智能電能表在階梯電價(jià)實(shí)施中的技術(shù)方案優(yōu)化的探討

王甜婧+王文光

摘要： 通過(guò)對(duì)實(shí)施階梯電價(jià)技術(shù)方案的探討，指出了更新智能電表為最適合供電企業(yè)的方案。從本地費(fèi)控預(yù)付費(fèi)功能、多費(fèi)率及階梯電價(jià)計(jì)算選擇功能、遠(yuǎn)程數(shù)傳通信功能、負(fù)荷監(jiān)控和控制功能四個(gè)方面， 討論了電能表技術(shù)方案的重點(diǎn)配置和優(yōu)化，為電力部門在電能表的性能選擇中提供了一個(gè)較佳的選型方案。

Abstract： Through the discussion of implementing ladder electricity price， updating smart meters is proposed as the most suitable scheme for power supply enterprises. From four perspectives of the local fees charged subscription function， choice of rates and ladder electricity price calculation function， remote digital communication function， load monitoring and control functions， the key configurations and optimizations of the technical scheme of watt-hour meter are discussed， and a better scheme of watt-hour meter selection for the power sector is provided.

關(guān)鍵詞： 智能；電能表；階梯電價(jià)；技術(shù)方案

Key words： smart；electric energy meter；ladder electricity price；technical proposal

中圖分類號(hào)：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）22-0016-03

0 引言

目前階梯電價(jià)政策已經(jīng)出爐，我國(guó)居民用電即將實(shí)施階梯電價(jià)政策，根據(jù)陜西省物價(jià)局近期通告，一戶一表居民用電將實(shí)行階梯電價(jià)，階梯電價(jià)初步方案為：一檔電量為120或150千瓦時(shí)以內(nèi)的用電量（含120或150千瓦時(shí)），不加價(jià)；二檔電量為120-210（150-240）千瓦時(shí)的用電量（含210或240千瓦時(shí)），每千瓦時(shí)加價(jià)0.05元；三檔電量為210或240千瓦時(shí)以上的用電量，每千瓦時(shí)加價(jià)0.3元。然而目前現(xiàn)有運(yùn)行的普通電能表及一部分預(yù)付費(fèi)電能表均無(wú)法實(shí)現(xiàn)階梯電價(jià)，本文就什么性能什么要求的電能表才符合供電企業(yè)實(shí)施階梯電價(jià)的要求予以技術(shù)方案探討。

1 技術(shù)方案的對(duì)比分析

1.1 升級(jí)電力營(yíng)銷系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)施階梯電價(jià) 將目前的電力營(yíng)銷系統(tǒng)軟件改進(jìn)升級(jí)為能夠按照階梯電價(jià)方案進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算電費(fèi)的軟件，即抄表員將抄回的電能表中的耗電數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)以后，由電力營(yíng)銷系統(tǒng)軟件根據(jù)用戶實(shí)際用電量大小進(jìn)行階梯電價(jià)計(jì)算出用戶應(yīng)激的電費(fèi)。該實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、投資少、見(jiàn)效快，缺點(diǎn)是對(duì)于已經(jīng)裝有預(yù)付費(fèi)電能表的用戶無(wú)法實(shí)施階梯電價(jià)，同時(shí)這樣滯后性計(jì)算出的階梯電價(jià)電費(fèi)會(huì)使用戶不易接受、甚至可能會(huì)導(dǎo)致電費(fèi)糾紛。

1.2 遠(yuǎn)程數(shù)傳通訊售電來(lái)實(shí)施階梯電價(jià) 目前遠(yuǎn)程數(shù)傳的通訊方式不外乎有以下幾種：低壓電力線載波、無(wú)線數(shù)字電臺(tái)、GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、485接口等通訊口組網(wǎng)。在這幾種方式中，各自有各自的不同程度的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，不論采用何種通訊方式組網(wǎng)，都具有無(wú)限傳輸?shù)奶匦?。?yōu)點(diǎn)是遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)計(jì)算階梯電價(jià)電費(fèi)快捷高效、有利于監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)，缺點(diǎn)組網(wǎng)復(fù)雜、投資大、同時(shí)現(xiàn)行電能表需要更換為多功能電能表，經(jīng)濟(jì)性差，實(shí)施運(yùn)行中易受通訊信道影響。

