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【世界新视野】智能表计飞速发展的幕后英雄
2023-06-14
表计设备
(资料图片)
全球能源变革以及智慧城市深入发展的大背景下，对能源管理的需求和要求都在提升。要实现更精准、高效的能源管理，用户端侧的表计设备是重要一环。表计设备负责收集所有用户节点的能源消耗信息，并及时将信息回传给能源中央管理平台，从而帮助构建一个具备高可靠性和弹性的能源管理网络。
物联网技术的发展让表计设备发展也变得更加智能化，具备了实时计量、控制和连接等多项功能。这些智能化的实现也意味着和传统表计相比，智能表计的系统要复杂得多。下面就为大家来解析一下智能表计发展背后的推动力和技术支撑。
智能表计：构建智慧能源网络的关键节点
日常生产生活中的表计设备分为水、气、电、热四种，而所谓智能表计，是指能够记录能源消耗水平和能源参数等信息，并且能够与中央系统进行双向通信的仪表。通过精细测量、智能测算和实时信息同步，新一代的智能表计可以为能源公司的远程诊断、动态定价、消耗分析等服务提供支持；为用户提供更准确的负荷预测和优化建议，从而进一步提高能源整体利用效率。
图1：智能表计的优势（图源：bonkers.ie）
智能表计发展，不断突破
从传统表计设备到现代化智能表计的发展，可以大致分为三个阶段。最初的表计通常采用机械式设计，通过内部机械部件的运动来简单测算能源消耗。例如机械电表通过磁通铝盘感应转动，并将之传动到蜗杆计数器实现电能消耗的计量；传统水表则通过叶轮的旋转，带动码盘计数。传统表计以人工抄表和预付费卡为主，存在管理难、成本高、测不准、易错漏等痛点，而且这种表计仅能够记录用户的能源消耗总量，并没有关键的时间信息。
而后随着电子计量技术的发展，电子式仪表开始取代传统机械表计。大部分电子表计都实现了静态测量，这增加了监控的可行性，延长了仪表的使用寿命。随着通信技术的发展，一些电表已经具备了PLC双向通信的功能，自动抄表的功能得以实现，这大幅减少了电力公司营运成本，并方便了客户的缴费充值。
随着物联网技术的发展，新一代的智能表计将更多地采用LPWA无线连接技术，并且在计量精度、多功能融合和机器学习等方向上持续发展。
智能表计应用，持续增长
根据Berg Insight机构预测，北美新一代智能表计的安装基数将以5.7%的复合年增长率增长，从2019年的1.104亿增加到2025年的1.538亿。亚太地区新一代智能表计的装机量将从2019年的6.593亿增长到2025年的8.861亿。欧洲已经部署了超过2.09亿个智能电表和燃气表，而且无线通信仪表的部署正在加速，纯无线通信选项的智能表计的年度出货量份额将从2021年的32%增长到2027年的57%。
亚太地区构成了世界上从规模到增长速度都位居前列的仪表市场，安装了超过13亿台电力和燃气计量设备。该地区对电表的年需求量在9,000万台‑1.45亿台之间，而其中中国约占总量的70%‑80%。
图2：智能电表市场预估（图源：Berg Insight）
新一代的智能表计将在通信技术和智能化两个方向上继续演进。早期的智能表计采用2G蜂窝网络连接，而随着2G/3G退网，更多表计需要在未来几年内升级。新一代表计设备更多将采用LPWN无线技术和新一代的蜂窝技术，提供高速率低延时的双向通信体验。
在智能化方面，很多智能电表将具备负载辨识功能，通过识别不同电器的启动电流来记录各种用电设备的用电量和时间信息，并结合人工智能分析给出建议。例如某一台空调的用电量如果远高于同类空调的用电量，则说明该空调已经到了使用年限，可以提醒用户进行更换。通过智能表计构建的能源网络，可以自动感知故障位置，在无需用户主动报警的情况下，能源公司就可以实现故障远程诊断和快速上门抢修。
智能表计：集感知、计算和连接于一体
智能表计集感知、计算和连接等功能于一体，看起来和其他的物联网设备并无不同，但实际上因为其特殊的应用场景，在整体系统设计上要比其他物联网设备更具挑战性。总体来看，高可靠性、极低功耗和精准测量是智能表计必须满足的三大设计要求。
1、高精度
高精度是智能表计系统设计的首要要求。以电表为例，通常情况下其精度要求应该符合国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）发布的标准IEC 62053-21的规范，即在额定负载下，智能电表的测量值与实际值之间的误差不应超过正负0.5%。
2、高可靠性
高可靠性是指智能表计在长时间运行过程中，具有稳定、可靠的数据采集和传输能力。电表通常需要具备抵御突发电磁干扰、电压浪涌等异常情况的能力。一旦智能表计出现故障，则可能导致数据出现漏传、错传等问题，无法实时准确地传输到中央处理平台，进而影响到整个能源系统的效率和稳定性。
3、低功耗
低功耗则是智能表计的另一大特点，通常电池供电的智能表计可以保证多达十年的正常稳定运行。据国家标准《GB/T 17215.321-2008多功能电能表第3部分：测试方法和要求》，多功能电能表的有功功率消耗应该低于1W，无功功率消耗应该低于0.5W。同时，在待机模式下，功率消耗应该低于0.5W。目前很多智能电表的待机功耗已经小于0.2W。
