智能型电表技术提升能源效率让世界变得更环保

介绍

对于隐藏在车库、地下室、或是其它不易看见位置的电表，我们都相当的熟悉。我们可能只有去看过这些电表一、两次，为的是要将最新的读数以电话通知水电公司，而非任由其估算。拜科技之赐，在这些不起眼的电表内，一场沉默的革新正在发生当中。

最早于19世纪后期所开发的传统机电式电表的范例，它具有一组转盘以及机械式的计数器显示表。这种电表透过计算该转盘的旋转圈数来计量电能，金属转盘的旋转速度与所用电能成一定比例。转盘周围的线圈通过施加一个与瞬时电流和电压成比例的涡电流和推力转动转盘，它利用一个永久磁铁在转盘上施加阻力，以在断电后使之停止旋转。

在电表发展的里程碑就是以固态电子式电表(solid-state electronic meter)取代机电式电表。电子式电表利用诸如来自于ADI公司或其他供货商所提供经过高度整合的零件来量测电能。这些部件会透过高分辨率的sigma-delta模拟数字转换器(ADC)，将实时的电压与电流予以数字化。计算电压与电流的产品会以瓦特(watt)来表示实时功率。再将时间予以整合之后则可以显示所使用的电量，此通常会以每小时千瓦(kWh)来表示。电能的数据会显示于液晶显示屏幕(LCD)中。

电子式电表具有多项优点。除了量测实时功率之外，这些电表也可以量测其它的参数，像是功率因子(powerfactor)以及无效功率(reactive power)等。在特定期间之内的数据可以被加以量测与储存，让电力公司可以依据每日不同时段的使用量提出价格计划。这将使聪明的消费者可以在较低成本的高峰时段使用主要的耗电装置，像是洗衣机与烘干机等，进而达到省钱的目的；而电力公司则能够因为尖峰时段所需负载较低，进而避免了新发电厂的兴建。电子式电表不会受到外部磁铁或是电表本身的方向所影响，因此比起机电式电表更不易遭到窜改：同时也相当的可靠。

ADI在从机电式电表转换至电子式电表这方面，一直都扮演着关键性的角色，截至目前为止已经销售了超过2，25亿个电能量测Jc。根据IMS Research的资料，2007年所销售的电表有75％是电子式电表，而非机电式电表。

电子式电表开发出新的可能性

一但电表的数据能够以电子形式取得，就能够实现与电表之间的通信，使电表可以利用自动读表(AMR)功能，透过通信链接进行远程访问数据。电表生产厂商已经开发出不同的系统架构的远程读取方式：概括分为近距离无线抄表系统(walk-by)、车载无线抄表系统(drive-by)、或是连网型抄表系统等。

在这个情况中，水电公司会送出一部具有内建无线资料搜集器的车辆。这部车辆会从邻近区域驶过，并且有效率的搜集电表资料。相较于近距离无线抄表系统，车载无线抄表系统可以使水电公司员工一天能够读取的电表数量提高至5倍，而相较于人工抄表时则可以提高超过10倍以上。在网络系统当中，电表资料会被送入固定式的资料搜集器当中，而这些搜集器通常会放置于街道末端或是邻近区域的电线杆上。这些数据则会透过宽带或是蜂巢式骨干传送至水电公司。

从AMR到AMI

一开始，以AMR系统取代人工抄表的作法只被认为是一种降低劳工成本的方法，但是随着业界开始认知到AMR能够让水电公司很方便的提供更高阶的好处与服务(像是实时给定价格以便提升至更好的能源效率、错误侦测的立即回报、以及用于规范网络内部使用状况之更精确的数据等)时，一切就开始改变了。

有时候会以先进读表基础架构(AMI)取代AMR，藉以凸显其从简单远程抄表的区别。AMI连网抄表系统的实现，所应用的技术范围可以从卫星一直到低成本的无线电。有两种举足轻重的新兴技术，分别是采用无须授权的工业、科学、医疗用(1SM)波段的RF(无线电)以及电力线载波(PLc)。

RF技术采用低电力低成本的无线电，以无线方式发送电表的信息，而PLC所采用的则是其自身的电力线。ADI已经针对这两种技术开发其解决方案，以ADF 7xxx短距离发射接收器8家族因应ISM波段RF的领域，以及以Blackfin处理器9为基础的SALEM?家族来因应PLC领域。

这些技术都各自有其优缺点。RF技术，特别是对于水和瓦斯电表而言，会渐渐成为主要的选择，此乃是因为靠近水或瓦斯电力总管线安全性方面的考虑。水表因为往往都是埋在地面下，因而增加了复杂度。对于电表来说，两种方法的结合被认为是最适当的，而在北美地区较偏好RF，欧洲地区则较偏好电力线。

在美国，有少数的房屋依旧受到单一变压器的约束，而这使得PLC的使用较缺少经济性。在某些执行情况中，电力公司会利用混合方式来布署AMI，以电力线在电表与数据搜集器之间进行通信，以RF在电表与其它屋内电表或是装置之间进行通信。有个有趣的Google Maps网页会将全世界的AMR／AMI布署10以及现场测试情况标示出来，显示最新的相关信息。

设计AMR／AMI电表中的RF电路

电表通常位于拥有越来越多无线设备的房屋内部或周边，确保可靠的无线电通信是一大挑战，这就要求RF电路必须具备高性能，以抑制无线LAN等设备发出的较强信号的干扰，RF输入端可能接收低至1 u V以下的信号，并进行译码。

良好的无线电敏感度也是必要的，因为其将会转译成较长的信号传输范围。请记得，电表可能会被设置于地下室，甚至可能更糟的是埋设在地下，然而它却需要与数个街区之外电线杆上的无线电设备，或者是与街上的水电公司车辆进行通信。敏感度越低，接收用的无线电设备就必须越靠近，以便将信息正确的译码。对于移动式的drive-by系统而言，这仅代表说车辆必须开得更靠近你的房屋，但是固定式的网络基础架构则必须使用更小的蜂巢单元以及相对应更大量的资料搜集器。因此高敏感度可以使网络式基础架构的成本最小化。

低功率消耗在以电池供电的瓦斯表与水表中是相当重要的。电表供货商常会试着降低能源电表中的功率消耗，因为这使得他们可以将相同的设计套用在水表或是瓦斯表当中。此外，为了要能够在无需授权之频谱波段当中运作，这些电表与读取器所采用的通信协议都必须要与运行所在国家的无线电发射规范兼容。在全球有着数个无需授权的波段，最为常用的几种就是900 MHz、2.4 GHz、以及5.8 GHz。

大多数的电表生产厂商都选用900 MHz波段来做为电表与电表之间，以及电表与数据搜集器之间的链接。针对特定的电力需求，在这些频率下的无线电设备比起同构型的2.4 GHz技术来说具有较佳的通信范围，因而对于特定的基地台或是数据搜集器能够拥有