智能電網(wǎng)中的智能電表

智能電表是由傳統(tǒng)電能表逐步發(fā)展起來的，它在智能電網(wǎng)中是重要的智能終端。智能電表功能的擴(kuò)充使得智能電表除了具有了雙向計(jì)量的基本功能以外，還具有分時(shí)分類計(jì)量.雙向通信、多種控制的功能。智能電表的大量使用將會(huì)使得智能電網(wǎng)的節(jié)能、高效、安全的性能得到更充分的體現(xiàn)。

1．序言

智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，它已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電能表，智能電表除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計(jì)量功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用它還具有雙向多種費(fèi)率計(jì)量功能、用戶端控制功能、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信功能，防竊電功能等智能化的功能，智能電表代表著未來節(jié)能型智能電網(wǎng)最終用戶智能化終端的發(fā)展方向。

隨著智能電網(wǎng)的日益發(fā)展，世界各國對(duì)于智能化用戶終端的需求也日益增大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在未來5年，隨著智能電網(wǎng)在世界各國的建設(shè)，智能電表在全球安裝的數(shù)量將高達(dá)2億多只。同樣，在中國，隨著國家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)展，作為用戶端的智能電表的需求也會(huì)大幅度地增長(zhǎng)，保守的預(yù)計(jì)，市場(chǎng)將會(huì)有1.7億只左右的需求。美國政府為升級(jí)本國電網(wǎng)的撥款中，就有一部分專門用于在未來3年致使13%的美國家庭(1800萬戶家庭)能裝上智能電表。在歐洲，意大利及瑞典已經(jīng)完成先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施的部署，將所有普通電表更換為智能電表。法國、西班牙、德國和英國預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)也將完成智能電表的全面推廣和應(yīng)用。

2． 傳統(tǒng)電能表簡(jiǎn)介

最傳統(tǒng)的用戶終端一電能表是電磁式的，安裝在用戶端，用于計(jì)量用戶的用電量，計(jì)量單位為度(kWh)。

為了提倡用電量的合理性分配，鼓勵(lì)用戶在用電的低谷期用電，在我國己經(jīng)逐步開始推廣使用分時(shí)電表(如圖1)，它具有簡(jiǎn)單的分時(shí)計(jì)量功能，也就是可以分為白天和黑夜兩個(gè)區(qū)間分別計(jì)量，為峰期和谷期的分別計(jì)費(fèi)提供了依據(jù)。

隨著數(shù)字化技術(shù)在電能表中的應(yīng)用，電能表的功能逐步得到擴(kuò)充，一批多功能的電能表相繼誕生。比如預(yù)付費(fèi)電能表就是應(yīng)用比較廣泛的電能表之一。它通過預(yù)付費(fèi)卡為電能表充值，然后按照當(dāng)?shù)氐膯挝浑妰r(jià)和用電量從預(yù)存費(fèi)用中扣除，預(yù)存費(fèi)被扣除為零時(shí)，電表將不為用戶提供電能除非你再次充值。這種通過Ie卡預(yù)付費(fèi)的電能表也有稱為"智能Ie卡預(yù)付費(fèi)電能表"的，但它還不是真正意義上的智能電表(如圖2)。

除此之外，為了提高效率，減少上門抄表吃閉門羹的的尷尬，也開始有了一些具有紅外抄表和異地抄表功能的電能表(圖3)和防止竊電(圖4)等擴(kuò)充功能的多功能電能表問世。但這些多功能的電能表也還是電能表智能化的起步，與真正意義上的智能電表還有很大的差別。

早在2007年12月初，國家發(fā)改委就發(fā)布了《多功能電能表》和((多功能電能表通信協(xié)議》兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)分別為"DL/ T614-2007"不n" DL/T645-2007飛此外還有國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《多功能電能表特殊要求》(GB/17215.301--2007)等國家標(biāo)準(zhǔn)。到2009年10月，國家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電表在計(jì)量、費(fèi)控、通信、功耗、電子線路布線等技術(shù)指標(biāo)要求均有了大幅提高，以前對(duì)于微控制器MCU(MicroController Unit)附加功能由可選變成了必選工頁，要求有更高的計(jì)算能力DMIPS(Dhrystone Million Instructions Per Second)以滿足智能電表的高性能要求：要求有更大的存儲(chǔ)容量以滿足復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求:更多的輸入輸出I/O方式以應(yīng)對(duì)與日益增多的外部設(shè)備的對(duì)接?？梢?，智能電表是含有微控制器支持的比多功能表具有更多功能的一種智能終端。