1.3 將大量普通電能表更換智能型電能表來(lái)實(shí)施階梯電價(jià) 目前現(xiàn)有運(yùn)行的普通電能表及一部分預(yù)付費(fèi)電能表均無(wú)法實(shí)現(xiàn)階梯電價(jià)，將這些電能表全部更換為具有本地費(fèi)控制功能的智能型預(yù)付費(fèi)電能表，由其表內(nèi)自建的程序軟件功能完成用戶實(shí)時(shí)用電的階梯電價(jià)自動(dòng)選擇與實(shí)施電費(fèi)計(jì)算，如基于嵌入式系統(tǒng)，運(yùn)用單片機(jī)控制計(jì)算電價(jià)，在表內(nèi)實(shí)時(shí)扣除用戶的實(shí)際用電電費(fèi)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是本地化實(shí)時(shí)計(jì)算階梯電價(jià)電費(fèi)并予以實(shí)時(shí)扣除，不會(huì)導(dǎo)致滯后性計(jì)算所發(fā)生的電費(fèi)交納困難或糾紛，缺點(diǎn)是需要大量更換電能表，投資大。

從上面的分析可以看出：方案3是比較適合供電企業(yè)采用的，下面我們就將什么性能什么要求的電能表才符合供電企業(yè)實(shí)施階梯電價(jià)最理想的要求予以技術(shù)方案探討。

2 多功能或智能型預(yù)付費(fèi)電能表技術(shù)方案的重點(diǎn)配置與優(yōu)化

2.1 本地費(fèi)控預(yù)付費(fèi)功能的重點(diǎn)配置與優(yōu)化 通過(guò)本地費(fèi)控（IC卡或射頻卡）實(shí)現(xiàn)離散式本地費(fèi)控預(yù)付費(fèi)及遠(yuǎn)程數(shù)傳功能的電能表原理如圖1所示。該類多功能或智能電能表應(yīng)集電能計(jì)量、分時(shí)多費(fèi)率控制、階梯多費(fèi)率控制、預(yù)付費(fèi)控制、負(fù)荷監(jiān)測(cè)、報(bào)警、顯示、凍結(jié)、RS485通訊、紅外通訊、載波通訊、IC卡數(shù)據(jù)讀寫等功能集于一身，實(shí)現(xiàn)客戶用電量和用電信息采集存儲(chǔ)。

在本地實(shí)現(xiàn)費(fèi)控功能的電能表就是本地費(fèi)控電能表。它不僅能夠支持各種固態(tài)介質(zhì)進(jìn)行充值及參數(shù)設(shè)置，比如CPU卡、射頻卡等，還可以支持虛擬介質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程充值、參數(shù)設(shè)置和控制功能。

在電能表內(nèi)部進(jìn)行電費(fèi)實(shí)時(shí)結(jié)算是本地費(fèi)控電能表的主要功能，其設(shè)置如下：

①如果設(shè)定的報(bào)警金額大于剩余金額，電能表會(huì)以各種方式提醒用戶，比如聲、光等；實(shí)時(shí)記錄透支金額，一旦透支金額小于設(shè)定的透支門限金額時(shí)，電能表就可以發(fā)出斷電信號(hào)，并控制負(fù)荷開(kāi)關(guān)斷電；同時(shí)如果電能表接收到相關(guān)的已續(xù)費(fèi)通知后，就會(huì)首先把透支的金額扣除掉，只有在設(shè)定值低于剩余金額時(shí)，電能表才能被允許處于合閘狀態(tài)，并能夠通過(guò)遠(yuǎn)程或本地方式對(duì)電能表進(jìn)行指令合閘操作。②電能表有一個(gè)被允許的最大儲(chǔ)值金額，剩余金額不能超過(guò)它。③電能表的剩余金額可以和預(yù)存電費(fèi)金額進(jìn)行準(zhǔn)確的疊加，還可以把相關(guān)的信息記錄在各種固態(tài)介質(zhì)上，比如CPU卡、射頻卡等。④任何非指定介質(zhì)的信息電能表都是拒絕的，一旦有人進(jìn)行不正常操作，電能表自身具有一定的防護(hù)功能，自行停止工作，直到操作恢復(fù)正常以后，電能表就可以正常運(yùn)行并且不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。⑤相應(yīng)的讀寫操作會(huì)在購(gòu)電卡插入電能表3秒后完成。⑥必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的密碼驗(yàn)證及安全認(rèn)證才能通過(guò)固態(tài)介質(zhì)對(duì)電能表進(jìn)行各項(xiàng)操作，比如參數(shù)設(shè)置、電價(jià)費(fèi)率、預(yù)存電費(fèi)、ESAM數(shù)據(jù)抄讀信息返寫、下發(fā)遠(yuǎn)程控制命令等，此外，為了使電能表在一個(gè)允許編程的狀態(tài)下運(yùn)行，除了用戶購(gòu)電信息，在設(shè)置其他一些用電參數(shù)時(shí)必須通過(guò)編程鍵和編程密碼驗(yàn)證。⑦在設(shè)置電能表內(nèi)的各項(xiàng)用電參數(shù)時(shí)，除了通過(guò)固態(tài)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，也可以在保證安全的前提下利用虛擬介質(zhì)實(shí)現(xiàn)。⑧安全認(rèn)證加密要求：為了保證數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，在通過(guò)固態(tài)介質(zhì)設(shè)置電能表內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，比如預(yù)存電費(fèi)、電價(jià)費(fèi)率、信息返寫、下發(fā)遠(yuǎn)程控制命令等，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的密碼驗(yàn)證或ESAM模塊等安全認(rèn)證。同時(shí)ESAM模塊的加密算法必須依照國(guó)家的相關(guān)規(guī)定使用SM1算法。

