口能耗計(jì)算需要在電流和電壓值之間執(zhí)行多次乘法和加法運(yùn)算。確定輸入負(fù)載電壓很容易；然而，確定電流消耗的確有些困難。

家庭/工業(yè)/建筑物消耗的總電流不能饋送到芯片。然而，可以確定一個(gè)比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進(jìn)行測(cè)量。

電流和電壓測(cè)量的比例因子是不變的，因此可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算。這種“電流測(cè)量”過(guò)程的一個(gè)限制是需要有能夠直接測(cè)量電流的低成本ADC。

另一種選擇是使用已知的負(fù)載電阻將該電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后通過(guò)ADC測(cè)量該電壓，它對(duì)應(yīng)于實(shí)際的電流消耗。這為電流測(cè)量提供了更可行的低成本解決方案，并且有各種技術(shù)可用于電流測(cè)量。一些使用廣泛的技術(shù)包括-分流電阻器、Rogowski線圈、電流互感器。

分流電阻器技術(shù)使用放置在負(fù)載電流線路上的小(分流)電阻器。當(dāng)負(fù)載電流通過(guò)該電阻時(shí)，會(huì)形成一個(gè)小的電壓降。這個(gè)電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測(cè)量相應(yīng)的電流消耗。

電流互感器(CT)方法與普通變壓器的工作方式相同，負(fù)載電流(已消耗電流)磁通在二級(jí)CT線圈中生成少量電流，然后將電流通過(guò)負(fù)載電阻器，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。

Rogowski線圈是另一種測(cè)量電流的方法(見(jiàn)圖1)。這類(lèi)線圈對(duì)于變化較大的電流也有不錯(cuò)的測(cè)量效果。然而，它們以時(shí)間差分形式提供輸出。這就是需要一個(gè)積分器獲得相應(yīng)電流值的原因。


解決方案的各種儀表聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)簡(jiǎn)圖

對(duì)比上述三種方式，分流電阻器技術(shù)是較為便宜的；然而，該技術(shù)很難滿足高電流測(cè)量要求，并且存在DC偏移的問(wèn)題。電流互感器(CT)能夠比分流電阻器技術(shù)測(cè)量更多的電流，然而，它們本身也存在問(wèn)題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問(wèn)題。

第三種Rogowski線圈法的測(cè)量范圍比CT小，對(duì)大電流范圍表現(xiàn)出較好的線性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問(wèn)題。

然而，它的成本只比分流電阻器略微高一點(diǎn)?？紤]到電流變化和消耗類(lèi)型，分流電阻器技術(shù)主要用于消費(fèi)/住宅應(yīng)用，Rogowski線圈在工業(yè)應(yīng)用中的使用更廣泛。

挑戰(zhàn)2：電流消耗

SoC的電流消耗是影響應(yīng)用/解決方案的電池壽命的主要因素。因此，在電池供電模式下運(yùn)行的應(yīng)用要求SoC具有非常低的電流消耗。燃?xì)庥?jì)/流量計(jì)不與電源直接連接。

因此，它們只能由電池進(jìn)行供電。因此，與電表相比，這些應(yīng)用對(duì)電流更加敏感。這一特性非常重要，因?yàn)橛?jì)量表的平均使用壽命約為15年，客戶(hù)當(dāng)然不希望每隔幾年就更換電池。

因此，與電表相比，燃?xì)?流量計(jì)應(yīng)用對(duì)這些限制更加敏感。在典型燃?xì)?流量計(jì)解決方案中，儀表大多數(shù)時(shí)間都保持在低能耗狀態(tài)。它將定期隔喚醒以計(jì)算能量消耗，存儲(chǔ)數(shù)值，并可能重置脈沖計(jì)數(shù)器等。

另外，燃?xì)?水/熱量的消耗模式不同于電能，因?yàn)樗鼈儾幌耠娔菢訜o(wú)時(shí)無(wú)刻不在使用。因此，內(nèi)核不必總是處于通電狀態(tài)。“低功率模式電流”將扮演重要的角色。許多公司認(rèn)為低功耗模式電流的范圍是1.1μA-2μA(休眠模式待機(jī)電流)。

