La tecnología de medición inteligente promueve la eficiencia energética para un mundo más verde

Introducción

Todos conocemos el medidor de electricidad escondido en el garaje, el sótano o en cualquier otro lugar fuera de la vista. Es posible que incluso lo hayamos revisado una o dos veces para llamar a la compañía de servicios públicos para obtener una lectura actualizada en lugar de una estimación. Gracias a la tecnología, se está produciendo una revolución silenciosa dentro de este medidor inocuo.

La Figura 1 muestra un ejemplo de un contador electromecanico—desarrollado por primera vez a finales del siglo XIX^mi siglo-que tiene un disco giratorio y una pantalla de contador mecánico. Este tipo de contador funciona contando las revoluciones de un disco de metal que gira a una velocidad proporcional a la potencia consumida por la caja de fusibles principal. Las bobinas vecinas giran el disco induciendo corrientes de Foucault y una fuerza proporcional a la corriente y el voltaje instantáneos. Un imán permanente ejerce una fuerza de amortiguación sobre el disco, que deja de girar cuando se apaga la alimentación.

El primer paso en la evolución de los contadores fue la sustitución de los contadores electromecánicos por medidor electronico de estado solido. Los medidores electrónicos miden energía utilizando componentes altamente integrados, como el ADE516x,¹ADE556x,²ADE716x,³ADE756x,⁴ y ADE77xx⁵ Familias de circuitos integrados de medida de energía.⁶ Estos dispositivos digitalizan voltaje y corriente instantáneos a través de un ADC sigma-delta de alta resolución. El cálculo da el producto de voltaje y corriente. poder instantáneo en vatios La integración en el tiempo da la energía utilizada, generalmente medida en kilovatios hora (kWh). Los datos de energía se muestran en una pantalla de cristal líquido (LCD), como se muestra en la Figura 2.

Los contadores electrónicos tienen varias ventajas. Además de medir la potencia instantánea, pueden medir otros parámetros como Factor de potencia y Poder reactivo. Los datos se pueden medir y almacenar a intervalos específicos, lo que permite que la empresa de servicios públicos ofrezca planes de tarifas basados ​​en la hora del día de uso. Esto permite a los consumidores inteligentes ahorrar dinero haciendo funcionar electrodomésticos grandes, como lavadoras y secadoras, durante las horas de menor actividad a un costo menor; y las empresas de servicios públicos pueden evitar la construcción de nuevas plantas de energía porque se necesita menos capacidad durante los períodos pico. Los contadores electrónicos no se ven afectados por los imanes externos ni por la orientación del propio contador, por lo que son más profundos que los contadores electromecánicos. Los medidores electrónicos también son muy confiables.

Analog Devices ha sido un actor clave en la transición de medidores electromecánicos a electrónicos, enviando más de 225 millones de medidores de energía IC hasta la fecha. Según IMS Research, el 75% de todos los medidores de energía enviados en 2007 eran electrónicos en lugar de electromecánicos.^Siete

El contador electrónico abre nuevas posibilidades

Cuando los datos del medidor están disponibles en forma electrónica, se puede agregar comunicación al medidor, lo que permite que el medidor use lectura automática de contadores (AMR) para acceder a los datos de forma remota a través del enlace de comunicación. Los fabricantes de contadores han desarrollado varias arquitecturas de sistemas para la lectura remota, generalmente clasificados como sistemas de pie, de coche o de red. En la Figura 3 se muestra un sistema de conducción en un automóvil. En este caso, la empresa de servicios públicos envía una camioneta con un colector de datos inalámbrico incorporado. La furgoneta recorre el barrio recogiendo de forma eficiente los datos de los contadores. Un sistema drive-thru aumenta cinco veces la cantidad de medidores que un trabajador de servicios públicos puede leer por día en comparación con los sistemas de operador a pie y más de diez veces con respecto a la lectura manual de medidores. En un sistema en red, los datos del medidor se transmiten a un colector de datos fijo, generalmente ubicado en un poste al final de la calle o el vecindario. Los datos se envían de regreso a la empresa de servicios públicos a través de banda ancha o red troncal celular.

AMR a AMI

Inicialmente, el reemplazo de la lectura manual con sistemas AMR se consideraba simplemente como un medio para reducir los costos de mano de obra, pero esto está cambiando a medida que la industria reconoce que AMR permite a las empresas de servicios públicos brindar beneficios y servicios superiores con facilidad, como precios en tiempo real. promoviendo una mejor eficiencia energética, informes inmediatos de detección de cortes y datos de perfil de uso más precisos dentro de la red. A veces se reemplaza la memoria RAM Infraestructura de medición avanzada (AMI) para destacar la evolución de la lectura remota simple. Los sistemas de medición de red AMI se pueden implementar utilizando tecnologías que van desde satélites hasta radios de bajo costo. Las dos tecnologías más emergentes son RF, que es utilizada por la banda industrial, científica y médica (ISM) sin licencia, y los portadores de línea eléctrica (PLC).

