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百家了7囗公式窜改电表偷电的日子到头了智能电

2020-05-02 17:12

  种种趋势正使得全球各地电力偷窃状况日益增加。窃电的比例似乎并不算非常高,然而,对于电力公司所累积的影响却是相当显着的。IEC 与 ANSI 等电表标准机构已经开发出可以避免电表窜改,并将窃电情况减到最低的必要标准。但标准不会永远有效,而且窜改的用户可以避开保护机制。

  创新的芯片技术将可带来更好的电表设计,并强化对常见窃电形式的反制能力。此创新技术就是精密的转换器与芯片等级的变压器。

  窃电的方法主要是利用外部磁铁窜改智慧型电表,使得电表漏报或是完全停止运作。针对这种用磁铁窜改电表的手法,半导体供应商可以透过使用于能源量测应用的芯片来予以反制,这种芯片结合了精密类比数位转换器、资料通道的数位隔离以及 DC/DC 电力转换隔离等元素。

  这类能源量测 IC 十分小巧而且价格便宜,而且能够实现完全免疫于磁性窜改的新一代智慧型电表。电力公司将会发现,部署采用这些基础技术的智慧型电表发生窃电情况的比例降低,而长期收益则将会提高。

  窃盗在人类社会中,可说是最普遍的犯罪行为。不管是闯入私人处所行窃或是在商店中顺手牵羊的情况,都是十分常见的。虽然大部份的窃贼都是业余的,但也有个人与组织是以扒窃维生,而且有可能更为复杂。

  商店偷窃的处罚通常都会比一般的偷窃轻,而且零售商一般情况下很难以将窃贼逮捕与起诉。不过,偷窃对于零售商的营收与获利会造成很显着的影响,大约有 1%的库存会因为偷窃而损失。这个百分比看起来似乎很低,但是有人估计,偷窃每天会让所有的美国企业消耗超过 2,500 万美元成本。

  就许多方面而言,窃电其实非常类似商店偷窃。有些窃贼是知道如何透过网际网路对他们的电力公司偷窃的个人消费者,其他的则是涉及非法毒品种植的复杂企业。对于电力公司来说,追查涉嫌能源犯罪的成本往往远高于其所能取回的收益。

  此外,法律只会替电力公司建立有限的权责来对抗窃电行为。在美国,业界一般认为窃电消耗掉电力公司全年总收入大约 0.5%3.5%。这个比例看来似乎很低,但换算成发电量,一年内可以达到 1TWh 之多,或是在收益损失上超过一亿美元。

  在其它管理较差的国家,窃电的比例估计最高可达 20%。在商店偷窃与窃电之间有两项重要的差异,第一是商业机构是单一地区性电力公司,而非一群不同的零售商。第二是相较于在地区域性零售商的购物者而言,窃电的潜在性犯罪的范围更大,而且分布更广。换句话说,经济方面损害的潜在性会集中在电力公司,而受益者则分布甚广而且难以追查逮捕。

  有两项最新趋势使得窃电成为严重的全球性问题。第一,许多电力公司一开始就是国有垄断企业,而效率与获益并非其最高优先考量。在最近的数十年间,许多的政府都已经开始将能源基础架构私有化并改善能源政策,如此一来电力公司就必须有效率地运作并且将利润最佳化。因此,电力公司就会有较多的动机去解决窃电的问题并保护他们的收益。第二,电力的价格已经提高,主要是因为使用于发电的原物料(油与煤)成本上涨。

  举例来说,过去二十年间在美国的平均电力价格每年上涨大约 2%,从 1990 年的每千瓦 0.078 美元一直到 2010 年的每千瓦 0.114 美元。在经济困难时期,部份消费者与企业变得更倾向于进行窃电来节省电费支出。

  全球各地的电力公司多年来都已经了解到窃电的状况,而且已经建立了各种对于电表的技术需求,用以避免电表遭到窜改并且将窃电状况最小化。举例来说,建立国际电表标准的官方机构 International Technical Commission(ITC)国际技术委员会开发了一套使用于静态电表的规格,其中定义了 0.2 与 0.5 的精确度等级。

  IEC 62053-22 文件中有一整个章节是在叙述影响量(Influence Quantities)会妨害电表的精确度。其中包括了可能会在窜改电表事件,像是保留相位电压的序列、应用外部 ac 或 dc 磁场、或是利用电磁 RF 干扰等发生期间的项目。更明确的说,IEC 62053-22 针对了 Class 0.2 电表(具有 0.5mT 强度的外部 ac 磁场可能会使误差不超过实际量测值的 0.5%)做了陈述。该文件也定义了测试需求是什么,并叙述了用以确认电表相容此规格的所有必要参考条件。

