全球化趨勢加速智能電表技術(shù)突破

王瑩　王金旺

摘要：隨著“中國制造”的影響力不斷提升。無論是加工工藝還是生產(chǎn)成本。中國市場成了全球智能電表競爭、生產(chǎn)的第一戰(zhàn)場。相當一部分國內(nèi)頂尖表廠紛紛走出國門。商業(yè)的全球化勢必也會帶來技術(shù)的統(tǒng)一。同時也進一步推動著電表技術(shù)的不斷進步和突破。

關(guān)鍵詞：全球化；電表；監(jiān)測評估

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.005智能電表市場發(fā)展

從國內(nèi)市場來看，過去幾年在國網(wǎng)對于智能電表與用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的推動下，國內(nèi)智能電表市場需求量不斷走高，并于2015年達到峰值。而隨著該項目逐漸進入收尾階段，全國智能電表的總需求量將迎來低谷，預計到2017年年底，用電信息采集系統(tǒng)將實現(xiàn)全覆蓋，屆時全國智能電表的市場供過于求的現(xiàn)象將愈發(fā)明顯。

但是，國際法制計量組織頒布的電能表國際建議IR46新的修訂工作正在進行，該項工作將對我國智能電表產(chǎn)品的未來發(fā)展路線產(chǎn)生較大影響，再加上我國早期上網(wǎng)運行的智能電表將迎來分批次的產(chǎn)品更新?lián)Q代，201 8年之后我國智能電表市場將有望迎來回曖，而新一代智能電表在智能化、模塊化等方面的不斷升級，也將進一步推動產(chǎn)品更新的進程。

技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著國網(wǎng)對于“雙芯”智能電表需求的進一步加大，新一代國網(wǎng)表在法制計量功能與非計量功能上要保持相互獨立，其中計量芯需要通過法治認證，保證在非計量功能和其他系統(tǒng)軟件升級、故障等情況下能夠獨立運行，并確保不影響計量準確度、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可追溯。而雙芯將直接通過spi接口進行數(shù)據(jù)交換，利用表內(nèi)搭載的可升級管理芯，幫助政府、用電企業(yè)、節(jié)能公司、平臺運營商、售電公司等行業(yè)組成部分獲取優(yōu)質(zhì)用電數(shù)據(jù)，解決智能電表在實際使用過程中的問題，并推進我國電能使用的進一步優(yōu)化管理。

相關(guān)公司的發(fā)展

在國內(nèi)電表公司中，杭州海興電力科技股份有限公司在2016年呈現(xiàn)黑馬之勢。該公司在2016年國網(wǎng)第二輪電表采購招標中以13219.7461萬元的中標金額力壓威勝集團、林祥能源、華立科技等知名企業(yè)位列第二名，僅次于寧波三星醫(yī)療電氣股份有限公司。相較2015年排名第十七位，公司于2016年首次招標中躍居第五位，本次招標更是高居第二位，進步幅度驚人，與此同時，該公司于2016年11月正式掛牌上市上海證券交易所A股主板，主動借力資本市場，募集資金總額超過20億元。資本市場與下游需求的雙向助力，將使海興電力在市場整體疲軟的大背景下保持較為良好的發(fā)展勢頭。

全球化趨勢加速智能電表技術(shù)發(fā)展

電能表是用來測量電能的儀表，又稱電度表，指測量各種電學量的儀表。近10年來，中國本土的智能電表進行了大規(guī)模的安裝，這十年也是質(zhì)量提高、技術(shù)積累、不斷創(chuàng)新的十年。

但不得不提的是隨著“中國制造”的影響力不斷提升，無論是加工工藝，還是生產(chǎn)成本，中國市場成了全球智能電表競爭、生產(chǎn)的第一戰(zhàn)場，相當一部分國內(nèi)頂尖表廠紛紛走出國門。

商業(yè)的全球化勢必也會帶來技術(shù)的統(tǒng)一。在未來的10年里，智能電表技術(shù)可能會朝著以下幾個主要方面發(fā)展：

1.高集成度的芯片，通常我們所說的電能計量SoC（片上系統(tǒng)）如果既能降低成本，又使設(shè)計簡潔，就是一個很好的平臺。它集成了豐富的外設(shè)，比如高精度實時時鐘、高精度功率計量、優(yōu)化的電源管理模塊等；

