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隔离传感器:智能电表防窃电的关键

    公用事业单位正在推动采用微控制器的智能电表替代老式的机电电表,智能电表除了有智能和通信能力以外,还能防止篡改。

    另外,还存在着一个发展中的单个小型电表市场,以及在服务器级(或单个设备网络级)上作计量的新兴市场。

    要求

    在无线网络与802.11设备尚未提供与蜂窝技术相同质量以前,FMC(固定/移动融合)技术不可能起飞。

    供应商与服务提供商必须以FMC的主要好处作资本:即能够用一台设备和一个电话号码,同时用于移动网络和公司或家庭网络。

    需要做大量测试,证明Wi-Fi漫游的效率足以维持数据流量、话音质量以及呼叫连续性。

    工程上高效的Wi-Fi-蜂窝之间切换需要对后端蜂窝网络和决策算法作复杂的修改。

    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SmartGird(智能电网)电力分配系统。

    SmartGrid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SmartGrid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SmartGrid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SmartGrid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。

    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(ONSemiconductor)公司、Maxim、AnalogDevices、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120VAC和高达240VAC,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KouroshBoutorabi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。

责任编辑:张巍

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