一種基于IR46理念的智能電能表設計方案研究*

郜波

（中國電力科學研究院計量研究所，北京100192）

0 引 言

International Recommendation 46（以下簡稱IR46）《有功電能表》［1］是由國際法制計量組織（OIML）最新修訂完成的電能表國際建議，其內(nèi)容涵蓋電能表的計量要求、技術要求和法制管理要求。IR46是針對電能表的強制性技術法規(guī)，一經(jīng)發(fā)布，包括我國在內(nèi)的所有OIML成員國必須采納并執(zhí)行。因此，我國相關的型式評價大綱、檢定規(guī)程等法制內(nèi)容在未來也將進行同步修訂。本次IR46的修訂對電能表計量防護、軟件升級及技術指標方面提出了更高的要求，然而我國現(xiàn)有的智能電能表軟硬件設計較為固化，不能滿足新標準的要求。同時，智能電能表長期的運行中也暴露出硬件設計趨于完善，軟件設計仍存在漏洞、時鐘電池欠壓問題頻繁發(fā)生、擴展功能局限、未能契合大數(shù)據(jù)時代的需要等問題。因此需要提出一種新的智能電能表設計方案，來滿足未來IR46在我國落地實施的需求，并進一步完善智能電能表的功能。

1 現(xiàn)行智能電能表技術適應性分析

目前，國內(nèi)采用的智能電能表依據(jù)現(xiàn)行標準設計而成，具備雙向計量、信息存儲與處理、實時監(jiān)測、先進費控、安全加密等功能，滿足現(xiàn)階段國家電價政策、信息安全、用電可靠性等用電要求。然而，隨著IR46的發(fā)布，我國電能表相關的型式評價大綱、檢定規(guī)程等法制內(nèi)容也將與IR46同步?，F(xiàn)行智能電能表能否滿足未來標準要求有待進一步分析與驗證。因此，文章將IR46與我國現(xiàn)行的JJF 1245-2010《安裝式電能表型式評價大綱》［2］進行了比對，針對準確度等級劃分、試驗要求以及計量性能防護等主要差異點做了適用性分析。

1.1 準確度等級及要求

IR46將電能表等級劃分為：A、B、C、D四個等級，對比誤差限設置情況，可分別對應現(xiàn)行標準的2級、1級、0.5s級以及0.2s級。不同于JJF 1245-2010中負載電流特征點In/Ib、Imax的表述方法，IR46用Ist（起動電流）、Imin（最小電流）、Itr（轉(zhuǎn)折電流）、Imax（最大電流）作為替代。其中，Itr是由制造廠商規(guī)定的轉(zhuǎn)折電流值，即在負載電流值大于等于該值時，與儀表對應準確度等級的最大允許誤差在最小誤差限值之內(nèi)，近似對應于現(xiàn)行標準的0.1Ib（In）。誤差限要求方面，IR46中的電能表負載電流最大誤差限值略高于JJF 1245的相應要求［2］，且增加了小電流范圍內(nèi)的線性誤差限值要求。前期收集10個生產(chǎn)廠家的240只單三相智能電能表開展IR46摸底試驗，試驗結(jié)果顯示現(xiàn)行智能電能表均能滿足IR46的技術條件要求。

1.2 試驗技術要求

隨著用電環(huán)境的日益復雜，IR46對電能表的電氣、抗干擾性能提出了更高的要求，與現(xiàn)有標準相比，不但提升了原有試驗技術指標，還增加了一系列抗干擾性試驗要求，表1是針對IR46與現(xiàn)行標準試驗要求的比對情況及摸底試驗結(jié)果，列舉的具有代表性的試驗差異點以及現(xiàn)行智能電能表對IR46的滿足程度。

表1 IR46同JJF 1245試驗項目對比Tab.1 Comparison of IR46 and JJF 1245

如表1所示，IR46中射頻電磁場、起動試驗等試驗指標要求較JJF 1245均有較大提升，其次，IR46中諧波試驗、振動試驗、高低溫試驗等多項試驗方法明顯區(qū)別于現(xiàn)行標準。更加全面地考察電能表在諧波環(huán)境下的計量功能、抗擊振動的可靠性特性等。最后，IR46嚴格了高低溫、陽光輻射、耐久性等指標要求與試驗方法，加強了電能表在嚴苛工作環(huán)境中運行穩(wěn)定性與可靠性的考核。IR46還提出了使用綜合誤差的方式考察表計的綜合性能的方法，通過將各類影響電能表計量性能的影響量考慮在一起，計算出一個綜合誤差限，并通過實測數(shù)據(jù)綜合判斷表計是否滿足要求。在進行IR46試驗摸底時采用的脈沖電壓等級為6 kV，其余項目嚴格按照IR46建議條件執(zhí)行，結(jié)果顯示參與試驗的10個生產(chǎn)廠家的智能電能表均滿足IR46的試驗要求。