2.多通道通訊，通訊是電表“智能”的保障，各種數(shù)據(jù)交換、購電、抄表都依賴于通訊，只有滿足且支持多路通訊，才能使電能表處在一個穩(wěn)定、高效的工作狀態(tài)；

3.越來越高的數(shù)據(jù)處理能力，但要求越來越低的能耗，綠色環(huán)保是永恒的追求；

4.更好的人機互動，隨著網(wǎng)絡(luò)時代的來臨，尤其是物聯(lián)網(wǎng)的到來，我們相信電表將從傳統(tǒng)的被動電能計量裝置轉(zhuǎn)變?yōu)槟芨鄥⑴c用電控制的家庭網(wǎng)關(guān)：

5.全球化的趨勢，針對各個地區(qū)的不同環(huán)境，智能電表在負載特性、絕緣要求、機械特性、使用環(huán)境、氣候等方面設(shè)計及測試也要進行重新考慮。

智能電表作為瑞薩全球的重點應用，目前推出了一款高集成度的電能計量SoC——RL78/I1，其具備以下特點：

1.基于DSAD技術(shù)的4通道計量；

2.高精度帶溫補的RTC；

3.優(yōu)秀的電源管理模塊，備有三套獨立的供電系統(tǒng)：VCC、VBAT和VRTC；

4.支持極度苛刻的EMC要求：

5.可實現(xiàn)三相電能計量功能；

6.系列化的產(chǎn)品，從64-100pin，64-256K滿足客戶的選型需求。

解決智能電表的實時監(jiān)測評估問題

智能電表實時監(jiān)測評估

隨著智能電表在全球范圍內(nèi)日益廣泛的應用，越來越多的智能電表將會在現(xiàn)場安裝運行。在現(xiàn)有的智能電表架構(gòu)下，由于技術(shù)上缺乏對由器件參數(shù)變化、環(huán)境變化、人為篡改等各種原因造成的誤差性能變化進行實時監(jiān)測的有效手段，因而只能依靠在電能表日常運維方式上采用抽檢、輪換等方式來確保電能表的現(xiàn)場性能。一方面，電能表的抽檢涉及到安裝、拆除、檢測等多個環(huán)節(jié)，造成了大量的管理維護成本，且覆蓋面有限、實施周期長；另一方面，電能表的定期輪換策略無法針對電能表當前的實際性能進行區(qū)別對待，既增加了資產(chǎn)成本，又造成了一定程度的資源浪費。因此，如何從技術(shù)上對智能電表在全生命周期內(nèi)的性能進行實時監(jiān)測評估，從而為智能電表的生產(chǎn)、安裝、運行、維護等各個環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐和指導意見，成為電能表行業(yè)普遍關(guān)注的問題之一。

CT作為最為常用的電流傳感器類型之一，由于具備線性度好、功耗低、隔離等優(yōu)點，在電能表，特別是三相表中被廣泛采用。但隨著現(xiàn)場使用環(huán)境及負載類型的日益復雜，特別是外部強磁干擾、直流分量、沖擊負荷等影響的存在，對電能表的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)，因此尋找特定情況下更為適合的電流傳感器替代方案也成為業(yè)內(nèi)廠家共同探索的焦點。

ADE9153系列計量芯片

ADI公司新近推出了基于mSure^TM專利技術(shù)的電能計量芯片ADE9153系列，旨在解決電能表現(xiàn)場運行時的實時誤差監(jiān)測功能。在不影響計量性能的前提下，芯片內(nèi)置的誤差監(jiān)測功能模塊可以對整表的誤差參數(shù)進行實時監(jiān)測。結(jié)合智能電表已有的通信功能，誤差數(shù)據(jù)可以主動上報（通信協(xié)議支持的情況下）或者定期查詢，主站系統(tǒng)可以基于單表數(shù)據(jù)或者海量電表誤差數(shù)據(jù)進行進一步地分析和診斷。

與此同時，ADI結(jié)合專利的磁隔離iCoupler和isoPower技術(shù)，提供了多種用于替代電流互感器的三相電能表方案，其中包括已經(jīng)批量生產(chǎn)的ADE7978+ADE7932系列產(chǎn)品及正在研發(fā)中的后續(xù)產(chǎn)品。

