對(duì)於一個(gè)已運(yùn)作超過(guò)100年，且勢(shì)必還要再繼續(xù)運(yùn)作數(shù)個(gè)世紀(jì)的行業(yè)而言，智慧型電表在其部署和使用普及的程度上，相對(duì)來(lái)說(shuō)，還只能算是處?kù)镀鸩诫A段。對(duì)於公用設(shè)施業(yè)者來(lái)說(shuō)，電表是位於前端的收銀機(jī)，因此，其準(zhǔn)確性的重要程度無(wú)庸置疑。針對(duì)這類計(jì)量設(shè)備及公共設(shè)施，目前已存在很多的相關(guān)要求、規(guī)格和規(guī)定，用來(lái)確保其準(zhǔn)確度。然而在實(shí)際上，一旦電表的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)認(rèn)證、製造、並部署到現(xiàn)場(chǎng)之後，大多數(shù)電表的準(zhǔn)確性把關(guān)，其實(shí)只仰賴最初生產(chǎn)測(cè)試時(shí)的確認(rèn)。要如何讓在現(xiàn)場(chǎng)的電表能夠正確的計(jì)費(fèi)直到退役，目前只能依靠統(tǒng)計(jì)式的抽樣樣本測(cè)試。
從電子和機(jī)械式電表轉(zhuǎn)換到智慧型電表，最主要的變化是加入了連線能力。透過(guò)智慧型電表，不僅可以實(shí)現(xiàn)使用電量的遠(yuǎn)程回報(bào)，還可藉由電表本身狀態(tài)、健康狀況和性能的回報(bào)，實(shí)現(xiàn)電表的診斷功能。這個(gè)新的可能性，提供了一種可以當(dāng)電表在現(xiàn)場(chǎng)工作的同時(shí)，就可獲取許多有用資訊的方法，而不需要人為的干預(yù)、斷開(kāi)連線，或另備專用的設(shè)備等做法來(lái)因應(yīng)。
全訊號(hào)鏈的準(zhǔn)確性和知識(shí)是關(guān)鍵
其他的一些具有關(guān)鍵任務(wù)的領(lǐng)域業(yè)界，如汽車業(yè)和工業(yè)界等，都已將功能安全性的概念整合到其診斷需求中，本質(zhì)上，就是要求對(duì)於其產(chǎn)品，在先前、使用需求期間和之後，都能檢查其功能是否正確的在運(yùn)作中。
對(duì)於公用事業(yè)的計(jì)量行業(yè)而言的，如此的功能之一，就是當(dāng)此電表被部署時(shí)的準(zhǔn)確性。雖然業(yè)界目前都是採(cǎi)用現(xiàn)場(chǎng)抽樣測(cè)試，並依賴於電表內(nèi)部元件的隱含精密度（implied precision）在部署到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)仍維持在校準(zhǔn)狀態(tài)，但這種方法有其風(fēng)險(xiǎn)。最近Metering International的一篇文章中，討論了為何進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確度監(jiān)測(cè)是必要的[1]。造成準(zhǔn)確度變化很重要的原因之一是在於感測(cè)器，這些感測(cè)器經(jīng)常暴露於高電流和電壓事件，以及惡劣的環(huán)境。因此，很重要的一點(diǎn)是，任何診斷能力都應(yīng)包含~對(duì)於用來(lái)量測(cè)電力的全訊號(hào)鏈進(jìn)行監(jiān)控，如感測(cè)器和電子電路或元件。
大數(shù)據(jù)分析的機(jī)會(huì)
對(duì)於資訊系統(tǒng)架構(gòu)師來(lái)說(shuō)，一個(gè)好問(wèn)題是，「如果你可以定期取得每個(gè)部署於現(xiàn)場(chǎng)的電表的準(zhǔn)確度，你會(huì)怎麼利用這些資訊？」，排除故障和異常值會(huì)是一可能得到的答案，但更有可能得到的答案，是收集整個(gè)部署電表部署的相關(guān)資訊，並進(jìn)行某種形式的大數(shù)據(jù)分析。
遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)電表部署的準(zhǔn)確性，此一概念並不會(huì)違反任何的法條規(guī)定，而大量積累出來(lái)的數(shù)據(jù)，可依據(jù)不同規(guī)劃管理電表的方式，帶來(lái)很大的好處。每小時(shí)或每天所收集到的數(shù)據(jù)量並不會(huì)很巨大，但其應(yīng)用的可能性卻是無(wú)限的。在圖1所示的情境中，可以監(jiān)視整個(gè)部署群的準(zhǔn)確性到達(dá)相當(dāng)細(xì)微的解析程度，且可提取出這些電表於使用壽命期間的差異度。此資訊可提供不同製造批、供應(yīng)商、部署地區(qū)或不同的電力網(wǎng)拓樸所造成的差異。另外，也可以將此資料與其他類的量測(cè)值加以關(guān)聯(lián)化，如季節(jié)性、溫度、濕度和電力使用等，以判定是否存在一些特定的趨勢(shì)，可有利於規(guī)劃未來(lái)的電表規(guī)格，以實(shí)現(xiàn)更高可重複性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