1.3 計量性能防護與軟件升級要求

由上文結(jié)論可知，現(xiàn)行智能電能表滿足IR46明確提出的準確度及影響量試驗方法，然而考慮到未來電能表的發(fā)展，IR46同時還提出了計量性能防護及軟件升級方面的要求，但是并未提出明確的測試方法。

IR46提出電能表應具備保護其自身計量性能的方法。IR46要求電能表的計量器件與子組件分離，計量的關鍵部分無論是硬件還是軟件部分，都不應受到其他部分的影響。電能表應支持軟件更新的功能，實現(xiàn)方法可以是本地更新或通過網(wǎng)絡進行遠程更新，但是每次更新均應能夠溯源，并應能夠通過技術手段保證所加載軟件的真實性［3］。標準明確提出電能表應能夠?qū)τ嬃啃畔⒂枰员Ｗo，其他部分功能在升級或者運行過程中均不能影響計量部分的運行。同時，還規(guī)定了所有軟件均應有對應的標識，要求電能表通過顯示器或通信接口顯示運行軟件的版本號，除了鉛封之外還應通過軟件保護的方式防止未經(jīng)授權的軟件寫入。目前，我國現(xiàn)行的標準不具備此類要求，且國內(nèi)現(xiàn)有智能電能表均采用一體化設計，采用的均為“單MCU＋計量芯片”的模式，計量芯片負責發(fā)出電能脈沖，由MCU進行電量的累加并計量，MCU還負責實現(xiàn)電能表的諸如計費、通信、顯示、費控等其他各項功能，未劃分計量相關和非計量相關部分，軟件程序較為固化，不具備軟件升級功能。如果軟件架構設計不當，層次嵌套不合理，將會產(chǎn)生軟件漏洞，造成整個表計的設計失敗。另外，為了滿足全球能源互聯(lián)網(wǎng)和用電側(cè)的放開對智能電能表提出的更進一步的功能需求，如沒有成熟可靠的軟件在線更新機制，每一次的功能更新或者注入新的費率政策均需要重新更換電能表將會耗費大量的人力物力，大量增加了運維的成本。

綜上，現(xiàn)行的智能電能表雖然能夠滿足IR46中準確度以及各類影響量試驗的技術要求，但不具備計量性能防護與軟件升級功能，為適應IR46標準的落地要求，文章在原有技術水平基礎上，創(chuàng)新的提出了一種雙芯智能電能表的設計思路，計量部分與管理部分相互獨立，可保障計量的準確性與軟件的可升級、可擴展，滿足標準要求。設計的同時也考慮到了智能電能表多年運行以來，其自身技術條件已無法滿足日益增長的功能需求，如時鐘電池問題［4］、用戶交互問題以及“多表集抄”問題。雙芯智能電能表應在滿足IR46要求的基礎上，同時滿足未來電價政策、用戶需求擴展以及新能源政策的開展實施［5-7］。

2 基于IR46要求的雙芯智能電能表設計方案

2.1 總體框架

雙芯智能電能表的總體設計思路是將電能表的計量部分（計量MCU）與管理部分（管理MCU）進行獨立設計，在智能電表中劃分出隔離的區(qū)域，通過獨立的MCU進行計量功能的實現(xiàn)，其余管理相關的擴展功能通過另外的MCU實現(xiàn)。可以類比于傳統(tǒng)電能表的運行模式，計量部分簡單、可靠，由計量芯實現(xiàn)，實現(xiàn)傳統(tǒng)機械表的計量功能；非計量部分靈活、可擴展升級，由管理芯實現(xiàn)，類似于傳統(tǒng)的抄表工人。

