【編者按】智能電表除了有智能和通信能力以外玲销，還要能防止篡改跷塘，電流變壓器作為隔離電壓/電流傳感器在只能電網(wǎng)中可以起到防竊電的作用瞪殖。

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　　目前厌棵，美國多數(shù)民用和商業(yè)建筑還在用老式的機電型電表跟蹤電力的使用情況因郁。這些表可靠且便宜，但不適于需要精確醇票、可重復計量以及有線或無線通信的電力分配系統(tǒng)加鄙，換句話說，不適合即將到來的智能電網(wǎng)（smart grid）電力分配系統(tǒng)。

　　智能電網(wǎng)需依賴有完備通信能力的智能電表來監(jiān)控能量使用溜盾，使居民和商務消費者都能對能源用量和使用時間作出有根據(jù)的決策肴士。但智能電網(wǎng)也面臨著困難。雖然在聯(lián)邦政府方面盔却，華盛頓已通過了相關(guān)立法丸臀，如2007年能源法案和2009年的刺激計劃，但公用事業(yè)機構(gòu)實際上是以各州為基礎分配電力奖锦。在智能電網(wǎng)的準備中吉恍，加利福尼亞州與德克薩斯州是最積極地轉(zhuǎn)向智能計量的兩個州。

　　無論智能電網(wǎng)是否能在（美國）國家層面上以某種形式順利和無縫地進行下去景殷，已有足夠的獨立公用事業(yè)機構(gòu)正在采購和安裝電子電表溅呢，使之成為了一個重要的市場。今后10年內(nèi)猿挚，全球公用事業(yè)公司可能要更換5億塊電表咐旧。

　　智能電表由一個帶有板載ADC和DAC的微控制器、一個電壓和電流檢測元件绩蜻、一個AC/DC電源轉(zhuǎn)換器铣墨、備份電池以及無線或有線通信功能組成。

　　智能電表除了有智能和通信能力以外辜羊，還要能防止篡改踏兜。

　　多家公司都提供電表IC，包括德州儀器（TI）公司八秃、安森美半導體（ONSemiconductor）公司碱妆、Maxim、AnalogDevices昔驱、Teridian和e2v疹尾。這些IC基本都是微控制器，它們追蹤電量的使用信息以及從公用事業(yè)機構(gòu)回傳的信息榄湿，可以對電壓波形和質(zhì)量作一些DSP運算宽酣，將信息傳送到一個顯示屏，并存儲待發(fā)的信息宛扒。
　　雖然“智能電表”這個詞匯表示微處理器是中心元件优麻，但防篡改措施則使電流檢測元件和電源備份的選擇成為智能電表的重要決策。

　　電表中主要采用了三種類型的電流檢測技術(shù)：電流變壓器治队、Rogowski線圈以及電阻分流器胯绢。使用哪種技術(shù)取決于電力分配是多相還是單相。世界上多數(shù)家庭只使用從發(fā)電機進入家中布線的單相電源鼻肉。美國民用市場采用一種分相配電瓦式，它向居民提供120VAC和高達240VAC恒猴，需要用一個電流變壓器作為隔離電壓/電流傳感器。北歐的商用與某些民用電力是三相電源幸瓢，但家里一般還是單相诉母。一般來說，在檢測電壓與電流以確定計量的使用電量時冀泻，單相配電系統(tǒng)中會使用一支分流電阻常侣，而在分相或三相系統(tǒng)中使用電流變壓器或Rogowski線圈，因為跨不同相位測量的電壓會超過半導體器件的電壓容限腔长。

　　最常用的隔離傳感器依次是：電流變壓器袭祟、Rogowski線圈和霍爾效應傳感器验残。電流變壓器有一個鐵芯捞附，很容易受到強大永久磁場的影響∧唬靠近變壓器的磁鐵會使磁芯飽和鸟召，使檢測線圈無法拾取交流線上的AC電場。Rogowski線圈為空氣磁芯氨鹏，包括一卷圍繞著電力線的導線欧募。與鐵芯不同，空氣磁芯在強永久磁場情況下不會飽和仆抵。但是跟继，它易于受其它篡改方法的作用，如存在一個大電感場時镣丑，它會耦合到線圈上舔糖，壓制住線圈要檢測的AC電流。

