ADI最新技術 就在IIC-China2011春季展 
五、電表及自動抄表解決方案
引言： 《基于ADE7878的三相多功能電能表。此設計采用ADI全新發布的三相多功能電能計量模擬前端ADE7878，針對三相多功能電能表所需的各項電能計量及測量參量的精度和功能設計軟硬件。此設計可實現對基波有功、無功電量及功率的測量，并且可實現總諧波功率的測量，留有諧波分析的后續開發接口，同時還實現了視在電量及功率的測量；包括零線電流在內的電流有效值的測量，電壓有效值的測量；電網頻率的測量，各相電流，電壓之間的夾角，各相相位的測量；電網電壓電流峰值的測量，電壓跌落的檢測；還實現了包括相續錯誤判斷、零線電流與零序電流不平衡等防竊電的功能；基于ADE7878低功耗電流有效值測量的全失壓電量的計量�！� 我們都很熟悉那些隱藏在車庫、地下室或其它隱蔽之處的電表了。我們甚至可能每月會檢查它一次或兩次，并將電表上的最新讀數打電話告訴電力公司，而不是估算一個數字。隨著技術的發展，一場靜悄悄的革命正在這普普通通的電表上發生。 圖1顯示的是一款在19世紀后期開發的傳統機電式電表，它帶有一個轉盤和一個機械計數顯示器。這種電表通過計算該轉盤的旋轉圈數來計量電能，金屬轉盤的旋轉速度與所用電能成一定比例。轉盤周圍的線圈通過施加一個與瞬時電流和電壓成比例的渦電流和推力轉動轉盤，它利用一個永久磁鐵在轉盤上施加阻尼力，以在斷電后使之停止旋轉。
圖1：機電式電表 電表發展的第一個里程碑是機電式電表被固態電子式電表所代替。電子式電表利用高度集成的器件(如ADE516x1、ADE556x2 、ADE716x3、ADE756x4和ADE77xx5系列電能計量IC6來計量電能。這些器件通過一個高精度的Σ-ΔADC來將瞬時電壓和電流轉成數字量，然后計算電壓和電流的乘積，就能到以瓦特為單位的瞬時功率 。對瞬時功率按時間進行積分就可以得出已消耗的電能值，它通常以千瓦時(kWh)為單位計量。消耗的電能數據顯示在一個液晶顯示屏(LCD)上，如圖2所示。 電子式電表有很多優勢。除了可計量瞬時功率以外，它還可以計量其它參數，如功率因數和無功功率。它能夠每隔一個特定時段計量并存儲數據，這就允許電力公司提供分時段計費服務。這樣一來，聰明的用戶在費率較低的非高峰時期使用主要電器(如洗衣機和烘干機)，這樣能節省電費，而且高峰期的電能需求量減少了，電力公司也可以避免建設新的發電廠。電子式電表還不會受到外部磁場或電表本身放置角度的影響，因此它們的防竊電性能要優于機電式電表。此外，電子式電表的可靠性也非常高。 ADI公司在機電式電表向電子式電表的演變過程中起到了關鍵的作用，迄今為止已經銷售了超過2.25億塊電能計量IC。根據IMS Research公司的報告，2007年付運的所有電表中，75%是電子式的，25%是機電式的7。
圖2：固態電子式電表。 電子式電表打開新的機遇 一旦電表數據可以以電子形式得到，在電表上增加通信功能就變得很有意義了，因為這樣就允許電表通過通信鏈路使用自動抄表(AMR) 功能遠程發送電表數據。電表制造商已經開發出多種不同的遠程抄表系統架構，大致可分為近距離無線抄表系統、車載無線抄表系統和聯網抄表系統。圖3顯示了車載抄表系統。在該案例中，電力公司派出一部裝有無線數據收集器的汽車，該車只要經過居住區就可高效地收集電表數據。車載抄表系統使一個電力公司員工能夠在一天內抄到的電表數量是近距離抄表系統的五倍，是人工抄表數量的十倍。在聯網抄表系統中，電表數據被傳輸到一個固定的數據收集器，它通常位于某街道或居民區盡頭的一根電線桿上。然后數據會通過寬帶或無線蜂窩網絡傳輸到電力公司。