另一個(gè)關(guān)注領(lǐng)域是SoC的啟動(dòng)時(shí)間及相關(guān)的電流消耗。由于應(yīng)用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)電流將非常關(guān)鍵。因此，此類(lèi)SoC中使用的內(nèi)核比處理速度等其它因素更加重要。

挑戰(zhàn)3：安全、防護(hù)和檢測(cè)

安全性、篡改保護(hù)和檢測(cè)性能主要取決于最終應(yīng)用的復(fù)雜性。滿足這項(xiàng)要求可以很簡(jiǎn)單，只需要能夠檢測(cè)到是否有人試圖打開(kāi)儀表蓋，或是否非法訪問(wèn)SoC并更改計(jì)費(fèi)軟件。

但是，也可能會(huì)非常復(fù)雜，要讓連接以太網(wǎng)的儀表能夠防止黑客攻擊或保護(hù)儀表中的用戶(hù)數(shù)據(jù)，這是GPRS/CDMA/ZigBee網(wǎng)絡(luò)解決方案的一部分。這些要求存在很大的差異，因?yàn)橛?jì)量能夠或應(yīng)該能夠支持不同類(lèi)型的解決方案。

對(duì)于獨(dú)立解決方案，儀表不屬于基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量解決方案的一部分，抄表和計(jì)費(fèi)都是手動(dòng)進(jìn)行的，對(duì)安全性、防護(hù)和檢測(cè)的要求會(huì)很低，因?yàn)楣魡蝹€(gè)儀表不會(huì)影響其它儀表。因此，服務(wù)提供商可能會(huì)選擇前面提到的比較簡(jiǎn)單的檢測(cè)方案。

在儀表窗口和儀表蓋之間形成一個(gè)電流路徑便可以檢測(cè)儀表蓋是否被打開(kāi)。只要有人試圖打開(kāi)儀表，該電流會(huì)被中斷，對(duì)于篡改電表的操作也是如此。

使用密碼保護(hù)SoC內(nèi)部寄存器可以防止有人未經(jīng)授權(quán)對(duì)SoC進(jìn)行重新編程。除非有正確的密碼，否則無(wú)法重新編程，任何此類(lèi)失敗的嘗試都會(huì)顯示為篡改企圖。

對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案，僅僅通過(guò)檢測(cè)或簡(jiǎn)單的密碼保護(hù)不能解決安全問(wèn)題。需要更加嚴(yán)格的保護(hù)，因?yàn)閮x表是網(wǎng)絡(luò)的一部分，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)(儀表)受到黑客攻擊，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)暴露給黑客攻擊。

在這些情況下，安全性分為軟件和硬件層，這兩個(gè)層又進(jìn)一步劃分為多個(gè)層。為了解決這些問(wèn)題，行業(yè)制定了EN13757、HomePlug、ISA100.11a、ANSI/EIA/CEA-709.1-B-2000和EN14908等許多協(xié)議。

計(jì)量革命的興起很大程度上取決于智能電表所支持的通信模式的發(fā)展。這類(lèi)通信對(duì)安全性提出了很高的要求。因?yàn)樵谒型ㄐ拍Ｊ疆?dāng)中，這類(lèi)通信模式會(huì)使儀表/儀表網(wǎng)絡(luò)最容易遭受黑客攻擊。

以基于智能卡的預(yù)付費(fèi)計(jì)量為例。這種解決方案使用SPI(串行外設(shè)接口)在智能卡和儀表MCU之間傳輸數(shù)據(jù)。智能卡將數(shù)額存儲(chǔ)在其內(nèi)部存儲(chǔ)器中，插入儀表后，儀表會(huì)根據(jù)消耗量不斷扣除數(shù)額。

簡(jiǎn)單的攻擊行為可能是對(duì)智能卡進(jìn)行重新編程或復(fù)制。在這種情況下，防止此類(lèi)篡改的一種方法是對(duì)存儲(chǔ)在智能卡里的數(shù)據(jù)(如真實(shí)性數(shù)據(jù)和數(shù)額)進(jìn)行加密。儀表首先解密這些數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行處理。

