智能電網(wǎng)涵蓋的技術(shù)和涉及的產(chǎn)業(yè)非常廣泛，它從概念走向?qū)嵺`帶動了很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能電表就是其中比較早受益的市場之一。由于與用電消費(fèi)直接相關(guān)，也是用戶和電網(wǎng)公司之間的一個紐帶，智能電表成為智能電網(wǎng)發(fā)展的排頭兵。

智能電表不同于傳統(tǒng)電表之處在于它是雙向?qū)崟r通信，具有互動的特征，能夠提供實(shí)時數(shù)據(jù)，為實(shí)施階梯電價提供了可能。因此，智能電表在設(shè)計中強(qiáng)調(diào)了更強(qiáng)的信息處理、交互、計量和通信能力，在國家電網(wǎng)公司公布的智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，對這些指標(biāo)也都做出了詳細(xì)的規(guī)定。2009年10月，國家電網(wǎng)公司公布了智能電表新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，由功能規(guī)范、技術(shù)規(guī)范、型式規(guī)范、安全認(rèn)證規(guī)范4類12個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。該標(biāo)準(zhǔn)體系對電表在計量、費(fèi)控、通信、功耗乃至電子線路布線、外觀等各方面都有詳細(xì)的規(guī)定，且提出了較高的要求。

智能電表的芯片涉及控制、計量、加密和通訊芯片（窄波通信），其中控制芯片是整個方案中的核心，負(fù)責(zé)計算資費(fèi)、控制顯示和通訊等最主要的功能。國內(nèi)控制芯片現(xiàn)在主要由兩大廠商占據(jù)絕大部分市場份額，最大的是瑞薩電子，大概占有70%以上的份額；另一家是國內(nèi)的復(fù)旦微電子，大概占據(jù)20%左右的份額。這兩家廠商的方案也代表了國內(nèi)主流智能電表廠商的設(shè)計方案。

復(fù)旦微電子FM3308控制芯片

國內(nèi)廠商復(fù)旦微電子推出了一組專門為國網(wǎng)單相智能電表而打造的FM33系列MCU芯片，以其中具有代表性的FM3308芯片為例，說明復(fù)旦微電子提供的智能電表解決方案。FM3308基于成熟的8051內(nèi)核，下圖是使用FM3308的國網(wǎng)單相智能電表解決方案。

由于復(fù)旦微電子的FM3308芯片是專門為國網(wǎng)智能電表而量身定做的，將智能電表所需的各種功能如MCU內(nèi)核、液晶驅(qū)動、實(shí)時時鐘以及I2C、7816等各種接口都集成在芯片中，因此以FM3308為主控芯片的智能電表設(shè)計方案能充分利用芯片的硬件固有功能，最大限度地簡化外圍設(shè)計，在保證整體設(shè)計功能滿足性能較優(yōu)的同時，降低系統(tǒng)成本。

芯片內(nèi)置硬件實(shí)時時鐘和液晶驅(qū)動電路，因此不需另外增加實(shí)時時鐘芯片和液晶驅(qū)動芯片，這樣可大大降低系統(tǒng)成本，簡化外圍電路設(shè)計。

MCU時鐘由內(nèi)部高頻/低頻振蕩器提供，從而摒棄傳統(tǒng)的外接晶體振蕩器，可簡化外圍電路，提高可靠性。FM3308芯片內(nèi)的高頻(8MHz)振蕩器精度可達(dá)8MHz±0.5%，完全滿足電能表使用要求。3路硬件串行接口分別用于紅外、485抄表和電力線載波通訊；2路7816接口用于ESAM和IC卡；I2C接口用于外接EEPROM存儲芯片。

瑞薩電子的R8C/Lx系列控制芯片

瑞薩電子進(jìn)入電表市場已經(jīng)有十幾年時間，在中國電表應(yīng)用主控芯片市場占有最大的市場份額，并為客戶提供完整的參考方案。

瑞薩電子的R8C/Lx系列產(chǎn)品集成了看門狗，內(nèi)部復(fù)位電路，內(nèi)置液晶驅(qū)動，數(shù)據(jù)閃存等，不僅可以為客戶節(jié)約零部件成本，也節(jié)約芯片可利用管腳數(shù)，使芯片能夠得到最大程度的利用。

