智能電網(wǎng)大背景下電能表技術的發(fā)展與研究

趙 楠，王 昕，李英娜，吳 晟

（1. 昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2. 云南電網(wǎng)公司電力科學研究院工作站，云南 昆明 650217）

智能電網(wǎng)大背景下電能表技術的發(fā)展與研究

趙 楠1,2，王 昕2，李英娜1，吳 晟1

（1. 昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2. 云南電網(wǎng)公司電力科學研究院工作站，云南 昆明 650217）

智能電能表在現(xiàn)場運行環(huán)境下變的越來越復雜，其計量準確性和可信性受到越來越大的挑戰(zhàn)，有必要對電能表在長期運行中各項指標情況進行研究。建造堅強智能電網(wǎng)是我國電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，能夠帶動整個電力工業(yè)的優(yōu)化，發(fā)電系統(tǒng)作為電力工業(yè)發(fā)、輸、配、送的一個組成部分，必然也要向智能化方向協(xié)調發(fā)展，最終實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。本文介紹了電能表的發(fā)展歷史，以及未來的電能表在智能電網(wǎng)大背景下的發(fā)展趨勢和突破要點，利用大數(shù)據(jù)的方式來統(tǒng)計電力計量從而實現(xiàn)更為人性化的用戶行為分析，更好的服務百姓。

智能電網(wǎng)；智能電能表；計量可信性；大數(shù)據(jù)

0 引言

電能表是發(fā)電、輸電、配電和用電各個環(huán)節(jié)作為經(jīng)濟核算和節(jié)能管理的重要計量工具。隨著科技的進步，新材料、新技術和新工藝的不斷發(fā)展和應用，電能表的工作原理和結構經(jīng)歷了數(shù)次更新?lián)Q代，性能不斷優(yōu)化。電網(wǎng)迅速擴大和新類型用戶（如城市，城際軌道交通，汽車充電站……）的出現(xiàn)，電能計量面臨更嚴重的用電非線性和隨機性。電力市場改革，開展用電需求側的管理，使得電能計量管理手段日趨多樣，要求計量系統(tǒng)的智能化越來越高。

1 國內外電能表現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

1.1 國內用電信息釆集系統(tǒng)發(fā)展情況

對電力用戶用電信息的采集開始于 19世紀末感應式電能表的誕生，用電信息采集的發(fā)展經(jīng)歷了人工手抄、半智能化、智能化三個階段。隨著智能電網(wǎng)“全覆蓋、全釆集、全費控”建設目標的提出，通過計算機信息化等技術手段代替人工手抄等手段來適應經(jīng)濟社會的發(fā)展、電力現(xiàn)場的變化，這樣可以有效的降低工作人員的勞動強度，縮短抄表的周期時段，減少人為出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯誤，更高的提升了工作效率。

目前我國用電信息采集已覆蓋了大規(guī)模風電太陽能發(fā)電客戶、分布式電源客戶、電動汽車充電客戶、綜合資源利用發(fā)電客戶、供電企業(yè)自身的變電站以及高壓專線客戶、低壓居民客戶等，全部實現(xiàn)了生產（發(fā)電廠發(fā)電）、運輸（供電單位供電）、銷售（電力客戶用電）三個環(huán)節(jié)的全覆蓋。通過與營銷信息化系統(tǒng)共享檔案數(shù)據(jù)、抄表數(shù)據(jù)、實時電能量、異常信息、實時負荷數(shù)據(jù)等信息，實現(xiàn)了有序用電控制、欠費停電、預購電控制、負荷預測、線損分析等功能。我國用電信息采集發(fā)展的趨勢為：