3．智能電表簡(jiǎn)介

智能電表不同于一般的多功能電能表，因?yàn)樗旧砗泄δ茌^強(qiáng)的微控制器(MCU)，所以它就像一臺(tái)小型的電腦一樣，自動(dòng)化和智能化的功能更豐富、更強(qiáng)大，通常它會(huì)具備以下的一些主要功能。

(1) 雙向計(jì)量

作為智能電網(wǎng)的用戶端，智能電表的主要功能是為用戶提供一個(gè)電網(wǎng)的入戶接口，通過智能電表可以將安全、高質(zhì)量的電能輸送到用戶的用電設(shè)備上。在新能源蓬勃發(fā)展的今天，許多分布式新能源已經(jīng)在用戶端得到了充分的使用，用戶自己產(chǎn)生的清潔能源除了滿足用戶自身的需要以外會(huì)產(chǎn)生多余的能量，也可以通過智能電表反饋到電網(wǎng)中去。所以智能電表就要具備雙向電能輸送和計(jì)量的功能。在計(jì)量的過程中，因?yàn)橛蠱CU的支持，可以方便地實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)供電系統(tǒng)內(nèi)精確、可靠的電能管理。它不僅可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)分時(shí)管理，用戶的用電情況可以有更多的分類，更清晰明了。比如它除了可以包含每個(gè)月的用電量，而且還可以按日期、時(shí)間以及按耗電的電器分類分別計(jì)量不同的電費(fèi)和電能使用情況。這就為電網(wǎng)高效節(jié)能管理提供了有用的實(shí)時(shí)信息。依據(jù)這些信息，管理方可以通過合理的手段，為一些高耗能設(shè)備從用電高峰時(shí)段轉(zhuǎn)到非用電高峰時(shí)段提供優(yōu)惠折扣，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰避蜂用電，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

(2) 雙向通信

智能電表與智能電網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送都離不開遠(yuǎn)程通訊，為此，智能電表的遠(yuǎn)程通信功能就尤為重要。智能電網(wǎng)中的智能變電站除了可以接受智能電表發(fā)出的用電信息以外，還可以向智能電表發(fā)出調(diào)控信息，因此，智能電表一般要求具有雙向的通信功能?？梢哉f通信功能是智能電表的主要功能之一。

智能電表與遠(yuǎn)端的智能化變電站之間的通訊方式可以有多種形式，如電力線路的載波通訊、無線網(wǎng)絡(luò)通訊、通信網(wǎng)絡(luò)通訊以及借助其他專網(wǎng)的通訊(如有線電視網(wǎng)絡(luò)等)。未來三網(wǎng)合一的發(fā)展，也會(huì)為智能電表的通訊帶來更大的方便。

(3) 控制功能

智能電表將會(huì)具備傳統(tǒng)的電能表和多功能電能表所無法企及的對(duì)智能家電設(shè)備的控制功能。智能電表的MCU可以帶有強(qiáng)大的I/O接口，使得它可以與更多的外部設(shè)備對(duì)接。借助遠(yuǎn)程通信的功能，用戶在異地通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通訊設(shè)備對(duì)自己家里的各類智能化用電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控、遙測(cè)將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。比如:對(duì)空調(diào)、洗衣機(jī)、電飯策、電熱水器、照明、電控窗簾和百葉窗等實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)端的開關(guān)控制。當(dāng)在居家安裝了智能化安全系統(tǒng)以后，通過智能電表的遠(yuǎn)程通信功能還可以實(shí)現(xiàn)異地的監(jiān)控和報(bào)警。可以說智能電表的功能也會(huì)不斷地?cái)U(kuò)充，未來的智能電表就可能成為一個(gè)智能化住宅的控制中心(圖5)。

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4．國外智能電表的發(fā)展?fàn)顩r

(1)美國ADI公司

美國模擬器件公司ADI(AnalogDevicesInc.，)是國際著名的IC設(shè)計(jì)公司，公司在高性能模擬集成電路(Ie)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域居于業(yè)界領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品在整個(gè)IC行業(yè)占據(jù)了非常大的份額，他們的研究方向代表了IC設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

2009年12月，美國ADI公司宣布推出四款高精度電能計(jì)量擾，型號(hào)為ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854，可用于提高商業(yè)、工業(yè)及住宅智能電表的精度和性能。四款產(chǎn)品的進(jìn)度達(dá)到0.1 %，可同時(shí)測(cè)量無功和有功功率。此外，其中一款產(chǎn)品還具備基波電能測(cè)量功能，這對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)而言至關(guān)重要。

ADE7878、ADE7858及ADE7854高精度電能計(jì)量IC為多相配置而設(shè)計(jì)， 能質(zhì)量參數(shù)，如SAG、峰值、周期、角度測(cè)量及相序等。另外，ADE7868和ADE7878具備各種防竊電功能。