瑞薩電子的R8C/L38產(chǎn)品使用3串口設(shè)計，使客戶能夠?qū)崿F(xiàn)485通訊、紅外和智能卡通訊；內(nèi)置液晶驅(qū)動滿足4*40段碼的要求，將用電信息，電池信息，智能卡使用情況實(shí)時反映在顯示終端；硬件SSC、I2C接口實(shí)現(xiàn)MCU和時鐘芯片、計量芯片之間的通訊；大量的IO端口可以滿足按鍵，開蓋，繼電器等需要。

SoC方案未來可期

以前由于國網(wǎng)規(guī)范的限制，現(xiàn)在智能電表SoC方案還無法在國內(nèi)被采用，但是較新的規(guī)范在這方面未作限制，隨著SoC方案的逐漸成熟，以及在國外部分市場的批量使用帶來的示范效應(yīng)，在國內(nèi)電表產(chǎn)品成本壓力日趨增大的情況之下，SoC方案會在未來2～3年內(nèi)取得實(shí)質(zhì)性的突破。 本文將重點(diǎn)介紹一些關(guān)鍵的計量問題，并使設(shè)計人員能夠提前了解設(shè)計挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。

采用智能電表讓企業(yè)和工程師有更多機(jī)會設(shè)計出符合不斷演進(jìn)的全球標(biāo)準(zhǔn)的計量解決方案，這些解決方案能夠滿足未來需求，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)計出成功的計量解決方案，還需要克服許多難題。

很多時候，開發(fā)計量芯片的設(shè)計人員甚至沒有意識到計量解決方案所面對的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設(shè)計人員很容易出現(xiàn)設(shè)計問題，使產(chǎn)品因?yàn)樾〉脑O(shè)計缺陷而無法用于最終解決方案。

本文將介紹計量SoC（片上系統(tǒng)）設(shè)計中的一些主要問題，并提出一些能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的解決方案。同時，本文還使SoC設(shè)計人員能夠提前了解挑戰(zhàn)，從而能夠從容應(yīng)對并設(shè)計出有效的解決方案。

挑戰(zhàn)1：精確度

精確度是計量應(yīng)用獲得成功的關(guān)鍵，因?yàn)榉?wù)提供商絕不會采用無法準(zhǔn)確測量的儀表。精確度對于電表應(yīng)用來說更加重要，因?yàn)榕c天然氣/水/流量表相比，電表對于模擬片上組件的依賴性非常高。通常，電表使用片上ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）測量電流和電壓（因?yàn)槠釧DC會增加最終解決方案的價格）。另一方面，燃?xì)?流量計使用片外傳感器感應(yīng)水流/燃?xì)饬鞯乃俣取?br />
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SoC（片上系統(tǒng)）的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。

另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個方面-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）對電壓和電流的測量精度。

因此，對于燃?xì)獗?水表/流量表來說，精度在很大程度上取決于所連接的傳感器的精度。對于電表，精度取決于兩個因素-SoC的AFE和SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個進(jìn)行討論。

模擬前端 (AFE)。從客戶的角度來說，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。西格瑪-德爾塔(SD)和逐次逼近(SAR)是計量應(yīng)用中常用的ADC。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，SD ADC使用過采樣技術(shù)對輸入進(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濾噪聲。同時，與SD ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時間- 穩(wěn)定ADC以給出準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換值所需的時間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應(yīng)用，快速切換通道會導(dǎo)致快速改變輸入電平。SD ADC需要高頻率時鐘，從而縮短穩(wěn)定時間。因此，這會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，可以確定一個比例值（電流或電壓）并饋送到AFE，然后使用ADC進(jìn)行測量。

電流和電壓測量的比例因子是不變的，因此可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠嬎恪＿@種“電流測量”過程的一個限制是需要有能夠直接測量電流的低成本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ADC測量該電壓，它對應(yīng)于實(shí)際的電流消耗。這為電流測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)載電流通過該電阻時，會形成一個小的電壓降。 這個電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測量相應(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CT 線圈中生成少量電流，然后將電流通過負(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線圈是另一種測量電流的方法（下圖1）。這類線圈對于變化較大的電流也有不錯的測量效果。然而，它們以時間差分形式提供輸出。這就是需要一個合成器獲得相應(yīng)電流值的原因。

