防窃电智能电表的关键是隔离传感器
发布时间：2009-8-4 11:17
发布者：贾延安
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今天，美国大多数民用和商业建筑还在用老式的机电型电表跟踪电力的使用情况。这些表可靠且便宜，但不适于需要精确、可重复电力计量以及有线或无线通信的电力分配系统，换句话说，不适合即将到来的Smart Gird（智能电网）电力分配系统。 Smart Grid需依赖有完备通信能力的智能电表来监控能量使用，使居民和商务消费者都能对能源用量和使用时间作出有根据的决策。但Smart Grid也面临着困难。虽然在联邦政府方面，华盛顿已通过了相关立法，如2007年能源法案和2009年的刺激计划，但公用事业机构实际上是以各州为基础分配电力。在Smart Grid的准备中，加利福尼亚州与德克萨斯州是最积极地转向智能计量的两个州（参考文献1）。 无论 Smart Grid是否能在（美国）国家层面上以某种形式顺利和无缝地进行下去，已有足够的独立公用事业机构正在采购和安装电子电表，使之成为了一个重要的市场。看一下过去20年来的重要应用：手机、计算机、大屏幕电视。它们之所以声名显著是因为拥有一个数亿元的市场。公用事业安装的电表也有一个类似的庞大市场。每个房屋和商业建筑都需要一块电表。今后10年内，全球公用事业公司可能要更换5亿块电表。  智能电表由一个带有板载ADC和DAC的微控制器、一个电压和电流检测元件、一个AC/DC电源转换器、备份电池以及无线或有线通信功能组成（图1）。 多家公司都提供电表IC，包括德州仪器（TI）公司、安森美半导体（ON Semiconductor）公司、Maxim、Analog Devices、Teridian和e2v。这些IC基本都是微控制器，它们追踪电量的使用信息以及从公用事业机构回传的信息。它们可以对电压波形和质量作一些DSP运算，将信息传送到一个显示屏，并存储待发的信息。虽然“智能电表”这个词汇表示微处理器是中心元件，但防篡改措施则使电流检测元件和电源备份的选择成为智能电表的重要决策。 电表中主要采用了三种类型的电流检测技术：电流变压器、Rogowski线圈以及电阻分流器。使用哪种技术取决于电力分配是多相还是单相。世界上多数家庭只使用从发电机进入家中布线的单相电源。美国民用市场采用一种分相配电，它向居民提供120V AC和高达240V AC，需要用一个电流变压器作为隔离电压/电流传感器。北欧的商用与某些民用电力是三相电源，但家里一般还是单相。一般来说，在检测电压与电流以确定计量的使用电量时，单相配电系统中会使用一支分流电阻，而在分相或三相系统中使用电流变压器或Rogowski线圈，因为跨不同相位测量的电压会超过半导体器件的电压容限。  最常用的隔离传感器依次是：电流变压器、Rogowski线圈和霍尔效应传感器（图2）。电流变压器有一个铁芯，很容易受到强大永久磁场的影响。靠近变压器的磁铁会使磁芯饱和，使检测线圈无法拾取交流线上的AC电场。Rogowski线圈为空气磁芯，包括一卷围绕着电力线的导线。与铁芯不同，空气磁芯在强永久磁场情况下不会饱和。但是，它易于受其它篡改方法的作用，如存在一个大电感场时，它会耦合到线圈上，压制住线圈要检测的AC电流。 霍尔效应传感器采用一种半导体器件，检测电线中变动的电流所产生的磁场。但它们的读数会随温度而变化，不能在宽的电流区间上永远保持线性。这个问题在美国市场上更严重，因为这里的电表额定值高达200A，而在其它国家（如印度）电表测量20A或40A。Teridian公司电表产品业务部副总裁兼总经理 Kourosh Boutorabi表示：“线性度在美国这样的市场很重要。公用事业单位对电表的误差要求是0.2%。世界其它地区的公差接近1%。如果你用电较多，则测量中较多的损耗就更重要，而测量精度也更重要。” 霍尔效应传感器也有优点，他说：“虽然它们不（像电流变压器那样）精确，但它们比较便宜。霍尔效应传感器可以不用物理连接，而直接靠上（电力线）。”如果用电流变压器，则必须手工将电力线与检测线圈装配起来。 世界上大多数电表都是单相表，用一个简单的分流电阻作电流检测元件。Bourns公司电阻产品部产品营销经理Cathal Sheehan将分流法的特性描述为简单、廉价和不受磁场与感应场影响，后者常使磁性和感性传感器产生混乱。 Analog Devices公司能源计量产品营销工程师Mark Strzegowski承认，分流法不提供多个相位之间的隔离，所以你需要在其它地方提供隔离功能。