計量部分作為基表，主要承擔電能計量任務，存儲每分鐘的電量并加上時標，同時具備時間源、脈沖指示、全失壓、電源異常事件檢測等功能。管理部分承擔整表的管理任務，負責收集計量芯記錄的電量信息，并進行計費，還包括費控顯示、對外通信、事件記錄、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負荷控制等任務。兩部分之間只有唯一通信通道進行數(shù)據(jù)交換。雙芯智能電能表的設計框圖見圖1。

圖1 雙芯智能電能表原理框圖Fig.1 Schematic diagram of double-chips smart meter

雙芯智能電能表的劃分原則是，計量芯部分所實現(xiàn)的功能簡單可靠，負責電壓電流采樣，并記錄最原始的帶時標的電能量數(shù)據(jù)，該部分功能長期沒有修改的需求。管理芯負責諸如計費、通信、費控等功能，所需要的原始數(shù)據(jù)均從計量芯讀取，該部分功能可以通過遠程進行受控的升級，并在升級或者正常運行過程中不影響計量芯的工作。

2.2 電源方案

雙芯智能電能表不僅要在功能上實現(xiàn)隔離，其物理接口，尤其是電源部分也應當實現(xiàn)隔離，以確保在管理部分受到干擾的情況下，電源部分能夠正常工作。

雙芯智能電能表在工作時的主電源由電網(wǎng)提供，經(jīng)由3個穩(wěn)壓模塊進行電壓變換后轉(zhuǎn)換為各模塊所需要的電源，穩(wěn)壓模塊之間相互隔離，使得計量模塊與管理模塊的電源獨立，互不干擾。同時，為了保證智能電能表停電后時鐘的準確性，設置時鐘電池與超級電容在停電時為RTC供電，并加入二極管，防止主電源上電后由于電壓的升高向時鐘電池反向充電。具體電源部分的設計框圖見圖2。該方案的優(yōu)點在于不僅解決了現(xiàn)行智能電能表時鐘電池欠壓的問題，還確保了在管理部分電源出現(xiàn)故障時不影響計量部分電源，保障計量部分的正常運行。

2.3 通信方案

2.3.1 上行通信方案

雙芯智能電能表上行通信方式仍然采用目前通信模塊可互換的設計方案，支持載波、微功率無線、GPRS以及本地485的通信方式。但是隨著業(yè)務的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對通信速率的要求越來越高，低速窄帶載波的通信速率已難以滿足時效性較高的費控業(yè)務、高頻數(shù)據(jù)采集、雙向互動、遠程升級等智能用電的新需求。另外，還缺乏對遠程信道、本地信道進行在線監(jiān)測、故障診斷和管理的技術手段，出現(xiàn)問題難以準確定性，運維難度較大。雙芯智能電能表在借助原有通信信道的基礎上應配置能夠滿足不斷增長的實時性業(yè)務需求的高速通信模式，如窄帶高速電力線載波、寬帶電力線載波、IP等高速通信技術。

圖2 雙芯智能電能表電源設計框圖Fig.2 Design block diagram of double-chips smart meter power supplier

2.3.2 下行通信方案

雙芯智能電能表也兼顧了全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略中有關與用戶互動化的發(fā)展要求。智能電能表作為電網(wǎng)用電側(cè)的終端，直接面向廣大電力用戶，是電網(wǎng)公司面向電力用戶的一扇窗口，與用戶進行實時的數(shù)據(jù)交互是體現(xiàn)電網(wǎng)交互性最直接的表現(xiàn)形式。隨著智能家居的廣泛應用以及“四表集抄”業(yè)務需求的不斷提升，需要一個可靠的終端進行用戶各類信息的采集工作，而智能電能表的先天優(yōu)勢決定了其具備實現(xiàn)該功能的條件。因此，雙芯智能電能表除了應具備能夠同用戶進行最基本的用電信息交互的同時還應具備收集用戶智能家居提供數(shù)據(jù)的能力。

因此在雙芯電能表中設置下行標準化的通信接口。下行通信模塊可兼容 M-BUS、ZigBee、藍牙或WIFI模塊，實現(xiàn)與用戶之間實時的雙向互動，也可以滿足“多表集抄”業(yè)務中對智能電能表提出的新要求。

2.3.3 計量芯通信方案

為了保證計量芯數(shù)據(jù)的安全，確保管理芯的讀取數(shù)據(jù)及出現(xiàn)故障時計量芯正常工作不受影響，計量芯的數(shù)據(jù)訪問只有3條途徑：

（1）管理芯定時獲取計量芯計量數(shù)據(jù)

