智能電表/智能能源的技術市場

我國智能電網的特點

“智能電網”的概念是2009年5月由國家電網提出的，覆蓋從發電、輸電、變電、配電，到用電和調度的6個環節的全面智能化，規劃分三步走戰略[1]：2009～2010年規劃試點；2011～2015大規模建設；2020基本完成。那么智能電網的競爭態勢如何？

北京賽迪世紀信息工程顧問有限公司能源咨詢中心高級咨詢師路遠稱，行業競爭方面主要體現三個特點：

1.智能電表市場進入適度增長期。目前傳統電能表市場已經從高速增長期進入適度增長期，整個行業產能過剩，競爭更加激烈，行業利潤率下降；與此同時，智能電表為電能表市場注入新的活力，市場有望大幅增長。

2.市場份額將向大企業集中，行業重組勢在必行。

3.產品成本、質量及企業整體運營能力的競爭將更加激烈。

國內需求平穩，出口增長

IHS iSuppli公司工業電子行業分析師朱慧給我們了一些具體數字，隨著智能電網建設被提升到國家戰略，預計到2020年，中國對智能電網的總投入將超過4萬億元。作為智能電網的一部分，智能電表的發展取決于電網的發展進度，未來3～5年發展勢頭良好。

2011年國內電表總產量1.02億只，其中智能表約8300萬只。2011年國家電網采購逾6800萬只電表，其中智能表5900多萬只。預計今年國內總產量1.09億只，其中約9200萬只智能表，增勢趨緩。由于2010和2011年智能電表市場發展迅速，電表廠商紛紛擴張產能，現在為保證產能利用率，紛紛加速開拓海外市場。保守估計，今年將有2800萬只電表出口。

TI負責智能電表市場拓展的工程師孫東解釋了國內需求基本和去年持平或略有增長的原因，因為國家對智能電網的換裝是從2009年開始進行的，已經持續了兩三年。國家電網去年有5000多萬支的換裝，今年第一次招標1600萬只，這次招標也有2000多萬只，到年底還將有一次招標，所以總量應該有5000～6000萬只。南方電網的市場也基本保持了比較平穩的態勢，因為南網主要是在云貴等地區，大部分還是以機械為主的，少部分地區會用到電子表。

IHS iSuppli朱慧分析道，從出口地區來看，東南亞和中東地區居多。大家也很看好南美的巴西市場，但目前推進還有些困難。預計今年下半年和明年會加快推進速度。

MCU和計量芯片、PLC模塊市場

IHS iSuppli主要關注智能表的三大類：MCU(單片機)、計量芯片和PLC通訊模塊。MCU主要由海外廠商主導，計量和PLC則以本土廠商為主。

電表的MCU市場上，國內廠商中只有復旦微電子擠入前三。日本的瑞薩電子市場份額領先。

隨著國網對智能電表采購標準的提高，不久的將來，MCU領域將加速洗牌。

電表的計量芯片市場上，單相表和三相表領域分別由銳能微和鉅泉光電主導。兩家的市場份額正在不斷擴大，相互滲透。

在PLC(電力線載波)通訊模塊市場上，東軟載波、福星曉程、彌亞微仍然保持前三。隨著技術的升級，以及對PLC指定的逐步放開，市場競爭格局會有較大變化。

但是，一些企業也開始做二合一芯片。例如TI可以提供把計量芯片、MCU、液晶驅動、RTC(實時時鐘)集成在一起的SoC(系統芯片)，后續TI打算把PLC也集成進來。因為中國國內市場有一個強制性要求，一定要把PLC跟SoC/ MPU隔離開，所以，目前國內市場上暫時沒有這種PLC、MCU和計量集成起來的芯片。

那么，我國為什么要把PLC模塊單獨列出來？可能主要是由于產業分工的原因，因為現在做載波的供應商不做計量芯片，也不做MCU；做MCU和做計量的也不做載波。另外一個是考慮到安全，因為載波一般是掛在220V的電力線上，它需要和MCU控制端保護數控儀器。

網絡化、SoC化

賽迪世紀的路遠稱，模塊化、系統化、網絡化是智能電表的發展趨勢。其中網絡化的優勢，可以將智能電表的部分功能從接入層上移到網絡層和數據管理平臺層，通過數據共享和綜合分析實現智能電表的功能，簡化智能電表的設計。目前，可利用的通信網絡有：電力線載波(PLC)網、光纖與同軸電纜(HFC) 網、固定電話(PSTN)網、無線移動(GSM/GPRS/ CDMA)網。