圖3：車載抄表器。 從AMR到AMI 最初，以AMR系統取代人工抄表只被簡單地看作是一種降低人工成本的途徑，但這一看法正在改變，因為業界認識到AMR允許電力公司方便地提供更大的好處和更好的服務(如實時計費)，從而進一步提升能效、實現故障即時報告，以及提供更精確的數據來規范網絡內用戶的用電習慣。AMI(先進抄表基礎設施)有時會替代AMR，以突出與簡單遠程抄表的區別。AMI聯網抄表系統可以利用從衛星到低成本無線電在內的各種技術來實現，其中兩種主導性新興技術是RF技術(利用開放的工業、科學和醫學(ISM)頻段)和電力線載波技術(PLC)。 RF技術采用低功耗、低成本的無線電系統來無線傳輸電表信息，PLC則利用電力線本身來傳輸。ADI公司已經開發出了針對這兩種技術的解決方案，ADF7xxx系列短距離收發器8可滿足ISM頻段RF應用的需要，而基于廣泛使用的Blackfin®處理器9的 SALEM®系列則可滿足PLC技術的需要。這兩種技術都各有利弊。特別對于水表和氣表來說，基于在水或氣旁邊部署電力線的安全問題考慮，RF技術正變成主要的選擇。水表由于經常被埋于地下，情況也更復雜一些。對于電表而言，混合使用這兩種技術看起來可能性最大，北美青睞RF，而歐洲則傾向于PLC。在美國，一小部分家庭通常只連接到一個變壓器，這使得PLC方案不太經濟。在某些情況下，電力公司采用混合方案部署AMI，電力線用于數據收集器和電表之間的通信，RF用于電表和室內其它計量表或設備之間的通信。Google地圖中有一個顯示全球AMR/AMI部署10和現場試驗的很有意思的頁面，它顯示了最新的部署信息。 設計AMR/AMI電表中的RF電路 電表通常位于擁有越來越多無線設備的房屋內部或周邊，確�？煽康臒o線電通信是一大挑戰，這就要求RF電路必須具備高性能，以抑制無線LAN等設備發出的較強信號的干擾， RF輸入端可能接收低至1微伏以下的信號，并進行解碼。 RF 模塊也要求具有良好的無線電靈敏度，因為更高的靈敏度意味著更長的信號傳輸距離。記住，電表可能位于地下室甚至地底下，它需要和幾條街之外某根電線桿上的無線電設備或與街上電力公司的抄表車進行通信。靈敏度越低，接收無線電就必須靠得越近才能正確地解碼信息。對于一個移動的車載抄表系統來說，這意味著抄表車必須與您的房屋靠得更近，但固定網絡基礎設施必須使用更小的單元和相應更多的數據收集器。因此，高靈敏度可以使網絡基礎設施的成本最小。 低功耗是電池供電的氣表和水表的關鍵性能要求。電表供應商常常努力嘗試降低電表的功耗，因為這樣一來他們就可以將相同的設計移植到水表或氣表上。此外，為了在開放的頻段內工作，計量表和抄表器使用的通信協議必須符合所在國家的無線電發射規定。目前全世界有多個開放頻段，其中最常用的是900MHz、 2.4GHz和5.8GHz。 大部分電表制造商都選擇了900MHz頻段作為電表之間和電表與數據收集器之間的通信頻段。在某一給定的功率預算下，900MHz頻段的無線傳輸距離比2.4GHz頻段更長，基站或數據收集器就可以覆蓋更大的范圍。不過，從電力公司的角度來說，使用這個頻段的一個缺點在于缺乏可用的標準。1GHz以下頻段顯然是電池供電型氣表和水表的最佳技術選擇，這推動了業界對標準化的要求，以便不同制造商的系統之間實現互操作性。已經從有線M-Bus用戶群體成長起來的無線M-Bus，就是一個計量表之間以及計量表和數據收集器之間通信標準的例子。M-Bus11目前是歐洲規范標準的一部分，詳情可見EN 13757標準。無線M-Bus協議的詳細內容在衍生標準EN 13757-4中。900MHz頻段的其它標準化工作也在進行之中。 ADF702012和即將推出的ADF7023就是900MHz的無線電器件，這兩款器件在設計過程中就考慮了計量應用的需求，這兩款器件也都適用于必須符合無線M-Bus標準的系統。圖4顯示了ADF7020的功能框圖。
