淺析基于泛在電力物聯網的智能電表設計與應用

淺析基于泛在電力物聯網的智能電表設計與應用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：智能電網出現后,無論是供電測還是用電側,都會自然地走向萬物互聯,從而誕生出泛在電力物聯網。泛在電力物聯網將供電系統與用電系統實現了的統一,將用電管理直接擴展到電網端,形成了家庭、社區,樓宇、城市、社會生活等方方面面的智慧用供電管理體系。在這個用供電體系中,智能電表無疑成為管理體系中的一個核心設備。智能電表的任務也將從單純電量計量向用供電領域的信息平臺、交互平臺、控制平臺的平臺化目標前進。未來,智能電表將在家庭生活、智慧社區、智慧城市等現代化生活中發揮巨大的作用。

關鍵詞：智能電網；泛在電力物聯網；智能電表

1泛在電力物聯網

泛在電力物聯網誕生前,人們將物聯網的概念局限于互聯網的萬物互聯。萬物互聯形成的所有智能化終端都是一個智能化的電子系統,都帶有一個電源子系統,在提升各種智力功能時,都要有電源管理功能。一些小型的智能終端中,大多使用獨立的電源。在一些大型物聯網應用(如分布式系統、局域網系統的智能家居、工業生產線、電動車充電樁、城市安防系統、城市照明系統)中,它們都會延伸到智能電網,從而帶來復雜的電源管理與用供電管理,并衍生出智能電網對用電側終端設備的感知與控制;加上互聯網技術對智能電網智力提升,實現了其對龐大的電力生產、輸配電、電力調度、安全運營中的所有終端設備的智能互聯,從而形成了一個泛在的電力物聯網。

雙網結構是泛在的電力物聯網特有的結構體系,內網包括發電的電源側與輸、配電的電網側,外網包括用戶側與供應商。內外網有一個共同界面,這個界面就是智能變電站與智能電表,它用于實現供電側對用電側的感知、控制與信息交互。泛在電力物聯網內外網雙網結構體系的形成源于供電、用電的兩個不同的網絡體系。前者屬于強電領域,是一個壟斷的封閉型網絡體系;后者屬于弱電領域,是一個自由的開放型網絡體系。內、外網交互界面中的智能電表采用標準的雙芯結構體系,以應對雙網結構的電力物聯網,用相對獨立的方式實現泛在電力物聯網供電端電量計量與用電端用電管理的安全保障。

2初級階段的泛在電力物聯網

現階段,泛在電力物聯網處于內網建設的初級階段,主要有內網的三型兩網建設、云平臺建設、大數據與數據服務,以及應對新能源的智慧能源服務系統建設等。

（1）三型兩網建設

2019年10月,電網有限公司發布了《泛在電力物聯網白皮書2019》。白皮書中把“三型兩網”建設確定為泛在電力物聯網建設的戰略目標。三型,即樞紐型的智力電網、平臺型的物聯網應用服務與內外網共享型的社會屬性;兩網,即堅強智能電網與泛在電力物聯網。當前,在兩網建設中,在堅強智能電網建設為基礎上,不斷向用電側的物聯網應用擴展。對于物聯網應用的嵌入式系統從業者來說,會注重用電管理相關的應用層、平臺層、網絡層、感知層的基礎建設。

（2）云平臺建設

物聯網誕生后,隨之而來的必然是大數據與云計算,云平臺則是實現云計算服務的重要工具。泛在電力物聯網云平臺建設內容有:變電所運維云平臺、能源管理云平臺、智慧用電云平臺、環保用電監管云平臺、充電樁(電動汽車、自行車)運營管理云平臺、預付費管理云平臺等?？梢钥闯?泛在電力物聯網云平臺建設的集中在智能電網新能源的發電、儲電、并網與供電的負荷應用領域。目前,我國物聯網應用中出現了眾多的云平臺(如阿里云、騰訊云、華為云等),這些都是外網中開放性的云平臺。從電網壟斷性、安全性出發,電網會建設獨立、封閉、由嚴格管控的泛在電力物聯網的云平臺。

（3）大數據與數據服務

萬物互聯后,必然出現大量的感知數據,物聯網、大數據、云計算便成為物聯網+應用中三位一體的重要產業應用模式。

所有用電側的物聯網大系統都會以各種方式與智能電網相連,泛在電力物聯網的感知層會感知眾多用電信息,從而形成電力系統的大數據體系。在這些用電大數據中包含眾多信息,從而形成了一個龐大的數據服務產業。圖1展示了泛在電力物聯網中大數據服務領域與服務內容。這些服務領域與服務內容幾乎涵蓋了與社會生活相關的全部領域與方方面面。