計量芯與管理芯之間采用SPI的通信方式，通信速率至少達到100 k/bps，并制定獨立的通信協(xié)議，采用主從結(jié)構進行通信，其中管理芯為主站，計量芯為從站，通信鏈路的建立與解除均由管理芯來控制。

（2）通過獨立的本地485接口抄讀

為了確保法制計量數(shù)據(jù)的可追溯性，雙芯智能電能表從計量芯部分引出另外一路485接口，用作當管理部分的升級失敗或功能故障后，對法制計量數(shù)據(jù)的校核或追溯。屬于本地通信接口，不需組網(wǎng)，在端尾蓋上加鉛封進行防護，該通信接口完全獨立于管理芯。

（3）用電信息采集系統(tǒng)通過管理芯進行透傳

當主站需要從遠程召測計量芯基礎用電量數(shù)據(jù)時，用電信息采集系統(tǒng)可以通過抄讀管理芯邏輯設備來抄讀計量芯基礎計量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)鏈路完全依賴于用電信息采集系統(tǒng)。

2.4 在線升級方案

當電能表的功能需求發(fā)生變更時，管理部門可以通過通信網(wǎng)絡對雙芯智能電能表的管理部分進行受控的升級。

管理芯在升級時為了保證升級安全可靠，采用點對點與組播通信相結(jié)合的方式，首先采用點對點方式確認待升級電能表所需升級文件，并將待升級電能表進行分組，協(xié)商組播升級密鑰，對升級數(shù)據(jù)采用組播方式進行下發(fā)，下發(fā)完成后再將升級協(xié)商的組播密鑰進行更新修改，防止重放攻擊。雙芯智能電能表可將新版本的程序下載至存儲器中，按照要求定時啟動升級，并將老版本程序進行備份，用于升級異常時的恢復，升級結(jié)束后將升級結(jié)果上報至主站，并將新版本的軟件版本號顯示在液晶上。

2.5 軟件可靠性

雙芯電能表的軟件可靠性分為計量部分軟件的可靠性以及管理部分軟件的可靠性。雖然計量與管理功能的分離使得雙芯智能電能表有關基礎計量數(shù)據(jù)的軟件能夠獨立地運行，但是應考慮管理部分的軟件發(fā)生變更時計量部分可能受到的影響，因此驗證過程中對管理部分的軟件進行擦除并升級，驗證計量部分準確可靠。另外，管理部分的軟件變更應當嚴格受到技術監(jiān)督局以及電網(wǎng)公司的嚴格管控，軟件變更前應對其功能及可靠性進行充分論證，保證升級后軟件的變更不影響雙芯智能電能表的可靠運行。

3 結(jié)束語

文章在比對了IR46同我國電能表型式評價大綱的區(qū)別，并結(jié)合試驗結(jié)果分析了現(xiàn)行電能表對IR46標準的滿足程度，在現(xiàn)有電能表設計基礎上，提出了一種適合于IR46的雙芯智能電能表的設計方案，該方案具備以下優(yōu)勢：

（1）法制計量獨立性：法制計量與非法制計量的軟件系統(tǒng)相互獨立，通過標準接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；

（2）法制計量數(shù)據(jù)可追溯性：定時凍結(jié)基礎電能數(shù)據(jù)，包含正、反向有功總電能、四象限無功總電能。法制計量部分需要有獨立的通信接口，方便對法制計量數(shù)據(jù)的追溯，非法制計費數(shù)據(jù)的校驗；

（3）法制計量數(shù)據(jù)準確可靠性：法制計量數(shù)據(jù)不可篡改，增加數(shù)據(jù)存儲安全防護，確保電能計量的準確性和可靠性；

（4）時鐘安全性：時鐘屬于法制計量部分，時鐘要求可設，但時鐘設置需進行安全認證防護，數(shù)據(jù)加密處理；

（5）管理部分可擴展性：除了計量功能之外的功能，可以按照管理部門的需求而進行升級。

目前IR46已經(jīng)發(fā)布實施，國內(nèi)標準的同步工作也在有序進行，滿足IR46的智能電能表勢在必行，所提出的雙芯智能電能表設計方案滿足了IR46對于電能表軟件防護及升級方面的特殊要求，又兼顧了智能電能表未來的功能發(fā)展，為今后IR46在我國的落地實施提供了一種合理的解決思路。