智能電網(wǎng)中的智能電表

智能電表是由傳統電能表逐步發(fā)展起來(lái)的，它在智能電網(wǎng)中是重要的智能終端。智能電表功能的擴充使得智能電表除了具有了雙向計量的基本功能以外，還具有分時(shí)分類(lèi)計量.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)的節能、高效、安全的性能得到更充分的體現。

1．序言

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

隨著(zhù)智能電網(wǎng)的日益發(fā)展，世界各國對于智能化用戶(hù)終端的需求也日益增大，據統計，在未來(lái)5年，隨著(zhù)智能電網(wǎng)在世界各國的建設，智能電表在全球安裝的數量將高達2億多只。同樣，在中國，隨著(zhù)國家堅強智能電網(wǎng)建設的進(jìn)展，作為用戶(hù)端的智能電表的需求也會(huì )大幅度地增長(cháng)，保守的預計，市場(chǎng)將會(huì )有1.7億只左右的需求。美國政府為升級本國電網(wǎng)的撥款中，就有一部分專(zhuān)門(mén)用于在未來(lái)3年致使13%的美國家庭(1800萬(wàn)戶(hù)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)計量基礎設施的部署，將所有普通電表更換為智能電表。法國、西班牙、德國和英國預計在未來(lái)10年內也將完成智能電表的全面推廣和應用。

2． 傳統電能表簡(jiǎn)介

最傳統的用戶(hù)終端一電能表是電磁式的，安裝在用戶(hù)端，用于計量用戶(hù)的用電量，計量單位為度(kWh)。

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

隨著(zhù)數字化技術(shù)在電能表中的應用，電能表的功能逐步得到擴充，一批多功能的電能表相繼誕生。比如預付費電能表就是應用比較廣泛的電能表之一。它通過(guò)預付費卡為電能表充值，然后按照當地的單位電價(jià)和用電量從預存費用中扣除，預存費被扣除為零時(shí)，電表將不為用戶(hù)提供電能除非你再次充值。這種通過(guò)Ie卡預付費的電能表也有稱(chēng)為智能Ie卡預付費電能表的，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(mén)抄表吃閉門(mén)羹的的尷尬，也開(kāi)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)等擴充功能的多功能電能表問(wèn)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)標準，標準編號分別為DL/ T614-2007不n DL/T645-2007飛此外還有國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會(huì )聯(lián)合發(fā)布的《多功能電能表特殊要求》(GB/17215.301--2007)等國家標準。到2009年10月，國家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標準，新標準對電表在計量、費控、通信、功耗、電子線(xiàn)路布線(xiàn)等技術(shù)指標要求均有了大幅提高，以前對于微控制器MCU(MicroController Unit)附加功能由可選變成了必選工頁(yè)，要求有更高的計算能力DMIPS(Dhrystone Million Instructions Per Second)以滿(mǎn)足智能電表的高性能要求：要求有更大的存儲容量以滿(mǎn)足復雜的數據處理需求:更多的輸入輸出I/O方式以應對與日益增多的外部設備的對接?？梢?jiàn)，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，因為它本身含有功能較強的微控制器(MCU)，所以它就像一臺小型的電腦一樣，自動(dòng)化和智能化的功能更豐富、更強大，通常它會(huì )具備以下的一些主要功能。

(1) 雙向計量

作為智能電網(wǎng)的用戶(hù)端，智能電表的主要功能是為用戶(hù)提供一個(gè)電網(wǎng)的入戶(hù)接口，通過(guò)智能電表可以將安全、高質(zhì)量的電能輸送到用戶(hù)的用電設備上。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(hù)端得到了充分的使用，用戶(hù)自己產(chǎn)生的清潔能源除了滿(mǎn)足用戶(hù)自身的需要以外會(huì )產(chǎn)生多余的能量，也可以通過(guò)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量的功能。在計量的過(guò)程中，因為有MCU的支持，可以方便地實(shí)現智能電網(wǎng)供電系統內精確、可靠的電能管理。它不僅可以簡(jiǎn)單地實(shí)現分時(shí)管理，用戶(hù)的用電情況可以有更多的分類(lèi)，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(lèi)分別計量不同的電費和電能使用情況。這就為電網(wǎng)高效節能管理提供了有用的實(shí)時(shí)信息。依據這些信息，管理方可以通過(guò)合理的手段，為一些高耗能設備從用電高峰時(shí)段轉到非用電高峰時(shí)段提供優(yōu)惠折扣，實(shí)現錯峰避蜂用電，提高電網(wǎng)的運行效率。