（1）CNGI網(wǎng)絡的普及支持

隨著用電信息釆集覆蓋用戶數(shù)量的增多，勢必需要數(shù)億IP地址的支持。目前，絕大部分供電企業(yè)終端均釆用GPRS/CDMA等無線公網(wǎng)方式，要實現(xiàn)對電能數(shù)據(jù)所有數(shù)據(jù)項的全釆集，同樣需要大量IP地址的支持。中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程（CNGI項目）的建設，為“全覆蓋、全釆集”提供了技術支撐，借助下一代互聯(lián)網(wǎng)IPV6地址空間大、提供優(yōu)質服務和安全保證的優(yōu)勢，能夠解決當前IPV4地址資源枯竭的問題。

（2）釆集數(shù)據(jù)的挖掘應用

通過多維分析工具對用電信息采集的數(shù)據(jù)進行深入挖掘，通過管理和分析可以擴大數(shù)據(jù)的使用范圍，最終結果是雙向互動，即滿足了用戶的個性化需求，又方便的實現(xiàn)生產（發(fā)電廠發(fā)電），運輸（供電單位供電），銷售（電力客戶用電）三個環(huán)節(jié)的協(xié)同調度和濟運行，進而實現(xiàn)電能資源優(yōu)化配置，達到節(jié)能減排的目的。

（3）階梯電價推廣支撐

通過統(tǒng)計電能資源的供需配置情況、電力消耗情況及需求預測情況，為電力行政主管部門制定相關政策提供了決策手段，同時推動我國階梯電價政策健康有序的執(zhí)行，從而保障民生，促進社會和諧。

1.2 國外用電信息采集系統(tǒng)發(fā)展情況

美國于1986年成立了自動抄表協(xié)會，并周期性舉辦國際性年會，每次年會都會有專題報道，旨在近一步發(fā)展和推廣自動抄表技術。與此同時，IEC的TC13和TC57兩大標準化組織在其標準化體系中都為 AMR系統(tǒng)指定了相關的標準。各種形式的AMR系統(tǒng)，各種新的AMR技術不斷推陳出新，推動著整個自動抄表的發(fā)展。它們使得 AMR系統(tǒng)在向著智能化、低功耗、低成本和通信標準化設計的過程中邁向了堅實的一步，如今 AMR系統(tǒng)已經(jīng)達到了可以大規(guī)模推廣的實用性階段。

2 電能表的分類及工作方式

2.1 電能表的分類

2.1.1 諧波表

目前市場上常見的諧波電能計量裝置具有相似的電路結構，通常都包含分別用于與電壓傳感器和電流傳感器相連的模擬前端、用于將模擬信號轉換為數(shù)字信號的A/D轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、用于諧波電能計量的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processer，DSP）、用于管理系統(tǒng)與其外圍設備的微處理器（MCU），以及顯示裝置、紅外端口或其它通信設備等外圍設備。

校準裝置的組成如圖1所示，主要由諧波標準功率源、諧波標準電能表以及誤差計算器組成。

圖1 校準裝置框圖Fig.1 Calibration device block diagram

2.1.2 數(shù)字直流表

直流電能表與交流電能表在計量原理上相同，如圖2所示。

圖2 直流電能表計量原理框圖Fig.2 DC energy meter measurement block diagram

在電壓采樣方式上，直流電能表與交流電能表的采樣方式相同，一般采用分壓電阻采樣。

根據(jù)電流接入方式的不同，直流電能表分為直接接入式和經(jīng)分流器接入式。標定電流較小的直流電能表（100 A以下），直流電流直接接入電能表內，采用電能表內的錳銅電阻進行采樣。對于標定電流較大的直流電能表，如上文提到的500 A或600 A的直流電能表，通常使用外附分流器進行電流采樣。

對于分流器的規(guī)格尺寸，機械行業(yè)標準 JB/T9288—1999《外附分流器》做了規(guī)定，分流器的額定電壓一般在50—150 mV之間，以額定電壓75 mV的分流器為例，其規(guī)格尺寸如圖3所示。

