淺談新一代智能電能表支撐泛在電力物聯網技術研究

摘要：物聯網技術在未來的電力能源體(ti) 係發展中，已經成為(wei) 一種重要的趨勢，在現階段的發展，具備感知、廣泛連接、開放共享等特點。基於(yu) 此，文中對電力物聯網的特性和基本概念進行了闡述，綜合智能化的特點，對智能電表提出了相關(guan) 的技術需求，從(cong) 滿足基本的計量功能定位逐漸向通信與(yu) 數據采集、控製等多個(ge) 方麵合理發展，詳細分析了現階段新一代智能電表功能定位和設計需求的發展。在這些研究的基礎上，針對信息采集功能在電力物聯網建設中的運用，論述了其未來發展的前景以及趨勢。 關(guan) 鍵詞：泛在物聯網 ；智能電能表 ；功能定位 ；設計研究 ；應用 0引言        截至2019年國家電網有限公司提出了戰略性目標，以建設三型兩(liang) 網電網作為(wei) 發展的主要趨勢。在整個(ge) 戰略目標中“兩(liang) 網"就是堅強智能電網與(yu) 泛在電力物聯網的結合。在建設能源互聯網的過程中建設兩(liang) 網屬於(yu) 重要的組成部分。和傳(chuan) 統的智能電網相比，泛在物聯網建設更加注重通信和信息傳(chuan) 遞，在信息傳(chuan) 遞上更重視信息的共享，不同設備之間數據互聯與(yu) 信息共享已經成為(wei) 其顯著的特點。除此之外，還具有計算、通信、遠程和自治等功能，泛在物聯網的建設注重把計算資源與(yu) 物理資源協調聯係在一起合理運用，在市場上有非常廣泛的運用前景。1關(guan) 於(yu) 泛在物聯網的發展       泛在物聯網建設過程中需要與(yu) 眾(zhong) 多的平台相結合，以電力網為(wei) 對象，把客戶、電網企業(ye) 等物體(ti) 設備通過信息交互的方式，緊密聯係，打造信息數據鏈，形成資源共享平台，這種方式符合現階段各個(ge) 行業(ye) 的複合型發展，可以為(wei) 用戶和相關(guan) 行業(ye) 提供一定的增值業(ye) 務。國家電網公司提倡的這種建設模式屬於(yu) 一種新型的變革式技術革命，創新管理思維和提升管理理念，在電網的發展和運用中是重要的創新途徑。泛在物聯網的整體(ti) 構架由感知層、網絡層、平台層和應用層等構成。感知層完成不同單位的數據信息采集之後，運用各種計算機技術提升終端智能化；網絡平台運用大數據、雲(yun) 計算、移動終端、智能化等手段，確保每個(ge) 環節都被合理覆蓋 ；被覆蓋之後的平台利用物聯網管理對數據進行處理；應用層保證電網始終處於(yu) 穩定運行狀態，在綜合的前提下建設綜合能源互聯網。2新一代電能表設計2.1 智能電能表設計思路       智能電能表連接電網和廣大電力用戶，其特征是數量大、分布廣，所以推廣發展的過程中具備很強的效率。對於(yu) 新一代智能電能表在泛在互聯網中的定位是客戶側(ce) 能源路由器，現 如今運行的智能電能表，並不能滿足泛在物聯網發展的要求。泛在物聯網感知，信息處理效率高，靈敏多變，國家電網公司在對新一代智能電能表的研究中提出了“多芯"與(yu) “模組化"等設計理念，在技術上滿足了 IR46中提出軟件升級的要求。除此之外，“多芯"與(yu) “模組化"的設計理念還滿足與(yu) 用戶的交互，以及與(yu) 智能設備的連接，因此新一代智能電能表充分符合現階段人們(men) 的需求。從(cong) 基本的計量功能朝著功能多樣化轉變，成為(wei) 集多種功能於(yu) 一身的新型智能設備。 2.2 模塊設計        新一代智能電能表設計圖由多個(ge) 模組與(yu) 單元構成一個(ge) 整體(ti) ，模組與(yu) 單元之間運用高速總線傳(chuan) 輸數據來完成數據的傳(chuan) 輸，保證數據傳(chuan) 輸的時效性等。計量芯模塊進行法製計量工作，主要功能是對數據信息進行采集、凍結；管理芯模塊的主要功能是對各項管理功能進行管理控製，如用戶繳費、顯示、藍牙交互等，管理調度和轉發以及擴展智能相關(guan) 業(ye) 務；上行通信交互進行主要是與(yu) 新一代采集終端完成且支持 HPLC模式和雙模式通信。麵對不同通信方式模塊都能夠任意轉換，在特殊情況下，如需要以載波方式通信，模塊還可以進行擴展載波通信功能。擴展模塊、管理芯模塊、計量芯模塊三個(ge) 模塊之間的數據交互，也可以定義(yi) 為(wei) 非載波方式的下行通信模塊，相當於(yu) 是滿足泛在物聯網應用的功能顯示，運用在實際中每一個(ge) 模塊之間相互獨立，不存在幹擾性。 2.3 智能電能表特點        智能電能表具有以下特點 ：（1）具有很高的測量精度，可以利用微處理器快速執行指令、A/D 轉換時間短等特點對被測量的點進行反複多次測量，求平均值，這樣可以減少很多幹擾因素，還能夠降低偶然性的幹擾和誤差。