内置了智能电表测量用的低功耗Delta-Sigma 型A/D(Δ∑A/D) 转换器的单片机和开发套件

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面向智能电网相关设备的解决方案[第一期]:通信功能

"节能"技术关系到人类的未来,因而世界各国都致力于该项研究。在各种新诞生的技术中,以智能电网(smart grid)作为核心的基础设备广受人们的关注。而智能电网的核心部分便是智能电表(smart meter)。我们将分两期连载介绍瑞萨电子面向智能电网设备开发的解决方案。对致力于在公司内部研发智能电表和HEMS设备,以及研究参考设计的技术人员来说,这两期连载将是必读的内容。

智能电网、智能电表为什么会和"节能"扯上关系?

在全世界范围内,智能电网的构筑及伴随而来的智能电表的引进正得到不断地发展。所谓的智能电表是指在测量电力、煤气、自来水等使用量的仪器中,搭载了通信功能的测量仪器。由于可以实时掌握能源的使用量,因此被当作节能技术中必不可缺少的设备而得以迅速引进,尤其在电力测量方面。

在本连载中,我们将介绍智能电表和HEMS(Home Energy Management System,家庭能源管理系统)的作用和市场动向,以及作为电表关键要素的"电力的测量"功能,在第二期中将介绍"通信解决方案"。

智能电表具有两种通信功能(图1),一种是与能源供给方之间进行通信(A路径,NAN*1)的功能,另一种是与能源消耗方之间进行通信(B路径,HAN*2)的功能。过去,电表与通信完全扯不上关系,但今后,电表因能够与能源供应商和消费者进行信息的发送和接收而备受期待,人们期待它能将节能技术推进到一个新台阶从而发挥出重要的作用。

*1 NAN:Neighbour Area Network, 近邻区域网络

*2 HAN:Home Area Network, 家庭区域网络

图1:以智能电表为中心的HEMS

图1:以智能电表为中心的HEMS

引进智能电表首先改变的就是查表作业。过去抄表员都是通过目视确认(检查)电表,现在通过A路径,便能够远距离进行查表。另外,通过与能源供给方进行通信,便可进行通电和断电操作,无需再外派抄表员。但是,智能电表的本领并非仅在远距离控制方面。

电表智能化(引进智能电表)对于HEMS(Home Energy Management System,家庭能量管理系统)及BEMS(Building Energy Management System, 楼宇能量管理系统)(即能量管理系统的可视化)来说是不可或缺的。过去,消费者只能了解每个月全家的用电量,此外再无其他途径获取更多的信息。引进智能电表之后,通过智能电表中的B路径便可实时了解自家的用电量,掌握能耗的目标值与实际用量的差额,因此可制定出能源管理的对策。

例如消费者要使用某种电器设备时,能源管理系统通过从智能电表获取的信息,如果当前的耗电量接近合同的上限值,且继续使用这种电器便会因超容而发出断电的警告。如果电力管理的自动化不断进步,将能下调其它设备的耗电量,从而可进行将全体耗电量控制在合同电量之内的电力管理和调整。

另外,随着今后电力自由化(Electricity liberalization)的发展,可让用户根据电力消费的情况来选择最廉价的供应商。如果说过去的节能是在各种设备级别上实现了优化,引进智能电表后,则可以实现整栋楼宇能源的优化。

而且,人们还期待着实现以智能电表为起点的整个电网(grid)智能化。对于动态优化供电的智能电网来说,实时掌握耗电量及其变化的智能电表是不可或缺的。相信智能电表将对提高电力生产量和提高供给路径的效率作出巨大贡献。

如果太阳能等可再生能源产生的电力被大量输送到电网上,为了稳定提供电力也需要实现智能电网。

迅速扩大的智能电表市场

智能电表深受世界各国瞩目,那么其普及情况如何呢?在日本,2014年4月的《节能法》修正案中规定,国内十大电力公司都要引进智能电表。东京电力最迟在2020年前,而全日本最迟在2025年前要置换完毕。而且,2016年4月开始要实现完全的电力自由化。

在美国已经设置了超过5,000万台的智能电表,家庭普及率超过了40%(图2)。在欧洲(EU),欧洲议会在2009年颁布了电表智能化的指令(2009/72/EC指令),并要求欧盟国家完善与智能电表相关的法律法规。截至2014年止,瑞典已经100%实现了智能电表、意大利也已实现了95%。不仅是发达国家,发展中国家对智能电表也非常关注,世界各国都在积极地引进(图3)。