圖3 75 mV分流器規(guī)格尺寸Fig.3 75 mV shunt size

表1 不同電流規(guī)格分流器尺寸Tab.1 Different current specifications shunt size

直接接入式直流電能表同直接接入式交流電能表接線方式相同，如圖4所示。

圖4 直接接入式直流電能表的接線方式Fig.4 Direct access to DC power meter wiring

經(jīng)分流器接入式直流電能表的接線方式如圖 5所示。

圖5 經(jīng)分流器接入式直流電能表的接線方式Fig.5 Connect the DC power meter via the shunt

經(jīng)外附分流器接入的直流電能表接至電能表輸入端的信號為小電壓信號，由于信號較小，如果連接線較長或接線處理不當易受到外界干擾而影響計量準確性。目前很多大電流直流電能表將分流器固定安裝在電能表電流信號采樣端口旁邊，即將分流器與電能表一體化設計，這樣不但接線方便，而且更容易保證計量性能。對于這種分流器與電能表一體化設計的直流電能表，可認為將其作為大電流直接接入式電能表對待。

2.1.3 高壓表

高壓電能表是一種新型的高壓電能計量裝置，采用非常規(guī)互感器技術，將電能計量芯片電路安置在高壓端，實現(xiàn)了小型化的高壓側電能量直接計量。

圖6 高壓電能表原理圖Fig.6 High voltage energy meter schematic

高壓電能表采用三相三線制兩元件法進行測量，在 A2B相間和 C2B相間安裝高壓分壓器，A相和C相上均安裝有低功耗電流互感器和高壓單相電能計量單元。高壓單相電能計量單元完成的電能計量數(shù)據(jù)通過光纖傳送給 B 相電能綜合單元，而B 相電能綜合單元存儲各類電量信息，并通過光纖隔離傳送至低壓設備顯示數(shù)據(jù)信息。高壓電能表的原理框圖如圖所示，其主要特點為：降低了產品的銅、鐵和絕緣材料消耗，可減少配置一面配電柜，并減少了變電站的用地面積。檢定工作量降低，提高了用電管理部門的工作效率；提升了整體計量的精度。高壓電能表整體計量精度達到有功0.5S級和無功2級；提高了安全性能。避免了傳統(tǒng)電磁式電壓的鐵磁諧振事故隱患，且整體式高壓端安置的結構有效防止竊電行為，并從源頭上避免了內絕緣故障的產生。

2.1.4 先進智能電能表

智能電能表[1-4]是智能電網(wǎng)的智能終端，它已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電能表，智能電表除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計量功能以外，為了適應智能電網(wǎng)和新能源的使用它還具有用電信息存儲、雙向多種費率計量功能、用戶端控制功能、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信功能、防竊電功能等智能化的功能，智能電表代表著未來節(jié)能型智能電網(wǎng)最終用戶智能化終端的發(fā)展方向。

2.2 電能表的工作原理

當把電能表接入被測電路時，電流線圈和電壓線圈中就有交變電流流過，這兩個交變電流分別在它們的鐵芯中產生交變的磁通；交變磁通穿過鋁盤，在鋁盤中感應出渦流；渦流又在磁場中受到力的作用，從而使鋁盤得到轉矩（主動力矩）而轉動。負載消耗的功率越大，通過電流線圈的電流越大，鋁盤中感應出的渦流也越大，使鋁盤轉動的力矩就越大。即轉矩的大小跟負載消耗的功率成正比。功率越大，轉矩也越大，鋁盤轉動也就越快。鋁盤轉動時，又受到永久磁鐵產生的制動力矩的作用，制動力矩與主動力矩方向相反；制動力矩的大小與鋁盤的轉速成正比，鋁盤轉動得越快，制動力矩也越大。當主動力矩與制動力矩達到暫時平衡時，鋁盤將勻速轉動。負載所消耗的電能與鋁盤的轉數(shù)成正比。鋁盤轉動時，帶動計數(shù)器，把所消耗的電能指示出來。