數字濾波能剔除較大誤差，提升測量的精度。（2）能夠進行間接測量，智能電能表能夠利用微處理器測量幾種容易測量的參數，間接測量出不容易被測量的參數。（3）具備自動校準的優(you) 勢，在測量的過程中自動校準能夠提升測量的精度，減少測量中存在的誤差。（4）具備自動修複的能力、自動診斷的能力。當智能電能表出現故障之後，可以啟動自檢裝置，儀(yi) 器本身還能協助診斷故障發生的原因。（5）能夠實現對複雜設備的控製，能夠靈活改變儀(yi) 器的功能。3新一代智能電能表功能探析3.1 模塊設計多樣化        新一代智能電能表的設計核心為(wei) 計量芯模塊，計量芯模塊保證模塊具備良好的計量性能，可以為(wei) 法製計量數據提供追溯源頭。管理模塊的主要功能是統籌協調擴展替換，方便係統運行和維護。在設計中，引入人工智能設計，讓這三個(ge) 模塊之間協同辦公，運用不同的控製策略引導客戶用電的準確性。新一代智能電能表可以定位需求，根據需求的不同實現不同的功能，為(wei) 泛在物聯網的發展提供了強有力的支撐。 3.2 存儲(chu) 大量化        新一代智能電能表存儲(chu) 量大，具有非常好的數據存儲(chu) 性能，具有存儲(chu) 長達一年的分鍾內(nei) 時標電能量，為(wei) 營銷法製計量數據的溯源提供數據需要。在設計的過程中為(wei) 實現存儲(chu) 數據的有效性，采用分布式存儲(chu) ，每個(ge) 模塊設計了相應的存儲(chu) 區域，實現信息數據的讀取。人工智能、大數據分析技術等的合理運用，為(wei) 泛在物聯網技術的發展提供了數據保證與(yu) 支持。 3.3 通信的效率性        用電信息采集係統的末端係統具備多元化通信功能，電能表的通信方式和數據傳(chuan) 遞速度與(yu) 主站數據的運用之間是直接影響的關(guan) 係，因此通信的便捷是實現電網公司提供好的服務的重要保證。新一代智能電能表運用先進的技術，采用 HPLC 與(yu) HPLC 微功率無線雙模的方式，雙功率實現數據傳(chuan) 輸。這種上行通信的設計，功能強大，在下行通信的設計中擴展模塊接口，使下行通信模塊具備采集數據信息和相應的控製能力 ；基表中配置藍牙通信方式，能夠和手機終端、電能表之間的數據完成了交互運用。多元化的通信方式成為(wei) 了泛在物聯網高速處理信息的支撐，滿足了物聯網發展中人機交互和萬(wan) 物互聯的發展需求。 3.4 模塊的升級轉型        在傳(chuan) 統智能電能表的發展上，管理芯不斷升級，對電能表的傳(chuan) 統功能進行合理補充升級，讓其具備很強的覆蓋率。在後期的發展中，為(wei) 升級擴展延伸預留了一定的空間，且支持在線軟件的升級。新一代智能電能表作為(wei) 新的法製計量器具，計量芯的設定沒有現場升級，但隻要其他模組在線升級，就可以充分引用在線升級功能。係統中某一項功能的修改與(yu) 其他模組的運行之間不存在聯係，不影響別的模塊正常使用。升級流程采取智能跟蹤升級功能，如果在現場出現功能性的變動，國家電網會(hui) 將驗證過的軟件下載到處於(yu) 運行中的電能表上，啟動定時更新。這種方式的運用為(wei) 未來不同軟件的更新奠定了堅實的基礎。 3.5 智能化        新一代智能電能表采用點陣式液晶顯示功能，功能齊全，可以自定義(yi) 字體(ti) 大小和顯示功能內(nei) 容，還可以快速生成二維碼，方便運維人員與(yu) 用戶使用和查詢信息，滿足了智能化的發展與(yu) 人們(men) 的需求。為(wei) 保證智能運用的可行性與(yu) 可靠性，在確保外部尺寸不變的情況下對內(nei) 部進行合理的升級設計。內(nei) 部使用無軟線焊接設計理念強化功能，還計劃取消電能表弱電輔助端子，有效提升整個(ge) 智能電能表的設計理念與(yu) 等級，能夠為(wei) 泛在電力物聯網的基礎建設提供有效合理的保證。 3.6 監測功能與(yu) 分析功能        新一代智能電能表設計中，采用了用電負荷監測功能，諧波在42次以下的分量都能夠測量，這種方式為(wei) 國家電網企業(ye) 負責動態負荷調整的工作人員提供了強有力的數據支撐，還可以實現居民用電負荷的感知，增加對用戶用電行為(wei) 的預測，運用這種技術可以指導用戶科學合理用電。新一代智能電能表在設計上采用多芯模組化的設計理念和單元設計，融合計量單元與(yu) 管理單元，形成新一代電能表的基礎部分。兩(liang) 者在物理層相互獨立互不幹擾，但是配備上行通信模塊、下行通信模塊、各類業(ye) 務運用模塊之後，非計量模塊能夠獨立升級，不同業(ye) 務運用模塊都能夠靈活配置靈活轉換和運用。各類業(ye) 務的應用模塊的運用確保計量功能準確可靠，而且為(wei) 未來擴展所需預留了充足的空間，兼容性和可擴展性也得到了大大的提升。