智能表計飛速發(fā)展的幕后英雄

表計設備

全球能源變革以及智慧城市深入發(fā)展的大背景下，對能源管理的需求和要求都在提升。要實現(xiàn)更精準、高效的能源管理，用戶端側(cè)的表計設備是重要一環(huán)。表計設備負責收集所有用戶節(jié)點的能源消耗信息，并及時將信息回傳給能源中央管理平臺，從而幫助構(gòu)建一個具備高可靠性和彈性的能源管理網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展讓表計設備發(fā)展也變得更加智能化，具備了實時計量、控制和連接等多項功能。這些智能化的實現(xiàn)也意味著和傳統(tǒng)表計相比，智能表計的系統(tǒng)要復雜得多。下面就為大家來解析一下智能表計發(fā)展背后的推動力和技術(shù)支撐。

智能表計：構(gòu)建智慧能源網(wǎng)絡的關(guān)鍵節(jié)點

日常生產(chǎn)生活中的表計設備分為水、氣、電、熱四種，而所謂智能表計，是指能夠記錄能源消耗水平和能源參數(shù)等信息，并且能夠與中央系統(tǒng)進行雙向通信的儀表。通過精細測量、智能測算和實時信息同步，新一代的智能表計可以為能源公司的遠程診斷、動態(tài)定價、消耗分析等服務提供支持；為用戶提供更準確的負荷預測和優(yōu)化建議，從而進一步提高能源整體利用效率。

圖1：智能表計的優(yōu)勢（圖源：bonkers.ie）

智能表計發(fā)展，不斷突破

從傳統(tǒng)表計設備到現(xiàn)代化智能表計的發(fā)展，可以大致分為三個階段。最初的表計通常采用機械式設計，通過內(nèi)部機械部件的運動來簡單測算能源消耗。例如機械電表通過磁通鋁盤感應轉(zhuǎn)動，并將之傳動到蝸桿計數(shù)器實現(xiàn)電能消耗的計量；傳統(tǒng)水表則通過葉輪的旋轉(zhuǎn)，帶動碼盤計數(shù)。傳統(tǒng)表計以人工抄表和預付費卡為主，存在管理難、成本高、測不準、易錯漏等痛點，而且這種表計僅能夠記錄用戶的能源消耗總量，并沒有關(guān)鍵的時間信息。

而后隨著電子計量技術(shù)的發(fā)展，電子式儀表開始取代傳統(tǒng)機械表計。大部分電子表計都實現(xiàn)了靜態(tài)測量，這增加了監(jiān)控的可行性，延長了儀表的使用壽命。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，一些電表已經(jīng)具備了PLC雙向通信的功能，自動抄表的功能得以實現(xiàn)，這大幅減少了電力公司營運成本，并方便了客戶的繳費充值。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新一代的智能表計將更多地采用LPWA無線連接技術(shù)，并且在計量精度、多功能融合和機器學習等方向上持續(xù)發(fā)展。

智能表計應用，持續(xù)增長

根據(jù)Berg Insight機構(gòu)預測，北美新一代智能表計的安裝基數(shù)將以5.7%的復合年增長率增長，從2019年的1.104億增加到2025年的1.538億。亞太地區(qū)新一代智能表計的裝機量將從2019年的6.593億增長到2025年的8.861億。歐洲已經(jīng)部署了超過2.09億個智能電表和燃氣表，而且無線通信儀表的部署正在加速，純無線通信選項的智能表計的年度出貨量份額將從2021年的32%增長到2027年的57%。

亞太地區(qū)構(gòu)成了世界上從規(guī)模到增長速度都位居前列的儀表市場，安裝了超過13億臺電力和燃氣計量設備。該地區(qū)對電表的年需求量在9,000萬臺?1.45億臺之間，而其中中國約占總量的70%?80%。

圖2：智能電表市場預估（圖源：Berg Insight）

新一代的智能表計將在通信技術(shù)和智能化兩個方向上繼續(xù)演進。早期的智能表計采用2G蜂窩網(wǎng)絡連接，而隨著2G/3G退網(wǎng)，更多表計需要在未來幾年內(nèi)升級。新一代表計設備更多將采用LPWN無線技術(shù)和新一代的蜂窩技術(shù)，提供高速率低延時的雙向通信體驗。

