智能电表与功能电表分析

时间：2024-02-25 10:21:11     来源： wwwkaiyun.com

                                                                                            

  最早的电能表是感应式机械电能表（简称机械表），它是通过电场产生磁场，对转盘产生一个力矩而计量电能的，传统的机械表只是作为电能计量使用，功能相对而言比较单一，而且其稳定性、精度、灵敏度方面都比较难控制，需要定时做校调；随着电子技术的发展，电子式电能表得到了愈来愈普遍的应用，由于从计量到数据处理都采用集成电路为核心的电子器件，从而取消了电能表上经常使用的机械部件，使得电能表的体积大大减小，可靠性、精度大大增强，而随着单片机、智能芯片在电能表中的运用，使得电能表有了更多更强的功能，于是又发展出了可以白天夜晚分时计量的分时电表、智能IC卡预付费电表、具有红外抄表和异地抄表功能的电表、防窃电电表等这些多功能电能表。

  但是这些多功能电能表与真正意义上的智能电表还是有很大差异的，真正的智能电表该是怎样的呢？

  我国在09年10月提出了国网智能电表企业标准，对智能电表做了一个比较明确的要求。虽然今年标准进入了全面修订的阶段，但是对智能电表的基础要求还是明确的，通常它会具备以下几个功能。

  作为电网的入户接口，一方面电网通过智能电表将安全、高质的电能输送到用户的用电设备上；而随着新能源的广泛应用，许多分布式新能源，如风能、太阳能等，已经在用户端得到了充分的使用，这种微型分布式能源也能够最终靠智能电表反馈到电网中，与电网实现并网。所以智能电表需要具备双向电能传输和计量的功能。

  当然借助智能电表内部MCU强大的计算能力支持，智能电表还能够直接进行可靠的电能管理，比如分时管理、用户用电情况分类管理、最大负荷控制等等。通过这一些管理为一些高耗能的设备从用电高峰时段转到非用电高峰时段提供优惠折扣，实现错峰避峰用电，提高电网的运行效率，也为用户节省开支。

  这个双向通信包括两个方面，一个是智能电表与用户交互终端的双向通信，另一个就是智能电表与配电网之间的双向通信。作为用户终端与电网的衔接单位，智能电表可以对用户使用终端的用电情况做管理，而用户终端可以将实时的将用电情况反馈给智能电表；而配电网这边，智能电表能够最终靠通信网络将用电信息发给配电网，配电网又能够最终靠通信网络对智能电表进行实时调控。

  目前智能电表与用户终端的通信主要是通过如ZigBee、WiFi等无线通信方式，还有一些专用总线，如M-Bus以及电力线调制解调方式来实现，用户终端则通过能源网关与智能电表进行互联；而智能电表与远端的配电网之间的通讯方式也有多种形式，如电力线路的载波通讯（PLC）、无线网络通讯（WiMax、OFDM等）、通信网络通讯等。这边也顺便提下，借着“智能电网”这块金字招牌，国网也在积极建造自己专属的电力光纤通信网络，相信在未来几年国网有可能构建除中国电信、中国移动、中国联通和广电之后的第五张光通信网络。[page]

  借助远程通信功能，用户在异地能够最终靠互联网或者移动通信网络对家里的各种智能负荷，如空调、洗衣机、冰箱、照明等实现远端开关控制，同时通过智能电表的远端通信功能还能轻松实现异地监控和报警。

  当然到目前为止，国际上对智能电表还没有广泛接受的定义，很多概念不完善或还不明确，这也是为什么国网智能电表企业标准实施才两年多就得全面修订的原因。但是满足上述三点要求基本上就可以认为是智能电表了。

  智能电表的概念最近几年可以说炒的很热，表面上看，是国家电网、南方电网这些政府机构在推进智能电网的建设和智能电表的安装及改造，但是实际主导“智能化”的却是在电子领域有着核心技术的半导体巨鳄们和一些大型的IT企业。

  我们能够正常的看到诸如飞思卡尔、德州仪器这些半导体大佬，他们有着智能电表完整的解决方案，包括最基本的计量、液晶显示，还有扩展的通讯、防窃电功能等等，另外它们还参与各种标准的制定，比如在智能电表通信中大范围的应用的ZigBee、电力线载波通信（PLC）、、ITU-T G.9955/9956窄带电力线载波通信标准等等。下面就粗略地介绍下各半导体厂商在智能电表上的一些方案和产品。