預計在未來的發展中，新一代智能電能表能夠發揮出巨大的潛力。4 新一代智能電能表的發展趨勢       電動汽車有序充電、對居民用電負荷特征進行智能分析、多表合一的信息采集業(ye) 務，目前在典型業(ye) 務場景中的應用，智能電能表已經發揮了強大的功能。以電動汽車有序充電為(wei) 例，電動汽車有序充電業(ye) 務是支撐建築泛在物聯網的方向與(yu) 趨勢，有利於(yu) 實現削峰填穀的作用，提升電網設備的利用率，滿足用戶居家出行多元化用電的需求。借助大數據信息資源，結合的數據挖掘分析技術、通信技術，引導用戶合理用電，提升電網設備用電的利用率和整體(ti) 的質量，滿足時代的多元化需求。新一代智能電能表在2019年6月份完成研發，計劃在2020年底發布企業(ye) 標準，為(wei) 國家電網的泛在物聯網建設提供強有力的技術標準支持。泛在物聯網的出現，為(wei) 新一代智能電能表的改良換代創造了新的發展途徑，也為(wei) 電力物聯網 的發展提供了技術支撐。在未來的發展中，會(hui) 朝著用戶體(ti) 驗升級方麵發展，實現雙向互動服務。電網企業(ye) 在未來的發展中需要做好智能表的設計，當智能表處於(yu) 不同物理環境下都能穩定運行，在信息模塊和功能擴展升級上還需要加強設計，實現簡易操作。5安科瑞為(wei) 國家電網2021泛在電力物聯網建設提供解決(jue) 方案       安科瑞電氣深耕用戶側(ce) 能效管理多年，逐漸完善了從(cong) 電力物聯網雲(yun) 平台到終端傳(chuan) 感器的生態體(ti) 係，在“源（電源）-網（電網）-荷（負荷）-儲(chu) （儲(chu) 能）"各個(ge) 環節加大研發投入，已經形成“雲(yun) （雲(yun) 平台）-管（有線/無線物聯）-邊（邊緣計算）-端（終端設備）"的生態係統，參與(yu) 泛在電力物聯網建設，為(wei) 國家電網建設“三型兩(liang) 網"提供解決(jue) 方案，使用戶在任何時間、地點、人、物之間實現信息連接和交互，產(chan) 生共享數據，從(cong) 而為(wei) 電網、發電、供應商、用戶服務。5.1雲(yun) 平台       安科瑞電氣近年來已經陸續推出變電所運維雲(yun) 平台、能源管理雲(yun) 平台、智慧用電雲(yun) 平台、環保用電監管雲(yun) 平台、充電樁（電動汽車/自行車）運營管理雲(yun) 平台、預付費管理雲(yun) 平台等雲(yun) 平台解決(jue) 方案等解決(jue) 方案，並已經廣泛應用在多地國網公司用戶端業(ye) 務、環保部門、安監部門、住建部門等。5.1.1變電所運維雲(yun) 平台        據統計全國高供高計的工商業(ye) 用戶數量達到200多萬(wan) 戶，規模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳(chuan) 統，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時間長、風險預防薄弱等問題。國網公司和眾(zhong) 多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場，這是一個(ge) 千億(yi) 級別的市場。AcrelCloud-1000電力運維雲(yun) 平台采用多功能電力儀(yi) 表、無線通信、邊緣計算網關(guan) 及大數據分析技術，通過智能網關(guan) 采集現場數據並存儲(chu) 在本地，再定時向雲(yun) 平台推送數據。平台可同時接入數以千計的用戶變電站數據。平台采集的數據包括變電所電氣參數和環境數據，包括電流電壓功率、開關(guan) 狀態、變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、視頻、門禁等信息，有異常發生10S內(nei) 通過短信和APP發出告警信號。平台通過手機APP下發運維任務到人員手機上，並通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷並做消缺處理。5.1.2能源管理雲(yun) 平台       Acrelcloud-5000能耗管理雲(yun) 平台可適用於(yu) 各個(ge) 行業(ye) ，如政府辦公建築、工廠、教育建築、醫療建築、商業(ye) 綜合體(ti) 等，可通過局域網、互聯網或者4G網絡采集不同區域多個(ge) 建築或單位的用能數據。平台采集建築電、水、氣、冷熱量等能源消耗數據和光伏、風力、儲(chu) 能等新能源數據，對用能數據進行分析，按照區域、部門、用電設備類型進行細分，提供同比、環比分析比較和用能數據追溯，同時可以提供尖峰平穀各時段用能數據和報表，幫助用戶梳理能源賬單明細和製定能源績效考核。

