今天，美國大多數(shù)民用和商業(yè)建筑還在用老式的機(jī)電型電表跟蹤電力的使用情況。這些表可靠且便宜，但不適于需要精確、可重復(fù)電力計(jì)量以及有線或無線通信的電力分配系統(tǒng)，換句話說，不適合即將到來的Smart Gird(智能電網(wǎng))電力分配系統(tǒng)。
Smart Grid需依賴有完備通信能力的智能電表來監(jiān)控能量使用，使居民和商務(wù)消費(fèi)者都能對能源用量和使用時間作出有根據(jù)的決策。但Smart Grid也面臨著困難。雖然在聯(lián)邦政府方面，華盛頓已通過了相關(guān)立法，如2007年能源法案和2009年的刺激計(jì)劃，但公用事業(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是以各州為基礎(chǔ)分配電力。在Smart Grid的準(zhǔn)備中，加利福尼亞州與德克薩斯州是最積極地轉(zhuǎn)向智能計(jì)量的兩個州(參考文獻(xiàn)1)。
無論 Smart Grid是否能在(美國)國家層面上以某種形式順利和無縫地進(jìn)行下去，已有足夠的獨(dú)立公用事業(yè)機(jī)構(gòu)正在采購和安裝電子電表，使之成為了一個重要的市場?？匆幌逻^去20年來的重要應(yīng)用：手機(jī)、計(jì)算機(jī)、大屏幕電視。它們之所以聲名顯著是因?yàn)閾碛幸粋€數(shù)億元的市場。公用事業(yè)安裝的電表也有一個類似的龐大市場。每個房屋和商業(yè)建筑都需要一塊電表。今后10年內(nèi)，全球公用事業(yè)公司可能要更換5億塊電表。
智能電表由一個帶有板載ADC和DAC的微控制器、一個電壓和電流檢測元件、一個AC/DC電源轉(zhuǎn)換器、備份電池以及無線或有線通信功能組成(圖1)。
多家公司都提供電表IC，包括德州儀器(TI)公司、安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)公司、Maxim、Analog Devices、Teridian和e2v。這些IC基本都是微控制器，它們追蹤電量的使用信息以及從公用事業(yè)機(jī)構(gòu)回傳的信息。它們可以對電壓波形和質(zhì)量作一些DSP運(yùn)算，將信息傳送到一個顯示屏，并存儲待發(fā)的信息。雖然“智能電表”這個詞匯表示微處理器是中心元件，但防篡改措施則使電流檢測元件和電源備份的選擇成為智能電表的重要決策。
電表中主要采用了三種類型的電流檢測技術(shù)：電流變壓器、Rogowski線圈以及電阻分流器。使用哪種技術(shù)取決于電力分配是多相還是單相。世界上多數(shù)家庭只使用從發(fā)電機(jī)進(jìn)入家中布線的單相電源。美國民用市場采用一種分相配電，它向居民提供120V AC和高達(dá)240V AC，需要用一個電流變壓器作為隔離電壓/電流傳感器。北歐的商用與某些民用電力是三相電源，但家里一般還是單相。一般來說，在檢測電壓與電流以確定計(jì)量的使用電量時，單相配電系統(tǒng)中會使用一支分流電阻，而在分相或三相系統(tǒng)中使用電流變壓器或Rogowski線圈，因?yàn)榭绮煌辔粶y量的電壓會超過半導(dǎo)體器件的電壓容限。
最常用的隔離傳感器依次是：電流變壓器、Rogowski線圈和霍爾效應(yīng)傳感器(圖2)。電流變壓器有一個鐵芯，很容易受到強(qiáng)大永久磁場的影響?？拷儔浩鞯拇盆F會使磁芯飽和，使檢測線圈無法拾取交流線上的AC電場。Rogowski線圈為空氣磁芯，包括一卷圍繞著電力線的導(dǎo)線。與鐵芯不同，空氣磁芯在強(qiáng)永久磁場情況下不會飽和。但是，它易于受其它篡改方法的作用，如存在一個大電感場時，它會耦合到線圈上，壓制住線圈要檢測的AC電流。
霍爾效應(yīng)傳感器采用一種半導(dǎo)體器件，檢測電線中變動的電流所產(chǎn)生的磁場。但它們的讀數(shù)會隨溫度而變化，不能在寬的電流區(qū)間上永遠(yuǎn)保持線性。這個問題在美國市場上更嚴(yán)重，因?yàn)檫@里的電表額定值高達(dá)200A，而在其它國家(如印度)電表測量20A或40A。Teridian公司電表產(chǎn)品業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理 Kourosh Boutorabi表示：“線性度在美國這樣的市場很重要。公用事業(yè)單位對電表的誤差要求是0.2%。世界其它地區(qū)的公差接近1%。如果你用電較多，則測量中較多的損耗就更重要，而測量精度也更重要?！?
