來源：貿(mào)澤電子
表計設(shè)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(shè)備是重要一環(huán)。表計設(shè)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(luò)。
【資料圖】
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展讓表計設(shè)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(luò)的關(guān)鍵節(jié)點
日常生產(chǎn)生活中的表計設(shè)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。
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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(shè)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(shè)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(shè)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%。
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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(luò)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(shè)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(shè)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(luò)，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。
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圖3：新一代智能表計場景（圖源：Smart Energy International）
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(shè)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(shè)計上要比其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)計要求。
高精度
高精度是智能表計系統(tǒng)設(shè)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%。
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。
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。
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圖4：智能表計設(shè)計要求（圖源：TE Connectivity）
與其它IoT設(shè)備系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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。
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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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計占用體積較大，就更需要通過小尺寸的連接設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計自由度則讓設(shè)計人員能夠更好地滿足設(shè)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。
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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”。
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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(shè)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”。
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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(shè)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(luò)
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(luò)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。
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圖9：未來智能電表的場景（圖源：iberdrola）
簡而言之，未來的智能表計將會是傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)向智慧能源網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)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。
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