智能电网中的智能电表

　　智能电表是由传统电能表逐步发展起来的，它在智能电网中是重要的智能终端。智能电表功能的扩充使得智能电表除了具有了双向计量的基本功能以外，还具有分时分类计量.双向通信、多种控制的功能。智能电表的大量使用将会使得智能电网的节能、高效、安全的性能得到更充分的体现。
   　　1．序言
   　　智能电表是智能电网的智能终端，它已经不是传统意义上的电能表，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用它还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能，防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。
   　　随着智能电网的日益发展，世界各国对于智能化用户终端的需求也日益增大，据统计，在未来5年，随着智能电网在世界各国的建设，智能电表在全球安装的数量将高达2亿多只。同样，在中国，随着国家坚强智能电网建设的进展，作为用户端的智能电表的需求也会大幅度地增长，保守的预计，市场将会有1.7亿只左右的需求。美国政府为升级本国电网的拨款中，就有一部分专门用于在未来3年致使13%的美国家庭(1800万户家庭)能装上智能电表。在欧洲，意大利及瑞典已经完成先进计量基础设施的部署，将所有普通电表更换为智能电表。法国、西班牙、德国和英国预计在未来10年内也将完成智能电表的全面推广和应用。
   　　2． 传统电能表简介
   　　最传统的用户终端一电能表是电磁式的，安装在用户端，用于计量用户的用电量，计量单位为度(kWh)。
   　　为了提倡用电量的合理性分配，鼓励用户在用电的低谷期用电，在我国己经逐步开始推广使用分时电表(如图1)，它具有简单的分时计量功能，也就是可以分为白天和黑夜两个区间分别计量，为峰期和谷期的分别计费提供了依据。
     
   　　随着数字化技术在电能表中的应用，电能表的功能逐步得到扩充，一批多功能的电能表相继诞生。比如预付费电能表就是应用比较广泛的电能表之一。它通过预付费卡为电能表充值，然后按照当地的单位电价和用电量从预存费用中扣除，预存费被扣除为零时，电表将不为用户提供电能除非你再次充值。这种通过Ie卡预付费的电能表也有称为"智能Ie卡预付费电能表"的，但它还不是真正意义上的智能电表(如图2)。
   　　除此之外，为了提高效率，减少上门抄表吃闭门羹的的尴尬，也开始有了一些具有红外抄表和异地抄表功能的电能表(图3)和防止窃电(图4)等扩充功能的多功能电能表问世。但这些多功能的电能表也还是电能表智能化的起步，与真正意义上的智能电表还有很大的差别。
     
   　　早在2007年12月初，国家发改委就发布了《多功能电能表》和((多功能电能表通信协议》两个行业标准，标准编号分别为"DL/ T614-2007"不n" DL/T645-2007飞此外还有国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布的《多功能电能表特殊要求》(GB/17215.301--2007)等国家标准。到2009年10月，国家电网公司公布了智能电表新标准，新标准对电表在计量、费控、通信、功耗、电子线路布线等技术指标要求均有了大幅提高，以前对于微控制器MCU(MicroController Unit)附加功能由可选变成了必选工页，要求有更高的计算能力DMIPS(Dhrystone Million Instructions Per Second)以满足智能电表的高性能要求：要求有更大的存储容量以满足复杂的数据处理需求:更多的输入输出I/O方式以应对与日益增多的外部设备的对接。可见，智能电表是含有微控制器支持的比多功能表具有更多功能的一种智能终端。
   　　3．智能电表简介
   　　智能电表不同于一般的多功能电能表，因为它本身含有功能较强的微控制器(MCU)，所以它就像一台小型的电脑一样，自动化和智能化的功能更丰富、更强大，通常它会具备以下的一些主要功能。
   　　(1) 双向计量
   　　作为智能电网的用户端，智能电表的主要功能是为用户提供一个电网的入户接口，通过智能电表可以将安全、高质量的电能输送到用户的用电设备上。在新能源蓬勃发展的今天，许多分布式新能源已经在用户端得到了充分的使用，用户自己产生的清洁能源除了满足用户自身的需要以外会产生多余的能量，也可以通过智能电表反馈到电网中去。所以智能电表就要具备双向电能输送和计量的功能。在计量的过程中，因为有MCU的支持，可以方便地实现智能电网供电系统内精确、可靠的电能管理。它不仅可以简单地实现分时管理，用户的用电情况可以有更多的分类，更清晰明了。比如它除了可以包含每个月的用电量，而且还可以按日期、时间以及按耗电的电器分类分别计量不同的电费和电能使用情况。这就为电网高效节能管理提供了有用的实时信息。依据这些信息，管理方可以通过合理的手段，为一些高耗能设备从用电高峰时段转到非用电高峰时段提供优惠折扣，实现错峰避蜂用电，提高电网的运行效率。