　　霍爾效應傳感器采用一種半導體器件漂岔，檢測電線中變動的電流所產(chǎn)生的磁場脊直。但它們的讀數(shù)會隨溫度而變化，不能在寬的電流區(qū)間上永遠保持線性辰想。這個問題在美國市場上更嚴重辖醒，因為這里的電表額定值高達200A，而在其它國家（如印度）電表測量20A或40A远驹。Teridian公司電表產(chǎn)品業(yè)務部副總裁兼總經(jīng)理KouroshBoutorabi表示：“線性度在美國這樣的市場很重要梧部。公用事業(yè)單位對電表的誤差要求是0.2%。世界其它地區(qū)的公差接近1%安坏。如果你用電較多泊嗤，則測量中較多的損耗就更重要，而測量精度也更重要艰欲÷”

　　霍爾效應傳感器也有優(yōu)點，KouroshBoutorabi說：“雖然它們不（像電流變壓器那樣）精確，但它們比較便宜泡徙〕髋簦霍爾效應傳感器可以不用物理連接，而直接靠上（電力線）堪藐±蚶迹”如果用電流變壓器，則必須手工將電力線與檢測線圈裝配起來礁竞。

　　世界上大多數(shù)電表都是單相表糖荒，用一個簡單的分流電阻作電流檢測元件。Bourns公司電阻產(chǎn)品部產(chǎn)品營銷經(jīng)理CathalSheehan將分流法的特性描述為簡單模捂、廉價和不受磁場與感應場影響捶朵，后者常使磁性和感性傳感器產(chǎn)生混亂。

　　AnalogDevices公司能源計量產(chǎn)品營銷工程師MarkStrzegowski承認狂男，分流法不提供多個相位之間的隔離综看，所以你需要在其它地方提供隔離功能。該公司的方案是使用一個帶隔離平面變壓器的分流電阻岖食，它采用該公司用于隔離元件的iCoupler技術(shù)：iCoupler與分流電阻兩者相加红碑，仍然低于電流變壓器或Rogowski線圈的成本，并且仍保持測量的線性泡垃。Strzegowski說：“選擇電流檢測技術(shù)時要考慮的重要問題之一是客戶要求的性能彬界。市場有一種趨向更寬動態(tài)范圍的趨勢，而這也增加了更多的測量次數(shù)秘鳞。你需要以相同的精度垛夷，準確地測量從100A到100mA的電流，因為0.1%是一個典型的精度規(guī)格躯琐⊥笛眨”

　　分流電阻天生就存在著發(fā)熱問題：雖然它們的響應線性度很好，但它們無法處理一些最大的負荷囊古，因為有自加熱效應彰派。同樣，電流變壓器一般需要補償?shù)南辔皇д孑^小狠压，尤其是當應用需要更精密的測量時司终，如對電抗與諧波能量的測量。一般來說相品，單相電表用分流電阻作傳感器吻唐，而三相電表則采用電流變壓器陕见。

　　PowerIntegrations公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理SilvestroFimiani認為涂滴，除了防止篡改以外，電表的效率也很重要烤低，尤其是在不久的將來，全球可能安裝或更換的電表超過1億部笆载。他說：“在電表的壽命期間扑馁，由于電表的無效使用耗費的能源成本會多達20美元。這與電表的成本相當凉驻∧逡”在智能電表世界中，F(xiàn)imiani可能是少有的強調(diào)能源效率的人涝登，幾乎沒有其它供應商關(guān)心電表效率雄家，也許因為電表的采購者一般是公用事業(yè)機構(gòu)，而不是為電表功耗付費的組織胀滚。這個成本是不可見的趟济，但卻會轉(zhuǎn)嫁給消費者。

　　電表中的元器件應耗能很少蛛淋，原因不僅是要節(jié)省成本和提高效率咙好，也是為了確保在電池供電情況下蔗须，電表也能高效運行羊脾。電表用電池供電似乎是一個奇怪的想法，但智能電表必須在掉電情況下也能持續(xù)工作玛耿。