  是由原摩托罗拉半导体部转变而来，作为全球最大的半导体公司之一，其在汽车、消费、工控、网络和无线通信领域有着丰富的产品线，在全球三十多个国家和地区拥有设计、研发、制造和销售机构。

  在智能电表领域，飞思卡尔提供了节能的8位和32位微控制器解决方案，其中MZ系列是专门针对中国智能电网的新标准定制的，其中集成了模数转换器、定时器、多达69个通用输入/输出端口以及多种通信接口；通信模块则通过MC1322x系列RF低功耗产品很方便的实现ZigBee应用；而在防篡改方面，通过飞思卡尔NMA766x、NMA7455x系列的加速度传感器则可以很方便进行设计。

  作为同样属于全球领先的半导体厂商，意法半导体也有一系列的产品在支持智能电表设计。微处理器方面，基于ARM Cotex-M内核的STM32系列集成了众多的资源，Flash从16K到1M范围可选，RTC降到了1uA，最多支持15个通信接口，而STM32W更直接在芯片上集成了射频模块，用户都能够直接在上面进行基于IEEE 802.15.4通信协议的设计；针对电力线载波通信，意法半导体有ST7570、ST7580、ST7590这样的产品提供；而专对于能源计量的设计，单相电表意法半导体有STPM10来应对，三相电表意法半导体有STPMC1、STPMS2这样的产品。

  作为一家老牌半导体厂商，德州仪器的产品线也是相当丰富，在收购了国家半导体之后，其在电源管理芯片上的技术又更强大了。智能电表应用这块，微处理器是采用MSP430系列；在射频IC这块，CC2520和CC2530是属于第二代的2.4GHz ZigBee芯片，可供ZigBee AMI之用。

  智能电表的出现极大的方便了我们的生活，随只能电网的建设，智能电表肯定也将进入千家万户。但是智能电表带来的问题同样也不容忽视，比如其发射的无线电波是否对人体健康造成影响，是否会对生物系统造成破换，智能电表的应用是否会造成隐私的泄露等等，也是人们越来越关注的问题；同样，智能电表的推广也是传统电力行业与新兴电力厂商——如半导体厂商、IT厂商利益较力的一个过程，这势必是一个艰难而漫长的阶段；另外，智能电表的大规模应用是否会对国家安全造成影响，自动抄表代替人工抄表后使得富余下来的大量人力怎么样处理等，这些都是智能电表在推广中必须面对和解决的问题。

  由于具有节能和改善电网效率的优点，预计电力企业将迅速采用智能电表，推动2011-2016年全球出货量增长两倍，并带动相关的半导体市场扩大一倍。 据IHS iSuppli公司，2016年全球智能电表出货量将从2011年的2050万个增长到6200万个。2016年全球智能电表所使用的半导体的销售额将从2011年的5.056亿美元上升到11亿美元。下图所示为IHS iSuppli公司对于全球智能电表出货量与相关半导体销售额的预测。 利用智能电表代替传统电表的初衷是节能。但是，更加诱人的是引入智能电网。通过采用智能电表，电力企业最终将形成一个规划完善的电网，使其能够规划发电能力，并更加有效地管理其资源

  出货量将是今年的三倍 /

  集成化器件减少了更高能的便携式应用及工业系统中元器件的总数 美国加利福尼亚州桑尼维尔市，2007年4月25日 ——专为移动消费电子设备提供电源管理半导体器件的开发商研诺逻辑科技有限公司（AnalogicTech， 纳斯达克交易代码：AATI) ，日前宣布推出业界首款集成式受压摆率控制的负荷开关——AAT4285，它能够支持12V电压的应用。AAT4285通过将电平位移和压摆率控制功能集成到一块单片器件中，使得设计人员在便携式消费产品领域以及非便携式工业系统领域的各种新型12V应用中，不但可以减少功率消耗，而且还可将外围元器件的使用总数降到最少。 “到目前为止，在由5V电压供电的各种便携式系统中，我们的各类受压摆率控制

  智能电能表作为智能电网的重要组成部分，其技术标准也在不断地发展之中，使得相应的芯片技术也在日益提高。以市场需求量最大的单相智能电能表为例，其技术发展主要体现在以下几个方面： 计量准确度要求慢慢的升高，电流范围越来越宽，从之前的5（20）A到现在的5（60）A，再到1（100）A，早期的计量芯片已不足以满足当前电能表设计的要求，高精度、宽量程的计量芯片被大范围的应用。 数据和事件处理要求慢慢的变多，使得MCU的运算能力和程序容量逐步的提升，传统的8-bit MCU会逐渐被32-bit MCU所取代。 智能电能表作为智能电网的最终节点，其数据通信要求越来越强，对外的通信方式有RS485、PLC、红外，并且要求各通信接