   　　(2) 双向通信
   　　智能电表与智能电网之间的数据采集和发送都离不开远程通讯，为此，智能电表的远程通信功能就尤为重要。智能电网中的智能变电站除了可以接受智能电表发出的用电信息以外，还可以向智能电表发出调控信息，因此，智能电表一般要求具有双向的通信功能。可以说通信功能是智能电表的主要功能之一。
   　　智能电表与远端的智能化变电站之间的通讯方式可以有多种形式，如电力线路的载波通讯、无线网络通讯、通信网络通讯以及借助其他专网的通讯(如有线电视网络等)。未来三网合一的发展，也会为智能电表的通讯带来更大的方便。
   　　(3) 控制功能
   　　智能电表将会具备传统的电能表和多功能电能表所无法企及的对智能家电设备的控制功能。智能电表的MCU可以带有强大的I/O接口，使得它可以与更多的外部设备对接。借助远程通信的功能，用户在异地通过计算机网络、移动通讯设备对自己家里的各类智能化用电设备进行远程遥控、遥测将会变成现实。比如:对空调、洗衣机、电饭策、电热水器、照明、电控窗帘和百叶窗等实现在远端的开关控制。当在居家安装了智能化安全系统以后，通过智能电表的远程通信功能还可以实现异地的监控和报警。可以说智能电表的功能也会不断地扩充，未来的智能电表就可能成为一个智能化住宅的控制中心(图5)。
     
   　　4．国外智能电表的发展状况
   　　(1)美国ADI公司
   　　美国模拟器件公司ADI(AnalogDevicesInc.，)是国际着名的IC设计公司，公司在高性能模拟集成电路(Ie)、数字信号处理器(DSP)和微电子机械系统(MEMS)技术领域居于业界领先地位，其产品在整个IC行业占据了非常大的份额，他们的研究方向代表了IC设计的发展方向。
   　　2009年12月，美国ADI公司宣布推出四款高精度电能计量扰，型号为ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854，可用于提高商业、工业及住宅智能电表的精度和性能。四款产品的进度达到0.1 %，可同时测量无功和有功功率。此外，其中一款产品还具备基波电能测量功能，这对电能质量监测而言至关重要。
   　　ADE7878、ADE7858及ADE7854高精度电能计量IC为多相配置而设计， 能质量参数，如SAG、峰值、周期、角度测量及相序等。另外，ADE7868和ADE7878具备各种防窃电功能。
   　　(2) 美国程思卡尔半导体公司
   　　美国的飞思卡尔半导体(FreescaleSemiconductor，Inc.，)是全球领先的半导体公司，为汽车、消费电子、工业控制和网络市场设计并制造嵌入式半导体产品口在全球拥有设计、研发、制造和销售机构。飞思卡尔利用在嵌入式领域的专业知识，在充分研究中国国网新标准有关单相电表设计要求的基础上，飞恩卡尔推出了MZ系列8位微控制器(MCU)芯片，集成了60kB、96 kB 或128kB闪存，提供64引脚LQFP封装。MZ系列微控制器还提供32位处理器芯片，集成256kB闪存。
   　　飞思卡尔根据中国国网新标专门推出的64引脚的单项电表用9S08MZ60、MZ96、MZ128MCU，三项电表用51MZ256等产品，并已完成了样机制造。
   　　(3) 欧洲恩智浦半导体公司
   　　总部位于荷兰Eindhoven的世界前十大半导体公司一恩智浦半导体(NXP Semi conductors)以其领先的射频、模拟、电源管理、接口、安全和数字处理方面的专长。产品应用涉及汽车、智能识别、无线基础设施、照明、工业、移动、消费和计算等领域。
   　　根据智能电表发展蓝图，NXP推出了基于ARMCortex的MCU解决方案- LPC1 700系列。LPCI70。在智能电表系统中的应用主要包括三相(多功能)表、单相复费率/多功能表和多功能终端。
   　　具体来看，LPCI700的主要特点有:具有100MHz处理速度的ARMCortex -M3控制器、嵌套向量中断处理器、内存保护单元、唤醒中断处理器，可以满足各种优先级中断的自动唤醒，四种省电模式:睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电。
