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電表數據分析的大商機
[作者 Jed Hurwitz]   2018年01月08日 星期一 瀏覽人次: [2122]


對於一個已運作超過100年,且勢必還要再繼續運作數個世紀的行業而言,智慧型電表在其部署和使用普及的程度上,相對來說,還只能算是處於起步階段。對於公用設施業者來說,電表是位於前端的收銀機,因此,其準確性的重要程度無庸置疑。針對這類計量設備及公共設施,目前已存在很多的相關要求、規格和規定,用來確保其準確度。然而在實際上,一旦電表的設計經過認證、製造、並部署到現場之後,大多數電表的準確性把關,其實只仰賴最初生產測試時的確認。要如何讓在現場的電表能夠正確的計費直到退役,目前只能依靠統計式的抽樣樣本測試。


從電子和機械式電表轉換到智慧型電表,最主要的變化是加入了連線能力。透過智慧型電表,不僅可以實現使用電量的遠程回報,還可藉由電表本身狀態、健康狀況和性能的回報,實現電表的診斷功能。這個新的可能性,提供了一種可以當電表在現場工作的同時,就可獲取許多有用資訊的方法,而不需要人為的干預、斷開連線,或另備專用的設備等做法來因應。


全訊號鏈的準確性和知識是關鍵

其他的一些具有關鍵任務的領域業界,如汽車業和工業界等,都已將功能安全性的概念整合到其診斷需求中,本質上,就是要求對於其產品,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作中。


對於公用事業的計量行業而言的,如此的功能之一,就是當此電表被部署時的準確性。雖然業界目前都是採用現場抽樣測試,並依賴於電表內部元件的隱含精密度(implied precision)在部署到現場時仍維持在校準狀態,但這種方法有其風險。最近Metering International的一篇文章中,討論了為何進行現場準確度監測是必要的[1]。造成準確度變化很重要的原因之一是在於感測器,這些感測器經常暴露於高電流和電壓事件,以及惡劣的環境。因此,很重要的一點是,任何診斷能力都應包含~對於用來量測電力的全訊號鏈進行監控,如感測器和電子電路或元件。


大數據分析的機會

對於資訊系統架構師來說,一個好問題是,「如果你可以定期取得每個部署於現場的電表的準確度,你會怎麼利用這些資訊?」,排除故障和異常值會是一可能得到的答案,但更有可能得到的答案,是收集整個部署電表部署的相關資訊,並進行某種形式的大數據分析。


遠程監控整個電表部署的準確性,此一概念並不會違反任何的法條規定,而大量積累出來的數據,可依據不同規劃管理電表的方式,帶來很大的好處。每小時或每天所收集到的數據量並不會很巨大,但其應用的可能性卻是無限的。在圖1所示的情境中,可以監視整個部署群的準確性到達相當細微的解析程度,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、供應商、部署地區或不同的電力網拓樸所造成的差異。另外,也可以將此資料與其他類的量測值加以關聯化,如季節性、溫度、濕度和電力使用等,以判定是否存在一些特定的趨勢,可有利於規劃未來的電表規格,以實現更高可重複性的現場測量。


此外,如果能了解整個電表部署的表現情況,有助於深入了解樣本測試的可期望值,而這會是監管機構所要求的。對於整個電表部署進行大數據分析,將能夠更好的掌握公用事業所承擔的責任風險。


解決方案:mSure

迄今為止,尚未出現過任何測試,能真正涵蓋完整訊號鏈、原位動作(operate in situ),以及自檢準確性(self checks accuracy)。因此,目前還沒有機制,可以識別並回報電表設備的準確性變化。然而,ADI早在15年前,即率先開始發展電子式電表用的量測IC,且已被使用在全球將近五億個部署的電表中。目前ADI更開發出一種用於電表的新型監測技術mSure。該系統可原位連續監測電表的準確性,以提供內建的自檢能力,負責在電表的整個使用壽命期間檢查電表的性能。