泛在電力物聯網大數據服務中的一個典型應用案例是城市住房空置率的數據統計。所有新建住宅都會安裝智能電表,從智能電表的使用/空閑,以及電量計數可以判斷住房是空置還是在使用中。

智慧能源服務系統建設

當前,泛在電力物聯網的一個重要任務是新能源的應用服務(如風電、光伏分布式能源的發電、并網、電力調度,以及新能源汽車的能源(氫能源電池、動力電地)供應與管理服務等)。圖2是一個用于電動汽車充電的智慧能源服務系統。

未來,眾多新能源都會以電能為核心,無論是發電(風電、光伏)還是能源(氫能、地熱能、潮汐能等)轉換,抑或是能源利用,都少不了電網的支持。圖2展示了一個泛在電力物聯網應對電動汽車充電的內外網、供電用的一個完整體系。

3新一代智能電表的發展趨勢

從傳統計量電表到電力物聯網新型智能電表,其發展的趨勢是:多功能智力平臺構建、眾多半導體廠家參與、三表合一的綜合應用、應對多元化的多功能服務等。

多功能智力平臺構建

為了應對電力物聯網對用電側的智能用電管理,將傳統電能計量表變革到集感知、控制、監測、用電管理為一體,具有通信、交互、顯示功能的一個智力平臺;為了適應未來大數據、云計算的應用,該平臺不僅有良好的智能控制能力,還應有強大的計算能力,以滿足邊緣計算要求。從單一通話功能手機到如今智能手機的演變,我們可以想象一下未來智能電表的發展前景。

（2）眾多半導體廠家積參與

智能電表以MCU為核心,并逐步過渡到能滿足邊緣計算、實時感知與控制的AI芯片。受市場需求吸引,早在十多年前,眾多半導體廠家就積參與了智能電表芯片的開發,如早期ADI公司的ADE系列、飛思卡爾的MZ系列、恩智浦的LPC1700系列、西門子的Blackfin處理器等。眾多國際知名半導體廠家的介入有利于智能電表硬件體系的不斷更新,以及從MCU到AI芯片的更新迭代。

（3）三表合一的綜合應用

為了應對智慧樓宇、智能家居的建設,原有分離的三表 (氣、水、電表)將逐漸走向合一,從而開創多傳感器感知與 智能控制的智慧生活時代。未來,三表合一的綜合計量、AI 芯片的算力提升、邊緣計算的特殊賦能、用電模式的遠程測 控等將大地提升家庭能源應用的智慧化管理水平。

（4）應對多元化的多功能服務

為了應對日益多元化的能源及能源管理,智能電表將 逐漸完善從單向到雙向、從近程到遠程、從通信到控制的 功能進化。例如:

為了應對分布式電源、儲能電源的電網輸送,智能 電表從電網側單向計量變為電網側/用戶側的雙向輸送、 計量、管理與監測功能;

為了應對用供電側的交互功能,新型智能電表必 須具有雙向通信功能,如供電側發出用電信息、用電側發 出請求調控信息的雙向通信功能;

為了應對未來更多外部設備接入帶來電源管理要 求,智能電表會開發出眾多的遙控、遙測功能,未來的智能 電表會成為一個智能化住宅、樓宇用電模式的控制中心。

4智能電表的IR46雙芯體系構建

早期,智能電表結構體系的國際標準IR46(InternationalRecommendation46)由國際法制計量組織(OIML)制定并于2012年10月發布。多年來一直在不斷完善,我國一直遵循該標準。

IR46標準的核心理念是使智能電表向測控平臺發展,實現計量與管理雙芯結構,并保證雙芯的物理分離。雙芯之間只能通過SPI接口進行數據交換。圖3清晰地展示了一個智能電表的標準雙芯結構體系。

計量芯作為獨立的法制計算部分,嚴格管控,不能隨意升級,以確保數據準確可靠、數據可追溯與時鐘的安全性。

管理芯滿足平臺管理要求,實現雙向交互、顯示與通信,用電管理與優化用電模式等。軟件下載與更新不影響計量芯的正常工作,未來還須滿足邊緣計算要求。

雙芯之間依靠SPI總線相連。SPI是主從模式的串行外設接口總線,支持一個或多個Slave設備,廣泛用于MCU和外設模塊連接。這種總線連接方式有效地保證了雙核間相對獨立與安全操作空間。

