美國能源部2009年智能電網(wǎng)報告中特別指出：智能電表是智能電網(wǎng)的基礎。它不僅向電力公司和消費者提供用電量和用電時間的相關信息，而且還會獲取市場用電狀況，幫助協(xié)調用電設備的運行并調整能耗。
如果不能廣泛、深入地向每個家庭提供這種成功的高級計量技術和相關服務，就會拉大能量供給與需求之間的差距，從而削弱智能電網(wǎng)基礎設施運轉效率，使公眾利益受到損害。另一方面，按照愛迪生電氣學會會長Tom Kuhn的觀點，成功開發(fā)高級計量系統(tǒng)需要采用新的通信方案、加密技術，充分利用新一代高度可靠、高度安全的低成本智能電表集成方案。智能電網(wǎng)開發(fā)所面臨的重大挑戰(zhàn)之一是成本問題，據(jù)不完全統(tǒng)計，電力公司在高級計量設備的花費就高達270億美元。
智能電網(wǎng)中，電能消費者即使不是最重要的因素，也是設計中需要關注的因素。這里面臨的挑戰(zhàn)是必須轉變消費者的消費習慣和態(tài)度，通過提高重要信息的透明度和互通性，幫助消費者有“選擇”地使用電能，并充分了解合理“選擇”帶來的益處。值得慶幸的是，能源危機使得人們開始重視能效問題，各行各業(yè)也開始參與高效節(jié)能產品的開發(fā)，以及面向消費者的能量管理和自動化產品(諸如智能設備、互聯(lián)網(wǎng)入口以及類似服務)的開發(fā)。因此，這也是大勢所趨。從全球范圍看，當前安裝的16億電表中僅有6%屬于具有雙向通信功能的智能電表。
消費者在動態(tài)價格信息或其它經濟利益的驅使下，開始青睞能夠幫助降低并調整能耗的“智能器件”。價格信息不一定通過專用的智能電表獲得，也可通過寬帶路由器/網(wǎng)關等用戶互聯(lián)網(wǎng)設備傳送。對于電力公司及其用戶來說，兩種傳輸渠道各有利弊，需要權衡信息安全性(隱私)、網(wǎng)絡安全性以及各種設備之間的互操作性和商業(yè)流通性等因素。最基本的要求是：兩種技術既可以單獨工作，也可以協(xié)同工作。目前主要關注智能設備的有效性，集成了智能電表和動態(tài)價格調整架構的器件能夠給出更明確的結果，大幅降低高峰期的用電量，進而有效降低電能成本。絕大部分初期工作基于簡單的判決算法，根據(jù)收到的價格信息可以更有效地控制設備的運行/關閉狀態(tài)。狀態(tài)控制也可以基于更多細節(jié)，例如設備的分類計量結果，這里消費者可以更靈活地操控電能的使用，做出更明智的選擇。這項工作還處于開發(fā)階段，很大程度上取決于消費者對測量設備的成本效益要求。
一些主要的電表廠商已經開始研發(fā)智能產品，這一舉措不僅受到聯(lián)邦激勵基金計劃的推動，還受消費者期待參與并要求提高透明度的影響。從電力公司的角度看，如果增強這種透明度，消費者能夠更好地了解設備運行的真正成本，培養(yǎng)良好的用電習慣，或者依靠高級系統(tǒng)(比如，由微軟和Google開創(chuàng)的網(wǎng)絡服務)控制并降低設備能耗，降低相關開銷，從任何方面看，這都不失為一個雙贏的結果。復雜產品的設計需要關注可靠性、成本、剪裁靈活性等問題。因此，用于能量測量的半導體產品不再像第一代產品那樣只是簡單地累計能量，而是具有更強的功能。
發(fā)展進程
即使2010年有4億美元激勵資金的支持，對于中、小規(guī)模的電力公司而言，開發(fā)成本仍是阻礙開發(fā)進程的屏障。智能電表硬件成本的增加加大了投資回報率的風險。這些成本主要涉及到一套復雜的與通信相關的功能裝置，諸如數(shù)據(jù)存儲、加密、連接電網(wǎng)和家用電器的多重加密雙向通信功能，以及遠端繼電器和附加印制電路板(PCB)斷開狀態(tài)的顯示。另外，如果不能向公眾成功展示這些新產品的工作狀況，也很難得到公眾的支持和理解。
