新一代智能電能表的發(fā)展探討

劉明杰，周林，苗長勝，吳維德，向景睿

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031；2.國網(wǎng)四川省電力公司計量中心，成都610041）

0 引 言

電能作為當(dāng)前社會最重要的能源之一，關(guān)系到各個行業(yè)的正常運作，電能的使用情況往往可以從側(cè)面反映出一個國家的工業(yè)體系和經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r。智能電能表是采集系統(tǒng)中最基礎(chǔ)也是最重要的組成部分，它的推廣和應(yīng)用可有效防范電費拖欠，降低公司的電費風(fēng)險，相關(guān)部門可通過規(guī)范其標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件，明確采集終端和系統(tǒng)主站建設(shè)方向，從而促進電能計量行業(yè)技術(shù)水平的提高，帶動電力設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展［1］。

文章對我國近五年來工業(yè)用電和居民用電現(xiàn)狀進行分析，結(jié)合智能電能表在四川省投入使用情況，總結(jié)智能電能表現(xiàn)有問題以及相關(guān)新技術(shù)，通過對當(dāng)前數(shù)據(jù)的分析，對未來即將推出的新一代智能電能表的發(fā)展進行探討并提出相應(yīng)的檢測、整改意見。

1 我國電能使用現(xiàn)狀分析

近十年來，我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)取得迅猛發(fā)展，原有各個產(chǎn)業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步前進，沿海經(jīng)濟發(fā)達城市和內(nèi)陸“新一線”城市等對電量的需求日趨增大。此外，由于居民用電在每年各個季度均有較大差異，特別是冬夏兩季，是大功率家用電器的用電高峰期。因此，本文將分別對不同年份相同季度全國工業(yè)和居民用電總量進行比較，從而可以更加直觀地觀察各個時期用電量的增長率。

從表1數(shù)據(jù)可知，全國工業(yè)用電大多數(shù)處于穩(wěn)定上升態(tài)勢，但由于國家相繼出臺一系列節(jié)能減排政策，對高污染、高耗能企業(yè)進行嚴(yán)格把關(guān)，導(dǎo)致部分季度全國工業(yè)用電總量的增長率呈現(xiàn)負(fù)值。表2數(shù)據(jù)屬于居民用電，主要體現(xiàn)在家用電器的使用上，居民用電受當(dāng)年氣候影響較大，特別是冬夏兩季，由于每年的溫度不同，家用電器的使用情況也會發(fā)生較大變化，因此這兩個季度的數(shù)據(jù)波動較大，但整體仍處于上升趨勢。由此可見，現(xiàn)代社會對電能的依賴程度越來越高，特別是電動汽車充電樁等一系列清潔能源設(shè)備的使用，必將導(dǎo)致社會對電能的依賴程度進一步增大，而作為電能計量工具的智能電能表在其中將起到至關(guān)重要的作用。

表1 2012年至2016年各季度中國工業(yè)用電總量Tab.1 Total industrial electricity consumption in China of each quarter during 2012-2016

表2 2014年至2016年各季度全國居民用電總量Tab.2 Total residential electricity consumption in China of each quarter during 2012-2016

2 智能電能表發(fā)展歷程及使用現(xiàn)狀

2.1 電能表的發(fā)展歷程

國家電網(wǎng)公司提出，統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)建設(shè)將分三步走：2009年至2010年為全面建設(shè)階段，重點開展規(guī)劃工作，完成標(biāo)準(zhǔn)制定；2011年至2015年為全面建設(shè)階段，加快特高壓電網(wǎng)和配電網(wǎng)建設(shè)，各項體系初步形成；2016年至2020年為引領(lǐng)提升階段，全面建成統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)［2］。

2009年9月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布并開始在公司系統(tǒng)內(nèi)實施智能電能表系列標(biāo)準(zhǔn)，同年12月開始首次規(guī)?；姓袠?biāo)［3］，這標(biāo)志著智能電能表時代的到來，它將逐步取代原有的多功能電能表，廣泛投入使用。不同于傳統(tǒng)電能表，智能電能表不再是一個終端產(chǎn)品，它是連接用電用戶和配電中心的一個中間環(huán)節(jié)，將用電信息以及配電信息及時告知給用配電雙方，達到資源利用效率的最大化［4］。兩者相同點在于都包含測量單元和數(shù)據(jù)處理單元，但后者比前者增加了通信單元，能夠?qū)?shù)據(jù)通過采集終端實時傳遞給主站，為建設(shè)更加堅強的智能電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)，滿足國家對電力的調(diào)控、公司對電能的監(jiān)控以及用戶對電價的掌控需要。