(2) 雙向通信

智能電表與智能電網(wǎng)之間的數據采集和發(fā)送都離不開(kāi)遠程通訊，為此，智能電表的遠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(shuō)通信功能是智能電表的主要功能之一。

智能電表與遠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(xiàn)路的載波通訊、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊、通信網(wǎng)絡(luò )通訊以及借助其他專(zhuān)網(wǎng)的通訊(如有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )等)。未來(lái)三網(wǎng)合一的發(fā)展，也會(huì )為智能電表的通訊帶來(lái)更大的方便。

(3) 控制功能

智能電表將會(huì )具備傳統的電能表和多功能電能表所無(wú)法企及的對智能家電設備的控制功能。智能電表的MCU可以帶有強大的I/O接口，使得它可以與更多的外部設備對接。借助遠程通信的功能，用戶(hù)在異地通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )、移動(dòng)通訊設備對自己家里的各類(lèi)智能化用電設備進(jìn)行遠程遙控、遙測將會(huì )變成現實(shí)。比如:對空調、洗衣機、電飯策、電熱水器、照明、電控窗簾和百葉窗等實(shí)現在遠端的開(kāi)關(guān)控制。當在居家安裝了智能化安全系統以后，通過(guò)智能電表的遠程通信功能還可以實(shí)現異地的監控和報警?？梢哉f(shuō)智能電表的功能也會(huì )不斷地擴充，未來(lái)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)展狀況

(1)美國ADI公司

美國模擬器件公司ADI(AnalogDevicesInc.，)是國際著(zhù)名的IC設計公司，公司在高性能模擬集成電路(Ie)、數字信號處理器(DSP)和微電子機械系統(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)占據了非常大的份額，他們的研究方向代表了IC設計的發(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量擾，型號為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)度達到0.1 %，可同時(shí)測量無(wú)功和有功功率。此外，其中一款產(chǎn)品還具備基波電能測量功能，這對電能質(zhì)量監測而言至關(guān)重要。

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

(2) 美國程思卡爾半導體公司

美國的飛思卡爾半導體(FreescaleSemiconductor，Inc.，)是全球領(lǐng)先的半導體公司，為汽車(chē)、消費電子、工業(yè)控制和網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)設計并制造嵌入式半導體產(chǎn)品口在全球擁有設計、研發(fā)、制造和銷(xiāo)售機構。飛思卡爾利用在嵌入式領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識，在充分研究中國國網(wǎng)新標準有關(guān)單相電表設計要求的基礎上，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。

飛思卡爾根據中國國網(wǎng)新標專(zhuān)門(mén)推出的64引腳的單項電表用9S08MZ60、MZ96、MZ128MCU，三項電表用51MZ256等產(chǎn)品，并已完成了樣機制造。

(3) 歐洲恩智浦半導體公司

總部位于荷蘭Eindhoven的世界前十大半導體公司一恩智浦半導體(NXP Semi conductors)以其領(lǐng)先的射頻、模擬、電源管理、接口、安全和數字處理方面的專(zhuān)長(cháng)。產(chǎn)品應用涉及汽車(chē)、智能識別、無(wú)線(xiàn)基礎設施、照明、工業(yè)、移動(dòng)、消費和計算等領(lǐng)域。

根據智能電表發(fā)展藍圖，NXP推出了基于A(yíng)RMCortex的MCU解決方案- LPC1 700系列。LPCI70。在智能電表系統中的應用主要包括三相(多功能)表、單相復費率/多功能表和多功能終端。

具體來(lái)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、內存保護單元、喚醒中斷處理器，可以滿(mǎn)足各種優(yōu)先級中斷的自動(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)化設計，具有防竊電等多種功能，可使用非接觸式讀卡技術(shù)完成預付費。其智能MX安全解決方案中，可配有室內多計量表無(wú)線(xiàn)連接用ISM一-band收發(fā)器，并有多種標準芯片可選，諸如SMPS(開(kāi)關(guān)電源)芯片、低功耗實(shí)施時(shí)鐘、顯示驅動(dòng)器、小信號分立器件和標準邏輯器件等。

