智能电网大背景下电能表技术的发展与研究

赵 楠，王 昕，李英娜，吴 晟

（1. 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2. 云南电网公司电力科学研究院工作站，云南 昆明 650217）

智能电网大背景下电能表技术的发展与研究

赵 楠1,2，王 昕2，李英娜1，吴 晟1

（1. 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2. 云南电网公司电力科学研究院工作站，云南 昆明 650217）

智能电能表在现场运行环境下变的越来越复杂，其计量准确性和可信性受到越来越大的挑战，有必要对电能表在长期运行中各项指标情况进行研究。建造坚强智能电网是我国电网发展的必然趋势，能够带动整个电力工业的优化，发电系统作为电力工业发、输、配、送的一个组成部分，必然也要向智能化方向协调发展，最终实现发电系统的可持续发展。本文介绍了电能表的发展历史，以及未来的电能表在智能电网大背景下的发展趋势和突破要点，利用大数据的方式来统计电力计量从而实现更为人性化的用户行为分析，更好的服务百姓。

智能电网；智能电能表；计量可信性；大数据

0 引言

电能表是发电、输电、配电和用电各个环节作为经济核算和节能管理的重要计量工具。随着科技的进步，新材料、新技术和新工艺的不断发展和应用，电能表的工作原理和结构经历了数次更新换代，性能不断优化。电网迅速扩大和新类型用户（如城市，城际轨道交通，汽车充电站……）的出现，电能计量面临更严重的用电非线性和随机性。电力市场改革，开展用电需求侧的管理，使得电能计量管理手段日趋多样，要求计量系统的智能化越来越高。

1 国内外电能表现状及发展趋势研究

1.1 国内用电信息釆集系统发展情况

对电力用户用电信息的采集开始于 19世纪末感应式电能表的诞生，用电信息采集的发展经历了人工手抄、半智能化、智能化三个阶段。随着智能电网“全覆盖、全釆集、全费控”建设目标的提出，通过计算机信息化等技术手段代替人工手抄等手段来适应经济社会的发展、电力现场的变化，这样可以有效的降低工作人员的劳动强度，缩短抄表的周期时段，减少人为出现的数据错误，更高的提升了工作效率。

目前我国用电信息采集已覆盖了大规模风电太阳能发电客户、分布式电源客户、电动汽车充电客户、综合资源利用发电客户、供电企业自身的变电站以及高压专线客户、低压居民客户等，全部实现了生产（发电厂发电）、运输（供电单位供电）、销售（电力客户用电）三个环节的全覆盖。通过与营销信息化系统共享档案数据、抄表数据、实时电能量、异常信息、实时负荷数据等信息，实现了有序用电控制、欠费停电、预购电控制、负荷预测、线损分析等功能。我国用电信息采集发展的趋势为：

（1）CNGI网络的普及支持

随着用电信息釆集覆盖用户数量的增多，势必需要数亿IP地址的支持。目前，绝大部分供电企业终端均釆用GPRS/CDMA等无线公网方式，要实现对电能数据所有数据项的全釆集，同样需要大量IP地址的支持。中国下一代互联网示范工程（CNGI项目）的建设，为“全覆盖、全釆集”提供了技术支撑，借助下一代互联网IPV6地址空间大、提供优质服务和安全保证的优势，能够解决当前IPV4地址资源枯竭的问题。

（2）釆集数据的挖掘应用

通过多维分析工具对用电信息采集的数据进行深入挖掘，通过管理和分析可以扩大数据的使用范围，最终结果是双向互动，即满足了用户的个性化需求，又方便的实现生产（发电厂发电），运输（供电单位供电），销售（电力客户用电）三个环节的协同调度和济运行，进而实现电能资源优化配置，达到节能减排的目的。

（3）阶梯电价推广支撑

通过统计电能资源的供需配置情况、电力消耗情况及需求预测情况，为电力行政主管部门制定相关政策提供了决策手段，同时推动我国阶梯电价政策健康有序的执行，从而保障民生，促进社会和谐。

1.2 国外用电信息采集系统发展情况

美国于1986年成立了自动抄表协会，并周期性举办国际性年会，每次年会都会有专题报道，旨在近一步发展和推广自动抄表技术。与此同时，IEC的TC13和TC57两大标准化组织在其标准化体系中都为 AMR系统指定了相关的标准。各种形式的AMR系统，各种新的AMR技术不断推陈出新，推动着整个自动抄表的发展。它们使得 AMR系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程中迈向了坚实的一步，如今 AMR系统已经达到了可以大规模推广的实用性阶段。