圖1. Rogowski線圈結(jié)構(gòu)

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

第三種Rogowski線圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現(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具有非常底的電流消耗。燃?xì)庥嫞髁坑嫴慌c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)用對電流更加敏感。這一特性非常重要，因?yàn)橛嬃勘淼钠骄褂脡勖s為15年，客戶當(dāng)然不希望每隔幾年就更換電池。

因此，與電表相比，燃?xì)?流量計應(yīng)用對這些限制更加敏感。在典型燃?xì)?流量計解決方案中，儀表大多數(shù)時間都保持在低能耗狀態(tài)。它將定期隔喚醒以計算能量消耗，存儲數(shù)值，并可能重置脈沖計數(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時無刻不在使用。因此，內(nèi)核不必總是處于通電狀態(tài)?！暗凸β誓Ｊ诫娏鳌睂缪葜匾慕巧?。許多公司認(rèn)為低功耗模式電流的范圍是1.1 μA- 2 μA（休眠模式待機(jī)電流）。

另一個關(guān)注領(lǐng)域是SoC的啟動時間及相關(guān)的電流消耗。由于應(yīng)用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動時間和啟動電流將非常關(guān)鍵。因此，此類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

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

但是，也可能會非常復(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)橛嬃磕軌蚧驊?yīng)該能夠支持不同類型的解決方案。

對于獨(dú)立解決方案，儀表不屬于基于網(wǎng)絡(luò)的計量解決方案的一部分，抄表和計費(fèi)都是手動進(jìn)行的，對安全性、防護(hù)和檢測的要求會很低，因?yàn)楣魡蝹€儀表不會影響其它儀表。因此，服務(wù)提供商可能會選擇前面提到的比較簡單的檢測方案。

在儀表窗口和儀表蓋之間形成一個電流路徑便可以檢測儀表蓋是否被打開。只要有人試圖打開儀表，該電流會被中斷，對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SoC進(jìn)行重新編程。除非有正確的密碼，否則無法重新編程，任何此類失敗的嘗試都會顯示為篡改企圖。

對于基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案，僅僅通過檢測或簡單的密碼保護(hù)不能解決安全問題。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，如果一個節(jié)點(diǎn)（儀表）受到黑客攻擊，那么整個網(wǎng)絡(luò)都會暴露給黑客攻擊。

在這些情況下，安全性分為軟件和硬件層，這兩個層又進(jìn)一步劃分為多個層。為了解決這些問題，行業(yè)制定了EN13757、HomePlug、ISA100.11a、ANSI/EIA/CEA-709.1-B-2000和EN 14908等許多協(xié)議。

計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。這類通信對安全性提出了很高的要求。 因?yàn)樵谒型ㄐ拍Ｊ疆?dāng)中，這類通信模式會使儀表/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)額存儲在其內(nèi)部存儲器中，插入儀表后，儀表會根據(jù)消耗量不斷扣除數(shù)額。

簡單的攻擊行為可能是對智能卡進(jìn)行重新編程或復(fù)制。在這種情況下，防止此類篡改的一種方法是對存儲在智能卡里的數(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。

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

加密的類型和復(fù)雜性主要取決于所使用的通信協(xié)議類型。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性，同時，通過減少內(nèi)核開銷增強(qiáng)了芯片性能。

挑戰(zhàn)4：即時軟件更新

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間能夠超過十年，甚至多達(dá)15年。因此，設(shè)計人員在設(shè)計SoC時應(yīng)該使其硬件能夠滿足未來需求，如：收費(fèi)方案變更、分時段計量、夏令時變更等，而不必更換儀表，也不會中斷為消費(fèi)者提供的服務(wù)。

這向設(shè)計人員提出了兩個挑戰(zhàn)-一個挑戰(zhàn)是SoC如何在儀表工作時進(jìn)行軟件升級，第二個挑戰(zhàn)是無縫切換到新固件，同時這種變化不會導(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。基本的電表SoC可能沒有GPRS或以太網(wǎng)等高級外設(shè)。

在這種情況下，簡單的外設(shè)，如：SCI（串行通信接口）、SPI（串行外設(shè)接口）或I2C（IC間通信），可用來將數(shù)據(jù)（補(bǔ)?。耐獠吭磦鬏?shù)絊oC。然而，這會涉及內(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)行閃存寫入操作。