國家電網(wǎng)第三階段智能電表的相關(guān)技術(shù)完善

國家電網(wǎng)從2009年開始建設(shè)“統(tǒng)一智能堅強”電網(wǎng)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了規(guī)劃試點的第一階段和全面建設(shè)的第二階段，通過技術(shù)規(guī)范的指定、試點和特高壓，配電網(wǎng)的建設(shè)初步形成了智能電網(wǎng)的運行控制和互動系統(tǒng)。2016-2020年屬于引領(lǐng)提升的第三階段，此時需要完善電網(wǎng)的資源配置能力、安全水平和運行效率，并進一步提高電網(wǎng)和能源與用戶之間的互動以實現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、自動化和互動化。

智能電表作為其主要基礎(chǔ)設(shè)備，將在以下三方面有重大變化。首先，針對目前現(xiàn)場運行電表中存在的時鐘及運行異常問題，將當前單相智能電表更改為電池可更換智能電表：其次，將通信協(xié)議從DL/T 645改為DL/T 698，以提高通訊效率和數(shù)據(jù)擴展性；最后，智能電表為對應國際法制計量組織的IR46標準將會把計量模塊和其他模塊分開。

ROHM的智能電表相關(guān)應用

目前以藍碧石半導體（LAPIS Semiconductor，ROHM集團旗下公司）專利產(chǎn)品晶振內(nèi)置的ML610Q496為主控芯片，配上周邊的LCD驅(qū)動BU9792、電源的BU9677、EEPROM及二三極管等分立器件的方案取得了南方電網(wǎng)60%，國家電網(wǎng)30%份額的不俗表現(xiàn)。ML610Q496以其高精度高可靠性和易用性減輕了客戶開發(fā)和生產(chǎn)補償時間在客戶端以及現(xiàn)場運行端均表現(xiàn)出色，獲得了客戶一致好評。

面對單相三相以及海外不同的市場需求，藍碧石半導體繼承晶振內(nèi)置特色技術(shù)上，加入了電源分離功能，升級了內(nèi)核，變成了全新的ML630Q8xx系列。全系列采用Codex-M0+內(nèi)核，F(xiàn)ALSH從2S6K到512K，RAM從24K到64K可選，可實現(xiàn)RTC獨立供電，且系統(tǒng)能夠直接進行硬件補償，無需軟件干預，大大減輕了客戶系統(tǒng)設(shè)計時的負擔，同一內(nèi)核產(chǎn)品線也方便客戶在不同項目之間進行移植。另外，考慮到國內(nèi)電表廠商在幾輪整合下綜合實力不斷提升后也逐步加快了海外市場的開拓，因此，在新系列當中也增加了GCM-AES加密功能。

周邊器件方面，LCD驅(qū)動BU9792最高時占有市場70%以上份額，目前的COG方案也已實現(xiàn)量產(chǎn)并進入到客戶評估階段。

今后IR46需要點陣的話ROHM集團也有充分的技術(shù)儲備來及時對應。小無線通信方面，藍碧石半導體也在積極開發(fā)適合中國市場的產(chǎn)品。

ROHM集團還對整個生產(chǎn)線進行了升級，產(chǎn)能大大進行了提升，今后也將持續(xù)穩(wěn)定地為客戶提供高品質(zhì)的產(chǎn)品。

智能電表要求高性能、高集成度

智能電表技術(shù)趨勢

智能電表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，正在全球范圍內(nèi)大量部署。一方面，高級表計架構(gòu)（AMI）、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、新能源等對智能電表提出越來越復雜的功能和安全性需求；另一方面，巨量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對部署及運維成本、質(zhì)量提出了挑戰(zhàn)。

ST智能電網(wǎng)項目市場應用經(jīng)理李曉先稱，我們認為技術(shù)發(fā)展趨勢大致有：

1.高性能的載波、無線通信技術(shù)：電表需要高速度、高可靠性網(wǎng)絡(luò)來支撐智能業(yè)務(wù)及系統(tǒng)自維護性需求，同時需要標準化、全面互操作性降低部署成本。以G3、PRIME、Meters&More為代表的電力線載波（PLC）國際標準，經(jīng)過長期發(fā)展和批量使用，正被全球市場越來越多地采用。

2.資源豐富的能源管理平臺：智能電表將實現(xiàn)更復雜的能源管理協(xié)議，具備更多可靠性、自維護性功能，并在未來適應光伏并網(wǎng)、汽車充電、智能家庭等更多應用場景。這需要電表平臺既具有強大的計算/存儲能力，又具備廣泛的開發(fā)資源支持。