IHS iSuppli的朱慧預測，MCU目前還是以8位為主，將來由于有更多的連接，將升級到32位。MCU的SoC化在智能電表中越來越普及型，例如MCU與RTC、LCD驅動集成在一起。

TI的孫東認為，目前基本上單向電90%是8位或16位的水平，因為它們已經完全滿足這個需求了；在三相電表方面，大部分也是8位、16位，還有一小部分是32位。這取決于電表的功能要求和變化，例如向國外出口的電表對于某些協議棧的要求會比較復雜，通訊功能較弱(像G3-PLC可能對于高速通信限制)，因此對MCU的要求會較高，所以會選擇32位的平臺。而對于傳統的國內市場，還停留在8位、16位的平臺上。

Gartner的半導體和電子研究總監Adib Carl Ghubril稱，智能電表中所采用的電子元器件應能實現如下各項功能：1.能在分時計價中計算功耗——意味著能夠處理電流和電壓信號；2.保護數據安全——意味著能夠進行數據的加密解密；3.傳輸數據并接收指令——意味能夠執行某些通訊協議。

能夠支持所有上述3項功能的主電子裝置上較好地組合了MCU(一個或多個)、穩壓器、傳感器以及無線電收發器。

與其它實現方式相比，理想的實現可能會集成更多的電子元器件，例如，Maxim公司推出的用于智能電表的Teredian SoC方案。

某些實現可能有數個多芯片解決方案，如：Atmel公司的RF MCU，采用ZigBee通信協議實現智能電表(Silicon Labs、Microchip、Freescale等很多公司采用這種方法)。

此外，DSP式功能性模塊適用于功耗的計算(以及添加時間戳)；因此，至少可以看到16位MCU或32位MCU采取了這種方法。在支持乘法累加功能的MCU上有可能實現計量引擎(既然提到了這點)——雖然這只是在理論上。

總之，高層次電子發展趨勢是更為靈敏、更多地應用DSP、以及更為廣泛地采用RF射頻技術。

部分芯片廠商觀點

智能電表架設和配電自動化的挑戰

Maxim(美信)終端市場應用經理David Andeen認為，智能電表的架設和配電自動化的推廣是當今市場上兩個最重要的趨勢。對于智能電表而言，計量、通信及安全是最關鍵的部分。

對于IC來說，一大發展趨勢是性能和集成度。對于智能電表，一些生產商需要高性能功能模塊，從而可以獲得靈活的架構。而一些生產商則需要高集成度方案，以支持多種通信協議。在配電自動化方面，誠然高性能功能模塊是王牌，但是還需要測量更多的端點。這些端點對測量精度和速度的要求沒有變電站設備那么高，因此我們將會看到各種性能級別的產品問世。

美信的產品已用在超過8千萬只的智能電表上。其金融終端安全技術非常適合智能電網應用。該公司所倡導的G3-PLC業已成為OFDM電力線通信的國際標準。

SoC化和本土研發策略

針對國網的采購便宜，會擠壓一些廠商的利潤空間。TI市場拓展工程師孫東認為這也是促使電表芯片SoC化，對于客戶整個成本來可降低很多。研發工程師的創新建議從三方面入手：一方面是如何更好地控制成本，因為大家在相同標準下，誰把成本做得越低誰就越有競爭力。第二，同樣重要的是質量，從去年招標情況來看，在控制成本的情況下如何提高產品質量，保證高可靠性是一個挑戰。第三，創新，國內的表廠動作很快，如何更快地開發出滿足國外不同區域的要求，能快速把自己的表計升級為他們的標準也是個挑戰，要做的工作很多。

那么，相比于國外的電表市場，中國的電表市場有何特點？孫東認為，產業分工不太相同，有的國家每個州或每一個省都有電力運營商，用戶可以選擇不同的運營商，電表廠商也可以選擇不同運營商的技術標準來供貨。在國內只有兩家運營商：國家電網和南方電網，國家電網管轄了27個省，約占80%以上份額。所以，作為電表廠商選擇性相對少一些，但要根據中國國家電網智能電表的標準來做產品，對于一些項目，電表廠做出來的表計一模一樣，這是和國外最大的區別。