通過采用能夠直接連接存儲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器的同時執(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ζ?，不需要?nèi)核介入。

然而，上面討論的所有方法都面臨一個重大挑戰(zhàn)-更新流程基本上是手動完成的，人們需要手動連接固件加載器和SPI、SCI或USB。這會增加固件更新的費(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，通過手持設(shè)備就能夠建立與儀表的無線連接，確定其真實(shí)性，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這不會完全消除人工操作，但是通過加速整個操作過程，大大減少了手動操作。

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)器會根據(jù)指令將軟件代碼傳輸?shù)絊oC，也會根據(jù)該指令建立網(wǎng)絡(luò)。對SoC進(jìn)行編程，使其把接收到的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲器，然后軟件重置會發(fā)起軟件更新流程。

該問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)可以支持啟動選項(xiàng)編程，可對SoC進(jìn)行編程，從而在下一個低功率或軟件生成的重置時從另一個指定位置啟動。 還可以使該架構(gòu)選擇從RAM啟動，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，系統(tǒng)可以從RAM啟動，而不是從閃存啟動，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)計人員可能決定遷移到32位內(nèi)核或者采用強(qiáng)大的DSP（數(shù)字信號處理）內(nèi)核，使應(yīng)用（通信等）和計量部件不會互相影響。

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

數(shù)據(jù)匯集器和計量網(wǎng)關(guān)受系統(tǒng)據(jù)處理能力的影響最大，因?yàn)樗鼈冃钄?shù)要處理大量數(shù)據(jù)。同時，它們需要支持用戶接口，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，未來可能會推出多核SoC以支持龐大的網(wǎng)絡(luò)。

挑戰(zhàn)6：更快速、更可靠的通信

測量消耗量只是問題的一部分（下圖2）。迄今為止，全球的大多數(shù)儀表都需要手動抄表。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)儀表無法支持聯(lián)網(wǎng)解決方案。這種手動抄表不僅增加了運(yùn)營成本，還容易引入人為錯誤。

圖2：解決方案的各種儀表聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)簡圖

因此，對于有效的解決方案，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)自動抄表。電表抄表傳輸?shù)囊粋€主要問題是存在電噪聲。

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)能夠以支持錯誤檢測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，所有此類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“新時代智能電表架構(gòu)”。 [1].

結(jié)論

如今，計量演進(jìn)的速度非常驚人，設(shè)計人員需要做好準(zhǔn)備，預(yù)見將來會出現(xiàn)的問題和挑戰(zhàn)。除非設(shè)計人員積極應(yīng)對問題和挑戰(zhàn)，否則我們將無法提供既能夠滿足未來需求又能塑造未來世界的產(chǎn)品。一個巨大的挑戰(zhàn)是提供能夠解決上述問題和其它問題的單芯片解決方案。前面提到的問題僅僅是個開始，我們還將面臨更多的問題。

參考文件
1. ”Architecting" the New Age Smart Utility Meters 作者：Sunil Deep Maheshwari
2. Getting basic utility meter designs ready for the Smart Grid ，作者：Sunil Deep Maheshwari,
3. MCF51EM256 Reference Manual & Datasheet
4. Analog to Digital Convertors
5. 計量解決方案，來源：飛思卡爾。 摘要：目前，消費(fèi)者和電力公司都一致同意智能電網(wǎng)具備眾多好處，例如：分時計價、精確計量，并可避免每月上門查詢電表讀數(shù)等麻煩。而智能電網(wǎng)是否在應(yīng)用環(huán)境中切實(shí)發(fā)揮了實(shí)際效益？各方觀點(diǎn)并不一致。本文討論智能電網(wǎng)如何幫助電力公司監(jiān)測電能的使用狀況。利用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，電力公司能夠與用戶一起達(dá)到降低能耗的目的，整合各種再生能源。當(dāng)這一天到來時，環(huán)境就是最大的贏家。

啟發(fā)

“我還意識不到智能電網(wǎng)能夠給環(huán)境帶來大些好處”，當(dāng)我告訴堂兄Chris我所在的公司已經(jīng)涉足智能電網(wǎng)領(lǐng)域時，他說到：“我認(rèn)為那只不過是電力公司提高電費(fèi)的小把戲。”