  美国国家标准协会也已经开发了一套类似的规格,其中定义了电表窜改事件以及建立了电表要如何维持正确的运作与精确度。ANSI C12-20-2002 文件中包含了一篇章节,其中提及了符合电表窜改的状况,像是使用外部磁场或是以外部电磁 RF 干扰来支配电表等。ANSI 规格的可容许误差限制为相对于实际量测值1.0%的偏差。

  除了这些基本标准外,许多国家还会增加特定的规格要求,以因应能源偷窃的问题。在印度,有一套区域性的规格定义了 25 种电表必须能够侦测出来的独特窜改状况。德国的法规则建立了一项非常具有挑战性的 dc 抗磁力限制:即使有 1.2T 的磁铁覆盖在电表的整个外壳表面,电表仍旧必须维持其精确度。百家了7囗公式

  许多其他的国家都具有额外的窜改需求,藉以补强 IEC 或是 ANSI 电表标准。总而言之,相关业者都相当重视此问题,而且投入大量的努力去开发技术标准,希望能够将窃电状况最小化。

  在介绍新技术之前,先了解智慧型电表的基础建构方块组件是相当重要的。图 1 所示为智慧型电表信号链中的五个组件:第一,将大型输入信号转换为较小信号,能够与系统其它部份相容的输入感测器。第二,能够建立位元串流以便进一步处理的类比数位转换器。第三,在许多特定电表标准与区域中所需要的隔离。第四,百家了7囗公式,计算所有能源量测数量(例如瓦特、I rms、V rms、VAR 等等)的系统微控制器。第五,通讯处理器,能源量测与控制指令可以在电力公司的内勤与消费点之间进行交换。

  适用于多相位电表设计的两种常见方案,其差异是以系统中的隔离方式如何执行做为区隔。一种设计方案使用目前的变压器做为输入感测器,因为它们提供电流隔离,而对于量测广范围输入电流来说是好的方案。这种设计的简化功能方块图如图 3。第二种设计方案则使用了光耦合器技术(图 4),小巧而且便宜。

  以此背景为准,让我们回头谈谈反制窃电的新技术。第一种创新是芯片等级的变压器技术,目前不仅已经能够隔离资料通道,电力也可以隔离,如此系统就可以被完全的分隔开来。

  另一个要了解的重点则是芯片等级的变压器技术,已经达到非常小巧的尺寸与非常高的生产可靠度,因而可以与其它智慧型电表组件加以结合,全部容纳于同一个 IC 芯片当中。其结果就是新的多相位智慧型电表架构,如图 4。

  当半导体供应商,在同一 IC 芯片中利用芯片等级变压器技术,以及先进转换器技术时,智慧型电表系统就可以实现新位准的整合度、性能,并且降低总体成本。最为重要的事实,是透过在电表附近放置一个外部永久磁铁而对电流变压器(Current Transformer, CT)进行窜改是相对容易的,最终会造成智慧型电表漏报或是完全的停止运作。电流变压器不仅易于遭到窜改,而且体积大、笨重、昂贵,尤其是当它们是 DC 容错的话。

  这种常见的窃电方法必须要使其完全的消失,如此电力公司才不会蒙受收益的损失。藉由现有的新位准整合度,智慧型电表将不再需要使用外部电流变压器作为感测器的类型。

  具有隔离式 ADC 的智慧型电表与使用外部光耦合器技术的电表比较起来是如何呢?最大的优点即在于利用隔离式 ADC 时,因为元件较少而系统会变得更加的可靠。如图 4 中所展示的光耦合器设计,多出了至少六个元件。针对三组相位电流(PSU2PSU4),分别都有个别的电源供应单元,同时也有离散式的光耦合器 IC 分别对三组相位电流(OC1OC3)提供电流隔离。

  消除了智慧型电表中的额外元件,将会使其更易于生产,而且也可以改善长期的可靠度。后面这点相当重要,因为电表必须要能够在现场适当的运作,并且在严苛环境中维持其精确度达数年之久。当智慧型电表包含了隔离式 ADC 时,元件数量会下降而长期可靠度将会提高,最终则会转换成较低的电力公司作业开销。

  窃电对于电力公司来说是一项越来越令人烦恼的问题。然而,创新技术的汇聚带来了更优良的电表设计,以及更强大的避免使用外部磁铁窃电的保护能力。如同本文中所讨论过的,精密转换器与芯片等级变压器,可以整合在单一 IC 芯片当中,实现新等级的智慧型电表。这些未来的智慧型电表能够完全的避免磁力窜改。电力公司开始采用具备隔离式 ADC 技术的智慧型电表,将会发现窃电比例降低,而长期收益则会提高。