3.高集成度、SoC化：組件方面將更傾向SoC技術(shù)滿足功能和成本的要求，減少BOM數(shù)量，提升產(chǎn)品質(zhì)量。相應的產(chǎn)品可以更緊湊簡潔，降低安裝成本和復雜度。

ST智能電表芯片及平臺

ST為智能電表提供從工程師熟悉的STM32/STM8系列微控制器、ST7Sxx系列載波調(diào)制解調(diào)器、SPIRIT1無線調(diào)制解調(diào)器、STPM系列計量芯片、VIPER/Altair系列電源管理器、EEPROM存儲器，到時鐘管理、接口驅(qū)動、系統(tǒng)保護、數(shù)據(jù)安全等全系列芯片支持。其中，在電力線通信方面，其ST7Sxx電力線Modem在單芯片上完成全部高性能調(diào)制解調(diào)、網(wǎng)絡(luò)管理和功率驅(qū)動，被大量使用在全球智能電表及光伏、路燈等工業(yè)場景。針對市場對性能、成本與可靠性的要求，sT推出高集成度的STCOMET SoC平臺，單片包含Cortex-M4內(nèi)核、多協(xié)議全功能PLC調(diào)制解調(diào)，1：5000范圍內(nèi)誤差小于0.1%的多通道計量，以及豐富的引腳、外設(shè)和加密硬件。其強大的軟調(diào)制使廠商可以在同一電表硬件上切換不同的通信協(xié)議類型與版本。STCOMET支持全部主流國際載波標準，為多市場、多類型智能電表提供單一解決方案。ST同時提供只包含載波部分的STCOM芯片，支持不同開發(fā)模式及應用場景。

智能電表的體系化、模塊化和一體化

智能電能表的產(chǎn)業(yè)體系化

智能電網(wǎng)已經(jīng)成為當今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動力。智能電能表作為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，加快其發(fā)展對于電網(wǎng)實現(xiàn)信息化、自動化、互動化具有重要支撐作用。智能電能表結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計，智能電能表的專業(yè)化制造，智能電能表產(chǎn)業(yè)化的推廣，智能電能表的售后維護，新技術(shù)的開發(fā)等，這些生產(chǎn)環(huán)節(jié)必須要進行合理化的管理，要結(jié)合其他產(chǎn)業(yè)的相關(guān)經(jīng)驗進行經(jīng)營管理。

智能電能表的功能模塊化

當前電能表方案普遍采用功能一體化設(shè)計。電能表計量模塊的性能容易受到其他部分軟硬件設(shè)計的影響；而其他功能的損壞或失效容易累及電能表的計量部分。因此，電能表一旦出現(xiàn)故障，只能進行整表更換，以保障電力計量工作的順利進行。這勢必增加了智能電能表的維護成本，也造成了嚴重的資源浪費。如果實現(xiàn)智能電能表的模塊化設(shè)計，就可以根據(jù)故障點，只對相應的故障模塊進行更換。這將大大降低地市電力公司的日常維護成本。

為了防止電能表程序遭到篡改，保證電能表計量功能的安全可靠，國家電網(wǎng)公司不允許電能表進行軟件的在線升級。隨著智能電能表在我國的全面鋪開，很多問題和需求涌現(xiàn)出來。為了解決舊問題，滿足新需求，國網(wǎng)公司只能通過修改標準的方式進行重新招標。各地市公司只能將所有已鋪設(shè)的電能表進行拆除，更換成新的電能表。這種更新?lián)Q代方式不但周期長、成本高，還造成了大量的資源浪費，給國網(wǎng)公司帶來了極大的成本壓力和施工壓力。如果實現(xiàn)智能電能表的模塊化設(shè)計，就可以將電能表的計量部分和非計量部分設(shè)計成獨立的功能模塊。對非計量部分的功能模塊進行軟硬件的升級，并不會對核心的計量部分造成影響。這不僅保證了電能表計量功能的安全可靠，還滿足了居民用電過程中不斷變化的功能需求。

智能電能表的接口一體化

電能表從老式的機械表到智能電能表演變過程涵蓋了電能表接口一體化的過程。目前智能電能表僅國家電網(wǎng)范圍內(nèi)每年招標六千萬只左右，數(shù)目是龐大的，涉及上百家表廠、芯片提供商、端口提供商，從研發(fā)設(shè)計到生產(chǎn)調(diào)試，再到現(xiàn)場安裝使用，如果沒有統(tǒng)一的標準將耗費巨大物力和人力，對于電力公司將增加巨大檢測成本，管理成本。對電力用戶來說種類繁多的接口也勢必影響使用體驗度和應用安全性。具有一體化接口的智能電能表實現(xiàn)了研發(fā)設(shè)計的標準化、生產(chǎn)檢定的自動化、庫房管理的標準化、實施安裝的統(tǒng)一化、抄讀付費的信息化。另外隨著水、電、氣、熱四表集抄方案的推進，及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，接口一體化的智能電能表是適應信息時代的產(chǎn)物，符合智能硬件的智能化和信息化的特點，符合萬物互聯(lián)的市場需求。