(4) 德國西門(mén)子公司

西門(mén)子自動(dòng)抄表信息系統(AMIS)，ANIS利用ADI公司的Blackfin處理器。西門(mén)子公司選擇了Blackfin匯聚式處理器。這是因為該處理器具備同時(shí)作為DSP和Meu進(jìn)行無(wú)縫工作的能力，特別適合西門(mén)子AMIS的高處理和動(dòng)態(tài)通信應用要求。Blackfin處理器具備處理儀表級原始實(shí)時(shí)用電數據以及實(shí)現儀表和電網(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(mén)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準方便地通過(guò)軟件輕松升級。

AMIS可以實(shí)現全電網(wǎng)范圍的數據采集以及電力公司、電網(wǎng)和用戶(hù)之間的通信。通過(guò)基于Blackfin處理器設計的智能電表器件，系統不僅可以測量各個(gè)家庭的用電情況，還可以擴展到從發(fā)電廠(chǎng)到用戶(hù)的整個(gè)系統，AMIS對電網(wǎng)進(jìn)行監控并將數據傳送給控制站。系統采用電力線(xiàn)技術(shù)來(lái)傳送數據，AMIS還可用無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足目前的設計要求，而且還可以方便地實(shí)現下一代能量管理，為用戶(hù)提供可選的用電額度應用作好了準備。AMIS支持更多的新能源系統的采用，AMIS系統儀表可以控制從太陽(yáng)能電池或者發(fā)電廠(chǎng)輸送的電能。

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

5．國內智能電表應用前景

國內智能電表大規模應已經(jīng)將啟動(dòng)，國家電網(wǎng)公司在2010年智能電網(wǎng)第一階段的項目中大約有91億元用于智能電表、電表采集終端及后臺系統建設。智能電表標準也已經(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，本次招標包含二級單相遠程費控智能電能表680多萬(wàn)只，一級三相費控智能電能表26萬(wàn)只，招標金額大約13億元。預計國網(wǎng)公司2015年前將全面建成用電信息采集系統，居民用戶(hù)信息采集得到大規模應用，智能電表覆蓋率超過(guò)80%，用戶(hù)超過(guò)1.4億戶(hù)， 2020年智能電表的覆蓋率將達到100%。作為應用的先例，浙江省寧波第一批智能用電信息采集器在海曙、江東、江北、鎮海、北侖全面安裝，1600戶(hù)居民將首先享受到智能電表帶來(lái)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。目前該縣通元鎮韓家橋的風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電互補發(fā)電并網(wǎng)工程已投入運行。該互補并網(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(hù)現場(chǎng)。在工程中使用了雙向的電表測量技術(shù)，既可記錄用戶(hù)取自電網(wǎng)的電量，也可記錄用戶(hù)自身所發(fā)出的電量。

在2010年上海世博會(huì )園區內，智能電表已經(jīng)廣泛使用。世博園區內35kV及以上用戶(hù)7戶(hù)，其中包括中國館，10 kV用戶(hù)45戶(hù)，太陽(yáng)能用戶(hù)3戶(hù)，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(chǎng)家分散，直接導致研發(fā)力量不足，核心技術(shù)突破進(jìn)展緩慢。目前，我國各種類(lèi)型電表年產(chǎn)量己達2億臺以上，生產(chǎn)廠(chǎng)家有500多家，產(chǎn)品主要以面向國內居民和工商業(yè)用戶(hù)為主，而精度要求較高的高端產(chǎn)品，國外產(chǎn)品仍占據主導地位。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)、跨平臺產(chǎn)業(yè)整合能力的大型企業(yè)集團，即使單項專(zhuān)業(yè)技術(shù)接近國際水平，但由于集成環(huán)節或安裝工藝存在短板，電表產(chǎn)品的應用性能仍然難以滿(mǎn)足要求。

總體看來(lái)，智能電網(wǎng)建設為智能電表普遍應用提供了契機。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)節加大力度，推進(jìn)智能電表產(chǎn)業(yè)化步伐。