5.1.3環保用電監管雲(yun) 平台

近年來我們(men) 的環境質量有了很大的改善，這都歸功於(yu) 國家層麵對環保的重視和環保部門的有力監察執法。安科瑞針對環保監察的痛點研發了環保用電監管係統解決(jue) 方案，助力環保部門堅決(jue) 打贏藍天碧水保衛戰。

Acrelcloud-3000環保用電監管平台主要為(wei) 環保監察部門和產(chan) 汙排汙企業(ye) 服務，為(wei) 環保部門提供在線監管和執法依據，為(wei) 生產(chan) 企業(ye) 提供設備運行監控和產(chan) 汙排汙數據記錄。

平台采集生產(chan) 企業(ye) 總用電量、生產(chan) 用電和治汙設備用電量，進行關(guan) 聯分析，及時給出環保設備異常運行信號或企業(ye) 異常生產(chan) 信號，實現全過程防控。前端設備采用不停電免接線方案采集用電數據，經LORA無線上傳(chuan) 到環保數據網關(guan) ，再通過4G上傳(chuan) 平台服務器或縣、市、省級環保平台。各地環保部門通過汙染防治設施用電實時監控，實現對排汙企業(ye) 生產(chan) 運行*、全流程監控，達到變人防為(wei) 信息化技防，從(cong) 事後處罰到介入式執法，扭轉傳(chuan) 統依靠人力、經驗進行現場核查的狀態，為(wei) 環保監管開辟更加切實、有效的監管方式，形成長效機製。

5.1.4智慧用電雲(yun) 平台

       據應急管理部網站數據，2016~2018年期間因為(wei) 電氣原因導致的火災占總數的百分之三十到百分之三十四左右，其中2018年全國共接報火災23.7萬(wan) 起，因違反電氣安裝使用規定引發的火災占總數的百分之三十四，較大和重大火災事故中，電氣火災的比例更高。國務院、公安部消防局以及各省市自治區直轄市紛紛出台文件推廣智慧用電，從(cong) 源頭上預防電氣火災的發生，現用電管理平台已在九小場所、三合一場所、養(yang) 老福利院、醫療場所、學校、金融網點等人員密集場所廣泛開展。

       安科瑞Acrelcloud-6000用電管理雲(yun) 平台對電氣引發火災的主要因素（線纜溫度、漏電電流、負荷電流、電壓）進行不間斷的數據跟蹤與(yu) 統計分析，通過2G/NB-IOT/4G方式采集現場數據，實時發現電氣線路和用電設備存在的隱患（如：線纜溫度異常、過載、過壓、欠壓及漏電等）並通過短信、APP推送、自動語音呼叫等方式及時預警，有效防止電氣火災的

發生。係統可以顯示所有監測點位的漏電電流等電氣參數和線纜溫度，並支持巡檢記錄和派單操作，提供隱患分析報告，實時評估企業(ye) 用電狀態。

5.1.5電動汽車/電瓶車充電樁運營管理雲(yun) 平台

       電動汽車現已成為(wei) 廣泛使用的綠色能源交通工具，Acrelcloud-9000充電樁運營管理雲(yun) 平台係統通過物聯網技術對接入係統的充電樁站點和各個(ge) 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、絕緣檢測故障等一係列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付後，係統發起充電請求，控製二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基於(yu) TCP/IP的數據交互協議，與(yu) 雲(yun) 端進行直連。