計量：智能能源的核心

Microchip公司智能能源解決方案部經理Clayton Pillion稱，公共事業公司面臨的一個重大挑戰是在能源需求的高峰期保持高水準的服務，同時不會使能源價格發生明顯波動。因此，能夠智能地管理電力消耗是實現更高效和更穩定電網的基礎。室內的主要耗能產品應能實時了解自身的能源使用情況，并能夠在能源供應發生變化時收到相關信息。例如，嵌入式單片機和通信可以使HVAC(供熱、通風與空調)、洗滌設備、PC和機頂盒在電力供給緊張而需求很高的熱浪期間降低功耗。為了使室內的智能設備發揮功效，必須將能源相關的數據與外界共享。這可以通過安裝能夠與公用事業公司和/或基于云的服務交換能源信息的智能電表或寬帶網關來實現。總之，將電子元件集成到高功耗設備并將它們與能源消息流相連接，可以使公用事業公司在用電高峰期更加高效地提供能源。

要將能源意識融入到消費產品中，需要在目前的基礎上增加更多的處理和通信。例如，可編程通信恒溫器(PCT)需要更高的處理性能，以運行TCP/IP協議棧和加密軟件等更為復雜的軟件，同時還要驅動更大的LCD顯示屏。電子元件數量的增加推動了對低功耗IC的需求，尤其對于某些功率預算有限的產品更是如此，例如用于老舊房屋的PCT，這些房屋的線路可能無法支撐增加的電流消耗。

智能能源的另一個重要

方面是精確計量能量的能力。在數據中心應用中，許多電源、線路監視器和配電裝置正在向計量誤差低于1%的目標過渡。為了達到這一目標，需要在IC中集成具有可編程增益、支持各種減噪算法且有效位數更高的A/D轉換器。

Microchip已形成涵蓋計量(能量計量)、RF通信、存儲器和單片機的強大技術基礎。

未來的智能電表要滿足多種趨勢

ADI 技術業務經理張松鋼指出，未來，智能電表技術設計的發展趨勢依然是高精度、低功耗、智能化。同時，未來的智能電表還應該滿足以下的技術要求。

數據存儲能力。

電表的雙向互動。

核心芯片的性能。利用電力載波進行集中抄表是智能電表應用中最基礎的功能，其核心芯片的性能也是決定電力載波系統成敗的關鍵。系統廠商如果要保證信號的傳輸距離，就要盡最大可能提高發射功率，然而一般來說，發射功率過大就會對電網產生強烈的電磁干擾，也就是常說的“二次污染”。要減少這類污染，就要盡可能用最小發射功率實現最佳傳輸效果，這就需要從核心芯片入手來解決這個問題，而不只是著眼于系統的外圍。

通信保障能力和網絡傳輸協議。在實施電力載波集中抄表方案過程中，需要解決任意相鄰節點物理層通信保障能力的問題和具有幀中繼控制的網絡傳輸協議的問題，采用高集成度的SoC解決方案則是有效的途徑之一，此外，利用芯片內部的嵌入式微處理器來進行網絡傳輸與信息安全控制也可以大幅度增強電力載波芯片的性能。

在智能電網方面，ADI提供了幾款主打的技術產品，其中AD7606是新一代8通道同步采樣ADC家族系列，還有Blackfn系列處理器。

PLC的發展趨勢

意法半導體(ST)工業與功率轉換產品部市場開發總監Oleg Logvinov稱，為推進家庭智能電網生態系統發展，我們需要先進的通信技術，把智能電表、電動汽車充電樁、再生能源、大家電、照明系統和用戶界面連在一起，組成一個實時人機互動系統。

最近幾年，作為智能電網和智能電能應用的核心技術，電力線通信(PLC)異軍突起。PLC技術分為兩類，一類是頻率1.8 MHz以上的寬帶技術，另一類是帶寬在kHz以內的窄帶通信技術。通常情況下，寬帶PLC用于組建家庭網絡，而窄帶PLC則更多地用于智能電表與智能電網。

在窄帶P LC技術領域，歐洲OPENmeter是最早把窄帶PLC標準用于智能電表基礎設施的電力工程。這些技術標準的開發者和倡導者包括主要的能源企業協會，例如，Meters and More， PRIME和G3-PLC。最近，我們開始注意到新的國際標準化活動，例如，IEEE 1901.2(目前還在制訂中)。在寬帶PLC技術領域，技術互操作標準的代表是IEEE 1901、HomePlug AV和HomePlug Green PHY。

對于IC來說，高集成度和可編程功能變得越來越重要，特別是在智能電表應用更是如此。另一方面，在家庭應用中，通信技術標準被提高，高可靠性成為連接標準的強制要求。當然，低功耗和高能效在這些應用中非常重要。

今天，ST憑借STarGRID SoC系統芯片領跑窄帶PLC市場和相關標準開發領域。STarGRID SoC是目前市場集成度很高的窄帶PLC平臺，單片整合1個高性能多標準PLC調制解調器、1個可編程協議引擎、完整的模擬前端和電力線驅動器。

