智能电能表的功能开发及系统分析

吴 斌，陈志佳

（1.上海市电力公司电能计量中心，上海 200051；2.上海市电力公司信息通信中心，上海 200030）

0 引言

智能电网（smart power grids）通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，提供满足21世纪客户需求的电能质量。其中，智能电能表是构建高级量测体系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）的基础设备之一，其功能涉及电网的生产、安全、考核和贸易结算各个环节。

与传统电能表的需求不同，智能电能表除了追求本身的准确性和可靠性外，更注重其互操性和系统集成，包括电能供应管理与控制、计量计费、配电系统自动化、调度自动化等。因此，智能电能表不仅需要满足当前计量体系的要求，还应着眼于未来5—10年智能电网发展的需要。

1 智能电网概述

我国的智能电网是以特高压骨干网架为基础，以信息化技术为桥梁，结合我国能源分布特点，以实现电网与电源和客户之间的互动为目的的智能化网络，是一个完整的信息架构和基础设施体系［1］。智能电网的建设可实现对电力客户、电力资产、电力运营的持续监控，利用“随需应变”的信息，提高电力公司的管理水平、工作效率和服务水平，进一步加强电网的安全可靠性，同时有助于推进绿色环保的分布式新型能源系统建设［2］。

智能电网的特点在于自愈、互动、坚强、优质电能供应、兼容各种发电与储能系统、活跃市场、优化资产和高速运行等［3］。智能电网实现的是“信息与电能的双向流动”，最终的驱动力是“节能减排”，其最高形式为“多指标自趋优运营”［4］。智能电网提供了一种激励的环境，邀请电能消费者与供给者，以各种方式来参与电网的运行，而电网运行本身则由刚性的调控向柔性调控转变，通过更多的价格杠杆来对电网实施运行管理。

2 智能计量系统的模块和功能

智能电能表由测量单元、数据处理单元、通信单元等部件组成。按模块化设计，分为相对独立的6个功能模块：①基本功能模块，分为时钟、清零、信号输出、显示、停电抄表和辅助电源；②安全功能模块，分为安全保护和安全认证；③计量功能模块，分为电能计量、需量测量和数据存储；④费控功能模块，分为费率和时段、冻结、费控和阶梯电价；⑤管理功能模块，分为事件记录、负荷记录、测量、预处理和报警；⑥通信功能模块。

以智能电能表为基础构建的智能计量系统，能够支持智能电网对负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场交易和减少排放等方面的要求。随着智能电网的构建，结合用电信息采集系统的应用，可对智能电能表进行独立、远程和相互配合的各种功能设置。

2.1 电价策略的执行

智能电能表是电价策略的灵活执行者。目前我国的电价是受管制的，管制下的电价无法真正反映电力供应与需求之间的关系，从而导致电力企业在电力需求波动的时候，缺乏有效的调节手段，造成资源的巨大浪费。理想化的电价形成机制，应该是电力企业根据电力供需状况以及电力供应中清洁能源的比例，实时制定并发布电价，通过价格杠杆调节电力客户的需求，实现电力负荷需求的理想化。但是，理想化的电价机制会形成多种电价，过于颗粒化的电价会使电力客户响应疲惫，同时带来电价政策发布和计量的庞大的通信数据量，导致智能用电系统运行费用和建设费用猛增。因此，必须根据实际需求选择相应的电价策略。

1）时段电价 在不同时段内实行不同的贸易电价。一般以小时或者更宽泛的时间为单位。

2）阶梯电价 由国家制定政策、各地政府根据社会发展水平确定实施细则，按基本生活用电量、正常合理用电量、满足较高生活质量用电量三档，或多档实施的电价政策。

3）特殊需求电价 对供电质量有特殊要求，如高可靠性、高稳定性，或可接受限制供电等事前协商确定的协议电价。

智能电网根据电网实际运行的情况，进行预测并设定下一时段的费率，用于调整相适应的输电、用电价格，并通过网络对智能电能表进行设置后由其执行。智能电能表可根据电网对电价策略的要求，接受阶梯电价、时段电价、特殊需求电价等各种不同的电价策略，并在执行过程中记录不同电价时刻的用电量信息。

由于智能电能表的费率及时段的划分和执行不是在智能电能表本地存储后周期循环执行的，而是完全依靠智能用电系统主站下发，智能电能表在T－1时段通过远程信道接收到电价时段划分策略后通知电力客户，并在T时段开始时执行。同时，客户也可以通过智能电能表监控自身用电量和费用，提出特殊需求，使电力公司供电购电更有针对性。