另外一個附加成本是這些系統(tǒng)缺乏足夠的可編程能力，產品升級困難、不能勝任未來智能電網(wǎng)發(fā)展對安全性和互操作性方面的需求。考慮到這些因素，為安全起見需要在設計中嵌入更大容量的存儲器和更強大的通信功能，這遠遠超出了近期的使用需求，當然也提高了系統(tǒng)成本。
沒有人希望在把設備大規(guī)模推向市場后，很快發(fā)現(xiàn)由于對智能電發(fā)展進程的認識不足，而導致產品存在缺陷并很快遭到市場淘汰。草率地把不夠成熟的產品推向市場，勢必造成頻繁更換基礎設備，這將為電力部門帶來極高的運行成本，造成極大浪費。人們所面臨的更嚴重的設計挑戰(zhàn)，應該是這些復雜的電氣基礎架構較短的使用壽命和較低的可靠性。與二十多年以前的老舊、簡單設備相比，新設備包含了更多的元器件和互連單元，這也容易導致設備的頻繁更換。
半導體器件的設計考慮
住宅電表開始大規(guī)模采用半導體技術的歷史，也反映了產品工作壽命的問題。這項技術始于十多年以前，目前在全球大概1.2億塊新電表中，大約有85%的電表采用半導體技術，其余則是傳統(tǒng)的機械式法拉盤電表。
2004年，我在印度海德拉巴市的ECE工業(yè)設備有限公司參觀了一個這樣的工廠，這曾經是一家生意興隆的機械電表制造廠，利用從德國計量公司引進的技術，每年的最高產量達到八百萬套。這個重要的工業(yè)制造廠坐落在美麗的花園綠洲之中，值得一提的是這里曾經拍攝了多部寶萊塢時期的經典影片。但在我參觀這座廠房是，它已經是“人去樓空”，堆積著一些閑置設備，我的向導(曾經在這家工廠擔任過領班)悲哀地向我解釋說，由于具有高級防篡改功能的低成本半導體電表的快速發(fā)展，這座工廠已經處于完全停產狀態(tài)。
而就在那個時候，中國也推出了第一代集成了模/數(shù)轉換器的表面貼裝計量ASIC，該器件把電壓和電流的乘積轉換成數(shù)字脈沖輸出，脈沖信號送入千瓦時計數(shù)器進行計量。這一代產品在當時對電器設備以及基本電費計量高度需求的環(huán)境下，對于開發(fā)新興電表工業(yè)起到了一個重要的過渡作用。許多本地OEM廠商考慮到低成本的PCB制造工藝，都采用了這種技術。
隨著電力行業(yè)從傳統(tǒng)的基本費率管理體制轉向以市場調控為主導的競爭機制，驅使電表計量結構的第二次變革。由于電力公司開始引入分時計費體制，增添了自動抄表(AMR)、微控制器、無線電通信、LCD以及實時時鐘(RTC)等器件，這些器件被集成到計量ASIC(也稱為模擬前端或AFE)，促進了多芯片標準化方案在住宅電表設計中應用。
特殊的應用和計量要求通常需要更高的設計水準，隨著電力行業(yè)需求的改變以及設計標準的全球化，加上復雜電子系統(tǒng)整合的設計挑戰(zhàn)，提高了進入這一行業(yè)成為全球高端供應商的門檻，也大大減少了專業(yè)制造商的數(shù)量。而在計量設備中增加基本通信功能的日趨重要性，也進一步加劇了這一趨勢。當然，并不是世界各地所有的供應商都在同時經歷這一轉折。
智能電網(wǎng)的優(yōu)勢
當IC供應商意識到，為了在更短的時間內滿足大批量生產低成本、高復雜度、高可靠性產品需要大量的表計OEM廠商支持時，IC供應商從2003年左右開始推出了高度集成的專用片上系統(tǒng)(SoC)產品。片上系統(tǒng)集成了AFE、RTC、LCD驅動器以及MCU等通用模塊，并提高了可靠性、靈活性以及測量性能，使得全球各地的OEM廠商能夠以更快的速度開發(fā)出可靠的低成本電表。僅僅使用單片SoC，配合通信模塊，即可快速滿足專用的電力行業(yè)的基本要求。
智能電網(wǎng)概念的引入以及電力行業(yè)標準要求的不斷提高，需要在智能電網(wǎng)應用中增加更多的存儲器、安全和通信功能，這就要求器件中集成更多的數(shù)字電路，集成度按照摩爾定律不斷攀升的半導體制造工藝的發(fā)展也順應了這一應用需求。這是代表了半導體工藝發(fā)展價值的一個經典案例，它加速了計量工業(yè)的變革。