圖7 電能表工作原理Fig.7 Principle of energy meter

3 智能電能表

近年來，伴隨著智能電網(wǎng)在世界各國的興起和推廣，作為智能電網(wǎng)的終端[8]，智能電能表（Smartmeter）在不少國家得到了推廣和應用，據(jù)ABI調研公司統(tǒng)計，全球目前總共安裝智能電能表 7600萬只，預計這一數(shù)字在2014年將增長到 2.12億只。迄今為止，意大利是這方面的先行者，該國主要電力公司Enel自2001年以來，已經(jīng)為其用戶安裝了三千多萬智能電能表。美國加利福尼亞在以后的幾年中將安裝1200萬只智能電能表，加拿大安大略省通知其電力公司 2010年前為每戶居民安裝智能電能表。世界上著名的電能表制造公司Itron、Elster、GE以及蘭吉爾等均已研制出相應類型的智能電能表[9-10]。由于目前世界上關于智能電能表尚沒有一個統(tǒng)一的定義，各國根據(jù)本國的實際情況制定了各自智能電能表的標準或技術文件，這在一定程度上限制了智能電能表在全球的進一步推廣和發(fā)展，使得智能電能表的發(fā)展遭遇瓶頸。

3.1 智能電能表的基本概念

對于每一個家庭或用電單元，智能電網(wǎng)最終目的是實現(xiàn)智能化用電，用戶通過家里的讀取設備以及供電部門在互聯(lián)網(wǎng)的門戶網(wǎng)站清楚了解耗電情況、實時電價等用電信息，調整洗衣機、空調等家用電器的工作時間，根據(jù)電力價格決定是否出售家庭太陽能或風能等微型分布式發(fā)出的多余電量；而供電公司可以及時地獲取大量用戶的用電信息，通過各項用電優(yōu)惠政策調節(jié)用戶的用電習慣，有利于電力系統(tǒng)更加平穩(wěn)、可靠地運行。在智能家庭的構建過程中，智能電能表一方面通過包括電力線、廣播、手機網(wǎng)絡在內的通信網(wǎng)絡傳送信息，在用戶和電力公司間建立了一條雙向網(wǎng)絡；另一方面智能電能表將和智能調溫器、智能洗衣機等家庭智能電器相連，實施科學合理的家庭用電計劃。不同于傳統(tǒng)的電能表，智能電能表不再是一個終端產品，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。表2給出了普通電能表、具有自動抄表系統(tǒng) (AMR)的電能表和智能電能表在功能方面的比較。

從表2中可以看出，普通型電能表只具備電能計量功能；AMR電能表只是實現(xiàn)了單向通信，即用戶的用電信息通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)焦╇姽?，供電公司的有關信息不能夠及時告知用戶；而智能電能表實現(xiàn)了用戶和供電公司之間真正的雙向通信和信息互享，而且具備付費模式可變、支持微型分布式發(fā)電、電能質量檢測以及系統(tǒng)升級等功能，能夠滿足智能化家庭中用電管理模式的要求。相對于普通電能表和 AMR電能表，智能電能表的通信功能要更為強大和復雜，圖8給出了荷蘭在2007年提出的智能電能表一種典型的四個層次通信接口模式。

表2 智能電能表和普通電能表、AMR電能表的功能比較Tab.2 Intelligent energy meter and ordinary energy meter, AMR power meter function comparison

圖8 荷蘭智能電能表的通信模式Fig.8 Netherlands smart energy meter communication mode

在該通信模式下，四個通訊端口各司其職，對應完成如下功能：

（1）端口P1，從表系統(tǒng)至服務模塊的單向通道；

（2）端口P2，在表儀器和表系統(tǒng)之間的通信；

（3）端口P3，指向中心數(shù)據(jù)服務的端口；

（4）端口P4，從中心數(shù)據(jù)服務到能源供應商、服務提供商、網(wǎng)絡運營商。

由于各國對智能電能表的發(fā)展方向和服務定位參差不齊，國際上關于智能電能表的定義和描述各不相同。對此，一些國際組織，例如國際電工委員會(IEC)正在為提出一個統(tǒng)一的定義而努力。國際法制計量組織(OIML)對智能電能表做了一個比較廣泛的描述，認為由于新技術的不斷發(fā)展，電力線載波通信、無線通信以及相關軟件等都可以方便地增加到智能電能表中，OIML對智能電能表和附加功能下一個確切定義是不切實際的；表3給出了英國、加拿大和澳大利亞等國智能電能表的附加功能。