此外，如果能了解整個(gè)電表部署的表現(xiàn)情況，有助於深入了解樣本測(cè)試的可期望值，而這會(huì)是監(jiān)管機(jī)構(gòu)所要求的。對(duì)於整個(gè)電表部署進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，將能夠更好的掌握公用事業(yè)所承擔(dān)的責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)。
解決方案：mSure
迄今為止，尚未出現(xiàn)過(guò)任何測(cè)試，能真正涵蓋完整訊號(hào)鏈、原位動(dòng)作（operate in situ），以及自檢準(zhǔn)確性（self checks accuracy）。因此，目前還沒(méi)有機(jī)制，可以識(shí)別並回報(bào)電表設(shè)備的準(zhǔn)確性變化。然而，ADI早在15年前，即率先開(kāi)始發(fā)展電子式電表用的量測(cè)IC，且已被使用在全球?qū)⒔鍍|個(gè)部署的電表中。目前ADI更開(kāi)發(fā)出一種用於電表的新型監(jiān)測(cè)技術(shù)mSure。該系統(tǒng)可原位連續(xù)監(jiān)測(cè)電表的準(zhǔn)確性，以提供內(nèi)建的自檢能力，負(fù)責(zé)在電表的整個(gè)使用壽命期間檢查電表的性能。
| 圖1 : 傳送到雲(yún)端的電表準(zhǔn)確度測(cè)量的圖表數(shù)據(jù)分析一例，顯示電表部署與其他參數(shù)的關(guān)聯(lián)化可如何地創(chuàng)造出附加價(jià)值。 |
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mSure可測(cè)量準(zhǔn)確度，且最重要的是，它可以在電表運(yùn)行時(shí)使用，而不會(huì)影響電表的量測(cè)功能，因此無(wú)需斷開(kāi)連線。圖2為一個(gè)採(cǎi)用了mSure的電表的前端方塊圖，就像一般傳統(tǒng)的量測(cè)前端，其中有一個(gè)感測(cè)器（橘色）和一些用於將電壓或電流訊號(hào)加以數(shù)位化的電路（藍(lán)色），但除此外，該IC還整合了一些額外的功能區(qū)塊（綠色），包括參考訊號(hào)產(chǎn)生器、檢測(cè)器、和去除電路（removal circuit），以實(shí)現(xiàn)mSure的功能。
在製造過(guò)程中，電表供應(yīng)商會(huì)透過(guò)使用感測(cè)器量測(cè)一已知電流或電壓的方式，對(duì)感測(cè)器和電子元件的準(zhǔn)確度進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保整個(gè)電表能符合規(guī)格。之後電表便可依靠這些元件的精度，來(lái)維持電表在其部署壽命期間的準(zhǔn)確性。電表在使用壽命期間和環(huán)境中所發(fā)生的任何錯(cuò)誤，幾乎都會(huì)是由感測(cè)器及這些電子元件中隨後發(fā)生的問(wèn)題所導(dǎo)致。
mSure系統(tǒng)藉由將一已知的參考訊號(hào)注入感測(cè)器路徑（sensor path），來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)該訊號(hào)路徑的響應(yīng)。藉由疊加（superposition）效果，感測(cè)器會(huì)同時(shí)感測(cè)到參考訊號(hào)和負(fù)載訊號(hào)。由於此組合訊號(hào)會(huì)從相同的路徑來(lái)獲取，因此在電子電路的尾端處會(huì)出現(xiàn)該組合訊號(hào)的數(shù)位代表值。檢測(cè)電路會(huì)從負(fù)載訊號(hào)中提取出參考訊號(hào)的成分，一旦完成時(shí)，mSure系統(tǒng)就可使用完整訊號(hào)鏈（從感測(cè)器一路到數(shù)位代表值）的傳遞函數(shù)。依據(jù)疊加理論，同樣的傳遞函數(shù)也適用於負(fù)載訊號(hào)一直到數(shù)位代表值，如此我們就能夠判斷準(zhǔn)確度是否出現(xiàn)了變化。為了保留電力的數(shù)據(jù)，mSure訊號(hào)可透過(guò)數(shù)位方式，從計(jì)量的訊號(hào)路徑中被移除。