智芯微電子助力電力芯片國產(chǎn)化

北京智芯微電子科技有限公司定位于以芯片技術(shù)為核心支撐的整體解決方案提供商，主導電力專用芯片設(shè)計，重點支撐智能電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度等各個環(huán)節(jié)，穩(wěn)步拓展環(huán)保排污、軌道交通、石油石化、汽車電子、鋼鐵冶金等工業(yè)領(lǐng)域應用需求；通過開展技術(shù)創(chuàng)新、應用創(chuàng)新、人才團隊建設(shè)，有力推動了電力芯片國產(chǎn)化進程。

滿足智能電表高要求的電表雙模通信方案

雙模通信方案將得以應用

東軟載波的資料顯示，國內(nèi)的智能電網(wǎng)建設(shè)已邁入了第7個年頭，國網(wǎng)公司的“全覆蓋、全采集、全費控”的建設(shè)目標正在逐步實現(xiàn)，同時國網(wǎng)公司還在積極推進雙向互動、四表（水電氣熱）合一等新業(yè)務(wù)的應用，這也促進了集抄通信技術(shù)的進一步發(fā)展和更新?lián)Q代，因為傳統(tǒng)的電力線窄帶載波通信技術(shù)雖然能滿足一般電量采集的功能要求，但是在遠程費控、多表合一采集等方面，由于其對通訊實時性和大數(shù)據(jù)量采集的功能要求較高，因而顯得有點力不從心。所以近幾年雙模通信方案、寬帶載波通信方案得到了越來越多的應用。

國外智能電網(wǎng)建設(shè)進展不盡相同，大部分國家仍處在機械表向智能表改造這一階段。國內(nèi)電表及方案廠家在我國智能電網(wǎng)改造中積累了大量經(jīng)驗，也有很多成熟先進的產(chǎn)品，這是我們走出去的機會。

目前低壓集抄的通信方案仍以電力線窄帶載波為主，載波通信效果受電網(wǎng)環(huán)境影響較大，不同國家在電網(wǎng)建設(shè)、電器設(shè)備的接入和使用等有較大差異，從而導致了電網(wǎng)環(huán)境的千差萬別。對于電網(wǎng)環(huán)境中電力線噪聲大、信號衰減嚴重等情況，單一的窄帶低速載波難以解決問題，通信效果難以達到應用要求，使得現(xiàn)場維護工作難度大大增加。針對這一問題，東軟載波推出了載波和無線技術(shù)結(jié)合的雙通道通信方案，解決了載波衰減、信號孤島等單一載波方案難以解決的問題，真正做到了免現(xiàn)場維護。

東軟載波相關(guān)技術(shù)

東軟載波有國內(nèi)完整的先進產(chǎn)品線，有窄帶低速載波、窄帶高速載波、微功率無線、雙模、寬帶載波等各種通信方案，可以針對不同客戶不同的應用需求提供完善的解決方案。包括窄帶低速1643系統(tǒng)、窄帶高速1653系統(tǒng)、微功率無線1645系統(tǒng)、雙通道53-61系統(tǒng)及寬帶低速1663系統(tǒng)等。其中，寬帶低速1663系統(tǒng)采用寬帶低速載波芯片SSC1663，OFDM調(diào)制方式，頻率范圍為1.95～11.96MHz，通信速率為100～25Mbps。

SSC1663芯片突破性應用

2017年春晚上的哈爾濱分會場冰雪燈光照明系統(tǒng)中選擇了電力線載波控制技術(shù)，也同時使用了SSC1663芯片的控制模塊。春晚的冰雪舞臺也是首次突破了緯度高、氣溫低、需耐受零下40℃應用環(huán)境的“高寒禁區(qū)”，單一主題公園領(lǐng)域燈具控制數(shù)量最多的世界紀錄，僅燈具數(shù)量就達到3萬余盞，而燈具種類更是高達上百種。