2 电能表的分类及工作方式

2.1 电能表的分类

2.1.1 谐波表

目前市场上常见的谐波电能计量装置具有相似的电路结构，通常都包含分别用于与电压传感器和电流传感器相连的模拟前端、用于将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、用于谐波电能计量的数字信号处理器（Digital Signal Processer，DSP）、用于管理系统与其外围设备的微处理器（MCU），以及显示装置、红外端口或其它通信设备等外围设备。

校准装置的组成如图1所示，主要由谐波标准功率源、谐波标准电能表以及误差计算器组成。

图1 校准装置框图Fig.1 Calibration device block diagram

2.1.2 数字直流表

直流电能表与交流电能表在计量原理上相同，如图2所示。

图2 直流电能表计量原理框图Fig.2 DC energy meter measurement block diagram

在电压采样方式上，直流电能表与交流电能表的采样方式相同，一般采用分压电阻采样。

根据电流接入方式的不同，直流电能表分为直接接入式和经分流器接入式。标定电流较小的直流电能表（100 A以下），直流电流直接接入电能表内，采用电能表内的锰铜电阻进行采样。对于标定电流较大的直流电能表，如上文提到的500 A或600 A的直流电能表，通常使用外附分流器进行电流采样。

对于分流器的规格尺寸，机械行业标准 JB/T9288—1999《外附分流器》做了规定，分流器的额定电压一般在50—150 mV之间，以额定电压75 mV的分流器为例，其规格尺寸如图3所示。

图3 75 mV分流器规格尺寸Fig.3 75 mV shunt size

表1 不同电流规格分流器尺寸Tab.1 Different current specifications shunt size

直接接入式直流电能表同直接接入式交流电能表接线方式相同，如图4所示。

图4 直接接入式直流电能表的接线方式Fig.4 Direct access to DC power meter wiring

经分流器接入式直流电能表的接线方式如图 5所示。

图5 经分流器接入式直流电能表的接线方式Fig.5 Connect the DC power meter via the shunt

经外附分流器接入的直流电能表接至电能表输入端的信号为小电压信号，由于信号较小，如果连接线较长或接线处理不当易受到外界干扰而影响计量准确性。目前很多大电流直流电能表将分流器固定安装在电能表电流信号采样端口旁边，即将分流器与电能表一体化设计，这样不但接线方便，而且更容易保证计量性能。对于这种分流器与电能表一体化设计的直流电能表，可认为将其作为大电流直接接入式电能表对待。

2.1.3 高压表

高压电能表是一种新型的高压电能计量装置，采用非常规互感器技术，将电能计量芯片电路安置在高压端，实现了小型化的高压侧电能量直接计量。

图6 高压电能表原理图Fig.6 High voltage energy meter schematic

高压电能表采用三相三线制两元件法进行测量，在 A2B相间和 C2B相间安装高压分压器，A相和C相上均安装有低功耗电流互感器和高压单相电能计量单元。高压单相电能计量单元完成的电能计量数据通过光纤传送给 B 相电能综合单元，而B 相电能综合单元存储各类电量信息，并通过光纤隔离传送至低压设备显示数据信息。高压电能表的原理框图如图所示，其主要特点为：降低了产品的铜、铁和绝缘材料消耗，可减少配置一面配电柜，并减少了变电站的用地面积。检定工作量降低，提高了用电管理部门的工作效率；提升了整体计量的精度。高压电能表整体计量精度达到有功0.5S级和无功2级；提高了安全性能。避免了传统电磁式电压的铁磁谐振事故隐患，且整体式高压端安置的结构有效防止窃电行为，并从源头上避免了内绝缘故障的产生。

2.1.4 先进智能电能表

智能电能表[1-4]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用电信息存储、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。