La tecnología de RF utiliza radios de bajo costo y bajo consumo para transmitir la información del medidor de forma inalámbrica, mientras que la línea eléctrica usa la propia línea eléctrica. Analog Devices ha desarrollado soluciones para ambas tecnologías, con la familia ADF7xxx de transceptores de corto alcance⁸ frente a la parte RF de la banda ISM y el SALEM^® familia basada en el popular Blackfin^® procesador⁹ direccionar el segmento del autómata. Cada una de estas tecnologías tiene sus ventajas y desventajas. Para medidores de agua y gas en particular, la tecnología RF se está convirtiendo en la opción dominante debido a preocupaciones de seguridad relacionadas con la presencia de redes eléctricas cerca de agua o gas. Los contadores de agua también tienen la dificultad añadida de que a menudo se entierran bajo tierra. Con los medidores de electricidad, es probable que haya una combinación de ambos enfoques, con América del Norte a favor de RF y Europa a favor de las líneas eléctricas. En los Estados Unidos, una pequeña cantidad de hogares generalmente está conectada a un solo transformador, lo que hace que el PLC sea menos económico. En algunas implementaciones, las empresas de servicios públicos implementan AMI usando una combinación, con una línea eléctrica utilizada para comunicarse desde el colector de datos al medidor de electricidad y RF utilizada entre el medidor de electricidad y el medidor de energía, otro medidor o electrodomésticos. Una página interesante de Google Maps que destaca las implementaciones de AMR/AMI en todo el mundo^diez y los ensayos de campo reflejan información actualizada.

Diseño de la parte de RF de un medidor de servicios públicos compatible con AMR/AMI

Los medidores de servicios públicos a menudo se encuentran dentro o alrededor de los hogares con un número cada vez mayor de dispositivos inalámbricos, lo que dificulta proporcionar comunicaciones de radio confiables. Se requiere un alto rendimiento del circuito de RF para rechazar grandes señales no deseadas de dispositivos como LAN inalámbrica y decodificar la señal deseada que puede ser tan baja como fracciones de microvoltaje en la entrada de radio.

Una buena sensibilidad de radio también es esencial, ya que esto da como resultado rangos de transmisión de señal más largos. Recuerde que el medidor puede estar ubicado en un sótano o, peor aún, bajo tierra, pero debe comunicarse con un radio en un poste a unas cuadras de distancia o con una camioneta de servicio al final de la calle. Cuanto menor sea la sensibilidad, más cerca estará la radio receptora de decodificar correctamente los mensajes. Para un sistema de conductor, móvil simplemente significa que la camioneta debe estar más cerca de su hogar, pero la infraestructura de red fija necesita usar menos celdas y, en consecuencia, una mayor cantidad de recopiladores de datos. Por lo tanto, se minimizarán los costos de infraestructura de red.

El bajo consumo de energía es esencial en los medidores gas y agua a bateria. Los vendedores de medidores a menudo intentan reducir el consumo de energía en un medidor de energía, ya que esto les permite llevar el mismo diseño a un medidor de agua o gas. Además, para operar en la parte no licenciada del espectro, el protocolo de comunicación utilizado por el medidor y el lector debe cumplir con las normas de emisión de radio del país de operación. Hay varias bandas sin licencia en todo el mundo, las más comunes en 900 MHz, 2,4 GHz y 5,8 GHz.

La mayoría de los fabricantes de medidores han seleccionado radios en las bandas de 900 MHz para conexiones entre medidores y medidores a colectores de datos. Las radios en esas frecuencias brindan un mejor rango de comunicación para un presupuesto de energía determinado que las tecnologías de 2,4 GHz de la competencia y, por lo tanto, permiten una cobertura celular mucho más amplia para una estación base o colector de datos determinado. Sin embargo, desde el punto de vista del servicio público, una desventaja de usar esta banda de frecuencias es la falta de estándares disponibles. Las bandas sub-GHz son claramente la opción tecnológica preferida para los medidores de agua y gas alimentados por batería, lo que impulsa una creciente demanda de estandarización para permitir la interoperabilidad entre sistemas de diferentes fabricantes. Wireless M-Bus, del grupo de usuarios de M-Bus cableado, es un ejemplo de un estándar de comunicación entre medidores y entre el medidor y el colector de datos. Autobús M¹¹ ahora forma parte del estándar normativo europeo EN especificado en la norma EN 13757. El protocolo M-Bus Wireless se especifica en la versión EN 13757-4. También se están realizando otros esfuerzos de estandarización de 900 MHz.

alimentador automático de documentos 70 20¹² y los transceptores ADF7023 que se lanzarán próximamente son ejemplos de radios de 900 MHz diseñados teniendo en cuenta la medición. Ambos dispositivos también son adecuados para sistemas que deben cumplir con el estándar M-Bus Wireless. En la Figura 4 se muestra un diagrama de bloques del ADF7020.