(2) 美國程思卡爾半導(dǎo)體公司

美國的飛思卡爾半導(dǎo)體(FreescaleSemiconductor，Inc.，)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，為汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)控制和網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)設(shè)計(jì)并制造嵌入式半導(dǎo)體產(chǎn)品口在全球擁有設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造和銷售機(jī)構(gòu)。飛思卡爾利用在嵌入式領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，在充分研究中國國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)單相電表設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，飛恩卡爾推出了MZ系列8位微控制器(MCU)芯片，集成了60kB、96 kB 或128kB閃存，提供64引腳LQFP封裝。MZ系列微控制器還提供32位處理器芯片，集成256kB閃存。

飛思卡爾根據(jù)中國國網(wǎng)新標(biāo)專門推出的64引腳的單項(xiàng)電表用9S08MZ60、MZ96、MZ128MCU，三項(xiàng)電表用51MZ256等產(chǎn)品，并已完成了樣機(jī)制造。

(3) 歐洲恩智浦半導(dǎo)體公司

總部位于荷蘭Eindhoven的世界前十大半導(dǎo)體公司一恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semi conductors)以其領(lǐng)先的射頻、模擬、電源管理、接口、安全和數(shù)字處理方面的專長(zhǎng)。產(chǎn)品應(yīng)用涉及汽車、智能識(shí)別、無線基礎(chǔ)設(shè)施、照明、工業(yè)、移動(dòng)、消費(fèi)和計(jì)算等領(lǐng)域。

根據(jù)智能電表發(fā)展藍(lán)圖，NXP推出了基于ARMCortex的MCU解決方案- LPC1 700系列。LPCI70。在智能電表系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括三相(多功能)表、單相復(fù)費(fèi)率/多功能表和多功能終端。

具體來看，LPCI700的主要特點(diǎn)有:具有100MHz處理速度的ARMCortex -M3控制器、嵌套向量中斷處理器、內(nèi)存保護(hù)單元、喚醒中斷處理器，可以滿足各種優(yōu)先級(jí)中斷的自動(dòng)喚醒，四種省電模式:睡眠、深度睡眠、掉電、深度掉電。

NXP智能電表外圍采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有防竊電等多種功能，可使用非接觸式讀卡技術(shù)完成預(yù)付費(fèi)。其智能MX安全解決方案中，可配有室內(nèi)多計(jì)量表無線連接用ISM一-band收發(fā)器，并有多種標(biāo)準(zhǔn)芯片可選，諸如SMPS(開關(guān)電源)芯片、低功耗實(shí)施時(shí)鐘、顯示驅(qū)動(dòng)器、小信號(hào)分立器件和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件等。

(4) 德國西門子公司

西門子自動(dòng)抄表信息系統(tǒng)(AMIS)，ANIS利用ADI公司的Blackfin處理器。西門子公司選擇了Blackfin匯聚式處理器。這是因?yàn)樵撎幚砥骶邆渫瑫r(shí)作為DSP和Meu進(jìn)行無縫工作的能力，特別適合西門子AMIS的高處理和動(dòng)態(tài)通信應(yīng)用要求。Blackfin處理器具備處理儀表級(jí)原始實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)儀表和電網(wǎng)之間通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解決方案。由于供電公司的AMIS智能電表的部署范圍不僅僅覆蓋本地電網(wǎng)，因此西門子基于Blackfin的電表部件還能按本地或國家特有的不同通信標(biāo)準(zhǔn)方便地通過軟件輕松升級(jí)。

AMIS可以實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)范圍的數(shù)據(jù)采集以及電力公司、電網(wǎng)和用戶之間的通信。通過基于Blackfin處理器設(shè)計(jì)的智能電表器件，系統(tǒng)不僅可以測(cè)量各個(gè)家庭的用電情況，還可以擴(kuò)展到從發(fā)電廠到用戶的整個(gè)系統(tǒng)，AMIS對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控并將數(shù)據(jù)傳送給控制站。系統(tǒng)采用電力線技術(shù)來傳送數(shù)據(jù)，AMIS還可用無線電、互聯(lián)網(wǎng)或本地交換載波進(jìn)行通訊。

基于Blackfin的智能電表不僅能夠滿足目前的設(shè)計(jì)要求，而且還可以方便地實(shí)現(xiàn)下一代能量管理，為用戶提供可選的用電額度應(yīng)用作好了準(zhǔn)備。AMIS支持更多的新能源系統(tǒng)的采用，AMIS系統(tǒng)儀表可以控制從太陽能電池或者發(fā)電廠輸送的電能。