并且，以上功能配置均應(yīng)滿足《GDW 1364-2013單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》[2]。

2.2 多費(fèi)率及階梯電價(jià)計(jì)算選擇功能的配置與優(yōu)化

具有該功能的智能型電能表，應(yīng)以MCU+計(jì)量芯片技術(shù)為基礎(chǔ)，采用當(dāng)今世界最新集成電路技術(shù)，并滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家電網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GDW 1364-2013單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》、Q/GDW354-2009《智能電能表功能規(guī)范》、Q/GDW365-2009《智能電能表信息交換安全認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》等制造標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)性能方面應(yīng)具備如下功能要求：

①應(yīng)具有兩套以上的電價(jià)方案，可在約定的時(shí)刻或達(dá)到約定的用電量水平時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換；②應(yīng)支持通過(guò)授權(quán)的CPU IC卡或射頻卡修改階梯電價(jià)方案；③應(yīng)支持遠(yuǎn)程通訊數(shù)傳方式通過(guò)授權(quán)的存在指令修改階梯電價(jià)方案；④具有兩套以上的電價(jià)方案，可在約定的時(shí)刻或達(dá)到約定的用電量水平時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.3 遠(yuǎn)程數(shù)傳通訊功能的配置與優(yōu)化 遠(yuǎn)程數(shù)傳通訊功能的配置應(yīng)符合DL/T645-2007《多功能電能表通訊協(xié)議》[6]要求及《GDW 1364-2013單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》要求， 其配置的通訊接口及其設(shè)置應(yīng)滿足如下要求：

①紅外通訊接口、RS485接口、載波通訊接口、本地固態(tài)介質(zhì)（CPU卡、射頻卡等）接口，紅外通訊、RS485、載波通訊接口的物理層相互間獨(dú)立，一個(gè)通訊接口損壞后不影響其它接口的正常運(yùn)行。②通訊接口和電能表內(nèi)部電路實(shí)行光電隔離，有失效保護(hù)電路。③電能表與載波通訊模塊之間的通訊遵循DL/T645-2007協(xié)議及其備案文件，采用外部即插即用型的載波模塊，載波通訊接口有失效保護(hù)電路，即在未接入、接入或更換通訊模塊時(shí)，不會(huì)對(duì)電能表自身的性能、運(yùn)行參數(shù)以及正常計(jì)量造成影響，在載波通訊時(shí)，電能表的計(jì)量性能、存儲(chǔ)的計(jì)量數(shù)據(jù)和參數(shù)不受到影響。

通過(guò)低壓電力線載波通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)傳功的原理示意圖如圖2所示。

從這種數(shù)據(jù)通訊數(shù)傳方式可以看出：在一個(gè)小區(qū)內(nèi)從電能表到集中控制器（通訊機(jī)）之間是低壓電力線載波通訊，從集中控制器（通訊機(jī)）到電力結(jié)算中心之間是用公用電話網(wǎng)或通信光纜進(jìn)行連接。采用這種通訊連接方式安裝非常的簡(jiǎn)單，由于沒(méi)有任何多余的連線，網(wǎng)絡(luò)連接接點(diǎn)大大的減少了，進(jìn)而各網(wǎng)絡(luò)線路之間的連接的接點(diǎn)故障率也就不會(huì)很高了，有效的彌補(bǔ)了其他多連接點(diǎn)連接方式的弊端，同時(shí)如果把一個(gè)可控開(kāi)關(guān)安裝在電能表內(nèi)，電能表還可以對(duì)用戶的用電情況進(jìn)行遠(yuǎn)程在線檢測(cè)機(jī)控制等。