要在平時，我會打斷他，并大談智能管理能源和資源的好處，但我這個堂兄已經(jīng)在美國的北加州電力公司工作了15年。他并不是一無所知，所以我繼續(xù)聽他說下去?！半娋拖袼粯樱彼^續(xù)說到：“從源頭流到所有的消耗點(diǎn)。安裝智能電表并不能節(jié)約能源，它只不過是在您消費(fèi)時起到一個計量作用?！边@些論點(diǎn)的確符合邏輯。

而我確信智能電表是一個好東西，對經(jīng)濟(jì)、環(huán)境都有益處，能夠以更好的技術(shù)方案解決一個老問題。實(shí)際上，我還的確不知道電網(wǎng)如何降低能耗。我決定深入了解一下。

調(diào)查結(jié)果顯示，智能電表能帶給環(huán)境眾多潛在利益。通過先進(jìn)的控制及規(guī)劃合理的智能電網(wǎng)，電力部門可直接與資源用戶通信，從而實(shí)現(xiàn)兩大關(guān)鍵功能：降低峰值負(fù)荷與分布式發(fā)電。這些功能有助于降低能耗，尤其是在緊要關(guān)頭。他們還有助于整合各種不同的再生能源，例如太陽能電池板、風(fēng)車等。此外，從早期的實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，智能電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)是成功的。這些好處也推動了智能電表領(lǐng)域投資的大幅上升，以期進(jìn)一步降低能耗。然而，一個顯而易見的問題是：如果缺少一個關(guān)鍵角色的參與，規(guī)劃再好的智能電網(wǎng)也不會為改善環(huán)境作出貢獻(xiàn)，這個重要角色就是：您，聰明的消費(fèi)者。

什么是智能電網(wǎng)？

對有的人來說，智能電網(wǎng)只不過意味著房屋中的新電表、氣表和水表；對有的人來說，智能電網(wǎng)就是在建筑外安裝的有害高頻輻射源。而對于有些人，智能電網(wǎng)是一種將所有耗電對象連接在一起的新網(wǎng)絡(luò)。

很多人認(rèn)為，如果托馬斯·愛迪生現(xiàn)在重返人間，也能輕易認(rèn)出古老的電網(wǎng)。經(jīng)過75年的微利運(yùn)營之后，電力公司幾乎沒有任何積極性來升級現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)。不僅如此，消費(fèi)者也已經(jīng)習(xí)慣于毫無概念地消費(fèi)資源，然后在月底或更長的時間后支付電費(fèi)賬單。

實(shí)際上，智能電網(wǎng)是一種新網(wǎng)絡(luò)。作為一種新網(wǎng)絡(luò)，它完全覆蓋現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施。分別在發(fā)電、配送和消耗環(huán)節(jié)測量能源，然后在網(wǎng)絡(luò)上傳輸這些測量結(jié)果。電力公司和消費(fèi)者之間的這種通信允許快速、智能地針對電網(wǎng)狀況制定決策。與智能手機(jī)加速我們獲取信息的渠道相同，智能電網(wǎng)允許我們及電力公司更快地訪問能源信息。如果能夠測量每臺關(guān)鍵設(shè)備的能耗，并反饋到電力公司管理的、采用較新技術(shù)的計算機(jī)終端，隨后在將信息供給消費(fèi)者查詢，這將是一種什么樣的情形！毫無疑問，這種認(rèn)知能夠讓我們及時判斷浪費(fèi)能源設(shè)備以及節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境的機(jī)會。

智能電表(確切的說是儀表)記錄家庭或商業(yè)消耗的電能，并以15分鐘的間隔將這些數(shù)據(jù)送至電力公司。這項(xiàng)任務(wù)，稱為“能源計量”，發(fā)生在儀表內(nèi)部。能源計量需要非常精確、可靠，以便電力公司準(zhǔn)確了解耗電量，并且不會從消費(fèi)者那里多收費(fèi)。大多數(shù)現(xiàn)代計量都由半導(dǎo)體器件完成。Maxim的71M6541D就是一種這樣的器件，能夠精確計量典型家用電表的電量。