在智能化方面，很多智能電表將具備負載辨識功能，通過識別不同電器的啟動電流來記錄各種用電設備的用電量和時間信息，并結(jié)合人工智能分析給出建議。例如某一臺空調(diào)的用電量如果遠高于同類空調(diào)的用電量，則說明該空調(diào)已經(jīng)到了使用年限，可以提醒用戶進行更換。通過智能表計構(gòu)建的能源網(wǎng)絡，可以自動感知故障位置，在無需用戶主動報警的情況下，能源公司就可以實現(xiàn)故障遠程診斷和快速上門搶修。

智能表計：集感知、計算和連接于一體

智能表計集感知、計算和連接等功能于一體，看起來和其他的物聯(lián)網(wǎng)設備并無不同，但實際上因為其特殊的應用場景，在整體系統(tǒng)設計上要比其他物聯(lián)網(wǎng)設備更具挑戰(zhàn)性?？傮w來看，高可靠性、極低功耗和精準測量是智能表計必須滿足的三大設計要求。

1、高精度

高精度是智能表計系統(tǒng)設計的首要要求。以電表為例，通常情況下其精度要求應該符合國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）發(fā)布的標準IEC 62053-21的規(guī)范，即在額定負載下，智能電表的測量值與實際值之間的誤差不應超過正負0.5%。

2、高可靠性

高可靠性是指智能表計在長時間運行過程中，具有穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力。電表通常需要具備抵御突發(fā)電磁干擾、電壓浪涌等異常情況的能力。一旦智能表計出現(xiàn)故障，則可能導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)漏傳、錯傳等問題，無法實時準確地傳輸?shù)街醒胩幚砥脚_，進而影響到整個能源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

3、低功耗

低功耗則是智能表計的另一大特點，通常電池供電的智能表計可以保證多達十年的正常穩(wěn)定運行。據(jù)國家標準《GB/T 17215.321-2008多功能電能表第3部分：測試方法和要求》，多功能電能表的有功功率消耗應該低于1W，無功功率消耗應該低于0.5W。同時，在待機模式下，功率消耗應該低于0.5W。目前很多智能電表的待機功耗已經(jīng)小于0.2W。

圖4：智能表計設計要求（圖源：TE Connectivity）

與其它IoT設備系統(tǒng)設計有所不同，智能表計不會過分追求小體積，將盡可能多的功能高度集成到一個芯片、一塊PCB板上；而是會選擇多模塊、多PCB板的方式，從而確保各子系統(tǒng)的功能隔離，實現(xiàn)更高的可靠性，并保證后期的設備靈活升級和拓展。

根據(jù)IEC的IR46新標準，智能表計在系統(tǒng)設計上需要將關(guān)鍵子系統(tǒng)實現(xiàn)硬件分離，采用多芯模組化設計理念。計量、控制、連接和其它擴展功能模塊應采用模塊化設計，多個模塊以插拔方式結(jié)合，可根據(jù)不同應用場景在基表上配置不同模塊。

圖5：智能表計拆解圖（圖源：TE Connectivity）

要實現(xiàn)智能表計的以上設計目標，要從多個方向著手。在計量部分要選擇高精度的傳感電路設計，并在生產(chǎn)過程中做好精度校準。在控制和通信上需要選擇低功耗的MCU和射頻技術(shù)，并且根據(jù)不同工作負載，動態(tài)細化設備狀態(tài)。動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功耗。然而在這些關(guān)鍵芯片選型之外，不可忽視的一點是對于連接器的選擇?？梢哉f對于智能表計而言，連接器的選型相比其他IoT設備而言會更加重要。

多模塊的智能表計? 連接器選型很關(guān)鍵

智能表計采用多芯多模塊的系統(tǒng)設計方案，這也就意味著需要更多的板與板之間的連接；智能表計對于可靠性要求極高，不同子系統(tǒng)之間的連接和數(shù)據(jù)通信也要確保高速可靠。同時因為智能表計的多模塊設計占用體積較大，就更需要通過小尺寸的連接設計，來幫助節(jié)省整體內(nèi)部空間。