3.2 智能電能表的標準化

智能電能表的標準化需要體現(xiàn)用戶、設備供應商、通信服務商以及系統(tǒng)集成商等各方對智能電能表一個共同的理解，包括智能電能表的技術要求、解決方案以及試驗方法的定義等。正如智能電能表可以理解為傳統(tǒng)電能基礎上加上具有雙向通信技術附加功能的儀表，其標準化工作可以分為傳統(tǒng)電能表模塊、通信模塊以及附加功能模塊等三部分。此外，許多國家以及聯(lián)盟性組織依據(jù)上述兩大國際性標準和建議，起草和編寫適應本國、本聯(lián)盟的國家標準或聯(lián)盟性標準，比較有影響力的有電能表歐盟標準EN50470系列標準以及ANSI12系列美國標準。對于通信模塊，由于通信技術的不斷發(fā)展和更新?lián)Q代，想要對技術本身做出限定是很困難的；同樣對于附加功能模塊，由于各國智能電能表的具體服務定位各不相同，要想從國際上對智能電能表的附加功能的范圍以及具體內容給出一個明確列表和技術要求也是不現(xiàn)實的。但是并不是說智能電能表的標準化工作就無法開展下去，目前國際上更多的是從智能電能表的軟硬件構架上提出相應的技術要求和規(guī)范性建議，要求構建智能電能表一個開放式的軟件和硬件架構，并應滿足以下功能和技術條件：

（1）智能電能表架構應為可升級的；

（2）智能電能表架構應兼容當前主流技術并能夠適應未來通信介質；

（3）數(shù)據(jù)通信的雙向性；

（4）智能電能表架構的通信標準須確保與計量模塊交換數(shù)據(jù)的安全性；

（5）允許通信協(xié)議創(chuàng)新，支持用戶和供應商的先進信息和管理服務；

（6）允許完全一體化、模塊化以及多組件等多種智能電能表方案。

而對于智能電能表，如何界定法制計量范圍也是一個很重要的問題；相對于普通型電能表，智能電能表提供的功能很多，各種數(shù)據(jù)和信息量也非常大，但是并不是每一種功能、每一個數(shù)據(jù)和每一條信息都與貿易結算相關的，因此應該確定智能電能表的哪些功能或設備應屬于法制計量控制范圍(legal metro logical control)。在確定智能電能表法制計量范圍時，下面2個因素應注重考慮：

表3 英國、加拿大和澳大利亞等國智能電能表的附加功能Tab.3 Britain, Canada and Australia and other countries of the smart meter additional features

（1）數(shù)據(jù)測量的準確性，例如測量結果應符合最大允許誤差；

（2）儀表或測量系統(tǒng)提供的測量結果，該測量結果構成收費賬單的基礎以及允許用戶驗證其準確性，這對于確定儀表的哪些功能和設備屬于法制計量控制范圍很關鍵。

3.3 智能電能表的性能測試研究

目前普通型靜止式電能表的技術要求和試驗方法已經(jīng)比較成熟和完善，現(xiàn)有的 IEC62052/53、EN50470以及 ANSI12[11-12]等系列電能表標準對其進行了系統(tǒng)規(guī)定。智能電能表是從普通型電能表基礎上發(fā)展而來的，其首先應該滿足上述普通型電能表的技術要求。除此之外，還有驗證普通型電能表不具備、而智能電能表所特有的一些技術要求。