將數(shù)據(jù)傳回電力公司的過程也由集成電路完成。這些器件要么將電力線作為通信線，要么采用無線通信方式。電力線通信(PLC)的優(yōu)點(diǎn)是射頻輻射小，適合射頻難以穿透的環(huán)境，例如地下室。Maxim的MAX2991和MAX2992組成的完整芯片組能夠支持電表到電力公司的可靠通信。

智能電表不僅限于電表，還要進(jìn)入家庭和商業(yè)建筑。當(dāng)配備了測量裝置(有時還包括通信裝置)后，數(shù)據(jù)中心、工廠和電器全部實(shí)現(xiàn)“智能化”。測量能耗并將這些信息送回電力公司或家域網(wǎng)的過程稱為能源計量。再生能源也依賴于能源計量。計量建筑物太陽能板產(chǎn)生的電能就是一個常見的實(shí)例。有效的能源計量必須精確而可靠。Maxim的78M6612為各種應(yīng)用提供高精度能源計量。

從電力公司的角度講，智能電表(智能電網(wǎng)的一部分)提供了降低峰值負(fù)荷的機(jī)會。管理高峰期的能耗對電力公司來說是一項(xiàng)艱難挑戰(zhàn)。

我們可以想象在一個炎熱夏季的周末，早上7點(diǎn)起床之前耗電量非常低；起床之后，您會打開電視、咖啡壺及部分照明燈，從而使電網(wǎng)負(fù)荷增大；隨后，您將打開計算機(jī)，隨后就是工作間的空調(diào)。在工廠，由于白天工作設(shè)備會產(chǎn)生很大熱量，所以全天都需要開啟空調(diào)。工作日之后，人們回到家中并打開空調(diào)和電器，電能需求量進(jìn)一步增大。耗電量通常在傍晚達(dá)到高峰，只要當(dāng)溫度降低及人類活動減少時才開始下降。

電力公司如何管理這種波動性的電能需求呢？關(guān)鍵是：可供電力公司選擇儲存的電能非常少。沒有大型電池能夠儲存一座城市或大型電力公司服務(wù)區(qū)域所需要的電能。電力公司必須具備足夠的發(fā)電設(shè)施來及時滿足峰值需求，以及足夠的裕量來避免斷電。典型的電力公司將采用水力發(fā)電和火力發(fā)電廠相結(jié)合的方式，保證基本負(fù)荷的供電。兩種發(fā)電途徑都是電力的主要來源，但水力發(fā)電響應(yīng)太慢，難以滿足需求量的實(shí)時變化。石油和天然氣渦輪機(jī)響應(yīng)快速，因此可增大電能供應(yīng)量，以滿足全天的用電高峰和用電量的變化需求。太陽能裝置在陽光明媚的白天也為日間供電起到一定的作用。

這就是電力公司數(shù)十年來管理和供應(yīng)電力的方式，現(xiàn)在考慮智能電網(wǎng)的情形。

設(shè)想炎熱夏季的某天，對于全面部署了具有可靠通信能力的高精度智能電表的場合。早上供電需求量增大時，智能電表每隔15分鐘將實(shí)時用電量數(shù)據(jù)發(fā)送給上級電力公司，能夠快速判斷用電峰值點(diǎn)。

通過這些用電量數(shù)據(jù)，電力公司開始實(shí)行分時計價的措施。按照這一規(guī)則，用戶在高峰期內(nèi)用電將需要支付高昂費(fèi)率。為了節(jié)能或降低電費(fèi)，消費(fèi)者或商業(yè)用戶，甚至數(shù)據(jù)中心都會選擇由電力公司或第三方控制其電氣系統(tǒng)。在氣溫升高時，電力公司將遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)的溫度監(jiān)控器，僅僅使家庭或辦公室的溫度稍微升高一點(diǎn)兒，即可達(dá)到節(jié)能的目的。最終用戶甚至感覺不到這種自動中斷的服務(wù)。

到了中午，電力公司將即時反饋來自風(fēng)能或太陽能系統(tǒng)的再生能源。這些電力來源稱為分布式發(fā)電，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供可觀的電力，輸送到最近的用電設(shè)施。利用分布式發(fā)電，電力公司啟動的發(fā)電機(jī)更少，這些發(fā)電機(jī)采用燃油，沒有可再生能源環(huán)保。精確的測量數(shù)據(jù)和良好的控制機(jī)制還有助于減輕電力公司的發(fā)電負(fù)荷，允許預(yù)留更低的裕量。將來，如果負(fù)荷增大，插入充電站的電動汽車可以自動切換到供電功能，向電網(wǎng)輸送電能。