该公司的方案是使用一个带隔离平面变压器的分流电阻，它采用该公司用于隔离元件的iCoupler技术：iCoupler与分流电阻两者相加，仍然低于电流变压器或Rogowski线圈的成本，并且仍保持测量的线性。Strzegowski说：“选择电流检测技术时要考虑的重要问题之一是客户要求的性能。市场有一种趋向更宽动态范围的趋势，而这也增加了更多的测量次数。你需要以相同的精度，准确地测量从100A到100mA的电流，因为0.1%是一个典型的精度规格。” 分流电阻天生就存在着发热问题：虽然它们的响应线性度很好，但它们无法处理一些最大的负荷，因为有自加热效应。同样，电流变压器一般需要补偿的相位失真较小，尤其是当应用需要更精密的测量时，如对电抗与谐波能量的测量。一般来说，单相电表用分流电阻作传感器，而三相电表则采用电流变压器。 Power Integrations公司产品营销经理Silvestro Fimiani认为，除了防止篡改以外，电表的效率也很重要，尤其是在不久的将来，全球可能安装或更换的电表超过1亿部。他说：“在电表的寿命期间，由于电表的无效使用耗费的能源成本会多达20美元。这与电表的成本相当。”在智能电表世界中，Fimiani可能是少有的强调能源效率的人，几乎没有其它供应商关心电表效率，也许因为电表的采购者一般是公用事业机构，而不是为电表功耗付费的组织。这个成本是不可见的，但却会转嫁给消费者。 电表中的元器件应耗能很少，原因不仅是要节省成本和提高效率，也是为了确保在电池供电情况下，电表也能高效运行。电表用电池供电似乎是一个奇怪的想法，但智能电表必须在掉电情况下也能持续工作。 电表中电池备份的重要性与所在区域有关。例如在美国，如果停电，则没有可测量的东西，因此几乎不存在让电表处于苏醒状态的需求。Analog Devices公司的Strzegowski指出，印度的情况不同，一些规定要求系统中必须有两支电池。一支电池为电表提供的能量可将读数和信息保存24 或48小时，并保持显示屏点亮。另一支电池则要将电表信息保持至少两年时间，防止电表被篡改。它将电表从电力线中移开，这样电表电路中就没有电压，但电力仍然在电线中输送。 电表的电池备份一般采用锂/亚硫酰氯电池，它的自放电率为纳安量级，存放寿命超过10年。Tadiran公司是此类电池最大的美国制造商。电池本身足以完成电表中数据的备份，但不能通过无线通信将数据发出去。有一种方案是用电池对一只超级电容作涓流充电。超级电容制造商Cap-xx公司应用工程副总裁Pierre Mars解释政府的规定如何影响电表：“虽然电表接在主电力线上，有冗余电源，但电表不能用它来发送数据。举个例子，当我在澳洲时，那里的规定是电表从用户电力线中获得的能量不能超过2W，所以它们需要用一只超级电容，为GSM突发通信传输提供能量，这需要0.6ms的突发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规则，而不是限定最高使用功率，就不存在这个问题了。 另外，超级电容还提供足够作“临终遗言”式传输的功率，如当电力网中断时，超级电容备份的电量够作一次传输，警告电表已掉电。 全世界各个地区因偷电造成的电力损失各不相同：美国可能不到4%，而印度报告说损失大于10%，拉丁美洲国家的这种损耗可达20%。对于防窃电表的研究是转向智能电表的另一个原因。篡改一块电表最简单和最常见的方法是采用传感器。 为什么在美国防窃电方法很重要？因为随着电力用量的不断提高，4%的损失也足以引起公用事业单位的注意。但更重要的是，窃电是非法“大麻屋”最常用的能源。在乡村地带，这些房屋的电费账单很容易达到每月1万美元，而从邻近电力线偷电是最简单的取电方式。邻居和公用事业单位都不喜欢“大麻屋”，采用智能电表可能是一种抑制这类活动的有效方法。不过有些人也担心任何涉及大型组织（如政府或公用事业机构）的活动都是在监控个人的行为（见附文《用Google查询你的用电状态》）。 飞升的能源价格也促使非公用型应用调整自己的电力测量工作。TI公司大批量模拟与逻辑业务高级副总裁Dave Heacock表示，服务器农场（server farm）有时会要求自己的前端AC/DC电源供应商提供电力测量功能，这样农场可以根据使用情况向客户收费：如在高峰时间的用电将收取较高的费率。 Heacock说：“用户会想，‘我得在半夜电力价格较低时再作所有的信用卡交易’”。 对这种应用的容限可能不如一块公用电表那么严格：Heacock建议，对负载大于满负荷20%的情况，这类测量设备的典型公差为2%，而在5%满负荷时降到5%。他解释说，相对宽松容限的原因是他们不希望增加解决方案的成本。 |
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