图4：智能表计设计要求（图源：TE Connectivity）
与其它IoT设备系统设计有所不同，智能表计不会过分追求小体积，将尽可能多的功能高度集成到一个芯片、一块PCB板上；而是会选择多模块、多PCB板的方式，从而确保各子系统的功能隔离，实现更高的可靠性，并保证后期的设备灵活升级和拓展。
根据IEC的IR46新标准，智能表计在系统设计上需要将关键子系统实现硬件分离，采用多芯模组化设计理念。计量、控制、连接和其它扩展功能模块应采用模块化设计，多个模块以插拔方式结合，可根据不同应用场景在基表上配置不同模块。
图5：智能表计拆解图（图源：TE Connectivity）
要实现智能表计的以上设计目标，要从多个方向着手。在计量部分要选择高精度的传感电路设计，并在生产过程中做好精度校准。在控制和通信上需要选择低功耗的MCU和射频技术，并且根据不同工作负载，动态细化设备状态。动态调节系统功耗。然而在这些关键芯片选型之外，不可忽视的一点是对于连接器的选择。可以说对于智能表计而言，连接器的选型相比其他IoT设备而言会更加重要。
多模块的智能表计 连接器选型很关键
智能表计采用多芯多模块的系统设计方案，这也就意味着需要更多的板与板之间的连接；智能表计对于可靠性要求极高，不同子系统之间的连接和数据通信也要确保高速可靠。同时因为智能表计的多模块设计占用体积较大，就更需要通过小尺寸的连接设计，来帮助节省整体内部空间。
相比其他有源器件，连接器是单独的一门技术。诸如在智能表计这样的设备需要多种连接器组合。常见的连接器包括插针式、螺纹式和弹簧式等类型。插针式在安装上更便捷，但易受到外界干扰松动。螺纹式连接器则是通过旋转螺纹将两个接口牢固地连接在一起，连接更加稳定可靠。弹簧式连接器则是使用弹性元件将两个接口固定在一起，这种连接器通常具有良好的电气性能和密封性能，并且容易安装和拆卸。然而，由于弹性元件的材质和设计存在限制，弹簧式连接器的寿命较短，需要定期更换。
作为深耕连接器领域超过80年的连接器和电子元件供应商，TE Connectivity推出了一系列适合智能表计的连接器产品。接下来就为大家推荐几款独具特色的连接器产品。
在通信方面
可以选择TE的SIM卡连接器系列。该系列通过球面触点设计，增加了触点的赫兹应力，优化了预装接触件及防卡壳特性。通过TE高度可靠的连接器技术，该SIM卡连接器有助于降低生产线缺陷率，而更大的设计自由度则让设计人员能够更好地满足设备要求。
我们推荐的这款产品在贸泽电子官网的料号为“2174803-2”。这是一款薄至1.27mm的低面双推型Micro SIM连接器，比其他轻薄器件还能额外节约多达50%的空间。
图6：超薄双推型SIM卡连接器（图源：TE Connectivity）
在供电和数据通信方面
可以选择TE的防溅型USB Type-C连接器。该系列连接器拥有出色的EMI保护和增强保持特性，通过单一连接可以更快地传输数据、电力和音频/视频等多种信息，并且支持高速数据传输，包括：USB2.0(480mbps)、USB3.1 gen 1（5Gbps）和USB3.1 gen 2（10Gbps）。在供电功率方面，该连接器在电压20V时功率容量可以提升至100W。这款产品在贸泽电子官网的料号为“1-2295018-2”。
图7：USB Type-C连接器（图源：TE Connectivity）
在线缆与板之间的连接方面
可以选择TE Connectivity的薄型FPC连接器。该产品采用了先进的锁定机制和耐压插座设计，可以提供可靠的连接和优异的电气性能。此外，该连接器具有0.25mm至1.25mm引脚间距，非常适用于无法凭借较小引脚间距实现较大线对板互连的应用。这款产品在贸泽电子官网的料号为“1-2328724-3”。
图8：薄型FPC连接器（图源：TE Connectivity）
在插头与插座之间的连接
可以选择TE的D-Subminiature连接器。该系列产品符合AMPLIMITE标准，是一款结构紧凑的插头和插座连接器，专为高密度封装设计。该连接器符合MIL-DTL-24308标准，可为复杂的应用提供经济的解决方案。TE提供了丰富的产品选型，用户可以前往www.mouser.cn/c/?marcom=144227019选择适合的连接器型号。
智能表计的未来：融入智慧能源网络
未来的智能表计，不仅仅是单一的测量仪表，更是具备分布式处理能力的智慧终端，将会成为分布式能源网络的关键节点。以电能表为例，未来的智能电表将能够在本地处理测量工作，并实现其他多种用例，包括：分布式发电或电动汽车检测、线路和仪表相位识别、负载分解、需求管理等。
简而言之，未来的智能表计将会是传统能源网络向智慧能源网络转型的核心。水、气、热、电四表的数据融合、统一上报也是一个可探索的方向。这些智能表计设备收集的数据可以融入边缘计算、云计算、人工智能和大数据等其他数字技术，帮助整个能源网络实现运营升级，进一步改善客户体验，助力我们更快实现双碳目标，迈向可持续发展道路。