智能電表雙芯設計理念源于泛在電力物聯網的內外網體系結構,以及內外網不同的狀態。泛在電力物聯網的內網是一個壟斷、封閉、關乎利益與安全的電網,外網則是一個充滿不安全因素、自由、開放的互聯網。雙芯的結構模式可以在確保電網安全與電力用戶數據安全的同時,充分介入用戶端的用電管理,實現與用戶的自由交互,有利于未來智能電表在用戶側的平臺化應用。

5 Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

（2）應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

充電樁管理

通過物聯網技術，對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

智能照明

智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁面

安全用電

安全用電采用剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然”的目的。

智慧消防

通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。填補了原先針對“九小場所”和?；飞a企業無法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”、用電管理“精細化”的實際需求。

（5）系統硬件配置

	可擴展DIDO以及多路模擬量輸入輸出單元。 通訊方式：RS485接口，Modbus協議?？蓴U展2G、Lora、LoRAWAN、NB-IoT、4G、以太網
無線測溫	ARTM-Pn		可監測電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、電能，可接收60個無線溫度傳感器溫度
ATC600		ATC600有2種工作模式：終端(-C)、中繼(-Z)，可根據項目布局選擇配置?？山邮?40個無線溫度傳感器溫度
光伏監控	AGF

	全電量測量，四象限電能，復費率電能，儀表內部溫度測量，總有功、總無功、總視在電能脈沖輸出、秒脈沖等可選。三相電流、有功功率、無功功率、視在功率實時需量及需量(包含時間戳)。電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、電流總諧波、電壓總諧波的本月值和上月值(包含時間戳)。中文顯示，有功電能0.2s級。通訊方式：RS485，Prifibus-DP、以太網
物聯網電表	DDS		有功、無功電能計量，電參量測量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD顯示，RS485通訊，MODBUS-RTU和DL/T645協議
物聯網電表	DDSD

	有功、無功電能計量，電參量測量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD顯示，RS485通訊，MODBUS-RTU和DL/T645協議
ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。（正、反向）有功、無功電能計量；A、B、C分相正向有功電能計量；2-31次諧波電壓電流；12位段式LCD顯示、背光顯示，電能精度0.5s級。
ADW200

	4路三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率值記錄；需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持12路開關量輸入4路開關量輸出；支持12路測溫4路剩余電流測量；有功電能精度1級。 通訊方式：RS485接口，支持Modbus-RTU協議
ADW210		4路三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率值記錄；需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持12路開關量輸入4路開關量輸出；支持12路測溫4路剩余電流測量；有功電能精度1級。
ADW300-4G

	三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。有功電能計量（正、反向），A、B、C分相正向有功電能，支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率需量及發生時間，實時需量，歷史凍結數據購電記錄；8位段式LCD顯示、背光顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能0.5s級。
直流電能表	DJSF1352		1.精度：1級或0.5級，帶±12V電壓輸出用于霍爾傳感器供電 2.測量：電壓、電流、功率、正反向電能，支持雙路計量。
電氣安全	ARCM300-Z		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、cosΦ），視在電能、四象限電能計量，單回路剩余電流監測，4路溫度監測，2路繼電器輸出，2 路開關量輸入，支持斷電報警上傳
AAFD-DU

	監測故障電弧、漏電、溫度 兩路無源干接點（開關量）輸入 兩路無源常開觸點（開關量）輸出
充電樁	ACX系列		充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電，
AEV_AC007

6結論

泛在電力物聯網是繼物聯網之后的又一重大變革,它將物聯網大系統的供電體系與用電體系統一成一個完整的物聯網世界。

泛在電力物聯網由智能電網蛻變而來,由電網,目前尚處于初級階段。2019年由電網發布的《泛在電力物聯網白皮書2019》中規劃了2024年建成泛在電力物聯網的具體目標事弱電領域智能系統應用的。嵌就入多式年系來統在領物域聯的網業應者用而中言從,一旦涉及物聯網大應用(如新能源、電動汽車)領域,必然會與電力物聯網相關聯;同時,智能電表在用電側平臺化的深入應用,必將帶來智慧家居、智慧樓宇、智慧城市、智慧交通等領域用供電的統一應用模式。

參考文獻

[1]何立民.泛在電力物聯網中的智能電表

[2]企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

審核編輯 黃宇