整體大于部分
IC制造商可以按照部分與整合確立自身的定位，這種區(qū)別可能非常細微，但卻非常重要。初看起來，Teridian的計量SoC只是對傳統(tǒng)模塊的整合，其中也包括了基本計量表。這種快速的復制-粘貼方案類似于分離式數(shù)/模轉換器(ADC)或微控制器供應商提供的相當通用的設計。而分離式設計是針對特殊應用提供參考設計和相關程序，并非芯片級設計。
按照市場需求，Teridian擁有專利的“單轉換器技術”集成了一個21位、2階Σ-? ADC，七個多路復用模擬輸入和一個可編程計算引擎(CE)，如圖1所示。這種架構解決了多路數(shù)據(jù)采集方案存在的眾多問題，比如噪聲和不均衡。在工業(yè)溫度范圍內，該ADC仍可保持由于2000:1的動態(tài)范圍，具有業(yè)內最佳指標。32位CE為信號處理器，通過硬件實現(xiàn)標準測量功能，并可對系統(tǒng)進行升級支持新的用戶功能。通過ADC前端的多路復用器實現(xiàn)多相測量，同時集成了計算引擎實現(xiàn)測量功能。
第四代Teridian器件采用專有的隔離技術(見圖)，利用低成本電流分流器替代電流變壓器和銅饋線。Teridian的最新一代計量IC集成了計量和接口功能，結構區(qū)別主要在于多路復用ADC和用于測量的專用計算引擎。
集成通信功能?
到目前為止，絕大多數(shù)分離式和基于SoC的計量方案，均采用傳統(tǒng)的計量與通信模塊相分離的方案。這種系統(tǒng)分割主要依據(jù)了AMR行業(yè)的慣例。許多通信基礎設施運營商作為獨立的商業(yè)實體運作，并通過專用的通信模塊提供電表的連接。然而，這種慣例在大型電網(wǎng)中正在開始改變，把通信功能集成到單板設計或更高集成度SoC，可以有效降低硬件成本。這不僅降低了智能電表的成本，同時也提高了產品的可靠性。
我們目前看到的智能電網(wǎng)在設計架構上發(fā)生了根大變革，涉及不同的行業(yè)和邊緣技術，特別是把計量與通信功能整合到了單一器件。截止2009年，接近50%的智能電表是基于單板設計，SoC取代了許多冗余微控制器、存儲器件和接口。此外，許多設計中低端收發(fā)器被RF/電力線通信(PLC)調制解調器所取代，并將功能強大的協(xié)議處理集成到SoC。
如上所述，智能電網(wǎng)正在開發(fā)RF和PLC技術的應用。在美國，家庭連通方案主要采用ZigBee、Homeplug和Wi-Fi (IEEE 802.15.11)技術。網(wǎng)絡連通(電網(wǎng))可能采用任何非標準方案，而在通信模塊和設備(諸如智能電表和家用電器)之間將制定一套標準接口(詳細信息請參考www.usnap.org)。
電網(wǎng)設備中不可或缺的是安全性和高層互通性(定義為ANSI12.19)，以確保各種智能電網(wǎng)子系統(tǒng)成為互通、安全網(wǎng)絡。正在開發(fā)的SUN PHY (IEEE 802.15.4修訂)和IEEE 1901技術致力于制定統(tǒng)一的PLC技術(http://grouper.ieee.org/groups/1901/)。這些技術開發(fā)使得人們目前很難預測主導未來市場的標準。但有一點是確定的，家庭網(wǎng)絡(HAN)中消費者在市場上會有多種選擇方案，通信鏈路之間的橋接方案將很快投放市場。
至于安全性，目前HAN(ZigBee、Homeplug)采用的是128位加密方案，電網(wǎng)中可能采用256位加密方案，例如：ZigBee智能能量管理2和802.16 WiMAX。許多AMI設備的數(shù)據(jù)傳輸速率達到了50至100kbps。