霍爾效應(yīng)傳感器也有優(yōu)點(diǎn)，他說：“雖然它們不(像電流變壓器那樣)精確，但它們比較便宜?；魻栃?yīng)傳感器可以不用物理連接，而直接靠上(電力線)。”如果用電流變壓器，則必須手工將電力線與檢測線圈裝配起來。
世界上大多數(shù)電表都是單相表，用一個簡單的分流電阻作電流檢測元件。Bourns公司電阻產(chǎn)品部產(chǎn)品營銷經(jīng)理Cathal Sheehan將分流法的特性描述為簡單、廉價(jià)和不受磁場與感應(yīng)場影響，后者常使磁性和感性傳感器產(chǎn)生混亂。
Analog Devices公司能源計(jì)量產(chǎn)品營銷工程師Mark Strzegowski承認(rèn)，分流法不提供多個相位之間的隔離，所以你需要在其它地方提供隔離功能。該公司的方案是使用一個帶隔離平面變壓器的分流電阻，它采用該公司用于隔離元件的iCoupler技術(shù)：iCoupler與分流電阻兩者相加，仍然低于電流變壓器或Rogowski線圈的成本，并且仍保持測量的線性。Strzegowski說：“選擇電流檢測技術(shù)時要考慮的重要問題之一是客戶要求的性能。市場有一種趨向更寬動態(tài)范圍的趨勢，而這也增加了更多的測量次數(shù)。你需要以相同的精度，準(zhǔn)確地測量從100A到100mA的電流，因?yàn)?.1%是一個典型的精度規(guī)格。”
分流電阻天生就存在著發(fā)熱問題：雖然它們的響應(yīng)線性度很好，但它們無法處理一些最大的負(fù)荷，因?yàn)橛凶约訜嵝?yīng)。同樣，電流變壓器一般需要補(bǔ)償?shù)南辔皇д孑^小，尤其是當(dāng)應(yīng)用需要更精密的測量時，如對電抗與諧波能量的測量。一般來說，單相電表用分流電阻作傳感器，而三相電表則采用電流變壓器。
Power Integrations公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Silvestro Fimiani認(rèn)為，除了防止篡改以外，電表的效率也很重要，尤其是在不久的將來，全球可能安裝或更換的電表超過1億部。他說：“在電表的壽命期間，由于電表的無效使用耗費(fèi)的能源成本會多達(dá)20美元。這與電表的成本相當(dāng)?！痹?strong>智能電表世界中，F(xiàn)imiani可能是少有的強(qiáng)調(diào)能源效率的人，幾乎沒有其它供應(yīng)商關(guān)心電表效率，也許因?yàn)殡姳淼牟少徴咭话闶枪檬聵I(yè)機(jī)構(gòu)，而不是為電表功耗付費(fèi)的組織。這個成本是不可見的，但卻會轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者。
電表中的元器件應(yīng)耗能很少，原因不僅是要節(jié)省成本和提高效率，也是為了確保在電池供電情況下，電表也能高效運(yùn)行。電表用電池供電似乎是一個奇怪的想法，但智能電表必須在掉電情況下也能持續(xù)工作。