在智能卡上寫(xiě)回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，會(huì)遵循同樣的加密流程。這樣，只要加密算法和加密密鑰沒(méi)有被暴露，儀表就會(huì)受到保護(hù)。事實(shí)上，無(wú)論采用哪種通信方式，幾乎所有的計(jì)量解決方案都使用加密功能，以保證安全性不會(huì)受到損害。

加密的類(lèi)型和復(fù)雜性主要取決于所使用的通信協(xié)議類(lèi)型。GPS/GPRS/CDMA、以太網(wǎng)等通信協(xié)議需要更加復(fù)雜的加密。因此，還采用了特殊硬件以降低軟件依賴(lài)性，同時(shí)，通過(guò)減少內(nèi)核開(kāi)銷(xiāo)增強(qiáng)了芯片性能。

挑戰(zhàn)4：即時(shí)軟件更新

由于更換儀表涉及高昂費(fèi)用，因此服務(wù)提供商希望儀表的使用時(shí)間能夠超過(guò)十年，甚至多達(dá)15年。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)SoC時(shí)應(yīng)該使其硬件能夠滿足未來(lái)需求，如：收費(fèi)方案變更、分時(shí)段計(jì)量、夏令時(shí)變更等，而不必更換儀表，也不會(huì)中斷為消費(fèi)者提供的服務(wù)。

這向設(shè)計(jì)人員提出了兩個(gè)挑戰(zhàn)：一個(gè)挑戰(zhàn)是SoC如何在儀表工作時(shí)進(jìn)行軟件升級(jí)，第二個(gè)挑戰(zhàn)是無(wú)縫切換到新固件，同時(shí)這種變化不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)中斷。

第一步是確保在不需要切斷電源或關(guān)掉儀表的情況下將補(bǔ)丁從外部源轉(zhuǎn)移到SoC。第二步是在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下啟動(dòng)該補(bǔ)丁，使新固件可以生效。

但是，取決于SoC的復(fù)雜性和智能程度，將數(shù)據(jù)從外部加載器傳輸?shù)絊oC的方式與SoC之間的傳輸是不同的?；镜碾姳鞸oC可能沒(méi)有GPRS或以太網(wǎng)等高級(jí)外設(shè)。

在這種情況下，簡(jiǎn)單的外設(shè)，如：SCI、SPI或I2C，可用來(lái)將數(shù)據(jù)(補(bǔ)丁)從外部源傳輸?shù)絊oC。然而，這會(huì)涉及內(nèi)核，因?yàn)閮?nèi)核需要讀取外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器，然后執(zhí)行閃存寫(xiě)入操作。

通過(guò)采用能夠直接連接存儲(chǔ)器和外部世界的外設(shè)，可以最大程度地降低這項(xiàng)要求。這樣，內(nèi)核能夠在將新軟件加載到存儲(chǔ)器的同時(shí)執(zhí)行其它任務(wù)?？梢允褂肈MA輕松地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器，不需要內(nèi)核介入。

然而，上面討論的所有方法都面臨一個(gè)重大挑戰(zhàn)：更新流程基本上是手動(dòng)完成的，人們需要手動(dòng)連接固件加載器和SPI、SCI或USB。這會(huì)增加固件更新的費(fèi)用。

使用ZigBee收發(fā)器、GPRS/GSM/CDMA、以太網(wǎng)、PLC等高級(jí)通信方式可以更高效地進(jìn)行固件更新。如果使用ZigBee收發(fā)器，通過(guò)手持設(shè)備就能夠建立與儀表的無(wú)線連接，確定其真實(shí)性，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這不會(huì)完全消除人工操作，但是通過(guò)加速整個(gè)操作過(guò)程，大大減少了手動(dòng)操作。

其它模式，如：以太網(wǎng)、GPRS/GSM/CDMA、PLC等不需要任何人工介入。服務(wù)提供商的中央服務(wù)器會(huì)根據(jù)指令將軟件代碼傳輸?shù)絊oC，也會(huì)根據(jù)該指令建立網(wǎng)絡(luò)。對(duì)SoC進(jìn)行編程，使其把接收到的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲(chǔ)器，然后軟件重置會(huì)發(fā)起軟件更新流程。

