聊聊智能电表内部的秘密

1． 科技带来光明

1879年10月,清光绪5年,爱迪生发明电灯。也是在这一年,爱因斯坦出生了,这个科学巨人于26年后发表了相对论。时间真是漫长,100多年后,文明的灯光终于照进我们的小村落。中国像苏醒的巨人,进入飞速发展的时代,过去很多人们不敢想的情景,现在已进入我们日常的生活。昏黄摇曳的煤油灯,已经成了遥远的回忆。科技,悄然渗透进我们生活的角角落落。

就拿家庭用电来说,我们应该记得最早的机械式转盘电表,抄表员用手电筒挨家挨户地抄表然后回去算好电费,再把单子贴到各家门上。之后进步了一些,我们可以用一个IC卡到银行买电,然后回家往电表里一插就行了。而现在呢,不管我们在什么地方,在手机上动动手指头就一切都搞定了。

那这是怎么实现的,今天我们来看一下电表内部的秘密吧。

2． 配电箱和电表

在单元门里,我们都能找到下面这种配电箱,它把电分到各户的电表,然后拉入自家的房间。我们国家标准规定红色为火线L(Live wire),蓝色为零线N(Neutral wire),黄绿条纹的是地线(Earth),又叫PE(Protective Earth)。我们可以看到左下角的地线端子排,配电箱的金属外壳是和它连在一起的,PE最终是就近连到建筑物外面的接地桩的。如果用试电笔去测,只有在红色的火线上试电笔会亮,在零线和地线上是不亮的。

PowerMeter-1

右下角是断路器,当负载电流过大,或火线零线电流不平衡时,它会认为可能发生了漏电,断路器会马上断开以切断电源。再有一种情况是欠费了,电表的断电控制引线会触发断路器断开。

下面我们就要看一看核心部分电表了。电表的首要功能就是计费,同时具有其它一些辅助功能。我们的看看都有哪些能力:

计量功能,正向有功,反向有功,分时计量,错峰

测量,电压,电流,功率

费控,本地费控,远程费控,断电

监测及事件记录,开盖,断电,购电

计时功能

还有一个特别重要的功能,就是现在普遍采用的远程费控智能电表,可以和远程的控制中心进行通讯。秘密就藏在电表下部的这个位置,图中红框中是一个可以打开的盖子,里面安装通讯模块。通讯方式可以选载波、无线、微功率无线、光纤等。其中PLC(Power Line Carrier)载波通讯是使用最广的一种方式,它通过把信号调制到220V交流信号线上进行通信,因而不像RS485,光纤等需要额外布线,也不像无线通信在建筑物中穿透力不强。但它也有一个限制,就是通信速率不高,而且不能跨变压器。一般在一个小区会安装一个集中器收集负责本地通讯,集中器和远程通过GPRS或有线方式通信。

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3． 主要芯片和模块

这是一个电表内部的主要模块,现在逐渐出现外围模块集成到MCU的倾向:

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Metering

计量模块,负责电压,电流,功率等的测量,这部分因为是连接到强电的,所以它和MCU之间的通信用光耦隔离以增加安全性。厂家有锐能微,钜泉光电,上海贝岭,CirrusLogic等。

MCU

电表厂家的主要工作集中在MCU软件的设计。早期以8位机为主,现在采用CortexM0是一个趋势,而且一般会集成SPI,UART(7816),LCD Driver, RTC等外围模块。主要厂家有瑞萨,复旦微电子,炬全光电等。

LCD

主要为FSTN(Formulated Super Twisted Nematic)型,工作温度范围为-25℃～+80℃,或HTN(High Twist nematic)型,工作温度范围为-40℃～+70℃,白底黑字带夜光。厂家有青岛莱科达,深圳秋田等。

PLC

青岛鼎信占据了大部分市场份额。

RTC

国家标准要求RTC具有温度补偿功能,在 -25～ +60℃的温度范围内精度一天不超过1秒,在室温(23℃)时钟精度±0．5s/d。同时时钟需具备日历功能,断电后在备用电池供电情况下还要能工作5年。最早采用比较多的有精工的8025T等。现在有集成在MCU中的高精度带温补的RTC。

ESAM

ESAM(Embedded Secure Access Module)在设备中主要实现数据的安全存储,双向加密,身份认证,存取权限控制等功能。电表厂是没有设置ESAM模块的权限的,它的设置由运行管理部门进行。这个芯片由南瑞智芯微提供。

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4． 产品标准和市场

国家智能电表产品的标准主要由国家电网下属的中国电力科学研究院、各省电力公司、国网电力科学研究院、国网信息通信有限公司等起草。最近几年,国网提出了基于IR46标准的双芯电能表方案,一个芯片主要负责计量,完成的功能包括计量,电量数据存储,RTC计时等,计量芯独立运行,法制认证,不允许软件升级。另一个芯片负责管理,包括智能电卡接口,ESAM,显示,存储器,负控管理和对外通信等功能。

智能电表的使用量非常大,一年采购量有几千万只,厂家之间的竞争激烈程度可想而知。2015年招标有120余家企业参与投标,到现在剩下80多家了。大部分市场被国网下属的许继,鲁能,南瑞等巨头瓜分,威胜,炬华,三星,东方电子等也占据了比较稳定的市场份额。