智能計量系統(tǒng)的發(fā)展及其系統(tǒng)SoC應用

徐 鼎

山東電力研究院 山東 濟南 250002

0 引言

由于智能電網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，因此對電網(wǎng)的基本計量工具-電能表也提出了更高的要求，從而推動了智能電表技術的發(fā)展和研發(fā)。最早的智能電表架構是結合了多個集成電路去實現(xiàn)所需的功能。通常情況下，微控制器進行系統(tǒng)的管理和顯示任務，多個模數(shù)轉換器結合固定功能信號處理器擔當計量職能。之后結合的大型儀表制造商的模數(shù)A/D轉換和數(shù)據(jù)信號處理器DSP功能而研發(fā)出下一代專用計量功能的智能電表使用的專用集成電路。最新的有線和無線通信的基礎設施為智能電網(wǎng)管理和智能電表的推廣提供了一個未來的技術平臺。從長遠來看，這一通信基礎設施將提供一個促進分布式能源和可再生能源發(fā)電 （如風力和太陽能）的基礎。為了支持智能電網(wǎng)的發(fā)展，未來的電網(wǎng)將根據(jù)需要，讓終端客戶獲取更多地可再生能源和自己產(chǎn)生的可利用能源賣回給電網(wǎng)系統(tǒng)。

1 智能計量系統(tǒng)

智能計量系統(tǒng)能夠與廣大用戶一起在用電高峰時段實現(xiàn)削峰平谷，以提高電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性。智能計量系統(tǒng)的建設可分為以下三個層次：AMR、AMI、智能電表。

1.1 自動抄表 （AMR，Automated Meter Reading）

抄表是電力企業(yè)運營的基礎環(huán)節(jié)，抄表數(shù)據(jù)的準確性和及時性直接關系到電力企業(yè)的自身利益。AMR系統(tǒng)是根據(jù)特定國家和監(jiān)管環(huán)境的規(guī)定而定的，通常使用兩種方法來實現(xiàn)。一個方法是使用在計量端點相對較高功能的計量能力，而其他方法側重于更低的成本和簡單的功能。

為了避免損失數(shù)據(jù)，并確保計量精度和計費準確性，一些有嚴格司法監(jiān)管的地區(qū)還要求，讀取的數(shù)據(jù)采取在相對短的時間間隔（每15分鐘），積累的數(shù)據(jù)在更長的溝通間隔（每8小時）。然而，由于規(guī)定補償通信故障的潛在危險則要求至少有兩個數(shù)據(jù)建立并始終保留在測光點。這意味著，計量芯片必須能夠至少可以存儲16個小時的數(shù)據(jù)。最后還要把AMR功能直接加入到計量芯片當中去。

在對AMR過程監(jiān)管環(huán)境要求不太嚴格的地方上，公用事業(yè)公司可以盡量減少智能電表的成本和簡化計量功能（除非另有特殊規(guī)定）。

1.2 高級量測架構（AMI，advanced metering infrastructure）

美國聯(lián)邦能源管理委員會對AMI的描述是：在智能表計與公共企業(yè)系統(tǒng)間的通信硬件和軟件及相關的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理軟件共同形成的一個網(wǎng)絡，并具備為公共事業(yè)單位、客戶、零售商等其他機構收集傳遞數(shù)據(jù)信息的功能。是一個用來測量、收集、儲存、分析和運用用戶用電信息的完整的網(wǎng)絡和系統(tǒng)。

通過智能電表終端和主戰(zhàn)之間建立的強安全網(wǎng)絡架構AMI可以實現(xiàn)電網(wǎng)公司和用戶的雙向計量和通信。相較于AMR方式，由智能電表加上廣域通信網(wǎng)絡、計量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和智能家域網(wǎng)絡（HAN，Home Area Network） 組成的AMI可以更加高效、低價、可靠使用電能。

智能電網(wǎng)自動運行的程度、能源效率和節(jié)能效率的能力、運行成本的控制都依賴于AMR和AMI的建設和完善。

1.3 智能電表

1.3.1 智能電表的基本功能

智能電表是以微處理器應用和網(wǎng)絡通信技術為核心的智能化儀表，是AMI網(wǎng)絡上的系統(tǒng)傳感器和量測電。性能良好的智能電表應該具有以下基本功能：