雖然有先哲的預(yù)言，然而卻沒想到步伐卻如此地迅速。以美國及歐洲為中心，已開始導(dǎo)入帶有通信功能的智能電表。最近，這一趨勢(shì)也全面波及到日本。日本業(yè)界最大的廠商一東京電力已于2010年10月開始進(jìn)行智能電表的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

5．國內(nèi)智能電表應(yīng)用前景

國內(nèi)智能電表大規(guī)模應(yīng)已經(jīng)將啟動(dòng)，國家電網(wǎng)公司在2010年智能電網(wǎng)第一階段的項(xiàng)目中大約有91億元用于智能電表、電表采集終端及后臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)。智能電表標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)下發(fā)，2009年11月國家電網(wǎng)公司已經(jīng)啟動(dòng)了第一批智能電表招標(biāo)，本次招標(biāo)包含二級(jí)單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電能表680多萬只，一級(jí)三相費(fèi)控智能電能表26萬只，招標(biāo)金額大約13億元。預(yù)計(jì)國網(wǎng)公司2015年前將全面建成用電信息采集系統(tǒng)，居民用戶信息采集得到大規(guī)模應(yīng)用，智能電表覆蓋率超過80%，用戶超過1.4億戶， 2020年智能電表的覆蓋率將達(dá)到100%。作為應(yīng)用的先例，浙江省寧波第一批智能用電信息采集器在海曙、江東、江北、鎮(zhèn)海、北侖全面安裝，1600戶居民將首先享受到"智能電表"帶來的便利。

2009年11月，浙江省海鹽供電局在該縣的南塘琴同推出了一個(gè)智能用電服務(wù)系統(tǒng)。目前該縣通元鎮(zhèn)韓家橋的風(fēng)電、太陽能發(fā)電互補(bǔ)發(fā)電并網(wǎng)工程已投入運(yùn)行。該互補(bǔ)并網(wǎng)工程包括1000W的光伏發(fā)電和500 W的風(fēng)力發(fā)電，都是裝在用戶現(xiàn)場(chǎng)。在工程中使用了雙向的電表測(cè)量技術(shù)，既可記錄用戶取自電網(wǎng)的電量，也可記錄用戶自身所發(fā)出的電量。

在2010年上海世博會(huì)園區(qū)內(nèi)，智能電表已經(jīng)廣泛使用。世博園區(qū)內(nèi)35kV及以上用戶7戶，其中包括中國館，10 kV用戶45戶，太陽能用戶3戶，總共覆蓋了近200個(gè)智能電表。作為智能電網(wǎng)的一個(gè)組件，智能電表在這個(gè)領(lǐng)域是的作用是舉足輕重的。

我國智能電表研究和推廣時(shí)間與國際基本同步，但由于受以下幾方面因素的影響，我國智能電表技術(shù)與國外水平存在較大差距。一是核心技術(shù)缺失。高端市場(chǎng)基本被國外產(chǎn)品占領(lǐng)，使是國產(chǎn)品牌F芯片、電解電容、液晶顯示屏(LCD)等核心部件均采用國外產(chǎn)品或技術(shù)，自有技術(shù)支撐能力薄弱。二是生產(chǎn)廠家分散，直接導(dǎo)致研發(fā)力量不足，核心技術(shù)突破進(jìn)展緩慢。目前，我國各種類型電表年產(chǎn)量己達(dá)2億臺(tái)以上，生產(chǎn)廠家有500多家，產(chǎn)品主要以面向國內(nèi)居民和工商業(yè)用戶為主，而精度要求較高的高端產(chǎn)品，國外產(chǎn)品仍占據(jù)主導(dǎo)地位。第三集成能力落后于國際水平。我國智能電表生產(chǎn)研發(fā)核心技術(shù)分散在電子、機(jī)械、電力等多個(gè)行業(yè)，技術(shù)集成難度較大。缺乏像IBM、GE等具備跨行業(yè)、跨平臺(tái)產(chǎn)業(yè)整合能力的大型企業(yè)集團(tuán)，即使單項(xiàng)專業(yè)技術(shù)接近國際水平，但由于集成環(huán)節(jié)或安裝工藝存在短板，電表產(chǎn)品的應(yīng)用性能仍然難以滿足要求。

總體看來，智能電網(wǎng)建設(shè)為智能電表普遍應(yīng)用提供了契機(jī)。而國外智能電表發(fā)展日臻成熟，相比之下，我國須從研究、制造、推廣等環(huán)節(jié)加大力度，推進(jìn)智能電表產(chǎn)業(yè)化步伐。