浅析基于泛在电力物联网的智能电表设计与应用

浅析基于泛在电力物联网的智能电表设计与应用

张颖姣

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：智能电网出现后,无论是供电测还是用电侧,都会自然地走向万物互联,从而诞生出泛在电力物联网。泛在电力物联网将供电系统与用电系统实现了的统一,将用电管理直接扩展到电网端,形成了家庭、社区,楼宇、城市、社会生活等方方面面的智慧用供电管理体系。在这个用供电体系中,智能电表无疑成为管理体系中的一个核心设备。智能电表的任务也将从单纯电量计量向用供电领域的信息平台、交互平台、控制平台的平台化目标前进。未来,智能电表将在家庭生活、智慧社区、智慧城市等现代化生活中发挥巨大的作用。

关键词：智能电网；泛在电力物联网；智能电表

1泛在电力物联网

泛在电力物联网诞生前,人们将物联网的概念局限于互联网的万物互联。万物互联形成的所有智能化终端都是一个智能化的电子系统,都带有一个电源子系统,在提升各种智力功能时,都要有电源管理功能。一些小型的智能终端中,大多使用独立的电源。在一些大型物联网应用(如分布式系统、局域网系统的智能家居、工业生产线、电动车充电桩、城市安防系统、城市照明系统)中,它们都会延伸到智能电网,从而带来复杂的电源管理与用供电管理,并衍生出智能电网对用电侧终端设备的感知与控制;加上互联网技术对智能电网智力提升,实现了其对庞大的电力生产、输配电、电力调度、安全运营中的所有终端设备的智能互联,从而形成了一个泛在的电力物联网。

双网结构是泛在的电力物联网特有的结构体系,内网包括发电的电源侧与输、配电的电网侧,外网包括用户侧与供应商。内外网有一个共同界面,这个界面就是智能变电站与智能电表,它用于实现供电侧对用电侧的感知、控制与信息交互。泛在电力物联网内外网双网结构体系的形成源于供电、用电的两个不同的网络体系。前者属于强电领域,是一个垄断的封闭型网络体系;后者属于弱电领域,是一个自由的开放型网络体系。内、外网交互界面中的智能电表采用标准的双芯结构体系,以应对双网结构的电力物联网,用相对独立的方式实现泛在电力物联网供电端电量计量与用电端用电管理的安全保障。

2初级阶段的泛在电力物联网

现阶段,泛在电力物联网处于内网建设的初级阶段,主要有内网的三型两网建设、云平台建设、大数据与数据服务,以及应对新能源的智慧能源服务系统建设等。

（1）三型两网建设

2019年10月,电网有限公司发布了《泛在电力物联网白皮书2019》。白皮书中把“三型两网”建设确定为泛在电力物联网建设的战略目标。三型,即枢纽型的智力电网、平台型的物联网应用服务与内外网共享型的社会属性;两网,即坚强智能电网与泛在电力物联网。当前,在两网建设中,在坚强智能电网建设为基础上,不断向用电侧的物联网应用扩展。对于物联网应用的嵌入式系统从业者来说,会注重用电管理相关的应用层、平台层、网络层、感知层的基础建设。

（2）云平台建设

物联网诞生后,随之而来的必然是大数据与云计算,云平台则是实现云计算服务的重要工具。泛在电力物联网云平台建设内容有:变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩(电动汽车、自行车)运营管理云平台、预付费管理云平台等。可以看出,泛在电力物联网云平台建设的集中在智能电网新能源的发电、储电、并网与供电的负荷应用领域。目前,我国物联网应用中出现了众多的云平台(如阿里云、腾讯云、华为云等),这些都是外网中开放性的云平台。从电网垄断性、安全性出发,电网会建设独立、封闭、由严格管控的泛在电力物联网的云平台。

（3）大数据与数据服务

万物互联后,必然出现大量的感知数据,物联网、大数据、云计算便成为物联网+应用中三位一体的重要产业应用模式。

所有用电侧的物联网大系统都会以各种方式与智能电网相连,泛在电力物联网的感知层会感知众多用电信息,从而形成电力系统的大数据体系。在这些用电大数据中包含众多信息,从而形成了一个庞大的数据服务产业。图1展示了泛在电力物联网中大数据服务领域与服务内容。这些服务领域与服务内容几乎涵盖了与社会生活相关的全部领域与方方面面。

泛在电力物联网大数据服务中的一个典型应用案例是城市住房空置率的数据统计。所有新建住宅都会安装智能电表,从智能电表的使用/空闲,以及电量计数可以判断住房是空置还是在使用中。

智慧能源服务系统建设

当前,泛在电力物联网的一个重要任务是新能源的应用服务(如风电、光伏分布式能源的发电、并网、电力调度,以及新能源汽车的能源(氢能源电池、动力电地)供应与管理服务等)。图2是一个用于电动汽车充电的智慧能源服务系统。