實現準確可靠的計量

IDT中國事業部市場總監浦志勇認為，未來智能電網的核心是可靠、高速和低價的通信技術的成功應用，從而為數以億計的終端用戶和電力公司之間提供雙向的互動網絡。在現階段，智能電表作為智能電網的基礎設備，準確、可靠的計量是智能電表首要解決的問題，而通信技術則是未來發展的關鍵。

作為智能能源產品，一方面，產品本身應具有低功耗的特點，更重要的則是產品及其解決方案應促進能源的更有效使用。

IDT提供業界寬動態范圍的計量芯片，有助于電能表制造商統一生產工藝，擴大生產規模，降低生產成本，從而實現規模化生產。

SoC解決方案

飛思卡爾半導體公司(Freescale)市場開發經理何英偉介紹道，該公司提供安全的、終端到終端的解決方案，支持從輸電、配電、分站到入戶的智能電網(圖1)。這些方案將協助解決設計上的挑戰。

總而言之，智能電表需要減低系統成本，降低(系統)功耗，在故障戓掉電事件中的數據保存，防篡改，智能計量通信更復雜(需要更多的GPIO和串行通信模塊(I2C，SCI和SPI)，有線戓無線通信)。

飛思卡爾推出了8至32位單片機，并把單片機、傳感器、電源管理模擬IC及低功耗無線IC模塊(ZigBee，Sub GHz)盡可能整合在同一封裝內，如MC13224V是集成ARM7+2.4GHzRF IC，再配合適當軟件及各國對智能電網零部件的要求，提供整合的參考方案，以節省設計人員硬軟件開發和生產測試的時間。

圖1 飛思卡爾智能網和講師解決方案

表1 面向可再生能源應用的凌力爾特 IC 解決方案

太陽能及各種能源的管理與收集

凌力爾特公司電源產品部產品市場總監Tony Armstrong介紹了新能源的利用。

太陽能 在各家公司都致力于尋求降低功耗之方法的情況下，太陽能供電型電子設備的市場呈持續增長的態勢。為了降低運行能源成本，部署在智能電網上的智能電表將很有可能由某種環境能量源來供電，而一種適用且豐富的能量源便是來自太陽能。然而，鑒于太陽能電源變化無常且不可靠，所以幾乎所有的太陽能供電型設備都配有可再充電電池。因此，一個重要的目標是吸取盡可能多的太陽能，以對這些電池進行快速充電并保持其充電狀態，從而在無法獲得太陽能時將其用作一種能量源。

反之，倘若智能電表采用電池作為其主電源，則電源轉換和管理電子組件在待機模式中將必需具有非常低的靜態電流，以延長電池的使用壽命。幸運的是，凌力爾特提供了眾多靜態電流水平通常低于25μA的IC。

環境能量 在我們周圍存在著許多環境能量，能量收集的傳統方法一直是借助太陽能電池板和風力發電機。不過，新的收集手段允許我們利用各種各樣的環境能量源來產生電能。而且，重要之處不是電路的能量轉換效率，而更多地是在于可為其供電的“平均收集”能量值。例如：熱電發生器可將熱量轉換為電力、壓電元件可轉換機械振動、光伏元件用于轉換陽光(或任何光子源)、而電流元件則可從濕氣實現能量轉換。這使得能夠給遠程傳感器供電或對電能存儲器件 (例如：電容器或薄膜電池) 進行充電，從而可為微處理器或發送器實施遠程供電，而無需使用本地電源。這反過來又為將凌力爾特的能量收集產品用作潛在的解決方案帶來了機會(表1)。

凌力爾特產品的特點是，現成有售的能量收集技術 (例如振動能量收集和室內光伏單元) 在典型工作條件下可產生mW 級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統一般能在電能耗盡后再充電，而這一點主電池供電的系統是做不到的。環境能源包括光、溫差、振動波束、發送的RF信號，或者其他任何能通過換能器產生電荷的能源。

參考文獻：

[1] 2012年度智能電網市場分析與展望.(2012-3-31).電源世界. http://www.elexcon.com/news/131021.html

[2]迎九. Microchip單片機如何實現了超低功耗.電子產品世界，2012(3):23

[3]高偉聰，魏鵬.基于ADS855x的智能電網全景監控模塊設計.電子產品世界，2012(1):52

[4]王力棟，張峰達，梅倍楨.基于ARM和電力載波的智能家居設計.電子產品世界，2012(1):38

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