3.4 雙向通信功能

眾所周知，雙向通信]13[[14]，它們都是基于開放標準和協(xié)議，在應用到智能電能表之前已經(jīng)得到相應的性能測試和認證。智能電能表對通信有其自身的特點，例如實時通信的要求，這在低壓PLC還存在一定的困難，因而這方面的測試是非常重要的。另一方面，我們要看到，通信模塊本身以外性能測試的重要性，例如智能電能表在雙向通信模式下，對其各項附加功能的測試和驗證?？傊?，如下三個方面的內容需要考慮：

（1）電能、功率/需量、負載記錄(Loadprofile)以及電能質量監(jiān)測等數(shù)據(jù)能否實時傳輸給中心數(shù)據(jù)庫，供電服務商對上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和計算后，形成的電能費用帳單、用戶負荷特征曲線以及用電質量等數(shù)據(jù)能否實時傳輸給用戶、電力供應商等；

（2）供電服務商的實時費率數(shù)據(jù)能否實時傳輸給用戶以及通過通信系統(tǒng)自動更新智能電能表中的費率系統(tǒng)；能否實現(xiàn)智能電能表中的軟件自動升級和更新；

（3）供電服務商、用戶能否通過通信系統(tǒng)實現(xiàn)對用戶負載和微型發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)遠程負載控制，自動連接/切斷負載和發(fā)電系統(tǒng)。

4 結論

伴隨著全球逐步邁入智能電網(wǎng)時代，近年來智能電能表在世界各國得到快速發(fā)展和推廣，許多國家根據(jù)自身實際情況都相繼研究和開發(fā)出了各自適用的智能電能表，并制定了相應的標準或技術文件，然而目前國際上尚沒有一個明確、規(guī)范和統(tǒng)一的智能電能表定義。對于智能電能表的標準化工作，目前世界各國也處于起步和探索階段，在開展此項工作過程中，應該考慮：

（1）智能電能并不是一個全新的儀表，而是在現(xiàn)有電能表基礎上發(fā)展起來的功能強大的智能化電能表，現(xiàn)有電能表的許多標準具有重要參考價值；

（2）由于智能電能表涉及的技術復雜多變，應從智能電能表的模塊化、開放性、可升級性以及安全性等方面提出規(guī)范化的技術要求；

（3）應考慮確定智能電能表的法制計量范疇；

（4）應注重智能電能表在通信功能以及軟件等方面的特殊測試方法。

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Development and Research of Energy Meter Technology in the Background of Smart Grid

ZHAO Nan1,2, WANG Xin2, LI Ying-na1, WU Sheng1
(1. Faculty information Engineering and Automation,University of Science and Technology,Kunming 650500, China;2. Yunnan Power Gird Company Electric Power Research Institute, Kunming 650217, China)

Intelligent electric energy meter running environment of the scene becomes more and more complicated, the measurement accuracy and credibility are more and more challenges, it is necessary to form of energy in the long run the indicators of the study. Smart Grid is one of the future development goals of China Power Grid. The Power generation system will also develop to ward intelligent. Power system inorder teomply with the smart grid.Andulti mately realizeits sustainability. This paper introduces the development history of the energy meter and the future development trend and breakthrough point of the electric energy meter in the background of the smart grid,The use of big data to measure the way the power metering in order to achieve a more user-oriented user behavior analysis,it is better service to the people.

Smart grid; Intelligent energy meter; Credibility measure; Big data

TP216

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.025

本文著錄格式：趙楠，王昕，李英娜，等. 智能電網(wǎng)大背景下電能表技術的發(fā)展與研究[J]. 軟件，2017，38（12）：129-135

趙楠(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向大數(shù)據(jù)、信息安全；吳晟，男，教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，算法設計；李英娜，女，副教授，主要研究方向：智能電網(wǎng)，傳感網(wǎng)組建與信息集成和智能分析研究；王昕(1967-)，女，工學士，高級工程師，長期從事電能計量研究。

吳晟，教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，算法設計。