未来,众多新能源都会以电能为核心,无论是发电(风电、光伏)还是能源(氢能、地热能、潮汐能等)转换,抑或是能源利用,都少不了电网的支持。图2展示了一个泛在电力物联网应对电动汽车充电的内外网、供电用的一个完整体系。

3新一代智能电表的发展趋势

从传统计量电表到电力物联网新型智能电表,其发展的趋势是:多功能智力平台构建、众多半导体厂家参与、三表合一的综合应用、应对多元化的多功能服务等。

多功能智力平台构建

为了应对电力物联网对用电侧的智能用电管理,将传统电能计量表变革到集感知、控制、监测、用电管理为一体,具有通信、交互、显示功能的一个智力平台;为了适应未来大数据、云计算的应用,该平台不仅有良好的智能控制能力,还应有强大的计算能力,以满足边缘计算要求。从单一通话功能手机到如今智能手机的演变,我们可以想象一下未来智能电表的发展前景。

（2）众多半导体厂家积参与

智能电表以MCU为核心,并逐步过渡到能满足边缘计算、实时感知与控制的AI芯片。受市场需求吸引,早在十多年前,众多半导体厂家就积参与了智能电表芯片的开发,如早期ADI公司的ADE系列、飞思卡尔的MZ系列、恩智浦的LPC1700系列、西门子的Blackfin处理器等。众多国际知名半导体厂家的介入有利于智能电表硬件体系的不断更新,以及从MCU到AI芯片的更新迭代。

（3）三表合一的综合应用

为了应对智慧楼宇、智能家居的建设,原有分离的三表 (气、水、电表)将逐渐走向合一,从而开创多传感器感知与 智能控制的智慧生活时代。未来,三表合一的综合计量、AI 芯片的算力提升、边缘计算的特殊赋能、用电模式的远程测 控等将大地提升家庭能源应用的智慧化管理水平。

（4）应对多元化的多功能服务

为了应对日益多元化的能源及能源管理,智能电表将 逐渐完善从单向到双向、从近程到远程、从通信到控制的 功能进化。例如:

为了应对分布式电源、储能电源的电网输送,智能 电表从电网侧单向计量变为电网侧/用户侧的双向输送、 计量、管理与监测功能;

为了应对用供电侧的交互功能,新型智能电表必 须具有双向通信功能,如供电侧发出用电信息、用电侧发 出请求调控信息的双向通信功能;

为了应对未来更多外部设备接入带来电源管理要 求,智能电表会开发出众多的遥控、遥测功能,未来的智能 电表会成为一个智能化住宅、楼宇用电模式的控制中心。

4智能电表的IR46双芯体系构建

早期,智能电表结构体系的国际标准IR46(InternationalRecommendation46)由国际法制计量组织(OIML)制定并于2012年10月发布。多年来一直在不断完善,我国一直遵循该标准。

IR46标准的核心理念是使智能电表向测控平台发展,实现计量与管理双芯结构,并保证双芯的物理分离。双芯之间只能通过SPI接口进行数据交换。图3清晰地展示了一个智能电表的标准双芯结构体系。

计量芯作为独立的法制计算部分,严格管控,不能随意升级,以确保数据准确可靠、数据可追溯与时钟的安全性。

管理芯满足平台管理要求,实现双向交互、显示与通信,用电管理与优化用电模式等。软件下载与更新不影响计量芯的正常工作,未来还须满足边缘计算要求。

双芯之间依靠SPI总线相连。SPI是主从模式的串行外设接口总线,支持一个或多个Slave设备,广泛用于MCU和外设模块连接。这种总线连接方式有效地保证了双核间相对独立与安全操作空间。

智能电表双芯设计理念源于泛在电力物联网的内外网体系结构,以及内外网不同的状态。泛在电力物联网的内网是一个垄断、封闭、关乎利益与安全的电网,外网则是一个充满不安全因素、自由、开放的互联网。双芯的结构模式可以在确保电网安全与电力用户数据安全的同时,充分介入用户端的用电管理,实现与用户的自由交互,有利于未来智能电表在用户侧的平台化应用。

5 Acrel-EIOT能源物联网云平台

（1）概述

Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

（2）应用场所

本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

（3）平台结构

（4）平台功能

电力集抄

电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。

变压器监控

配电图

能耗分析

能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。

能耗概况

预付费管理

1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；

2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；

3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；

4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；

5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；

6）报表：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。

预付费看板

充电桩管理

通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

充电桩看板

智能照明

智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。

监控页面

安全用电

安全用电采用剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。

智慧消防

通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。填补了原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。

（5）系统硬件配置

类型	型号	外观	产品功能
能源物联网云平台	Acrel-EIOT

	提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问
智能网关	AWT100-4G

	1路下行485，上行可选配4G、WIFI、网口
ANet-1E2S1-4G

	上行：以太网、4G 下行：RS485
物联网电表	ARTU系列

	可扩展DIDO以及多路模拟量输入输出单元。 通讯方式：RS485接口，Modbus协议。可扩展2G、Lora、LoRAWAN、NB-IoT、4G、以太网
无线测温	ARTM-Pn		可监测电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电能，可接收60个无线温度传感器温度
ATC600		ATC600有2种工作模式：终端(-C)、中继(-Z)，可根据项目布局选择配置。可接收240个无线温度传感器温度
光伏监控	AGF