2.2 为客户与电力公司提供耗电量

智能电能表为客户和电力公司提供耗电量体现于本地显示、远程自动抄表。智能电能表在向主站提供准确、全面的耗电量数据的同时，根据电网需求记录一段时间内的负荷曲线数据。对于远程抄表，虽然主站对数据的实时性要求不高，但是智能电能表仍然能对数据进行必要的处理和压缩，以减少通信系统的压力。同时，智能电能表可为客户查询、提供短期历史数据，甚至远程历史数据查询。为了减轻通信系统的压力，发送客户查询请求可以通过邮件或其他通信手段提供数据。

2.3 电能质量监测和谐波计量

电能质量监测是对电压、谐波、闪变、跌落等特性进行监测，并且在此基础上对谐波进行计量，通过监测与计量，为今后对谐波治理与管理提供手段。对于分布式发电客户可能存在的发电模式，其发电质量由智能电表监控，当电能质量未达标时发出跳闸控制命令，断开分布式电源。

1）电压监测 标准的变电站由独立的计量回路与测量回路构成，但客户站由于场地、设备投资等原因，无测量回路。随着计量装置的标准化改造，原安装于计量电压回路的电压监测仪，被批量拆除，对电压监测造成了困难，但电监委要求对客户供电点电压监测提出了高要求（比如B类客户100%全覆盖），智能电能表中提供了此功能，不仅可达到电监委对电压监测点数的要求，而且也节约了大量月抄收电压数据的人力和物力。

2）谐波监测与计量 通过对客户计量点谐波含量与谐波电能的监测，为下一步的谐波治理提供依据。特别是对于大客户与上网关口（如分布式绿电等）需要加强监测。对上网关口客户的上网电能质量进行谐波的监测与计量，保证了上网电能的合格、可靠，同时也保护了电网本身的电能质量和其他客户的权益。

2.4 电能计量

考虑到分布式电源的灵活接入，智能电能表的电能计量是对正反向有功，四象限无功、需量等进行计量。针对客户既存在用电模式又存在发电模式的情况，电能表双向计量应准确、公平，保证客户供用电情况下的计量误差的一致性，体现公平的计量原则。

有功的计量包含正反向计量以及基波计量与全波计量，可根据不同客户进行选择。针对新型分布式电源上网客户，在监测电能质量的基础上，可选择正反向计量以及基波计量。

2.5 用电建议

用电建议是指智能电能表能够通过互动终端与客户互动，向客户提前发布电价策略，提供停电及恢复供电通知等，方便客户调整用电计划。

互动终端通过通信模块利用本地信道与智能电能表进行通信，实时接收客户关心的信息，并通过人机对话模块的显示屏告知客户。

1）客户目前执行的电价策略及时段划分情况；

2）客户目前执行的具体电价；

3）实时的电压、电流、功率等电气量信息；

4）客户目前的碳排放量（考虑到未来实现碳排放交易的需要）；

5）客户目前剩余的电费（对预付费客户），当低于一定阀值时，启动报警提示功能。

除了上述功能外，智能电能表配合互动终端，成为客户用电范围内的所有电器的综合控制中心，客户可以随时看到自己的用电数据，帮助客户对自己的用电设备制定适合自己的用电策略。

2.6 用电关开功能

关、开功能是智能电能表的一项新功能，有本地和远程两种方式，通常结合费控和负荷控制功能。是指智能电能表根据供用电合同，实时判断各项供用电指标来确定停、送电的操作。本地关、开功能通过发出跳闸控制命令，断开客户电源以保证电网及其他客户的正常用电。尤其是伴随分布式电源的大量接入，客户可能处于发电模式，在电能质量未达标时发出跳闸控制命令切断电源。

远程关、开功能，是指电力企业可以通过智能用电系统主站对智能电能表进行停、送电的操作。智能电能表通过输出脉冲或电平开关信号，控制表内继电器或表外负荷开关的方式来实现远程控制。远程关、开功能针对预付费客户，在客户欠费时供电企业可以实施停电；当客户重新缴费后，供电企业可以通过该功能为客户恢复供电。

2.7 负荷峰值限制

负荷峰值限制是负荷控制系统的一种功能延伸，除普通单相客户外，其他客户均为控制范围，与用电申请容量相对应，以供用电协议为基础，结合电价策略，电网根据运行情况对特定客户实行用电控制。但是，随着用电需求侧的管理和分布式电源的引入，电网的这种极端情况将得到缓解，采用峰值负荷限制之前应该先考虑其他措施。智能电能表可以考虑根据远程设置开启或关闭该项功能，调节设定值。

