淺談智能電表的應(yīng)用及發(fā)展

王志勇，張鐵壁，侯錫銘

(1.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 電力工程系，河北 滄州 061001；2.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 學(xué)生處，河北 滄州 061001)

隨著電網(wǎng)智能化程度的提高，傳統(tǒng)的機械式電表已不適合應(yīng)用，智能電表應(yīng)運而生。作為一個智能終端，它成了聯(lián)系電網(wǎng)和用戶的中轉(zhuǎn)站，其作用已經(jīng)遠遠超出了單一的計量功能，在電能的合理分配和綜合管理中發(fā)揮著重要作用。

1 智能電表的概述

智能電表(smart meter)的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時的產(chǎn)品稱為靜止式電表，其價格是機械式電表的10到20倍，只用于高端用戶。2000年前后，在一些大中城市用電子式電表來取代了機械電表，但還不是智能電表。所謂智能電表就是應(yīng)用計算機技術(shù)、通信技術(shù)等，通過加裝智能芯片，使其具有電能計量、計費、與上位機通信和用電管理等功能的儀表。因為它擁有功能較強的微控制器，所以就是一臺小型電腦，其自動化和智能化的功能更強大。[1]

1.1 目前智能電表的種類[2]

目前投入使用的智能電表主要有分時復(fù)費率式電能表、預(yù)付費式但能表、集中遠傳式電能表。

(1)分時復(fù)費率式電能表只是按照峰、平、谷時段分別計費，還不能做到在線檢測和在線收費，其智能化還很低，只是初級的智能電表。

(2)預(yù)付費式電能表采用先交費后用電的模式，這樣雖然減輕了抄表員的工作量，但是沒有辦法對電表進行自動檢測和控制，所以只能是電表智能化過程中的過渡產(chǎn)品。

(3)集中遠傳式電能表，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)把用戶的用電信息在線抄讀，存入用電管理中心的計算機，管理人員可以隨時監(jiān)視用電狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。此系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了傳輸、監(jiān)控和管理的功能，但是不具備控制功能，只能算是智能電表系統(tǒng)的雛形。

1.2 國內(nèi)外智能電表的應(yīng)用狀況

2008年中國國家電網(wǎng)公司開始建立用戶用電信息系統(tǒng)，組織編寫了國網(wǎng)智能電表企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2009年10月份開始對系統(tǒng)內(nèi)部和電表制造企業(yè)進行貫徹執(zhí)行。2009年底，國家電網(wǎng)進行了智能電表的首次招標(biāo)，2010年，累計招標(biāo)2 700萬只，北京、上海等一線城市已經(jīng)開始使用智能電表。2011年，全國進入了智能電表更換高峰期。[3]

2011年6月25日，山西公司用電信息采集系統(tǒng)在全省范圍內(nèi)實現(xiàn)了1.4萬智能電表用戶的遠程費控功能。費控功能的實現(xiàn)使居民用電更加智能化、供電服務(wù)更加人性化。

2011年8月17日起智能遠程費控系統(tǒng)在威海供電公司已經(jīng)全面上線運行，智能電表是系統(tǒng)的主要部件之一。

2011年10月12日，安徽滁州供電公司單相智能電表成功實現(xiàn)遠程費控跳閘，催費及欠費停復(fù)電用戶單個控制或分批次控制功能具備應(yīng)用條件。

同時，在其他一些大中城市，隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，智能電表也在推廣和使用。

2009年美國總統(tǒng)奧巴馬為抵御金融危機、振興美國經(jīng)濟，提出了新能源戰(zhàn)略，智能電網(wǎng)的建設(shè)處于首位，同年1月奧巴馬宣布為4 000萬美國家庭安裝智能電表。[4]

英國也宣布從2011到2020年對現(xiàn)有的4700萬只電表和氣表進行升級。

法國計劃將正在使用的3 500萬只電能表更換為智能電表。

意大利已經(jīng)于2001到2004年間安裝和改造了3 000萬只智能電能表，實現(xiàn)了全國95%電力用戶的用電信息的自動采集，構(gòu)建了智能化電網(wǎng)。

歐盟計劃到2020年把80%的普通電表更換為智能電能表，大約有1.45億只。

2 智能電表的原理

智能電表由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元等組成，具有電能量計量、信息存儲和處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能。相對以往的普通電能表，除具備基本的計量功能外，智能電能表是全電子式電能表，帶有硬件時鐘和完備的通信接口，支持雙向計量、自動采集、階梯電價、分時電價、凍結(jié)、控制、監(jiān)測等功能，具有高可靠性、高安全等級以及大存儲容量等特點，可以為實現(xiàn)分布式電源計量、雙向互動服務(wù)、智能家居、智能小區(qū)等奠定基礎(chǔ)。