圖4：ADF7020的功能框圖。 ADF7020全集成的低功耗無線電收發器可工作在以下開放ISM頻段上：中國是433MHz，歐洲是868MHz，北美則是915MHz。它集成了完整的RF發射和接收電路以及模擬和數字基帶。如圖5所示，實現一個用于AMR電表13的射頻卡，通常只需要ADF7020、一根天線、幾個外部無源器件和一個運行通信協議的簡單微控制器。ADF7020通過集成一個超低功耗的8位RISC內核來執行一些低級的通信功能，大幅減輕了外部微控制器的負擔。在很多情況下，這樣可以避免采用通信專用微控制器。電表制造商選擇ADF702x系列收發器而不是其競爭器件的另一個原因是，ADF702x系列收發器能提供業內最好的靈敏度和阻塞性能，它允許電表和數據收集器之間有更長的通信距離。 ADF7020提供超過70dB的阻塞性能，這意味著，即便在一個帶外信號比所需信號高出70dB的情況下，ADF7020也可以正確地檢測出所需的信號并進行正確的解碼。ADF7020的相鄰信道抑制指標大約為40dB，靈敏度可以達到–120dBm，具體需取決于數據率。這比表現最好的ZigBee解決方案®14的靈敏度還低出20dB。
圖5：具有AMR功能的公用儀表。 HAN網絡 隨著很多家庭將很快配備一個具有通信能力的電表，電力公司和能源管理機構開始思考未來如何利用該技術來提高能效和節能意識。利用這個有時被稱為“智能電網” 的概念，電力公司可以利用這一擴展到千家萬戶的網絡，來積極地管理電能輸送負荷。例如可以提供實時價格信息，從而讓用戶可以調整用電習慣。在用電高峰期，比如炎熱天氣時，電力公司可以給用戶發送一個信息，提醒用戶下一個小時的費率會提高，鼓勵其關掉電器，這就需要在室內安裝一個可以顯示該信息的顯示器。電力公司還可以更進一步地通過電表來控制用戶家中的電器，比如調低空調或關閉游泳池的水泵，這個系統需要電表和家用電器之間進行通信，有時這被稱為家庭區域網(HAN)。900-MHz射頻解決方案(如ADF702x和ZigBee射頻解決方案)都在這一領域找到了用武之地。 大多數業內人士都認識到，一個與先進的計量基礎設施相連的能夠完全運行的家庭區域網還需要若干年才能實現。然而，這樣的系統的好處讓今天很多公司都積極為家庭區域網開發解決方案。圖6顯示了家庭區域網的示意圖。
圖6：家庭區域網。 ADI公司專注于為電表市場提供一流的技術和產品，包括RF收發器、電能計量芯片組、RF放大器、隔離產品和電力線控制產品。ADF702x高性能全集成收發器適用于具有通信功能或支持AMI的電表，為全球電表制造商提供了緊湊、可靠和低成本的解決方案。 AMI和智能電網被視為是提高能效的關鍵潛在技術，將最終幫助實現減少二氧化碳排放的目標。ADI公司承諾提供推動這一市場發展的創新型高能效器件，并在未來繼續為提高能效和促進節能作出其應有的貢獻。 1、電能計量IC提供最高精度并防止竊電 全球領先的高性能信號處理解決方案供應商以及全世界智能電表設計和智能電網系統實施客戶的支持者，最近推出一款智能計量IC（集成電路）ADE7953，它能使智能電表具備更強大的防竊電功能，提高客戶計費精度，并且降低電力公司的運營成本。ADE7953電能計量IC針對單相電表配置而設計，可以滿足從小型公寓到使用許多電器和電子設備的大型住宅的各種家庭用電需要。新產品能夠測量有功、無功和視在功率，以及均方根電壓和電流。它還能提供零線電流測量，以幫助設計人員開發防竊電的智能電表。 ADI公司能源部門總監Ronn Kliger表示：“ADE7953能夠提高客戶計費精度，進而降低電力公司的運營成本，例如客戶服務成本等。