图2:美国的智能电表设置数量

图2:美国的智能电表设置数量

图3:EU各国智能电表的引进目标

图3:EU各国智能电表的引进目标

摘自:Status Review of Regulatory Aspects of Smart Metering: Including an assessment of roll-out as of 1 January 2013 (Council of European Energy Regulators ASBL 发行)

今后,由于对智能电网的需求将会进一步加速智能电表的引进。不少顾客在紧盯其发展市场的同时还面临着开发智能电表和HEMS设备的课题。以下我们介绍瑞萨电子在广泛听取客户心声后,为了帮助大家切实解决开发难题而准备的解决方案。

测量是智能电网的核心。瑞萨电子面向智能电网设备的解决方案― 电力测量

1. 绝对优势是低功耗

的确,智能电表和HEMS设备的特点就在于其具备通信功能,估计今后,不仅是智能电表,智能家电和智能配电盘等HEMS设备也需具备测量电力的功能。为了能让客户最大限度地提高该测量功能的开发效率,瑞萨电子准备了一套解决方案套件。

该测量功能套件以能进行高精度测量的单片机--RL78/I1B为核心,可以此进行各种开发。RL78/I1B单片机彻底实现了低功耗,并尽可能抑制电表及各设备本身的功耗。

由于需将测量时间等向电力公司和消费者报告,因此用于测量的电表必须具备计时功能,而且,考虑到停电等情况,还需准备电池以备份时钟(RTC:实时时钟)的运行情况。过去,由于单片机内置的RTC功耗非常大,因而使用了外置的低功耗型RTCIC。RL78/I1B中由于内置了新开发的超低功耗型RTC,不仅减少了零部件数量,还降低了成本(包括减少了工时数等)。

另外,由于RL78/I1B的片上振荡器具有通过32KHz的外置振荡器自动对时钟频率进行±0.05%补偿的功能,因此即使没有外置高精度的高速振荡器也能实现高精度的测量。该振荡电路能够很好地抵抗因雷电等产生的雷涌(lightning surge),确保了即使设置在户外等严酷环境下,智能电表也能稳定运行。

由于功耗低,所以备用电池用小型电池即可。而且,RL78/I1B内置了切换到备用电源的电路,因此能够大幅度简化与备份相关的电路。

如上所述,今后不仅是智能电表,如果将这种测量电力的功能也搭载到单个家电中,便可掌握并控制耗电量,由此可实现更加细化的电力管理。而且,通过监视每个配电盘的耗电量,便可以调整高峰期的电力。

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2. 打开便可使用的开发套

使用RL78/I1B的电力测量用的开发套件有"模拟特性评价套件"和"单相电表参数"两种。模拟特性评价套件的主要目的是使用客户所用的电流感应器来进行测量,在确认感应器和RL78/I1B的适配性后,对RL78/I1B上搭载的测量用的模拟功能的特性进行评价。由于可通过客户目前所使用的感应器便可简单地开始进行评价,因而欲将客户在电力测量方面的独特技术植入RL78/I1B时,我们首先推荐使用这个套件(图4)。

图4 模拟特性评价主板

图4 模拟特性评价主板

单相电表参数是一种为了测量电力的所有基本功能的参考设计,仅由此便可构筑符合国际电工委员会(IEC)制定的电量测量设备标准即IEC62053的测量部,实现产品规格所规定的0.5%精度的测量。如果使用该参考设计,便可在极短的期间进行智能电表的开发。

图5 单相电表参数

图5 单相电表参数

任何一个套件中都配备根据瑞萨电子丰富经验而开发出的电力测量固件及感应器读取值校准用的固件等,而且也准备了可将从固件接收的信息在电脑上显示,并可通过简单的操作将参数发送到固件上的GUI软件等,因此很容易实现数据的可视化及参数变更等。

本连载分两期全面介绍瑞萨电子对智能电网相关设备的开发解决方案,本期为第一期,介绍了智能电网和智能电表的市场动向及面向电力测量开发的解决方案。在下期(第二期)中,我们将介绍智能电网所必须解决的通信功能开发的课题及瑞萨电子提供的解决方案。