   　　NXP智能电表外围采用了优化设计，具有防窃电等多种功能，可使用非接触式读卡技术完成预付费。其智能MX安全解决方案中，可配有室内多计量表无线连接用ISM一-band收发器，并有多种标准芯片可选，诸如SMPS(开关电源)芯片、低功耗实施时钟、显示驱动器、小信号分立器件和标准逻辑器件等。
   　　(4) 德国西门子公司
   　　西门子自动抄表信息系统(AMIS)，ANIS利用ADI公司的Blackfin处理器。西门子公司选择了Blackfin汇聚式处理器。这是因为该处理器具备同时作为DSP和Meu进行无缝工作的能力，特别适合西门子AMIS的高处理和动态通信应用要求。Blackfin处理器具备处理仪表级原始实时用电数据以及实现仪表和电网之间通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解决方案。由于供电公司的AMIS智能电表的部署范围不仅仅覆盖本地电网，因此西门子基于Blackfin的电表部件还能按本地或国家特有的不同通信标准方便地通过软件轻松升级。
   　　AMIS可以实现全电网范围的数据采集以及电力公司、电网和用户之间的通信。通过基于Blackfin处理器设计的智能电表器件，系统不仅可以测量各个家庭的用电情况，还可以扩展到从发电厂到用户的整个系统，AMIS对电网进行监控并将数据传送给控制站。系统采用电力线技术来传送数据，AMIS还可用无线电、互联网或本地交换载波进行通讯。
   　　基于Blackfin的智能电表不仅能够满足目前的设计要求，而且还可以方便地实现下一代能量管理，为用户提供可选的用电额度应用作好了准备。AMIS支持更多的新能源系统的采用，AMIS系统仪表可以控制从太阳能电池或者发电厂输送的电能。
   　　虽然有先哲的预言，然而却没想到步伐却如此地迅速。以美国及欧洲为中心，已开始导入带有通信功能的智能电表。最近，这一趋势也全面波及到日本。日本业界最大的厂商一东京电力已于2010年10月开始进行智能电表的验证实验。
   　　5．国内智能电表应用前景
   　　国内智能电表大规模应已经将启动，国家电网公司在2010年智能电网第一阶段的项目中大约有91亿元用于智能电表、电表采集终端及后台系统建设。智能电表标准也已经下发，2009年11月国家电网公司已经启动了第一批智能电表招标，本次招标包含二级单相远程费控智能电能表680多万只，一级三相费控智能电能表26万只，招标金额大约13亿元。预计国网公司2015年前将全面建成用电信息采集系统，居民用户信息采集得到大规模应用，智能电表覆盖率超过80%，用户超过1.4亿户， 2020年智能电表的覆盖率将达到100%。作为应用的先例，浙江省宁波第一批智能用电信息采集器在海曙、江东、江北、镇海、北仑全面安装，1600户居民将首先享受到"智能电表"带来的便利。
   　　2009年11月，浙江省海盐供电局在该县的南塘琴同推出了一个智能用电服务系统。目前该县通元镇韩家桥的风电、太阳能发电互补发电并网工程已投入运行。该互补并网工程包括1000W的光伏发电和500 W的风力发电，都是装在用户现场。在工程中使用了双向的电表测量技术，既可记录用户取自电网的电量，也可记录用户自身所发出的电量。
   　　在2010年上海世博会园区内，智能电表已经广泛使用。世博园区内35kV及以上用户7户，其中包括中国馆，10 kV用户45户，太阳能用户3户，总共覆盖了近200个智能电表。作为智能电网的一个组件，智能电表在这个领域是的作用是举足轻重的。
   　　我国智能电表研究和推广时间与国际基本同步，但由于受以下几方面因素的影响，我国智能电表技术与国外水平存在较大差距。一是核心技术缺失。高端市场基本被国外产品占领，使是国产品牌F芯片、电解电容、液晶显示屏(LCD)等核心部件均采用国外产品或技术，自有技术支撑能力薄弱。二是生产厂家分散，直接导致研发力量不足，核心技术突破进展缓慢。目前，我国各种类型电表年产量己达2亿台以上，生产厂家有500多家，产品主要以面向国内居民和工商业用户为主，而精度要求较高的高端产品，国外产品仍占据主导地位。第三集成能力落后于国际水平。我国智能电表生产研发核心技术分散在电子、机械、电力等多个行业，技术集成难度较大。缺乏像IBM、GE等具备跨行业、跨平台产业整合能力的大型企业集团，即使单项专业技术接近国际水平，但由于集成环节或安装工艺存在短板，电表产品的应用性能仍然难以满足要求。
   　　总体看来，智能电网建设为智能电表普遍应用提供了契机。而国外智能电表发展日臻成熟，相比之下，我国须从研究、制造、推广等环节加大力度，推进智能电表产业化步伐。