　　電表中電池備份的重要性與所在區(qū)域有關(guān)认畦。例如在美國，如果停電漱蔬，則沒有可測量的東西御颇，因此幾乎不存在讓電表處于蘇醒狀態(tài)的需求。AnalogDevices公司的Strzegowski指出语诈，印度的情況不同材框，一些規(guī)定要求系統(tǒng)中必須有兩支電池。一支電池為電表提供的能量可將讀數(shù)和信息保存24或48小時察颅，并保持顯示屏點亮缰俭。另一支電池則要將電表信息保持至少兩年時間，防止電表被篡改叫质。它將電表從電力線中移開京挖，這樣電表電路中就沒有電壓，但電力仍然在電線中輸送物喷。

　　電表的電池備份一般采用鋰/亞硫酰氯電池卤材，它的自放電率為納安量級，存放壽命超過10年峦失。Tadiran公司是此類電池最大的美國制造商扇丛。電池本身足以完成電表中數(shù)據(jù)的備份术吗，但不能通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)出去。有一種方案是用電池對一只超級電容作涓流充電帆精。超級電容制造商Cap-xx公司應用工程副總裁PierreMars解釋政府的規(guī)定如何影響電表：“雖然電表接在主電力線上藐翎，有冗余電源，但電表不能用它來發(fā)送數(shù)據(jù)实幕。舉個例子吝镣，當我在澳洲時，那里的規(guī)定是電表從用戶電力線中獲得的能量不能超過2W昆庇，所以它們需要用一只超級電容末贾，為GSM突發(fā)通信傳輸提供能量，這需要0.6ms的突發(fā)6W功率整吆，而平均功率不到0.75W拱撵。”Mars指出绎揭，如果政府制定能源使用的規(guī)則卑绢，而不是限定最高使用功率，就不存在這個問題了叉室。

　　另外蛮嘹，超級電容還提供足夠作“臨終遺言”式傳輸?shù)墓β剩绠旊娏W(wǎng)中斷時布撑，超級電容備份的電量夠作一次傳輸诲要，警告電表已掉電。

　　全世界各個地區(qū)因偷電造成的電力損失各不相同：美國可能不到4%辩洪，而印度報告說損失大于10%粱目，拉丁美洲國家的這種損耗可達20%。對于防竊電表的研究是轉(zhuǎn)向智能電表的另一個原因合荞。篡改一塊電表最簡單和最常見的方法是采用傳感器挫蓝。

　　為什么在美國防竊電方法很重要？因為隨著電力用量的不斷提高僻邀，4%的損失也足以引起公用事業(yè)單位的注意抒寂。但更重要的是，竊電是非法“大麻屋”最常用的能源伴网。在鄉(xiāng)村地帶蓬推，這些房屋的電費賬單很容易達到每月1萬美元，而從鄰近電力線偷電是最簡單的取電方式澡腾。鄰居和公用事業(yè)單位都不喜歡“大麻屋”沸伏，采用智能電表可能是一種抑制這類活動的有效方法。不過有些人也擔心任何涉及大型組織（如政府或公用事業(yè)機構(gòu)）的活動都是在監(jiān)控個人的行為动分。

　　飛升的能源價格也促使非公用型應用調(diào)整自己的電力測量工作毅糟。TI公司大批量模擬與邏輯業(yè)務高級副總裁DaveHeacock表示红选，服務器農(nóng)場（serverfarm）有時會要求自己的前端AC/DC電源供應商提供電力測量功能，這樣農(nóng)場可以根據(jù)使用情況向客戶收費：如在高峰時間的用電將收取較高的費率姆另。Heacock說：“用戶會想喇肋，‘我得在半夜電力價格較低時再作所有的信用卡交易’”。

　　對這種應用的容限可能不如一塊公用電表那么嚴格：Heacock建議迹辐，對負載大于滿負荷20%的情況蝶防，這類測量設備的典型公差為2%，而在5%滿負荷時降到5%袍城。他解釋說叨斜，相對寬松容限的原因是他們不希望增加解決方案的成本。

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