該問(wèn)題涉及的另一部分是，要在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下從內(nèi)核執(zhí)行代碼。該架構(gòu)可以支持啟動(dòng)選項(xiàng)編程，可對(duì)SoC進(jìn)行編程，從而在下一個(gè)低功率或軟件生成的重置時(shí)從另一個(gè)指定位置啟動(dòng)。還可以使該架構(gòu)選擇從RAM啟動(dòng)，以便新代碼可以保存到RAM，然后在下一次重置/低功率模式恢復(fù)時(shí)，系統(tǒng)可以從RAM啟動(dòng)，而不是從閃存啟動(dòng)，然后新的更新將生效[3]。

挑戰(zhàn)5：數(shù)據(jù)處理

隨著系統(tǒng)/解決方案推出越來(lái)越多的功能，儀表需要控制的任務(wù)和處理的數(shù)據(jù)也大幅增加。因此，根據(jù)應(yīng)用和SoC內(nèi)核的負(fù)載，設(shè)計(jì)人員可能決定遷移到32位內(nèi)核或者采用強(qiáng)大的DSP內(nèi)核，使應(yīng)用(通信等)和計(jì)量部件不會(huì)互相影響。

通過(guò)在SoC中采用額外硬件，還可以分擔(dān)內(nèi)核的計(jì)算工作量，額外的硬件只負(fù)責(zé)各種計(jì)算工作，因?yàn)橛?jì)量應(yīng)用是高度計(jì)算密集型的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)匯集器和計(jì)量網(wǎng)關(guān)受系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的影響最大，因?yàn)樗鼈冃枰幚泶罅繑?shù)據(jù)。同時(shí)，它們需要支持用戶(hù)接口，進(jìn)一步增加了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理復(fù)雜性和相應(yīng)的要求。因此，未來(lái)可能會(huì)推出多核SoC以支持龐大的網(wǎng)絡(luò)。

挑戰(zhàn)6：更快速、更可靠的通信

測(cè)量消耗量只是問(wèn)題的一部分。迄今為止，全球的大多數(shù)儀表都需要手動(dòng)抄表。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)儀表無(wú)法支持聯(lián)網(wǎng)解決方案。這種手動(dòng)抄表不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還容易引入人為錯(cuò)誤。

因此，對(duì)于有效的解決方案，儀表還應(yīng)提供支持聯(lián)網(wǎng)解決方案的能力，并能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x表網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表。電表抄表傳輸?shù)囊粋€(gè)主要問(wèn)題是存在電噪聲。

因此，通信模式應(yīng)能夠承受噪聲而不破壞數(shù)據(jù)。因此，儀表應(yīng)能夠以支持錯(cuò)誤檢測(cè)和清除的格式生成輸出，即使數(shù)據(jù)由于噪聲而失真，也能夠從接收數(shù)據(jù)包恢復(fù)。同時(shí)，所有此類(lèi)加密都增加了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小。

因此，數(shù)據(jù)傳輸速度也很重要。目前，有多種數(shù)據(jù)傳輸模式。其中較為常見(jiàn)的包括GPRS、以太網(wǎng)、電力線通信、ZigBee、紅外線收發(fā)器等。

通信模式將根據(jù)最終應(yīng)用進(jìn)行選擇，如ZigBee/IR(紅外線)收發(fā)器可能更適用于儀表與基站進(jìn)行無(wú)線交互以傳輸數(shù)據(jù)的儀表網(wǎng)絡(luò)，基站把從許多儀表(復(fù)雜情況下為100米)收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到使用有線通信的中心站。更多信息詳見(jiàn)“新時(shí)代智能電表架構(gòu)”。

本文小結(jié)

如今，計(jì)量演進(jìn)的速度非常驚人，設(shè)計(jì)人員需要做好準(zhǔn)備，預(yù)見(jiàn)將來(lái)會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。除非設(shè)計(jì)人員積極應(yīng)對(duì)問(wèn)題和挑戰(zhàn)，否則我們將無(wú)法提供既能夠滿足未來(lái)需求又能塑造未來(lái)世界的產(chǎn)品。一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是提供能夠解決上述問(wèn)題和其它問(wèn)題的單芯片解決方案。前面提到的問(wèn)題僅僅是個(gè)開(kāi)始，我們還將面臨更多的問(wèn)題。

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