2.2 电能表的工作原理

当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。

图7 电能表工作原理Fig.7 Principle of energy meter

3 智能电能表

近年来，伴随着智能电网在世界各国的兴起和推广，作为智能电网的终端[8]，智能电能表（Smartmeter）在不少国家得到了推广和应用，据ABI调研公司统计，全球目前总共安装智能电能表 7600万只，预计这一数字在2014年将增长到 2.12亿只。迄今为止，意大利是这方面的先行者，该国主要电力公司Enel自2001年以来，已经为其用户安装了三千多万智能电能表。美国加利福尼亚在以后的几年中将安装1200万只智能电能表，加拿大安大略省通知其电力公司 2010年前为每户居民安装智能电能表。世界上著名的电能表制造公司Itron、Elster、GE以及兰吉尔等均已研制出相应类型的智能电能表[9-10]。由于目前世界上关于智能电能表尚没有一个统一的定义，各国根据本国的实际情况制定了各自智能电能表的标准或技术文件，这在一定程度上限制了智能电能表在全球的进一步推广和发展，使得智能电能表的发展遭遇瓶颈。

3.1 智能电能表的基本概念

对于每一个家庭或用电单元，智能电网最终目的是实现智能化用电，用户通过家里的读取设备以及供电部门在互联网的门户网站清楚了解耗电情况、实时电价等用电信息，调整洗衣机、空调等家用电器的工作时间，根据电力价格决定是否出售家庭太阳能或风能等微型分布式发出的多余电量；而供电公司可以及时地获取大量用户的用电信息，通过各项用电优惠政策调节用户的用电习惯，有利于电力系统更加平稳、可靠地运行。在智能家庭的构建过程中，智能电能表一方面通过包括电力线、广播、手机网络在内的通信网络传送信息，在用户和电力公司间建立了一条双向网络；另一方面智能电能表将和智能调温器、智能洗衣机等家庭智能电器相连，实施科学合理的家庭用电计划。不同于传统的电能表，智能电能表不再是一个终端产品，它是连接用电用户和配电中心的一个中间环节，将用电信息以及配电信息及时告知给用配电双方，达到资源利用效率的最大化。表2给出了普通电能表、具有自动抄表系统 (AMR)的电能表和智能电能表在功能方面的比较。

从表2中可以看出，普通型电能表只具备电能计量功能；AMR电能表只是实现了单向通信，即用户的用电信息通过通信网络传输到供电公司，供电公司的有关信息不能够及时告知用户；而智能电能表实现了用户和供电公司之间真正的双向通信和信息互享，而且具备付费模式可变、支持微型分布式发电、电能质量检测以及系统升级等功能，能够满足智能化家庭中用电管理模式的要求。相对于普通电能表和 AMR电能表，智能电能表的通信功能要更为强大和复杂，图8给出了荷兰在2007年提出的智能电能表一种典型的四个层次通信接口模式。

表2 智能电能表和普通电能表、AMR电能表的功能比较Tab.2 Intelligent energy meter and ordinary energy meter, AMR power meter function comparison

图8 荷兰智能电能表的通信模式Fig.8 Netherlands smart energy meter communication mode

在该通信模式下，四个通讯端口各司其职，对应完成如下功能：

（1）端口P1，从表系统至服务模块的单向通道；

（2）端口P2，在表仪器和表系统之间的通信；

（3）端口P3，指向中心数据服务的端口；

（4）端口P4，从中心数据服务到能源供应商、服务提供商、网络运营商。

由于各国对智能电能表的发展方向和服务定位参差不齐，国际上关于智能电能表的定义和描述各不相同。对此，一些国际组织，例如国际电工委员会(IEC)正在为提出一个统一的定义而努力。国际法制计量组织(OIML)对智能电能表做了一个比较广泛的描述，认为由于新技术的不断发展，电力线载波通信、无线通信以及相关软件等都可以方便地增加到智能电能表中，OIML对智能电能表和附加功能下一个确切定义是不切实际的；表3给出了英国、加拿大和澳大利亚等国智能电能表的附加功能。

3.2 智能电能表的标准化

智能电能表的标准化需要体现用户、设备供应商、通信服务商以及系统集成商等各方对智能电能表一个共同的理解，包括智能电能表的技术要求、解决方案以及试验方法的定义等。正如智能电能表可以理解为传统电能基础上加上具有双向通信技术附加功能的仪表，其标准化工作可以分为传统电能表模块、通信模块以及附加功能模块等三部分。此外，许多国家以及联盟性组织依据上述两大国际性标准和建议，起草和编写适应本国、本联盟的国家标准或联盟性标准，比较有影响力的有电能表欧盟标准EN50470系列标准以及ANSI12系列美国标准。对于通信模块，由于通信技术的不断发展和更新换代，想要对技术本身做出限定是很困难的；同样对于附加功能模块，由于各国智能电能表的具体服务定位各不相同，要想从国际上对智能电能表的附加功能的范围以及具体内容给出一个明确列表和技术要求也是不现实的。但是并不是说智能电能表的标准化工作就无法开展下去，目前国际上更多的是从智能电能表的软硬件构架上提出相应的技术要求和规范性建议，要求构建智能电能表一个开放式的软件和硬件架构，并应满足以下功能和技术条件：