2.2 智能電能表在四川使用情況

自2009年至今，國網(wǎng)公司一共出臺過兩版智能電能表技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)有智能電能表主要分為2009版和2013版兩個版本。以四川省為例，目前四川省已經(jīng)收到來自全國52個儀表廠家287個批次合計25 226 762只智能電能表，至2016年9月底已有22 272 190只智能電能表投入使用。圖1展示了近四年來四川省智能電能表的投入使用量的變化趨勢。

圖1 四川省智能電能表投入使用量Fig.1 Input usage of smart meter in Sichuan province

從圖1可以看出，近四年來，智能電能表在四川省的使用量一直呈遞增趨勢。2016年三季度智能電能表的投入使用量是2013年一季度的近20倍。相較于往期人工抄表的方式，智能電能表通過自動上傳相關(guān)電能數(shù)據(jù)，有效提高工作效率，人工成本投入將大大降低。

四川省因其特有的自然環(huán)境而導(dǎo)致電力設(shè)施受損主要原因可分為兩大類。第一是長期危害，由于四川地處西南地區(qū)，大部分面積均位于四川盆地腹地，與同緯度地區(qū)相比，年平均氣溫明顯偏高，封閉的盆地，四周山區(qū)東南部相對較低有利于水汽進入，西北部山區(qū)相對較高不利于水汽散失，導(dǎo)致空氣濕度高，多陰雨天氣，多霧，它是我國年日照時間最少的地區(qū)之一，以上各種地理氣候因素導(dǎo)致同種智能電能表在四川地區(qū)故障率偏高，需要對外部環(huán)境干擾有更強的防御能力。第二是突發(fā)災(zāi)害，四川正處于鮮水河地震帶、安寧河-則木河地震帶等多個地震帶（區(qū)）上，受自然災(zāi)害而導(dǎo)致的智能電能表損壞的情況具有不確定性，夏季雨水豐沛，山區(qū)容易發(fā)生洪水、泥石流等次生災(zāi)害，同樣會對智能電能表造成極大損害［5］。因此，對于新一代智能電能表的檢測除按照國網(wǎng)規(guī)范之外，還需充分考慮儀表的使用環(huán)境，針對不同外部條件進行一定補充性試驗。

2.3 現(xiàn)行智能電能表不同版本的異同點

下面以單相智能電能表為例，對現(xiàn)行智能電能表不同版本的異同點進行說明，國家電網(wǎng)公司于2009年9月首次制定了《單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》Q/GDW 364-2009、《單相智能電能表型式規(guī)范》Q/GDW 355-2009以及《智能電能表功能規(guī)范》Q/GDW 354-2009，通常簡稱為“09版單相智能電能表”，在使用三年后的2012年國家電網(wǎng)公司對其進行了第一次修訂，并于2013年招標(biāo)工作中正式投入使用，因此，修訂版又稱之為“13版單相智能電能表”。

相較于09版電能表，13版電能表主要有以下變化［6-8］：

（1）技術(shù)規(guī)范，包括增加、修訂防恒定磁場影響、0.5 mT工頻磁場影響、負(fù)荷開關(guān)、通信模塊互換性測試以及通信接口帶載能力測試；

（2）型式規(guī)范，包括統(tǒng)一模塊倉和模塊尺寸等要求，取消編程鍵、報警燈，精簡液晶顯示內(nèi)容；

（3）功能規(guī)范，修改、統(tǒng)一了費控功能實現(xiàn)流程，規(guī)范了事件閾值的默認(rèn)值，統(tǒng)一了報警方式、上報方法等，增加紅外認(rèn)證、電能表軟件比對、通信模塊互換功能，增加恒定磁場監(jiān)測、交流磁場防潛等功能。