       電動自行車數量越來越多，解決(jue) 了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關(guan) 的和火災事故新聞也屢見不鮮，有逐年增長的趨勢，給社會(hui) 帶來了很大的損失，成為(wei) 人民生命和財產(chan) 的一個(ge) 隱患。基於(yu) 電動自行車火災的危害和特點，各級政府部門發文對電動自行車火災的整治都放在規範停放和充電行為(wei) 上。安科瑞Acrelcloud-9500充電樁運營管理雲(yun) 平台，針對電動自行車火災治理提供充電管理、資產(chan) 管理和交易管理的一攬子解決(jue) 方案，解決(jue) 充電難、管理難和收費難的問題，可應用於(yu) 商業(ye) 樓宇、小區、學校、醫院等場所設置的電動自行車充電場所的運營管理。

5.1.6物業(ye) 小區預付費管理雲(yun) 平台       安科瑞遠程預付費係統可以針對各商業(ye) 綜合體(ti) 、小區、寫(xie) 字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業(ye) ，學校、工廠宿舍的後勤管理部門以及連鎖超市、大型物業(ye) 分布式財務操作，在線支付，總部財務紮口等。       目前Acrelcloud-3000預付費管理係統已經成功在上述各場景得到廣泛的應用並已經穩定運行多年，適用於(yu) 物業(ye) 公司對小區、辦公和商鋪租戶的水電預付費管理，或者學校對學生宿舍的用電預付費和用電管控係統。5.2有線/無線物聯       安科瑞根據多年來的項目經驗，結合用戶實際需求，開發了各類有線、區域無線、廣域無線通訊產(chan) 品，包括網關(guan) 和終端設備。支持RS485、以太網、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多種通訊方式，隨著5G建設步伐的加快，未來將會(hui) 有越來越多的通訊方式融入產(chan) 品，服務於(yu) 泛在電力物聯網建設。5.3邊緣計算       安科瑞針對物聯網應用開發了多款智能網關(guan) ，采用嵌入式係統和邊緣計算技術，現場采集和存儲(chu) 終端設備數據，並根據雲(yun) 平台的需要，采用不同的協議和雲(yun) 平台對接。所有數據采集、計算、異常報警觸發邏輯均在網關(guan) 就地設置，網絡故障時數據存儲(chu) 在本地，網絡恢複後補傳(chuan) 數據，斷點續傳(chuan) ，提高數據可靠性。5.4終端設備       針對泛在電力物聯網的建設，安科瑞陸續推出多款物聯網儀(yi) 表，應用在不同場合以滿足不同需求，2019年全年各類終端儀(yi) 表出貨量超過185萬(wan) 台。5.5安科瑞產(chan) 品在泛在電力物聯網的應用       近兩(liang) 年來，安科瑞已經陸續參與(yu) 江蘇省部分縣市電力公司的用戶端能源管理平台、雲(yun) 南省網綜合能源服務平台、上海嘉定區147所學校電力運維平台等相關(guan) 平台的建設，提供了包括雲(yun) 平台、智能網關(guan) 、終端設備等產(chan) 品，各類用戶端雲(yun) 平台在全國各地運行案例700多套，並且根據用戶需求不斷完善產(chan) 品功能，這些項目就是未來泛在電力物聯網的一部分。“能源互聯網的春天到了，因其所能，它必將成為(wei) 充滿活力的新型能源業(ye) 態。"盡管針對泛在電力物聯網還有一些不同的聲音，但是泛在電力物聯網已經悄無聲息的鋪開來，融入能源互聯網基礎建設的方方麵麵。5結語       綜上所述，電力物聯網在目前得到了很好的發展，為(wei) 智能電能表的發展提供了強有力的支撐，也滿足了新一代智能電能表的功能定位和設計新思路。新一代智能電能表的設計，以路由器的形式與(yu) 管理功能相互獨立。對於(yu) 泛在物聯網的發展，結合新一代智能電能表的技術支持，將有非常廣闊的市場。參考文獻[1] 郭笑含.新一代智能電能表支撐泛在電力物聯網技術研究[2] 彭楚寧，羅冉冉，王曉東(dong) . 新一代智能電能表支撐泛在電力物聯網技術研究 [J]. 電測與(yu) 儀(yi) 表，2019（15）：21.[3] 安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06版 作者簡介李茫茫，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為(wei) 智能照明的研發與(yu) 應用