利用新款產品提供的零線電流測量功能，設計人員可以開發出防竊電功能更強的智能電表，這對電力公司具有無可估量的價值。據估計，全球的電力公司每年由于竊電造成的收入損失達數十億美元。” ADE7953單相多功能計量IC的特性和優勢 ADE7953適合全世界的單相計量應用，在3000:1的動態范圍內，其有功和無功功率計算誤差小于0.1%，精度堪稱業界最高。對于零線電流，其在1000:1動態范圍內的有功和無功功率計算誤差小于0.1%。利用零線電流測量功能，可以實現電表竊電檢測和更高的計費精度。 這款新器件還能夠測量視在功率以及均方根電壓和電流。此外，它還能提供波形采樣、瞬時功率讀數和電能質量指示，包括電壓驟降、峰值電壓和峰值電流等。ADE7953內置三個Σ-Δ型ADC（模數轉換器）和一個高精度計量引擎。各輸入通道均支持獨立且靈活的增益級，因此ADE7953電能計量IC適合與各種電流傳感器一起使用，如低阻值分流電阻和電流變壓器等。兩個片內積分器也有助于將di/dt傳感器用于電流輸入。 其它特性和優勢包括：
電能計量IC ADE7953的推薦配套器件包括：ADP121線性調節器、AD7814溫度傳感器、ADuM141x四通道數字隔離器、ADuM120x雙通道數字隔離器、ADM2484E RS485收發器、ADM6320電源監控器電路、ADP5022降壓調節器和ADF7023 RF收發器。 對電能計量客戶至關重要 全世界已有超過2.5億塊電表采用了ADI公司的電能計量技術，其提供的電能計量解決方案超過業內其它任何廠家。ADI公司的電能計量IC以高品質、高可靠性及高性能而領譽全球，其將ADC (模數轉換器)和固定功能的DSP" target="_blank">DSP (數字信號處理器)完美結合，在實現精密計量的同時，還具有獨特的功能特點且易于使用。ADI公司提供種類廣泛的半導體解決方案，以解決電能計量系統中各方面的設計難題，其中包括電能計量、數據和電源管理、用戶接口，以及射頻(RF)、GSM/GPRS和電力線載波(PLC)通信解決方案。 2、ADI 公司的電能計量IC可為計費及電能質量檢測應用提供極高精度
三相多功能電能計量 IC 為智能電表應用提供業界最高精度 全球領先的高性能信號處理解決方案供應商，最新推出四款高精度電能計量 IC -- ADE7878 、ADE7868 、ADE7858 及 ADE7854，可用于提高商業、工業及住宅智能電表 的精度和性能。智能電表能精確地測量被消耗或產生的電量值，并與本地電力部門通信，實現電能監測、計費及其它功能。ADI 公司的最新電能計量 IC 可用于開發智能電表，為電力公司提高用戶計費精度，實現更高級的電能質量監測，并減少運營成本。 “ADI 公司很高興能為我們的客戶提供最好的電能計量技術，”ADI 公司能源部門總監 Ronn Kliger 說，“這些新推出的器件意義非凡，在總有功及無功電能的計量方面，它們的精度和動態范圍超越了電能表行業 Class 0.2規范的要求。這四款新器件還能以0.1%的精度同時測量無功和有功功率，堪稱業界首創。此外，其中一款產品 還具備基波電能測量功能，這對電能質量監測而言至關重要�！� ADI 公司新近成立了由 Ronn Kliger 領導的專門的能源部門，以滿足對電能計量、變電站自動化和一些新興應用的不斷增長的技術需求，如太陽能/風能發電、能源存儲等等。“作為電網設備制造商的一個關鍵供應商，ADI 公司深刻理解客戶的需求，”Kliger 表示，“我們向全球客戶提供支持，他們正在不斷升級自己的產品，以適應新興的智能電網系統發展趨勢。ADI 公司清楚地知道，智能電網遠比單純的智能電表更加復雜，我們可提供覆蓋整個發電、傳輸及配送鏈的解決方案。