在保留原版智能電能表的基本功能外，國家電網(wǎng)公司針對構(gòu)建智能電網(wǎng)的總體要求，刪去一些不常用的功能項，新增了符合建立大數(shù)據(jù)項目的功能。例如，修訂后的13版單相智能電能表全性能檢測項目包括準(zhǔn)確度要求試驗、絕緣性能、電磁兼容試驗及氣候影響試驗等十大項、50余小項試驗，并對新一代智能電能表的外觀尺寸以及材料要求進行了統(tǒng)一。總體檢測流程包括供貨前檢測、定樣檢測、全性能檢測、到貨抽樣檢測以及全檢驗收等五個步驟，嚴(yán)格要求電表廠商按照技術(shù)規(guī)范進行生產(chǎn)，確保每一批智能電能表在投入使用前均符合行業(yè)規(guī)范要求。

2.4 智能電能表部分安全技術(shù)措施

目前智能電能表受到的信息安全威脅主要分為對用戶端電表信息管理的攻擊和對用戶與電力公司雙向通信網(wǎng)絡(luò)的威脅［9］，包括截獲他人通信內(nèi)容的“被動攻擊”以及中斷、篡改和偽造信息的“主動攻擊”。解決辦法主要是對數(shù)據(jù)進行安全認(rèn)證和線路保護，可有效防止數(shù)據(jù)的竊取和二次傳輸。

國網(wǎng)在信息交換安全認(rèn)證中采用ESAM（嵌入式安全控制模塊），終端將對電能表采用明文加MAC的抄讀方式，具體流程圖如圖2所示。

此外針對竊電問題，早期電子式電能表竊電手段主要有改變電流互感器中的電流、斷零線和加強交流磁場等方式［10］，而智能電能表的竊電方式與電子式電能表相似，主要有電流法、電壓法竊電，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)和接線方式，外加磁場法竊電等［11］。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場出現(xiàn)了各種新型竊電方式，目前發(fā)現(xiàn)的高科技竊電形式有利用大功率無線設(shè)備、高頻高壓電源以及遙控設(shè)備等對智能電能表進行干擾實施竊電［12］。針對上述竊電手段，文獻［11］提出的解決方法有基于自動抄表系統(tǒng)、鉛封、加密和改變表內(nèi)芯片通道等，文獻［12］指出在智能電能表內(nèi)增加磁場檢測單元和無線檢測單元，前者用于檢測電能表周圍存在的恒定磁場和交變磁場干擾，后者用于檢測是否有利用無線遙控裝置竊電的行為。

保證智能電能表的信息安全和穩(wěn)定傳輸一直是亟待解決的問題，國家電網(wǎng)公司為了保證其穩(wěn)定性，將內(nèi)部程序進行固化處理。這種方式雖然能夠較好的提升智能電能表的安全性，然而對后期的維護和升級工作帶來不便。因此新一代智能電能表對該問題提出了一些整改意見，其雙芯工作模式可以有效解決這一問題，后文將對這一特點加以詳細(xì)說明。

圖2 采集終端抄讀電能表的流程圖Fig.2 Flow chart of collection terminal for reading smart meter

3 新一代智能電能表發(fā)展預(yù)測

3.1 IR 46標(biāo)準(zhǔn)的修訂與完善

目前，我國智能電能表的檢測均是按照國家電網(wǎng)公司的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實施，電能表國際建議IR 46是國際法制計量組織（OIML）下屬委員會起草的一個新型技術(shù)文件［13］，它的工作內(nèi)容是為新設(shè)計生產(chǎn)的電能表的型式批準(zhǔn)提出建議，是國際法制計量的重要組成部分。全國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化委員會已發(fā)布通知，對外召集組建“基于IR 46的國家標(biāo)準(zhǔn)制、修訂專項研究工作組”［14］。IR 46標(biāo)準(zhǔn)的試驗項目包括：最大允許誤差符合度的測試（5項）、對影響量的測試（16項）、對干擾的測試（6項）、組合誤差評估（2種形式）。

IR 46標(biāo)準(zhǔn)在修訂前參照的是IEC標(biāo)準(zhǔn)，修訂后參照的是歐洲計量指令MID，其區(qū)別主要體現(xiàn)在對智能電能表等級的定義、相關(guān)電流參數(shù)的概念以及對電能表檢測評估的形式等方面。未來智能電能表將是具有中國特色的新一代智能電能表，在檢測方面它將現(xiàn)有的規(guī)范與IR 46進行融合，強調(diào)管理單元，并且為順應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，對智能電能表的通信方式也提出新的要求，從而做到設(shè)備組件分離、計量功能模塊獨立、非計量模塊升級不影響計量模塊的效果。