為了要能被普遍接受，mSure系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：高成本效益、電力效益、能在一長(zhǎng)壽命週期中非常穩(wěn)定的動(dòng)作、並且能穩(wěn)固的對(duì)應(yīng)各種負(fù)載和干擾。它可以藉由設(shè)定來(lái)適用於業(yè)界中各種主要類型的感測(cè)器上，包括分流器（shunt）、變流器（current transformer）、分壓器（potential divider）、和Rogowski線圈等。其監(jiān)測(cè)功能並不會(huì)干擾到計(jì)量認(rèn)證（metrology certification），也不需要任何配套的法規(guī)更改，因?yàn)樗粫?huì)改變校準(zhǔn)或準(zhǔn)確度的設(shè)定。
營(yíng)業(yè)收入的保護(hù)
電表篡改是公用事業(yè)收入損失的主要原因之一。雖然通常這被視為是發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體的一個(gè)較大的問(wèn)題，但實(shí)際上在許多已開(kāi)發(fā)國(guó)家中，它其實(shí)也是重要的議題，並且情況不斷地在惡化當(dāng)中。根據(jù)英國(guó)的天然氣和電力市場(chǎng)辦事處（Office of Gas and Electricity Markets）最近提出的一份報(bào)告估計(jì)，每年被盜用的電力規(guī)模超過(guò)2億歐元，另外還有2500萬(wàn)歐元?jiǎng)t是被花費(fèi)在公用事業(yè)公司調(diào)查電力盜用、維修、或更換篡改的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上[2]。儘管mSure本身並不能防止每一種類型的篡改方法，但它獨(dú)特的感測(cè)器和電子元件的監(jiān)測(cè)功能，使其能夠檢測(cè)出目前防篡改電表所無(wú)法識(shí)別的一些篡改嘗試，例如更改感測(cè)器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。即使公用事業(yè)只預(yù)防了所有篡改事件中的一小部分，對(duì)於營(yíng)業(yè)收入來(lái)說(shuō)，都能有顯著的助益。
結(jié)論
現(xiàn)今的電表，都是事先經(jīng)過(guò)生產(chǎn)工廠中認(rèn)證、校準(zhǔn)和測(cè)試後，才提供到市場(chǎng)並進(jìn)行安裝部署，以確保能符合不同地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的一整套準(zhǔn)確性和性能條件，而接下來(lái)就只能信任（元件品質(zhì)和統(tǒng)計(jì)測(cè)試）這些電表都將保持準(zhǔn)確。ADI所推出的mSure新技術(shù)，能夠善用智慧型電表的連線，實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾式的現(xiàn)場(chǎng)原位準(zhǔn)確度測(cè)試（noninvasive in situ accuracy testing in the field）。它可以帶來(lái)諸如大數(shù)據(jù)分析這類的好處，供業(yè)者了解整個(gè)電表部署的準(zhǔn)確性，並判定出任何的篡改嘗試，這將有助於改這些善業(yè)者的業(yè)務(wù)收入。
在未來(lái)，mSure解決方案除了能量測(cè)電力以監(jiān)測(cè)電力網(wǎng)設(shè)備外，還可用來(lái)提供更廣泛的效益，特別是在設(shè)備資產(chǎn)健康、故障位置隔離、以及服務(wù)復(fù)原（FLISR）等領(lǐng)域上。
（本文作者Jed Hurwitz任職於ADI亞德諾半導(dǎo)體）
參考文獻(xiàn)
[1] Bal Mukund Vyas. “The Importance of Sustained Accuracy—Commercial Implications of Inaccurate Meters.” Metering International, Issue. 2, 2015.
[2] “Tackling Electricity Theft—Consultation.” Ofgem, July 2013.
**刊頭圖**（source：Enterprise IoT Insights）