智能傳感器可以實時地測量電量、電流和電壓值；

內嵌式通訊調制解調器；

可以遠程/本地通信，實現(xiàn)遠程供斷電及程序更新；

能夠實現(xiàn)雙向計量；

信息實時交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與儲存；

竊電報警；

內嵌式開關可以遠距離和局部操控；

1.3.2 對智能電表的要求

a）現(xiàn)場可編程性 （Field Programmability）

現(xiàn)場可編程性為公用事業(yè)公司提供了更大的靈活性，方便調整政策用來應對不斷變化的能源使用模式。例如，當需要大量調整用戶轉向其它能源消耗或調整用電時段時，可將季節(jié)性或者將一天中的特定時間定價設置為峰值。通過遠程升級程序還可以允許公用事業(yè)快速地調整自己的獎勵利率激勵客戶，以幫助順利出峰并可同時跟蹤動態(tài)需求在高峰使用模式的變化。

b）能源可管理服務 （Energy-Management Service）

智能電表可以使得公用事業(yè)的實時可視性進入使用模式。進而推動需求方能夠自我管理的模式，還可使客戶能夠更好地管理自己的能源使用情況。例如，有些計劃給客戶提供增強選項，通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，按每小時的使用量來促使他們去調整用電情況，可以更多地利用優(yōu)惠電價下能源的使用。除此之外，還可有計劃的采用與客戶的自動調溫器相結合的無線一體化的智能電表，在能源高峰期間自動調整以便降低總費用。

c）安全機制 （Security Mechanism）

防竊電是智能電表的另外一個關鍵的驅動要素，尤其是在發(fā)展中國家，電力盜竊是一個重大的成本問題。

典型的竊電技術五花八門，如打破電表的機殼，在電表外放置磁鐵使得磁性元件飽和等。有些則是試圖改變負載的特性，如增加電容，半波整流負載或者瞬間高電流等。其他的可能全部或部分繞過電表，導致流經(jīng)電表中性末端中交流電流的增加。

1.3.3 智能電表的發(fā)展

a）智能平臺：建立未來智能家域網(wǎng)絡（HAN，Home Area Network）平臺

家庭能源管理自動化

遙控負荷管理

能源的分布式產(chǎn)生和儲存

電動車

b）雙向通訊

雙向通信是電力網(wǎng)絡運營商能夠提供擴展能源資源，智能監(jiān)測和控制能力的關鍵。運營商們可以對電網(wǎng)進行實時監(jiān)控乃至整個電能的消耗，實現(xiàn)可改變稅費的時間表，并設置限制用電，以便更好地管理電網(wǎng)的高峰負荷。

反過來，消費者也可以對他們的電力消耗進行實時觀測，從而增強使用方的保護。還可以根據(jù)可變費稅時間表的設定，用戶可以盡量減少電力高峰使用時間內消耗。

c）電力線通訊（PLC）技術是節(jié)省成本的關鍵

PLC是目前智能電表中最廣泛采用的通訊技術

通過電力線的通訊使得智能電表更加符合成本效益。由于它的通訊使用的是電力線，這種技術允許電網(wǎng)運營商利用現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎設施實現(xiàn)高度安全可靠的通訊。因此，電力線通訊不再需要部署一個獨立的通訊基礎設施來補充已有電網(wǎng)絡的基礎設施。

世界上第一個基于OFDM的PLC調制解調器與傳統(tǒng)的窄帶PLC調制解調器相比可以進行更長的距離的通訊傳輸，它可以在10kHz至490kHz頻率范圍內操作。這種調制解調器采用了先進的寬帶網(wǎng)絡技術，可以實現(xiàn)不良信道條件下的高度可靠和安全的數(shù)據(jù)通信。

d）自動儀表管理系統(tǒng)（AMM）

自動儀表管理系統(tǒng)的一個主要考慮就是減少竊電。AMM的獨有功能是分布式財產(chǎn)管理系統(tǒng)和使用閾值檢測等為有關部門提供了一個減少和消除經(jīng)濟損失的有價值工具。AMM系統(tǒng)可以根據(jù)預先承諾的基礎上設定使用閾值而直接控制等等。