3.2 新型電能表研發(fā)思路與困難解決

未來智能電能表的發(fā)展思路主要體現(xiàn)在三個方面：

（1）做到結(jié)構(gòu)件簡約，底殼尺寸基本保持不變，高度進行適當(dāng)修改，使上一代智能電能表更換后能夠兼容原有表箱。在模塊方面將不再只支持單一模塊，而是同時開放多個的端口，并支持多模塊熱插拔功能；

（2）做到計量芯可靠，將會追求更高的精度，充分體現(xiàn)公平公正的原則，同時將會擁有更寬廣的量程，可以應(yīng)對各種條件，將計量與管理分隔獨立，加強計量部分的安全穩(wěn)定性。內(nèi)置軟件要能夠得到統(tǒng)一認(rèn)證，進一步降低故障率；

（3）做到管理芯強大，要對電能表的現(xiàn)有功能進行補充，使其覆蓋面更廣，并且要為后期擴展預(yù)留空間，并支持對管理塊軟件的在線升級。在通信問題上，現(xiàn)有的面向過程協(xié)議在將來會改為面向?qū)ο髤f(xié)議。

藥師通過MTM服務(wù)聚焦于患者個體，優(yōu)化藥物治療方案，可以提高COPD患者依從性及用藥水平，改善患者臨床療效，從而節(jié)約醫(yī)療資源與社會財經(jīng)成本。然而我國的藥學(xué)服務(wù)實踐在這一領(lǐng)域尚屬空白。本文通過查閱國內(nèi)外文獻對MTM服務(wù)進行綜述，探索可行的藥師參與COPD管理的策略，以期推動我國藥師參與COPD MTM服務(wù)并提高藥學(xué)服務(wù)的科學(xué)化程度。

未來的發(fā)展中，水、電、氣、熱實現(xiàn)四表集抄，智能電能表將會成為重要的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，實現(xiàn)上下行通信。目前常用的通信方式有RS485總線技術(shù)、藍牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、M-Bus總線技術(shù)等［15］。其中藍牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)屬于無線通信方式，通信距離較短，實用性不強。RS485是目前最常用的通信方式，現(xiàn)有智能電能表上含有該端口，但由于RS485使用的是有極性屏蔽的雙絞線，對布線要求很高，進而提高了施工難度和成本，此外RS485的帶載能力和從機對自帶電池的依賴等均是其發(fā)展障礙［16］。因此文獻［17］指出，M-Bus相較于RS485總線，采用無極性普通雙絞線，并且布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類更多，同時由于M-Bus的調(diào)制方式不同，帶載能力也不同，并且MBus總線在滿足通信的情況下，可以給從機供電，從而提升了從機自帶電池的使用壽命。

此外，智能電能表的采集方式也將迎來2.0時代，模塊與管理芯之間的通信速率將提升至100 kbps。對電價的設(shè)定也不僅僅局限于當(dāng)前的階梯電價或者費率電價，將主要根據(jù)實際情況采取柔性電價，對有功功率的讀取時間間隔調(diào)整為1min，無功功率間隔為15 min，并使數(shù)據(jù)量存儲期限延長至一年。

3.3 設(shè)計方案

目前正普遍推廣使用的13版智能電能表只含有單塊控制芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有對計量單元與管理單元進行區(qū)分，在通信方面也較為單一，并不能滿足當(dāng)前社會的發(fā)展需求。其功能框圖如圖3所示。

新一代雙芯智能電能表主要分為計量芯和管理芯兩大部分，其中計量芯主要實現(xiàn)電量計算、事件記錄、時鐘校準(zhǔn)、瞬時量測量、通信工作以及故障上報等功能，而管理芯則是完成數(shù)據(jù)凍結(jié)、結(jié)算電量、繼電器控制、LED屏顯示、對外通信以及在線升級等工作。兩者的差異主要體現(xiàn)在，出場時將對計量芯功能固化，不支持遠(yuǎn)程升級，而管理芯存在多樣化管理需求，可以通過遠(yuǎn)程升級程序的方式進行管理芯功能升級。其次，管理芯涉及收費功能，可通過計量芯基礎(chǔ)凍結(jié)電能進行校核，且計量芯的功能相對單一，更注重可靠性。具體的功能框圖如圖4所示。