	光伏电池串开路报警，可以配合组串电压进行综合判断；带3路开关量状态监测，用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点状态；一次电流采用穿孔方式接入，安装方便，安全性高；测量元件采用霍尔传感器，隔离测量电流20A；电压测量功能可测量母线电压高DC1500V
电力监控	AEM96

	三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
AEM72

	三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
ACR系列

	三相所有电力参数、需量记录（ACR320EFL）、分时电能统计及12月电能统计、日期时间显示、LCD显示、RS485通讯，事件记录。 通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网
APM系列

	全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月值和上月值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网
物联网电表	DDS		有功、无功电能计量，电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD显示，RS485通讯，MODBUS-RTU和DL/T645协议
物联网电表	DDSD

	电能计量：总电能计量（反向计入正向），3个月历史电能数据冻结存储电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F测量LCD显示：8位段式LCD显示按键编程：3按键可编程设置密码、通讯地址、波特率、复费率和通讯协议。 脉冲输出：L有功电能脉冲输出复费率：4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率通讯：RS485接口，MODBUS-RTU、DL/T645-97、DL/T645-07协议、红外通讯
物联网电表	DTSD

	电能计量：有功电能计量（正、反向）、无功电能计量（正、反向）、A、B、C分相正向有功电能电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F谐波测量：2~31次谐波电压电流LCD显示：8位段式LCD显示、背光显示按键编程：4按键可编程通信、变比等参数脉冲输出：有功脉冲输出、无功脉冲输出、时钟脉冲输出LED报警：失压、过压报警复费率及附带功能：有源开关量输入、3开关量输出、支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率、需量及发生时间、上48月、上90日历史冻结数据、日期、时间 通讯：红外通讯、RS485接口、同时支持Modbus、DL/T645测温：支持3外置NTC测温
物联网电表	ADL200

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。总电能计量（反向计入正向），3个月历史电能数据冻结存储；8位段式LCD显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能2级。
ACR10R

	三相电流/电压/频率/功率因数，有功/无功/视在功率，四象限电能计量，需量，复费率电能计量，总谐波含量、分次谐波（2-63次），事件记录和报警功能。电能精度0.5级。 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
ADL10-E

	有功、无功电能计量，电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD显示，RS485通讯，MODBUS-RTU和DL/T645协议
ADL400		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。（正、反向）有功、无功电能计量；A、B、C分相正向有功电能计量；2-31次谐波电压电流；12位段式LCD显示、背光显示，电能精度0.5s级。
ADW200

	4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率值记录；需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持12路开关量输入4路开关量输出；支持12路测温4路剩余电流测量；有功电能精度1级。 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
ADW210		4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率值记录；需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持12路开关量输入4路开关量输出；支持12路测温4路剩余电流测量；有功电能精度1级。
ADW300-4G

	三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率值记录；需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持4路开关量输入、2路开关量输出；支持4路测温；支持1路剩余电流测量；支持本地显示及按键设置；有功电能精度1级。 通讯方式：支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯；WIFI通讯
预付费电表	DDSY-4G

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。
DTSY-4G

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。
直流电能表	DJSF1352		1.精度：1级或0.5级，带±12V电压输出用于霍尔传感器供电 2.测量：电压、电流、功率、正反向电能，支持双路计量。
电气安全	ARCM300-Z		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、cosΦ），视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，2 路开关量输入，支持断电报警上传
AAFD-DU

	监测故障电弧、漏电、温度 两路无源干接点（开关量）输入 两路无源常开触点（开关量）输出
充电桩	ACX系列		充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 支持投币、刷卡，扫码、免费充电，
AEV_AC007

	额定功率7kW,单相三线制，防护等级IP65,具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方式：4G、蓝牙、Wifi
智慧照明	ASL200

遥控输出 两路无源干接点（开关量）输入 两路无源常开触点（开关量）输出

6结论

泛在电力物联网是继物联网之后的又一重大变革,它将物联网大系统的供电体系与用电体系统一成一个完整的物联网世界。

泛在电力物联网由智能电网蜕变而来,由电网,目前尚处于初级阶段。2019年由电网发布的《泛在电力物联网白皮书2019》中规划了2024年建成泛在电力物联网的具体目标事弱电领域智能系统应用的。嵌就入多式年系来统在领物域联的网业应者用而中言从,一旦涉及物联网大应用(如新能源、电动汽车)领域,必然会与电力物联网相关联;同时,智能电表在用电侧平台化的深入应用,必将带来智慧家居、智慧楼宇、智慧城市、智慧交通等领域用供电的统一应用模式。

参考文献

[1]何立民.泛在电力物联网中的智能电表

[2]企业微电网设计与应用手册2022.05版.

审核编辑 黄宇