（1）智能电能表架构应为可升级的；

（2）智能电能表架构应兼容当前主流技术并能够适应未来通信介质；

（3）数据通信的双向性；

（4）智能电能表架构的通信标准须确保与计量模块交换数据的安全性；

（5）允许通信协议创新，支持用户和供应商的先进信息和管理服务；

（6）允许完全一体化、模块化以及多组件等多种智能电能表方案。

而对于智能电能表，如何界定法制计量范围也是一个很重要的问题；相对于普通型电能表，智能电能表提供的功能很多，各种数据和信息量也非常大，但是并不是每一种功能、每一个数据和每一条信息都与贸易结算相关的，因此应该确定智能电能表的哪些功能或设备应属于法制计量控制范围(legal metro logical control)。在确定智能电能表法制计量范围时，下面2个因素应注重考虑：

表3 英国、加拿大和澳大利亚等国智能电能表的附加功能Tab.3 Britain, Canada and Australia and other countries of the smart meter additional features

（1）数据测量的准确性，例如测量结果应符合最大允许误差；

（2）仪表或测量系统提供的测量结果，该测量结果构成收费账单的基础以及允许用户验证其准确性，这对于确定仪表的哪些功能和设备属于法制计量控制范围很关键。

3.3 智能电能表的性能测试研究

目前普通型静止式电能表的技术要求和试验方法已经比较成熟和完善，现有的 IEC62052/53、EN50470以及 ANSI12[11-12]等系列电能表标准对其进行了系统规定。智能电能表是从普通型电能表基础上发展而来的，其首先应该满足上述普通型电能表的技术要求。除此之外，还有验证普通型电能表不具备、而智能电能表所特有的一些技术要求。

3.4 双向通信功能

众所周知，双向通信]13[[14]，它们都是基于开放标准和协议，在应用到智能电能表之前已经得到相应的性能测试和认证。智能电能表对通信有其自身的特点，例如实时通信的要求，这在低压PLC还存在一定的困难，因而这方面的测试是非常重要的。另一方面，我们要看到，通信模块本身以外性能测试的重要性，例如智能电能表在双向通信模式下，对其各项附加功能的测试和验证。总之，如下三个方面的内容需要考虑：

（1）电能、功率/需量、负载记录(Loadprofile)以及电能质量监测等数据能否实时传输给中心数据库，供电服务商对上述数据进行统计、分析和计算后，形成的电能费用帐单、用户负荷特征曲线以及用电质量等数据能否实时传输给用户、电力供应商等；

（2）供电服务商的实时费率数据能否实时传输给用户以及通过通信系统自动更新智能电能表中的费率系统；能否实现智能电能表中的软件自动升级和更新；

（3）供电服务商、用户能否通过通信系统实现对用户负载和微型发电系统实现远程负载控制，自动连接/切断负载和发电系统。

4 结论

伴随着全球逐步迈入智能电网时代，近年来智能电能表在世界各国得到快速发展和推广，许多国家根据自身实际情况都相继研究和开发出了各自适用的智能电能表，并制定了相应的标准或技术文件，然而目前国际上尚没有一个明确、规范和统一的智能电能表定义。对于智能电能表的标准化工作，目前世界各国也处于起步和探索阶段，在开展此项工作过程中，应该考虑：

（1）智能电能并不是一个全新的仪表，而是在现有电能表基础上发展起来的功能强大的智能化电能表，现有电能表的许多标准具有重要参考价值；

（2）由于智能电能表涉及的技术复杂多变，应从智能电能表的模块化、开放性、可升级性以及安全性等方面提出规范化的技术要求；

（3）应考虑确定智能电能表的法制计量范畴；

（4）应注重智能电能表在通信功能以及软件等方面的特殊测试方法。

[1] 袁金灿. 智能电能表可靠性预计技术的研究及软件开发[D]. 华北电力大学(北京), 2012. Yuan Jincan, Research of Reliablity Prediction and Related Software Development on Smart Electricity Mete, Electrical and Electronic Engineering (BeiJin) , 2012.