El transceptor de radio de baja potencia totalmente integrado ADF7020 funciona en las bandas ISM sin licencia a 433 MHz en China, 868 MHz en Europa y 915 MHz en América del Norte. Incorpora la totalidad transmitir y obtener Secciones de RF, así como bandas base analógicas y digitales. Implementación de una tarjeta de radio para un medidor de servicios habilitado para AMR¹³ el ADF7020 generalmente requiere una antena, una pequeña cantidad de componentes pasivos externos y un microcontrolador simple para ejecutar el protocolo de comunicación, como se muestra en la Figura 5. El ADF7020 alivia en gran medida la carga del microcontrolador externo a través de un núcleo RISC de 8 bits para integrar . para realizar algunas de las funciones de comunicación de nivel inferior. Esto puede eliminar la necesidad de un microcontrolador específico de comunicaciones separado en muchos casos. Los fabricantes de medidores también eligen la familia ADF702x sobre los componentes de la competencia porque sus radios ofrecen la mejor sensibilidad y rendimiento de bloqueo de su clase, lo que se traduce en un mejor rango entre el medidor y el colector de datos. El ADF7020 proporciona un rendimiento de bloqueo superior a 70 dB, lo que significa que la señal deseada puede detectarse y decodificarse correctamente incluso cuando una señal fuera de banda no deseada es hasta 70 dB más alta que la señal deseada. El rechazo del canal adyacente es de alrededor de 40 dB y la sensibilidad puede ser tan baja como -120 dBm dependiendo de la tasa de datos. Eso es más de 20 dB menos que el mejor ZigBee^® soluciones¹⁴

red HAN

Con medidores habilitados para comunicación que pronto estarán disponibles en muchos hogares, las empresas de servicios públicos y los reguladores de energía miran hacia el futuro para ver cómo pueden aprovechar la tecnología para mejorar la conservación de energía, la energía y la conciencia. Usando este concepto, a veces llamado el red inteligente, las empresas de servicios públicos pueden utilizar redes que se extienden hasta los hogares de los clientes para gestionar activamente la carga de transmisión. Dicho servicio podría proporcionar información de precios en tiempo real, lo que permitiría a los consumidores modificar su consumo de energía. En las horas pico, como durante una ola de calor, la empresa de servicios públicos podría enviar un mensaje a la casa diciéndoles a los propietarios que los precios subirán durante la próxima hora y alentándolos a apagar los electrodomésticos. Se requeriría una pantalla de inicio para mostrar dicho mensaje. Yendo un paso más allá, la empresa de servicios públicos podría comunicarse con los electrodomésticos de su hogar a través del medidor, subiendo el termostato o apagando la bomba de la piscina, por ejemplo. Este sistema requeriría comunicación entre el medidor y los electrodomésticos y a veces se le llama red domestica (HAN). Aquí se prefieren las radios de 900 MHz como las radios ADF702x y ZigBee.

La mayoría de los actores de la industria reconocen que una red doméstica completamente funcional conectada a una infraestructura de medición avanzada está a varios años de distancia, pero los beneficios de tales sistemas significan que muchas empresas están involucradas activamente en el desarrollo de soluciones para redes domésticas en la actualidad. En la Figura 6 se muestra una representación gráfica de la red doméstica.

Conclusión

Analog Devices se enfoca en proporcionar tecnologías avanzadas que incluyen transceptores de RF, conjuntos de chips de medición de energía, amplificadores de RF, productos de aislamiento y control de líneas eléctricas para el mercado de medición. El transceptor de alto rendimiento totalmente integrado ADF702x es adecuado para medidores habilitados para comunicación o listos para AMI y proporciona una solución compacta, resistente y de bajo costo para los fabricantes de medidores de todo el mundo.

AMI y la red inteligente se consideran tecnologías potenciales clave para mejorar la eficiencia energética y, en última instancia, contribuir al objetivo de reducir las emisiones de carbono. Analog Devices se compromete a proporcionar dispositivos innovadores de eficiencia energética para habilitar este mercado y hacer su parte para mejorar la eficiencia energética y promover la conservación de energía en los años venideros.

Referencias

1. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5166/products/product.html
2. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5566/products/product.html
3. www.analog.com/ADE7166
4. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7566/products/product.html
5. www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7751/products/product.html
6. www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/integrated-special-purpose-converters/energy-metering-ics.html
7. Informe de investigación de IMS 2008
8. www.analog.com/en/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers.html
9. www.analog.com/en/products/processors-dsp/dsp/blackfin.html
11. www.m-bus.com
12. www.analog.com/ADF7020
13. www.analog.com/en/applications/markets/energy-pavilion-home/metering-and-energy-monitoring/electric-meters.html
14. www.zigbee.org