電表中電池備份的重要性與所在區(qū)域有關(guān)。例如在美國，如果停電，則沒有可測量的東西，因此幾乎不存在讓電表處于蘇醒狀態(tài)的需求。Analog Devices公司的Strzegowski指出，印度的情況不同，一些規(guī)定要求系統(tǒng)中必須有兩支電池。一支電池為電表提供的能量可將讀數(shù)和信息保存24 或48小時，并保持顯示屏點(diǎn)亮。另一支電池則要將電表信息保持至少兩年時間，防止電表被篡改。它將電表從電力線中移開，這樣電表電路中就沒有電壓，但電力仍然在電線中輸送。
電表的電池備份一般采用鋰/亞硫酰氯電池，它的自放電率為納安量級，存放壽命超過10年。Tadiran公司是此類電池最大的美國制造商。電池本身足以完成電表中數(shù)據(jù)的備份，但不能通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)出去。有一種方案是用電池對一只超級電容作涓流充電。超級電容制造商Cap-xx公司應(yīng)用工程副總裁Pierre Mars解釋政府的規(guī)定如何影響電表：“雖然電表接在主電力線上，有冗余電源，但電表不能用它來發(fā)送數(shù)據(jù)。舉個例子，當(dāng)我在澳洲時，那里的規(guī)定是電表從用戶電力線中獲得的能量不能超過2W，所以它們需要用一只超級電容，為GSM突發(fā)通信傳輸提供能量，這需要0.6ms的突發(fā)6W功率，而平均功率不到 0.75W。”Mars指出，如果政府制定能源使用的規(guī)則，而不是限定最高使用功率，就不存在這個問題了。
另外，超級電容還提供足夠作“臨終遺言”式傳輸?shù)墓β?，如?dāng)電力網(wǎng)中斷時，超級電容備份的電量夠作一次傳輸，警告電表已掉電。
全世界各個地區(qū)因偷電造成的電力損失各不相同：美國可能不到4%，而印度報(bào)告說損失大于10%，拉丁美洲國家的這種損耗可達(dá)20%。對于防竊電表的研究是轉(zhuǎn)向智能電表的另一個原因。篡改一塊電表最簡單和最常見的方法是采用傳感器。
為什么在美國防竊電方法很重要?因?yàn)殡S著電力用量的不斷提高，4%的損失也足以引起公用事業(yè)單位的注意。但更重要的是，竊電是非法“大麻屋”最常用的能源。在鄉(xiāng)村地帶，這些房屋的電費(fèi)賬單很容易達(dá)到每月1萬美元，而從鄰近電力線偷電是最簡單的取電方式。鄰居和公用事業(yè)單位都不喜歡“大麻屋”，采用智能電表可能是一種抑制這類活動的有效方法。不過有些人也擔(dān)心任何涉及大型組織(如政府或公用事業(yè)機(jī)構(gòu))的活動都是在監(jiān)控個人的行為(見附文《用Google查詢你的用電狀態(tài)》)。
飛升的能源價(jià)格也促使非公用型應(yīng)用調(diào)整自己的電力測量工作。TI公司大批量模擬與邏輯業(yè)務(wù)高級副總裁Dave Heacock表示，服務(wù)器農(nóng)場(server farm)有時會要求自己的前端AC/DC電源供應(yīng)商提供電力測量功能，這樣農(nóng)場可以根據(jù)使用情況向客戶收費(fèi)：如在高峰時間的用電將收取較高的費(fèi)率。 Heacock說：“用戶會想，‘我得在半夜電力價(jià)格較低時再作所有的信用卡交易’”。
對這種應(yīng)用的容限可能不如一塊公用電表那么嚴(yán)格：Heacock建議，對負(fù)載大于滿負(fù)荷20%的情況，這類測量設(shè)備的典型公差為2%，而在5%滿負(fù)荷時降到5%。他解釋說，相對寬松容限的原因是他們不希望增加解決方案的成本。