智能電表的原理如圖 1所示，由M CU、通信芯片、預(yù)付費卡、帶溫補的高精度實時時鐘、液晶驅(qū)動、計量芯片、數(shù)據(jù)存儲、繼電器驅(qū)動和電源等。[4]

圖1 智能電表原理圖

2.1 智能電表的采樣方式

智能電表采集用電量信息的采樣方式主要有兩種形式。

一種是通過用互感器采樣，即利用電壓互感器和電流互感器分別來采集用戶的電壓信號和電流信號，以確定用電量。

另一種是直接采樣，就是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取得電壓信號，用電阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進行電流直接采樣，從而確定用電量。[5]

在起動電流、線性、功耗和精確度等方面，互感器采樣都不如直接采樣好，小電流時更為突出。例如：對額定電流為20A的電路，互感器采樣的啟動電流在40 mA左右，而直接采樣的啟動電流僅為20 mA左右。又如：采用電流互感器采樣，由于激磁存在，若不采取補償措施，互感器本身誤差就可能超過5%。而采用專用的錳銅片進行直接電流采樣的智能電表誤差可調(diào)整到+0.5%。當(dāng)然利用互感器采樣也有優(yōu)點，那就是抗干擾性較強，線路簡單，成本低。

2.2 智能電表的通信方式[6]

智能電表和控制中心之間的通信方式有以下幾種形式：

(1)采用專線，如有線的 RS-485總線或現(xiàn)場總線布線，系統(tǒng)獨立性好，但是容易受到自然條件的限制，人為因素的影響較大，維護工作量大。

(2)采用電力線載波通信，不用重新布線，系統(tǒng)組建方便，但是由于非線性負荷的大量使用，對電力線載波特別是擴頻電力線載波信號產(chǎn)生負面影響，使其數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性下降。[7]

(3)采用430M Hz無線傳輸，系統(tǒng)組建容易，但其穩(wěn)定性和可靠性無法保障。

(4)借助公用電話網(wǎng)通信。網(wǎng)絡(luò)容易組建，但是技術(shù)復(fù)雜，還需要部門之間的協(xié)調(diào)。

目前通信網(wǎng)絡(luò)是制約智能電表發(fā)展和推廣的重要因素。將來的三網(wǎng)合一，會給智能電表的發(fā)展帶來更大的方便。

3 智能電表的功能

智能電表是智能電網(wǎng)中的一個重要部分，它除了具備普通電表的計量功能之外，還有更多的智能功能。

(1)雙向計量

在倡導(dǎo)環(huán)保和節(jié)能的今天，許多分布式新能源在用戶端得到了利用，如太陽能發(fā)電等，當(dāng)這些電能有剩余時，就可以通過智能電表反饋給電網(wǎng)，這就需要智能電表具有雙向傳輸和計量的功能。這樣既節(jié)約了能源又保障了用戶的利益。

(2)分時段和分類計費

智能電表可以對用戶在用電高峰和低谷時的費用分別計算，還可以對不同功率因數(shù)的負載的用電分別計費。供電公司把分時電費情況發(fā)送的用戶的智能電表上，供用戶調(diào)節(jié)自己用電做參考，用戶還可以通過智能電表查收賬單和停電通知。供電公司可以通過智能電表實時采集用電信息和負荷分布情況來優(yōu)化電網(wǎng)。這樣可以更好地鼓勵用戶選擇節(jié)能電器和實現(xiàn)錯峰避峰用電，提高電網(wǎng)的運行效率。

(3)雙向通信[1]

雙向通信也是電表智能化的一個體現(xiàn)，控制中心除了接收智能電表發(fā)出的用電信息以外，還可以向智能電表發(fā)出調(diào)控指令，實現(xiàn)遙測和遙控。

圖2 智能電表控制家用電器的原理圖

(4)控制功能

智能電表的微控制器M CU(Micro Controller Unit)的 I/O 接口可以連接許多外部設(shè)備，如：照明燈具、空調(diào)、洗衣機、電飯煲、電控窗簾、防盜器等家用電器，通過遠程計算機對其進行遙測和遙控，還可以實現(xiàn)異地報警，從而實現(xiàn)智能住宅。其原理如圖2所示。