圖1 : 傳送到雲端的電表準確度測量的圖表數據分析一例,顯示電表部署與其他參數的關聯化可如何地創造出附加價值。
圖1 : 傳送到雲端的電表準確度測量的圖表數據分析一例,顯示電表部署與其他參數的關聯化可如何地創造出附加價值。

mSure可測量準確度,且最重要的是,它可以在電表運行時使用,而不會影響電表的量測功能,因此無需斷開連線。圖2為一個採用了mSure的電表的前端方塊圖,就像一般傳統的量測前端,其中有一個感測器(橘色)和一些用於將電壓或電流訊號加以數位化的電路(藍色),但除此外,該IC還整合了一些額外的功能區塊(綠色),包括參考訊號產生器、檢測器、和去除電路(removal circuit),以實現mSure的功能。



圖2 : mSure的概念方塊圖
圖2 : mSure的概念方塊圖

在製造過程中,電表供應商會透過使用感測器量測一已知電流或電壓的方式,對感測器和電子元件的準確度進行校準,以確保整個電表能符合規格。之後電表便可依靠這些元件的精度,來維持電表在其部署壽命期間的準確性。電表在使用壽命期間和環境中所發生的任何錯誤,幾乎都會是由感測器及這些電子元件中隨後發生的問題所導致。


mSure系統藉由將一已知的參考訊號注入感測器路徑(sensor path),來連續監測該訊號路徑的響應。藉由疊加(superposition)效果,感測器會同時感測到參考訊號和負載訊號。由於此組合訊號會從相同的路徑來獲取,因此在電子電路的尾端處會出現該組合訊號的數位代表值。檢測電路會從負載訊號中提取出參考訊號的成分,一旦完成時,mSure系統就可使用完整訊號鏈(從感測器一路到數位代表值)的傳遞函數。依據疊加理論,同樣的傳遞函數也適用於負載訊號一直到數位代表值,如此我們就能夠判斷準確度是否出現了變化。為了保留電力的數據,mSure訊號可透過數位方式,從計量的訊號路徑中被移除。


為了要能被普遍接受,mSure系統的設計具有以下的優點:高成本效益、電力效益、能在一長壽命週期中非常穩定的動作、並且能穩固的對應各種負載和干擾。它可以藉由設定來適用於業界中各種主要類型的感測器上,包括分流器(shunt)、變流器(current transformer)、分壓器(potential divider)、和Rogowski線圈等。其監測功能並不會干擾到計量認證(metrology certification),也不需要任何配套的法規更改,因為它不會改變校準或準確度的設定。


營業收入的保護

電表篡改是公用事業收入損失的主要原因之一。雖然通常這被視為是發展中經濟體的一個較大的問題,但實際上在許多已開發國家中,它其實也是重要的議題,並且情況不斷地在惡化當中。根據英國的天然氣和電力市場辦事處(Office of Gas and Electricity Markets)最近提出的一份報告估計,每年被盜用的電力規模超過2億歐元,另外還有2500萬歐元則是被花費在公用事業公司調查電力盜用、維修、或更換篡改的現場設備上[2]。儘管mSure本身並不能防止每一種類型的篡改方法,但它獨特的感測器和電子元件的監測功能,使其能夠檢測出目前防篡改電表所無法識別的一些篡改嘗試,例如更改感測器的轉移函數。即使公用事業只預防了所有篡改事件中的一小部分,對於營業收入來說,都能有顯著的助益。


結論

現今的電表,都是事先經過生產工廠中認證、校準和測試後,才提供到市場並進行安裝部署,以確保能符合不同地區標準所規定的一整套準確性和性能條件,而接下來就只能信任(元件品質和統計測試)這些電表都將保持準確。ADI所推出的mSure新技術,能夠善用智慧型電表的連線,實現無干擾式的現場原位準確度測試(noninvasive in situ accuracy testing in the field)。它可以帶來諸如大數據分析這類的好處,供業者了解整個電表部署的準確性,並判定出任何的篡改嘗試,這將有助於改這些善業者的業務收入。


在未來,mSure解決方案除了能量測電力以監測電力網設備外,還可用來提供更廣泛的效益,特別是在設備資產健康、故障位置隔離、以及服務復原(FLISR)等領域上。


(本文作者Jed Hurwitz任職於ADI亞德諾半導體)


參考文獻

[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)


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