相比其他有源器件，連接器是單獨的一門技術(shù)。諸如在智能表計這樣的設備需要多種連接器組合。常見的連接器包括插針式、螺紋式和彈簧式等類型。插針式在安裝上更便捷，但易受到外界干擾松動。螺紋式連接器則是通過旋轉(zhuǎn)螺紋將兩個接口牢固地連接在一起，連接更加穩(wěn)定可靠。彈簧式連接器則是使用彈性元件將兩個接口固定在一起，這種連接器通常具有良好的電氣性能和密封性能，并且容易安裝和拆卸。然而，由于彈性元件的材質(zhì)和設計存在限制，彈簧式連接器的壽命較短，需要定期更換。

作為深耕連接器領(lǐng)域超過80年的連接器和電子元件供應商，TE Connectivity推出了一系列適合智能表計的連接器產(chǎn)品。接下來就為大家推薦幾款獨具特色的連接器產(chǎn)品。

在通信方面

可以選擇TE的SIM卡連接器系列。該系列通過球面觸點設計，增加了觸點的赫茲應力，優(yōu)化了預裝接觸件及防卡殼特性。通過TE高度可靠的連接器技術(shù)，該SIM卡連接器有助于降低生產(chǎn)線缺陷率，而更大的設計自由度則讓設計人員能夠更好地滿足設備要求。

我們推薦的這款產(chǎn)品在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號為“2174803-2”。這是一款薄至1.27mm的低面雙推型Micro SIM連接器，比其他輕薄器件還能額外節(jié)約多達50%的空間。

圖6：超薄雙推型SIM卡連接器（圖源：TE Connectivity）

在供電和數(shù)據(jù)通信方面

可以選擇TE的防濺型USB Type-C連接器。該系列連接器擁有出色的EMI保護和增強保持特性，通過單一連接可以更快地傳輸數(shù)據(jù)、電力和音頻/視頻等多種信息，并且支持高速數(shù)據(jù)傳輸，包括：USB2.0(480mbps)、USB3.1 gen 1（5Gbps）和USB3.1 gen 2（10Gbps）。在供電功率方面，該連接器在電壓20V時功率容量可以提升至100W。這款產(chǎn)品在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號為“1-2295018-2”。

圖7：USB Type-C連接器（圖源：TE Connectivity）

在線纜與板之間的連接方面

可以選擇TE Connectivity的薄型FPC連接器。該產(chǎn)品采用了先進的鎖定機制和耐壓插座設計，可以提供可靠的連接和優(yōu)異的電氣性能。此外，該連接器具有0.25mm至1.25mm引腳間距，非常適用于無法憑借較小引腳間距實現(xiàn)較大線對板互連的應用。這款產(chǎn)品在貿(mào)澤電子官網(wǎng)的料號為“1-2328724-3”。

圖8：薄型FPC連接器（圖源：TE Connectivity）

在插頭與插座之間的連接

可以選擇TE的D-Subminiature連接器。該系列產(chǎn)品符合AMPLIMITE標準，是一款結(jié)構(gòu)緊湊的插頭和插座連接器，專為高密度封裝設計。該連接器符合MIL-DTL-24308標準，可為復雜的應用提供經(jīng)濟的解決方案。TE提供了豐富的產(chǎn)品選型，用戶可以前往www.mouser.cn/c/?marcom=144227019選擇適合的連接器型號。

智能表計的未來：融入智慧能源網(wǎng)絡

未來的智能表計，不僅僅是單一的測量儀表，更是具備分布式處理能力的智慧終端，將會成為分布式能源網(wǎng)絡的關(guān)鍵節(jié)點。以電能表為例，未來的智能電表將能夠在本地處理測量工作，并實現(xiàn)其他多種用例，包括：分布式發(fā)電或電動汽車檢測、線路和儀表相位識別、負載分解、需求管理等。

簡而言之，未來的智能表計將會是傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡向智慧能源網(wǎng)絡轉(zhuǎn)型的核心。水、氣、熱、電四表的數(shù)據(jù)融合、統(tǒng)一上報也是一個可探索的方向。這些智能表計設備收集的數(shù)據(jù)可以融入邊緣計算、云計算、人工智能和大數(shù)據(jù)等其他數(shù)字技術(shù)，幫助整個能源網(wǎng)絡實現(xiàn)運營升級，進一步改善客戶體驗，助力我們更快實現(xiàn)雙碳目標，邁向可持續(xù)發(fā)展道路。