2.8 费控

费控有两种控制方式，本地方式通过CPU卡、射频卡等固态介质实现；远程方式通过通信和远程售电系统实现预付费功能，系统主站通过下发电费的方式实现客户的预付费。

当智能电能表内的剩余金额小于或等于系统所设的报警金额时，智能电能表通过互动终端对电力客户进行提醒；当智能电能表内的剩余金额为零或低于双方约定的透支门限金额时，智能电能表对客户实施停电；当客户及时续费后，智能用电系统主站可通过远程信道，控制智能电能表恢复供电。

远程方式还有数据传输的实时性和安全性需要，考虑到下发电费方式对数据信息安全的要求级别很高，参考国际信用卡消费的具体做法，不建议采用本地预付费方式，只是把此功能作为对客户及时续费的提醒和参考，最终的电费结算以主站的数据为准。

2.9 状态监测

状态监测包括状态建模和状态识别，是实现系统自愈的必备条件。状态监测在电能质量监测的基础上，着重对客户用电状况的监测，包括电压、电流、功率、功率因素等，并且可以根据评价指标，对异常用电情况向主站上报，同时在对电能表内部模块检测的基础上，对外部设备进行状态检测。

2.10 自愈

智能电网的自愈是指来自外部或是内部对电网的损害，都能自动做出反应并自行修复，而且尽可能小地对系统正常运行产生影响。智能电能表的自愈，可划分为元件层自愈和系统层自愈。元件层自愈，是指智能电能表对自身除精度以外的运行情况进行自检，并提交检查报告；系统层自愈是指智能电能表作为一个独立的单元，为系统或其他智能电能表提供协作，共同完成故障分析和处理。

自愈有两种方式，就地自愈是指在保证计量准确的前提下，对内部故障模块进行复位重启（可解决因电能质量中闪变、电压跌落等原因造成的模块暂态故障）；人工分析干预下的自愈，是指内部故障模块不能就地排除故障或外部设备异常运行情况下，向上级主站上报故障情况并记录事件，由主站进行相应的后续处理。

2.11 资产管理

资产管理指通过远程信息采集，改善资产的运行效率与使用情况。智能电能表能够将设备运行维护情况通过采集系统实时上报主站，帮助工作人员管理设备资产。同时，具有唯一的身份识别标识，自动更新数据库信息，做到即插即用，减少维护工作量。

2.12 数据处理与存储功能

1）数据的处理 随着智能电能表数据信息采集量的日益增长，对传输系统造成很大的压力，因此有必要在数据源对某些功能数据进行分析和处理以减少传输量，这个数据源可以是智能电能表或是智能终端。本地的数据处理可以通过远程设置阀值作为上传数据的标准，增强上传数据的有效性与必要性。另外，也可为特殊客户定制实时运行数据的监测、处理以及上传方案。

2）数据的存储 本地的数据存储为在网络故障情况下的数据分析提供依据。电价策略中越来越细化的时段与费率划分，客观上可能带来电费纠纷。智能电能表以设定的时间间隔（如15min）存储12个月内客户的所有计量信息并存储通过远程信道接收的12个月内供电企业下发的电价策略。在智能电能表断电后，上述数据至少保存3个月。除此之外，还应具有2个独立的数据存储区。

2.13 增值服务

增值服务是指智能电能表与客户智能设备通信，实现与客户的双向互动，是实现电价策略、需求侧管理等功能的基础。同时，利用互动终端，供电企业还可为客户提供天气预报、视频监控、信息发布服务、安防报警、门禁控制、水／电／气一体化解决方案等。

实现增值服务，由智能电能表通过给客户使用的通用接口实现，电能表本体并不参与服务的具体过程。

3 结语

智能电能表与不同系统连接时，由于系统应用对象不同，要求智能电能表具有适应多系统访问的能力；当智能电能表用于不同用电客户时，由于不同客户的用电需求不同，对电能表功能设置的要求也不同。因此，智能电能表不能简单的看成适用于所有客户功能需求的“全能表”，而应该是按客户类型进行需求划分，满足特定客户功能需求的电能表，其功能设置应充分考虑分布式能源的接入，通信信道的实际承受能力以及客户互动的便捷性。基于对今后智能电网的发展趋势，本文对智能电能表的功能发展进行了探讨，智能电能表是为智能电网服务的，其发展的趋势受智能电网的需求影响，但智能电能表的核心还是在保证计量准确性的基础上，更多的向扩展性能与通信方向发展。