圖3 現(xiàn)行智能電能表功能框圖Fig.3 Functional block diagram of current smart meter

圖4 IR46雙芯智能電能表功能框圖Fig.4 Functional block diagram of double-core smart meter based on IR46 protocol

對于模塊的需求，新一代智能電能表將不僅僅只安裝上行模塊，同時也將對下行模塊提出了新的處理方案。上行模塊帶載能力為6 W，將支持PRIMEPLC、G3-PLC、GPRS、微功率無線、光纖以及 RS485，且目前已有廠家研制出通過單張SIM卡切換通道自尋不同運營商信號的技術(shù)。智能電能表自帶GPRS等功能可以使其跨過采集終端，直接向主站傳遞數(shù)據(jù)，這對于水電氣熱公司獲取各自相關(guān)數(shù)據(jù)提供了便利。下行模塊帶載能力為2.4 W，主要支持M-BUS、RF、藍牙、Wifi和Zigbee通信模式，通過安裝下行模塊，對“四表一體”工作的開展有重大意義。

3.4 新舊智能電能表的比較

通過比較新舊兩代智能電能表，總結(jié)其差異，主要體現(xiàn)在外觀結(jié)構(gòu)、計量部分、管理部分以及通信協(xié)議四個方面：

（1）外觀結(jié)構(gòu)部分。雙芯智能表時鐘電池模塊化并支持更換，不再只支持單一模塊，對擴展口將實現(xiàn)模組化，支持上下行通信。顯示方面用點陣液晶屏取代原有段碼液晶屏，使其更加靈活多變，且顯示功能將由原先輪顯19項、鍵顯97項，改為輪顯9項、鍵選27項，使其標(biāo)識更加簡潔明了。報警輸出由信號端子輸出改為計量芯RS485輸出；

（2）計量部分。原國網(wǎng)要求中計量與計費沒有區(qū)別，雙芯智能表將對法制部分進行認(rèn)證，并且對電費定價和數(shù)據(jù)存儲也將改為柔性電價和數(shù)據(jù)追溯功能。原有電表計量部分未獨立，易受外界干擾。雙芯電能表計量部分屬于計量芯，通信、事件、計費等屬于管理芯，兩者獨立運行，通過SPI交互數(shù)據(jù)；

（3）管理部分。雙芯智能表支持遠(yuǎn)程、本地在線升級，法制芯通過軟件認(rèn)證，不允許升級。其操作系統(tǒng)將由原有單一任務(wù)調(diào)度方式改為更有效的任務(wù)切換調(diào)度方式，提高實時性，支持實時異常診斷，支持USB高速數(shù)據(jù)導(dǎo)出，可擴展TCP/IP協(xié)議；

（4）通信部分。原有采集系統(tǒng)采用面向過程的DL/T 645協(xié)議，未來將改為采用面向?qū)ο蟮腄L/T 698協(xié)議。雙芯智能表支持模組化設(shè)計后，將從原有的單行通信改為支持上下行通信，支持M-BUS接口，支持無線連接IHD，可進行簡單的數(shù)據(jù)交互，支持四表集抄。原有智能表模塊與表之間的接口速率為2 400 bps，雙芯智能表模塊與管理芯之間通信接口速率將提升至115 200 bps。

4 結(jié)束語

智能電能表是電能計量中最重要的一環(huán)，也是最貼近民生的一部分，其準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實用性是電力行業(yè)最關(guān)注的問題之一。文中主要通過對我國電能需求變化以及智能電能表推廣使用情況的介紹，反映我國電力系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，并對下一代新型智能電能表的構(gòu)造與發(fā)展做出分析。通過借鑒國外高端表計設(shè)計理念，結(jié)合國內(nèi)的實際情況，研制出既能滿足堅強智能電網(wǎng)要求又能符合IR 46標(biāo)準(zhǔn)、實現(xiàn)計量芯和管理芯獨立運行、兼容和支持各種通信資源、具有中國特色的下一代智能電能表。