除了創新的電能計量 IC，ADI 公司還提供射頻、電力線載波通信、電源管理及數字信號處理產品，全面支持智能電網應用�！� 有分析人士指出，未來5年，隨著智能電網部署的增長，智能電表在全球安裝的數量將高達2億塊。在中國，與智能電網相關的5960億美元經濟刺激計劃正在實施過程中，預計在未來3至5年內將部署1.7億塊智能電表。而在美國政府為升級本國電網的撥款中，有一部分是用于使13%的美國家庭（1千8百萬戶家庭）在未來3年之內能裝上智能電表。在歐洲，意大利及瑞典已經完成先進計量基礎設施 (AMI) 的部署，將所有普通電表更換為智能電表。法國、西班牙、德國和英國預計在未來10年內完成 AMI 部署。 高精度、三相電能計量 IC ADI 公司的新型 ADE7878 、ADE7868 、ADE7858 及 ADE7854 高精度電能計量 IC 為多相配置而設計，包括三線及四線、Y 型及 delta 型。在1000:1的動態范圍內，它們可為有功及無功電能測量提供0.1%的精度，堪稱業界首創；在3000:1的動態范圍內，可為有功及無功電能測量提供0.2%的精度。這些新產品還可在1000:1的動態范圍內為)電流有效值和電壓有效值測量提供0.1%的精度。 除了能測量每個相位和零線電能之外，ADE7868 及 ADE7878還能監測電能質量參數，如 SAG、峰值、周期、角度測量及相序等。另一項業界首創就是在保持正常運行的同時，ADE7868和 ADE7878具備各種防竊電功能，以確保正常的工作，這可減少現場求助和電表檢修的時間。 3、ADE7878: 三相、多功能電能計量IC，可測量總功率和基波功率
ADE78781是一款高精度、三相電能測量IC，采用串行接口，并提供三路靈活的脈沖輸出。該器件內置二階Σ-Δ型ADC、數字積分器、基準電壓源電路以及所有必需的信號處理電路，可執行總（基波和諧波）有功、無功和視在功率測量，基波有功和無功功率測量，以及有效值計算。一個固定功能數字信號處理器(DSP)負責執行這種信號處理。 ADE7878適合測量各種三線、四線的三相配置有功、無功和視在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系統校準功能，即有效值失調校正、相位校準和增益校準。CF1、CF2和CF3邏輯輸出可提供許多功率信息：總/基波有功/無功功率、總視在功率或電流有效值和。 ADE7878具有波形采樣寄存器，允許訪問所有ADC輸出。該器件還提供電能質量測量，例如：短時低壓或高壓檢測、短時高電流變化、線路電壓周期測量以及相位電壓與電流之間的角度等。利用兩個串行接口SPI和I2C，可以與ADE7878通信，同時專用高速接口、高速數據采集（HSDC）端口可以與I2C配合使用，以訪問ADC輸出和實時功率信息。該器件還有兩個中斷請求引腳/IRQ0和/IRQ1，用來指示一個使能的中斷事件已經發生。 當ADE7878遭遇盜竊篡改時，三種專門設計的低功耗模式可確保電能累計的連續性。 它提供40引腳LFCSP無鉛封裝。 1正在申請美國專利。 特性 高精度；支持EN 50470-1、EN 50470-3、IEC 62053-21、IEC 62053-22和IEC 62053-23標準 與三相、三線或四線（三角形或Y形）及其它三相配置兼容 測量各相及整個系統的總（基波和諧波）有功/無功/視在功率和基波有功/無功功率 25°C時，在1000:1的動態范圍內有功和無功功率誤差小于0.1% 25°C時，在3000:1的動態范圍內有功和無功功率誤差小于0.2% 支持電流變壓器和di/dt電流傳感器 欲了解更多特性，請參考數據手冊 |
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