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智能能源计量技术将改变我们的能源消费方式
发布时间:2019-04-01   阅读:
  无论是对于消费者和企业来说,节能都是一项紧迫的任务。然而,就目前大多数电子设备而言,我们无法随时获知它们实际究竟消耗了多少电量。可测量与显示自身能耗的智能设备具有巨大的应用潜力,并将成为一种强大的能耗管理工具。正如社交网络连接着数亿网民一样,目前工程师们正致力于设计可以把数十亿台设备连接起来的智能电网、智能电表和智能插头。 


  目标:降低能耗总量,促进能源供需平衡(减少峰值负荷),提高风能和太阳能等具有周期性特点的绿色能源的利用效率。 

  所有这三个目标都需要对配电网的实际情况进行深入了解,而配电网的基本架构已维持100年未变。在不久的将来,信息将与电能同时流过智能电网。为了有效利用这些信息,工程师们已着手开发具有以下功能的应用程序:

  •    平衡用电高峰,因为用电高峰目前要求的装机容量远远超过实际需要。举个简单但颇有说服力的例子,如果在非高峰时段给电动汽车充电,则完全没必要增加一千瓦的发电容量。 

   •    通过智能电表和智能插头来控制电茶壶或电烤箱的用电情况。初期将利用这层控制来平衡负荷。但从长远来看,需要以与客户签约的方式将闲置的家庭电器、工厂设备和办公室电灯暂时置于休眠状态,从而减少整体能耗。 

   •    总结企业、社区乃至家庭的用电规律。如此一来,能源管理机构就可以对实际用电进行预测推算,确保随时供应适量的低成本电能,并对以化石燃料为主的发电厂的发电量进行优化。 

  秉承50年来在消费电子、通信网络和微控制器领域的技术传统,恩智浦半导体将给家庭、办公室、商业社区以及任何能耗过大的场所提供创新解决方案。集成电路(IC)是智能电表、智能插头和超低功耗无线通信设备的心脏,也是恩智浦迅速扩大的产品组合中的重要成员,它在并不影响我们日常生活方式的前提下正悄悄推动节能革命的发展。 

  尽管智能化的利用能源具有巨大的环境和经济价值,但重建电网却需要花费高昂的成本。幸运的是,我们不必重建电网, 而只需要增加一个信息技术网络——部分为无线网络,再加上单价并不昂贵的智能电表和智能插头,便可以很快地收回投资成本。 

  这正是恩智浦在信息技术、通信技术中发挥作用的地方。举例来说,调温器将变成智能调温器,建筑间的区域照明控制系统将被连接起来,照明与温度控制最终将合二为一。 

  恩智浦正是智能电网所需的低功耗、无线及窄带通信解决方案的领先供应商。它提供包括协议栈、收发器、接收器和发射器在内的一整套符合M-bus(针对868 MHz频带的电表、燃气表、水表和热量表的欧洲远程通信标准)的解决方案,。恩智浦同时还为包括ZigBee在内的802.15.4无线通信协议提供行业领先的低功耗解决方案。 

      家域网、邻域网和广域网 

      网络是实现不同区域(如房屋、电网)之间的信息交换的最好平台。在综合性智能能源战略中,广域网(WAN)通过智能电网在电能管理数据中心与家域网(HAN)之间进行来回信息传递,而家域网则利用邻域网(NAN)实现数据聚合。 

      操作性信息(如关闭、打开或调暗电灯,以及将高成本或高碳生产方式转变成绿色能源生产方式等)在整个网络中来回流动。图1为住宅环境示意图。 
 


图1:基于现有电网技术改良后形成智能电网。  


 

      智能电表 

      千里之行始于足下,节电亿瓦始于一步。就电力公司而言,这一步就是智能电表。 

      控制意味着测量,能源测量是智能电表及其小个头的近亲智能插头的主要使命。为了优化能源消耗,传感器不但需要测量能源,同时还须测量湿度、热量、光、空气质量等因素,以尽量减少对日常生活的影响。没有人愿意为了节约能源而让冰淇淋融化,走廊陷入黑暗,或室内植物死亡。 