(5)自診斷和自我恢復(fù)功能

智能電表的硬件和軟件及其所處的系統(tǒng)都比普通電表更復(fù)雜，所有它的故障率相應(yīng)增加，這就需要智能電表具有故障自診斷和自我恢復(fù)的功能。在沒有人為干預(yù)的情況下，故障發(fā)生時，智能電表應(yīng)能夠及時發(fā)現(xiàn)、分析和判斷，并作出隔離、重裝和起動等一系列動作，完成自診斷和自我恢復(fù)功能。

(6)保護功能

智能電表應(yīng)該有檢測電源質(zhì)量和自動斷電的功能，如當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓達到報警值時，應(yīng)上傳信息，并同時發(fā)出報警和信息顯示，需要時能給負載斷電，以保護用戶的電氣設(shè)備。

4 智能電表發(fā)展中的制約問題[2]

智能電表發(fā)展中的制約問題有以下幾個。

(1)成本高。智能電表功能多，采用了許多新技術(shù)，所以其成本和售價過高，普通用戶不愿承受或難以承受。這也影響了廠家的積極性，制約了智能電表的發(fā)展。但是隨著科技的發(fā)展和社會的進步，及國家政策的支持，智能電表的價格會逐漸降低。

(2)安全保障難度大。智能電表就是一個小型計算機，其存儲和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)大，其高效、低廉和可靠的安全系統(tǒng)的建立是一個巨大的挑戰(zhàn)，不同通信方式的加密方法需要解決，應(yīng)付日益增多的網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊也是一個不容忽視的問題。

(3)智能化程度的提高難度大。智能電表應(yīng)該和人一樣具有智能，也就是在沒有人工參與的條件下，具有感知、分析、判斷和作出反應(yīng)的能力，但是所有這一切都是在程序的控制下進行的，一旦出現(xiàn)新的問題，沒有程序指導(dǎo)，電表就無能為力了，也就是說沒有獨立思考的能力，這是智能化程度提高進程中的一個巨大挑戰(zhàn)。

5 我國智能電表發(fā)展前景[8]

2011 年，國際市場研究機構(gòu)派克咨詢公司(Pike Research)發(fā)布了一份名為《智能電表市場預(yù)測》的報告，報告中指出隨著各國政府不遺余力地擴大智能電表的部署工作，市場將經(jīng)歷一波高潮。派克認(rèn)為，中國這個大市場對該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添色不少。隨著智能電表在中國國內(nèi)的快速部署，進一步確保了它在該市場的穩(wěn)定地位，預(yù)計未來10年都會維持這一增長態(tài)勢。

國家電網(wǎng)公司計劃2012年到2015年之間的三年內(nèi)，新安裝智能電表約2.4億塊，將成為全球最大智能電表消費市場。到2016年中國的智能電表的安裝數(shù)量將占到亞太地區(qū)所有智能電表安裝數(shù)量的3/4以上。中國政府已經(jīng)建立在2011～2020年安裝6.82億～7.82億個智能電表的目標(biāo)。2020年智能電表的覆蓋率將達到100%?？梢韵嘈?，隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，智能電表的應(yīng)用也將會很快進入千家萬戶。

6 結(jié)語

節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今世界的主題，智能電網(wǎng)的建設(shè)也在為之做著積極的貢獻，作為電網(wǎng)智能終端的智能電能表是一種綠色表計，各國對其需求量日益增加，我國更是需求大戶，國內(nèi)廠商正在把一些新材料、新技術(shù)和新工藝投入到智能電能表的生產(chǎn)上，提高質(zhì)量和降低成本。政府從政策上對智能電能表的生產(chǎn)和使用予以扶持，同時大力宣傳，讓老百姓接受這種新事物。相信未來10年，智能電表會逐漸普及，我們會擁有一個綠色、高效、可靠的智能電網(wǎng)。

[1]李保瑋.智能電表簡介[J].裝備機械，2010(3)：70-73.

[2]曹敏，黃玫，王媛.智能電能表的發(fā)展與難點問題探討[J].陜西電力，2011(12)：88-90.

[3]張高龍.智能電表技術(shù)及市場[J].電器工業(yè)，2010(12)：56-60.

[4]韓明，費宇航.智能電表系統(tǒng)實現(xiàn)方案及其發(fā)展趨勢[J].集成電路應(yīng)用，2010(10)：29-30.

[5]馬瑞，陳晨.基于DSP控制的智能電表設(shè)計[J].機電信息，2011(21)：151-152.

[6]曹舒.采用智能電表的居民用戶無線自動抄表系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，2010(8)：112-116.

[7]聶王旬.對智能電網(wǎng)中智能電表技術(shù)的展望[J].湖北電力，2010(6)：47-48.

[8]王思彤，周暉，袁瑞銘，易忠林.智能電表的概念及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010(4)：22-23.