[2] 冯波, 陶鹏, 王瑞欣等. 智能电能表可靠性及其评价方法分析[J]. 河北电力技术, 2012, 31(3): 15-17. DOI: 10. 3969/j.issn. 1001-9898. 2012. 03. 005. Feng Bo, Tao Peng, Wang Ruixing etc, Analysis on Reliability for Smart Meter and Its Evaluation Method[J], Hebei Electric Power, 2012, 31(3):15-17.

[3] 姚力, 李力腾, 胡瑛俊等. 一种智能电能表通信可靠性测试方法及系统[J]. 电测与仪表, 2013, 50 (567) : 94 -96, 101.Yao Li, Li Shaoteng, Hu Yingjun et al. A Method and System of Smart Electricity Meter Communication Reliability Test[J].Electrical Measure-ment & Instrumentation, 2013, 50 (567) :94 -96, 101.

[4] 朱中文, 周韶园. 智能电能表的概念、标准化和检测方法初探[J]. 电测与仪表, 2011, 48(546): 48-53. Zhu Zhongwen,Zhou Shaoyuan. A Tentative Study of Basic Concepts Standardization and Testing for SmartMeters[J]. Electrical Measure-ment & Instrumentation, 2011, 48(546): 48-53.

[5] 章亮, 刘斌, 陆民燕等. 嵌入式软件测试开发环境的框架设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2005, 31(3): 336-34.Zhang Liang, Liu Bin, Lu Minyan. Framework design of embedded soft-ware testing development environment[J].Journal of Beijing University of Aerounautics And Astronautics, 2005, 31(3): 336-340.

[6] 李伟. 软件产品测试系统的设计与功能实现[D]. 中国海洋大学, 2004. Li Wei. Design and implementation of test system software products[D]. Ocean University of China,2004.

[7] 林晓欲, 石磊. 嵌入式软件系统测试模型的研究与实现[J].科学技术与工程, 2009, 9(24): 75157520. Lin Xiaoyu, Shi Lei. The Research and Realization of System Testing Model for Embedded Software[J]. SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING, 2009, 9(24): 75157520.

[8] 赵玉梅, 李众智, 魏星, 张艺. 基于R5F212B8 的单相智能电能表的研制[J]. 电测与仪表, 2012, 49(564): 69-73.Zhao Yumei, Li Zhongzhi, Wei Xing, Zhang Yi. Development of Single Phase Smart Meter Based on R5F212B8[J].Electrical Measurement & Instrumentation, 2012, 49(564):69-73.

[9] Moslehi K, Kumar A B R, Hirsch P. Feasibility of a self-healing grid-part I methodology and cost models[C].IEEE Power Engineering Society General Meeting, 6-10June,2006.

[10] Moslehi K, Kumar A B R, Hirsch P. Feasibility of a self-healing grid - part II benefit models and analysis[C].IEEE Power Engineering Society General Meeting, 6-10 June,2006.

[11] Su Sheng, Li K K, Chan W L, etc. Agent-based self-healing protection system [J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2007, 21(2).

[12] Baran Mesut, McDermott T E. Distribution system state estimation using AMI data[C]. IEEE Power Systems Conference and Exposition, 15-18 March, 2009.

[13] 赵健, 桑笑楠, 马迪扬等. 智能电网安全策略切换判决算法设计[J]. 软件, 2015, 36(9): 70-77.

[14] 谢秦, 刘冬梅．含有分布式电源(光伏)的配电网若干问题研究[J]．新型工业化, 2014, 4(8): 22-29.

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

本文著录格式：赵楠，王昕，李英娜，等. 智能电网大背景下电能表技术的发展与研究[J]. 软件，2017，38（12）：129-135

赵楠(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向大数据、信息安全；吴晟，男，教授，主要研究方向：数据挖掘，算法设计；李英娜，女，副教授，主要研究方向：智能电网，传感网组建与信息集成和智能分析研究；王昕(1967-)，女，工学士，高级工程师，长期从事电能计量研究。

吴晟，教授，主要研究方向：数据挖掘，算法设计。