       当电力公司意识到这点时,首要任务是安装采用高精度半导体器件的电表,这种电表即使在非线性负荷条件下也可取得极高的精度。智能电表整合了总谐波失真、功率因数、压降感知等基本的功率质量测量技术,有助于电力公司在负荷平衡之路上大步向前。 

      恩智浦智能电表产品组合包括微控制器、组网芯片、实时时钟、液晶显示器驱动电路和电源,全部产品都针对不同的地域进行了优化,可提供最佳的性能价格比。 

      与通信技术相配合,智能电表即能发挥其强大优势。可选方案包括远程读表、负载控制以及自动连接/断开、停电检测、紧急接地故障等目前需要上门服务的大量其他操作。 

      由于拥有数十亿个接入点,智能电网也因此成为包括损坏电网、偷电等犯罪行为在内的网络攻击的主要目标。恩智浦在智能卡和电子护照领域积累了丰富的经验,其领先技术可以有效应对诸如此类的威胁。全世界有80%的电子护照项目都采用了恩智浦的技术。例如,恩智浦为银行卡和NFC支付服务提供了大量的安全微控制器。其SmartMX微控制器被广泛应用于高安全型可编程多应用智能卡中。 

      智能插头 

      从房主和企业主的角度来看,智能电表是接入市电及智能电网的接口。从这方面来说,电表要求房屋内部的功能具有节能效果。为有效达成这一目标,需要做到两件事:一是要有来自家庭或企业内部的信息,二是能够在非常细微的层面上改变照明、电器、电机和温度调节系统的工作状态(打开/关闭/调暗/放慢)。 
      这正是智能插头的作用,用工程学术语来说,智能插头就是一个支持计量引擎的设备。换言之,智能插头提供了一种将智能和通信功能整合到每一件设备中去的更为廉价的方式。如何实现一个智能插头?拿一个智能电表,取下与功率调节和电力公司计价相关的组件,把剩余部分缩小到拇指大小就可以了。 

       这样说起来似乎非常容易,但是要真正实现却并非如此。但这对电器、照明系统和制热、通风与空调控制(HVAC)系统的设计工程师们来说却非常有用,因为可以不开玩笑地说它最终将产生一种即插即用式解决方案。产品上市时间更短,具有支持标准协议的软件和通信功能,这些都使得智能插头具有强大的吸引力。根据应用的不同,智能插头的功能既可以在插头上实现,也可以集成到电器中。 

       只要重新配置布线系统的成本在可接受范围内,企业主或房主就可以利用智能插头和智能电表来控制能源消耗。此外,智能插头还可以用来监控整个房间或整栋建筑的用电情况。 

       由于制造标准洗衣机或暖通空调 (HVAC) 设备的公司并不是制造智能电表的公司,因而在设计智能插头或电器时采用了标准应用程序接口(API)是十分有用的。因此,尽管智能电表厂商可能拥有大量了解计量学的工程师,但白色家电制造商则需要一种标准兼容型模块,以便其产品能即插即用。 

       恩智浦EM773电能计量集成芯片功能全面,完全符合智能插头对封装、功能、成本限制和易用性等各个方面提出的要求。该产品简单易用,成本优势明显,集成度高,并且拥有的计量精度远超市场要求(低于1%)。 

      剩下的改装成本问题可以通过超低功耗无线技术加以解决。有了支持ZigBee之类标准协议且功耗极低的智能插头,墙壁可以保持完好,维护成本得以降低,随后重新布置房间时也要轻松许多。恩智浦JN5148低功耗ZigBee芯片可以完全满足这些要求。恩智浦的ZigBee解决方案功耗极低,使得制造可随意移动、不受地点限制的无线免电池照明开关成为可能。通信所需的能量是利用按下按钮时产生的机械能,这种能量以电能形式存储于小型电容中。 

      明智选择 

      为了在减少二氧化碳排放,降低能源花费和尽可能不影响日常生活上取得最佳效果,必须将智能电网、智能电表和智能插头视为一个一体化的生态系统,而不是相互独立的技术。这正是恩智浦的伟大愿景。秉承在消费电子、无线通信和控制领域的技术积累,恩智浦完全有能力实现这个愿景。

来源:中国计量杂志

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