  设计方案 /

  德仪(TI)23日召开记者会，针对智慧电网发展的未来趋势，和公司的智慧电网产品布局做出说明。德仪嵌入式系统经理陈俊宏指出，估计全球能源的消耗量到2050年，将较现在翻3倍，随着人口持续膨胀，以及替代能源难寻，人们若不改变使用习惯，能源消耗的速度只会慢慢的快。由此可见，节能的议题日趋重要，而相较于目前机械式电表，消费者要等到一个月后才会发现了自己用了多少电，智慧型电表则能够更即时的反映消费者的使用习惯，他相信其后续需求将慢慢的变大。德仪引述iSuppli的资料，指出半导体产业应用于智慧电网的相关这类的产品市场规模，到了2020年，将会较现在成长5倍。 关于德仪在此领域的竞争优势，他强调，全球一年的智慧电表出货量约在一亿台左右，而德仪因

  国家电网于2009年7月确定了智能电网的发展规划之后，智能电网发展便成为中国的重点发展领域。根据规划，“十二五”期间，国家电网公司电网智能化投资的总额为2861.1亿元，年均投资为572.2亿元，较“十一五”250亿元的年均投资大幅翻番。随着我们国家智能电网进入全面建设时期，刺激智能电表也产生了巨大的市场需求，根据《智能电网“十二五”规划》，国家电网在“十二五”期间智能电表安装量将达到2.3亿只。广发证券的研究报告显示，从往年招标数量来看，国网公司2009年~2013上半年智能电表招标量分别为290万只、4537万只、5990万只、7593万只和4572万只，智能电表需求受到农网改造、新增需求及更新需求的刺激，总需求超过最初规划的可能

  通信及发展 /

  在物联网潮流的推动下，围绕家居以及生活的智能化成为了全球科学技术企业争相投入重兵的领域。据Juniper Research最新研究，到2018年，智能家居市场总规模将达到710亿美元，中国智能家居市场规模将达到1396亿人民币，约占全球总规模的32%。其实，智能家居还只是智能生活的一小部分，包括智能建筑、智能交通、智能医疗等跟我们的生活息息相关的方方面面，都属于智能生活的范畴。能预见，未来智能生活的市场容量可谓空前，这也为智能设备的基础--电子元器件提供了巨大商机。基于此背景，ROHM于2015年6月~8月在全国5个城市举办了以 “罗姆对智能生活的贡献”为主题的“2015 ROHM科技展”。 “ROHM科技展”是ROHM举办的

  近年来，世界各国均发展智能电网，智能电表在这应用中发挥关键作用，可以使用户与电力系统之间实现互动，如一方面帮助电力机构精确了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电价；另一方面，用户也能调整自己的用电计划，节省电费支出。 从智能电表的组成来看，最重要的包含通信、电源及电源管理、计量及存储等功能模块。安森美半导体身为应用于高能效电子科技类产品的首要高性能硅方案供应商，提供应用于智能电表各个功能模块的丰富解决方案，如PLC调制解调器和线路驱动器、放大器、稳压、监控、电压保护、温度传感器、实时时钟、存储器、LCD背光、I/O接口、智能卡接口和I/O扩展器等。 其中，就电源及电源管理模块(参见图1)而言，

  电源方案 /

  智能电网的核心价值是提高能效,利用各种高科技手段提升发、输、配、用电各环节的运行管理上的水准,节约世界资源,保护自然环境;智能电网更加适应多种能量单元发电、配电、用电方式的需要,更加适应市场化的电力交易的需要,更加适应客户的自主选择需要。 国家新能源汽车产业发展规划, 2010～2015年是电动汽车产业化和大规模推广应用的关键5年。相关研究表明, 2016年是电动汽车产业化发展的拐点,电动汽车发展进入高速成长期,预计到2020年,上海市电动汽车市场规模预计可达约35万辆(按市场渗透率15%计算) 。大量的车辆充电将带来新一轮的负荷迅速增加,以每辆车配置12 kW·h电池计算,这些电动汽车日充电所用电量约为336万kW·h (按0. 8同时

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