2.4 負(fù)荷監(jiān)測(cè)與控制功能的配置與優(yōu)化 安裝使用大量多功能或智能型電能表以后，可以利用其自身具有的通訊接口組建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊數(shù)傳系統(tǒng)，從而可以構(gòu)建出對(duì)用戶用電情況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制，這樣便利了供電企業(yè)實(shí)施對(duì)用戶負(fù)荷的監(jiān)測(cè)及控制，便于對(duì)用戶用電情況進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計(jì)。其電能表的負(fù)荷監(jiān)測(cè)與控制功能的配置應(yīng)符合如下優(yōu)化設(shè)置要求：

①電能表的數(shù)字面板上應(yīng)有：電流、電壓、有功功率（負(fù)荷）指示、需量指示、跳閘指示、合閘指示、報(bào)警指示等數(shù)字及狀態(tài)指示信號(hào)設(shè)置。

②電能表有可輸出脈沖或電平開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制外部報(bào)警裝置或外部負(fù)荷開(kāi)關(guān)，負(fù)荷開(kāi)關(guān)可采用兩種方式，分別是內(nèi)置和外置，當(dāng)采用內(nèi)置負(fù)荷開(kāi)關(guān)時(shí)，電能表在開(kāi)關(guān)操作時(shí)具有消弧措施，它的出口回路在操作異常時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)，同時(shí)還能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。當(dāng)采用外置負(fù)荷開(kāi)關(guān)時(shí)，電能表設(shè)計(jì)有一組開(kāi)關(guān)信號(hào)，正常工作時(shí)，輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)維持負(fù)荷開(kāi)關(guān)合閘，允許用戶用電；當(dāng)滿足控制條件時(shí)，輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)外置負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作，中斷供電。

③當(dāng)電能表停電后，可通過(guò)按鍵喚醒電能表，電能表被喚醒以后如沒(méi)有按鍵操作，自動(dòng)循環(huán)顯示一遍后返回掉電狀態(tài)，若有按鍵操作則按鍵操作30秒后返回掉電狀態(tài)。當(dāng)外部交流電源斷電后，電能表由內(nèi)部電池供電保持不間斷工作，同時(shí)電表為降低電池功耗，自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)外部交流電源恢復(fù)供電時(shí)，電表推出休眠狀態(tài)，休眠狀態(tài)下可喚醒。

3 結(jié)論

首先通過(guò)對(duì)實(shí)施階梯電價(jià)技術(shù)方案的探討，對(duì)比升級(jí)電力營(yíng)銷系統(tǒng)軟件、遠(yuǎn)程數(shù)傳通信售電、更換智能電表四種方案，指出了更新智能電表為最適合供電企業(yè)的方案。然后從本地費(fèi)控預(yù)付費(fèi)功能、多費(fèi)率及階梯電價(jià)計(jì)算選擇功能、遠(yuǎn)程數(shù)傳通信功能、負(fù)荷監(jiān)控和控制功能四個(gè)方面， 討論了電能表技術(shù)方案的重點(diǎn)配置和優(yōu)化，得出了現(xiàn)階段符合供電企業(yè)實(shí)施階梯電價(jià)所需要的較理想技術(shù)要求的多功能或智能型電能表的技術(shù)方案，從而可以為供電企業(yè)在實(shí)施階梯電價(jià)過(guò)程中，對(duì)電能表的性能選型提供一個(gè)較佳的選型方法，同時(shí)也可以給電能表生產(chǎn)廠家提供一個(gè)供電企業(yè)迫切需求的電能表技術(shù)方案目標(biāo)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)新的國(guó)家電網(wǎng)《GDW 1364-2013單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》。

該技術(shù)方案克服了以前普通電能表及普通預(yù)付費(fèi)電能表所固有的缺點(diǎn)，有利于提高本地費(fèi)控網(wǎng)絡(luò)化的付費(fèi)率、簡(jiǎn)化預(yù)付費(fèi)階梯電價(jià)計(jì)算以及提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和科學(xué)性，不但能夠在表內(nèi)實(shí)時(shí)實(shí)地計(jì)算用戶的階梯電價(jià)電費(fèi)并予以實(shí)時(shí)抵扣，而且還能夠利用表內(nèi)的電力線載波功能或485接口通訊功能對(duì)用戶進(jìn)行在線檢測(cè)、遠(yuǎn)方抄表與在線分析等工作，大大方便電力部門及時(shí)掌握用戶的用電情況，隨時(shí)可對(duì)用戶的用電負(fù)荷、用電量等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管理，給電力部門的負(fù)荷管理、線損管理等工作會(huì)帶來(lái)許多便利。

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