自動儀表管理系統(tǒng)還可以減少人工數(shù)據(jù)錄入和傳輸所帶來的誤差。

1.4 智能計量系統(tǒng)的優(yōu)點

客戶服務：為用戶提供更加方便，優(yōu)質和快速的服務

電力能源的使用量可以按年、月、日甚至每小時自我讀取

更加節(jié)能，提供更好的能源使用和停電管理提供預付費支付選項

降低營運成本，自動讀表系統(tǒng)成本的降低使得整個營運成本的降低

需求管理：為客戶提供的能源使用及效率的管理手段

新的費率選擇及減少延遲付款

提供能源使用數(shù)據(jù)，峰值使用時間的控制使得賬單的價格更低，增加數(shù)據(jù)的安全性

環(huán)保：不僅可以選擇是否在峰值期間使用，還可以控制溫室氣體排放和污染的控制

2 SoC系統(tǒng)芯片

SoC（System on clip）系統(tǒng)級芯片，是一個具有專用目標的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內容。帶DSP功能的專用高精度計量芯片逐漸替代了以往采用多個采樣模塊加上多路轉換開關和高分辨率的模擬數(shù)字轉換器構成一個同步采樣模塊的方式。SoC芯片是將整個應用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中，芯片嵌入快速CPU、模擬比較器、載波發(fā)生、脈沖去抖等電路?；赟oC芯片的電能表具有高精度、低功耗、防竊電、有助于提高電力線載波抄表通信成功率等特點。近幾年國內外智能電表系統(tǒng)正向SoC芯片技術方向發(fā)展。

智能儀器的系統(tǒng)芯片（SoC）中包括以下功能：

靈活的，多端口的通信選項以支持AMR鏈接，與局部的裝置如自動調溫器整合以及多點子儀表拓撲結構。

大流量多讀處理功能，比如采用多通道輸入到一個帶有可編程序計算器的delta–sigma型模數(shù)轉換器去降低單元成本。

最低硬件的投入支持各種傳感器的信號輸入去調控溫度和其他環(huán)境變量以提高效率和準確度。

現(xiàn)場可升級軟件以延長儀表方案的使用壽命，并可以根據(jù)制定的方針政策去動態(tài)地調整和能源優(yōu)化的使用。

多相監(jiān)測和分析功能，以幫助和管理能源的消耗，能夠進行負載分析和優(yōu)化電機功能等。

LCD接口能夠支持多種電壓和屏幕解析度。

帶有外部內存管理功能以及各種可擴展的內部閃存容量能夠支持廣泛的數(shù)據(jù)存儲選項。

備有幾個篡改檢測的機構可以防止能源被盜竊，他們支持電流互感器，羅戈夫斯基線圈，電流分流檢測以及他們的組合電流敏感機構和開路電流傳感器檢測等。

對于單相和多相電源功率測量時，即使在特殊的測量篡改檢測條件下仍能夠進行單線的功率測量。

內置實時時鐘（RTC）功能。

圖1 SoC智能電表系統(tǒng)芯片結構基本框架圖

3 結論

總之，智能電網(wǎng)管理技術中的智能計量系統(tǒng)，是一個可以實現(xiàn)環(huán)境保護和資源充分利用的更聰明的解決方案。而集成的SoC解決方案可以通過優(yōu)化去限制這些成本，其性能和靈活性可在不去建造更多的發(fā)電廠的情況下，去支持最壞的生態(tài)情況（比如為期一周的用電高峰），電網(wǎng)運營商還將能夠最大限度地利用現(xiàn)有資源和可再生能源的發(fā)電等。同時，用戶的管理功能可以更好地去平衡負載的分布。

許多新的智能電表系統(tǒng)芯片（SoC）的出現(xiàn)為智能電表大規(guī)模地普及和應用創(chuàng)造了前所未有的機會。隨著SoC方案的逐漸成熟，和在國外部分市場的批量使用的示范效應，SoC方案將在未來兩到三年內取得實質性突破，也將把智能電網(wǎng)技術推向一個新的階段。

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