由此可見，智能電網(wǎng)能夠降低高峰期的峰值載荷，在節(jié)約電能的同時還降低了所需要的發(fā)電總量。由于智能電網(wǎng)固有的靈活性，甚至能夠在非高峰期間以更大的容量工作，以便為早些時候被作為電源的電動汽車充電，并使消費(fèi)者在更長的時間內(nèi)使用空調(diào)。理想情況下，晚間的電力將取自清潔能源，例如水力發(fā)電站或其他形式的可再生能源。

無論是消費(fèi)者，還是電力公司，最終都會同意降低峰值負(fù)荷，采用可再生能源的分布式發(fā)電降低我們對環(huán)境資源的依賴。

現(xiàn)實(shí)結(jié)果

基于上述觀點(diǎn)，有人會說，所有這些聽起來很好，甚至非常好，但我們?nèi)匀灰鹊瓤矗欠褚磺心軌蚱交^渡，在任何時間、任何地方都能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然，如果消費(fèi)者和電力公司協(xié)同努力，為節(jié)能做出貢獻(xiàn)，智能電網(wǎng)的優(yōu)勢將是毫無疑問的，但在現(xiàn)實(shí)中是否可行？

2001年至2006年，意大利率先開始部署智能電表。意大利電力公司Enel推動了這一計劃的進(jìn)行，以期降低費(fèi)用?，F(xiàn)在，接近85%的意大利用戶采用了智能電表，實(shí)際安裝大約4千萬臺電表。Enel估算這些裝置每年可節(jié)約7.5億美元。分時計價和消費(fèi)者的理念是節(jié)儉機(jī)制的關(guān)鍵因素，有些消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)他們的電費(fèi)節(jié)約了高達(dá)50%。抄表和維護(hù)所帶來的交通費(fèi)用的降低進(jìn)一步節(jié)省了電力部門的運(yùn)行成本。

同儕壓力也能促使消費(fèi)者向正確的方向轉(zhuǎn)變。2009年，美國明尼蘇達(dá)州電力公司聯(lián)合會Connexus Energy就被立法機(jī)構(gòu)要求每年降低1.5%的能耗。降低用電量，例如，采用可再生能源、更有效地配送電力，只能滿足部分要求。顯然，Connexus Energy必須通過消費(fèi)者的努力達(dá)到降低能耗的目的。Connexus Energy聯(lián)合會與顧問公司合作實(shí)施了創(chuàng)新的計費(fèi)方案和培訓(xùn)計劃。他們向40,000戶住宅消費(fèi)者郵寄了一份報告，首先將其耗電量與最近的100戶小型住宅鄰居進(jìn)行比較，然后列出了排名前20%的“節(jié)能用戶”。為了提供真實(shí)有效的比較，Connexus Energy還創(chuàng)建了一個由40,000用戶組成的對照組。到了2009年，同儕壓力湊效了。消費(fèi)者的能源消耗降低2%，每年節(jié)約$20至$30。累計節(jié)約1百萬美元以上。隨后，98.7%的計劃參與者選擇繼續(xù)參加該項(xiàng)計劃。

現(xiàn)在，作為美國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇與再投資法案的一部分，美國政府在智能電表領(lǐng)域已經(jīng)投入$45億，旨在提高能源效率、降低峰值用電量，合理整合分布式再生能源3。

全球各國也都制定了智能電表投資計劃。

遠(yuǎn)景展望

數(shù)據(jù)表明，智能電網(wǎng)通過降低用電量、對再生能源的整合及節(jié)能，為改善環(huán)境作出重大貢獻(xiàn)。但是，如果電網(wǎng)規(guī)劃不合理、離開了消費(fèi)者的參與或者沒有對消費(fèi)者進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，就不可能達(dá)到利益最大化。機(jī)器控制不可能增強(qiáng)消費(fèi)者的意識，改變?nèi)藗兊挠秒娏?xí)慣。智能電表、太陽能板和電動汽車僅僅是供人們使用的工具。智能電表的成功取決于你和我，我們這些聰明的消費(fèi)者。

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