浅谈新一代智能电能表支撑泛在电力物联网技术研究

　　张星
　　安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
　　摘要： 物联网技术在未来的电力能源体系发展中，已经成为一种重要的趋势，在现阶段的发展，具备感知、广泛连接、开放共享等特点。基于此，文中对电力物联网的特性和基本概念进行了阐述，综合智能化的特点，对智能电表提出了相关的技术需求，从满足基本的计量功能定位逐渐向通信与数据采集、控制等多个方面合理发展，详细分析了现阶段新一代智能电表功能定位和设计需求的发展。在这些研究的基础上，针对信息采集功能在电力物联网建设中的运用，论述了其未来发展的前景以及趋势。
　　关键词：泛在物联网 ；智能电能表 ；功能定位 ；设计研究 ；应用
　　0引言
　　截至2019年国家电网有限公司提出了战略性目标，以建设三型两网电网作为发展的主要趋势。在整个战略目标中＂两网＂就是坚强智能电网与泛在电力物联网的结合。在建设能源互联网的过程中建设两网属于重要的组成部分。和传统的智能电网相比，泛在物联网建设更加注重通信和信息传递，在信息传递上更重视信息的共享，不同设备之间数据互联与信息共享已经成为其显著的特点。除此之外，还具有计算、通信、远程和自治等功能，泛在物联网的建设注重把计算资源与物理资源协调联系在一起合理运用，在市场上有非常广泛的运用前景。
　　1关于泛在物联网的发展
　　泛在物联网建设过程中需要与众多的平台相结合，以电力网为对象，把客户、电网企业等物体设备通过信息交互的方式，紧密联系，打造信息数据链，形成资源共享平台，这种方式符合现阶段各个行业的复合型发展，可以为用户和相关行业提供一定的增值业务。国家电网公司提倡的这种建设模式属于一种新型的变革式技术革命，创新管理思维和提升管理理念，在电网的发展和运用中是重要的创新途径。泛在物联网的整体构架由感知层、网络层、平台层和应用层等构成。感知层完成不同单位的数据信息采集之后，运用各种计算机技术提升终端智能化；网络平台运用大数据、云计算、移动终端、智能化等手段，确保每个环节都被合理覆盖 ；被覆盖之后的平台利用物联网管理对数据进行处理；应用层保证电网始终处于稳定运行状态，在综合的前提下建设综合能源互联网。
　　2新一代电能表设计
　　2.1 智能电能表设计思路
　　智能电能表连接电网和广大电力用户，其特征是数量大、分布广，所以推广发展的过程中具备很强的效率。对于新一代智能电能表在泛在互联网中的定位是客户侧能源路由器，现 如今运行的智能电能表，并不能满足泛在物联网发展的要求。泛在物联网感知，信息处理效率高，灵敏多变，国家电网公司在对新一代智能电能表的研究中提出了＂多芯＂与＂模组化＂等设计理念，在技术上满足了 IR46中提出软件升级的要求。除此之外，＂多芯＂与＂模组化＂的设计理念还满足与用户的交互，以及与智能设备的连接，因此新一代智能电能表充分符合现阶段人们的需求。从基本的计量功能朝着功能多样化转变，成为集多种功能于一身的新型智能设备。
　　2.2 模块设计
　　新一代智能电能表设计图由多个模组与单元构成一个整体，模组与单元之间运用高速总线传输数据来完成数据的传输，保证数据传输的时效性等。计量芯模块进行法制计量工作，主要功能是对数据信息进行采集、冻结；管理芯模块的主要功能是对各项管理功能进行管理控制，如用户缴费、显示、蓝牙交互等，管理调度和转发以及扩展智能相关业务；上行通信交互进行主要是与新一代采集终端完成且支持 HPLC模式和双模式通信。面对不同通信方式模块都能够任意转换，在特殊情况下，如需要以载波方式通信，模块还可以进行扩展载波通信功能。扩展模块、管理芯模块、计量芯模块三个模块之间的数据交互，也可以定义为非载波方式的下行通信模块，相当于是满足泛在物联网应用的功能显示，运用在实际中每一个模块之间相互独立，不存在干扰性。
　　2.3 智能电能表特点
　　智能电能表具有以下特点 ：（1）具有很高的测量精度，可以利用微处理器快速执行指令、A/D 转换时间短等特点对被测量的点进行反复多次测量，求平均值，这样可以减少很多干扰因素，还能够降低偶然性的干扰和误差。数字滤波能剔除较大误差，提升测量的精度。（2）能够进行间接测量，智能电能表能够利用微处理器测量几种容易测量的参数，间接测量出不容易被测量的参数。（3）具备自动校准的优势，在测量的过程中自动校准能够提升测量的精度，减少测量中存在的误差。（4）具备自动修复的能力、自动诊断的能力。当智能电能表出现故障之后，可以启动自检装置，仪器本身还能协助诊断故障发生的原因。（5）能够实现对复杂设备的控制，能够灵活改变仪器的功能。
　　3新一代智能电能表功能探析
　　3.1 模块设计多样化
　　新一代智能电能表的设计核心为计量芯模块，计量芯模块保证模块具备良好的计量性能，可以为法制计量数据提供追溯源头。管理模块的主要功能是统筹协调扩展替换，方便系统运行和维护。在设计中，引入人工智能设计，让这三个模块之间协同办公，运用不同的控制策略引导客户用电的准确性。新一代智能电能表可以定位需求，根据需求的不同实现不同的功能，为泛在物联网的发展提供了强有力的支撑。
　　3.2 存储大量化
　　新一代智能电能表存储量大，具有非常好的数据存储性能，具有存储长达一年的分钟内时标电能量，为营销法制计量数据的溯源提供数据需要。在设计的过程中为实现存储数据的有效性，采用分布式存储，每个模块设计了相应的存储区域，实现信息数据的读取。人工智能、大数据分析技术等的合理运用，为泛在物联网技术的发展提供了数据保证与支持。
　　3.3 通信的效率性
　　用电信息采集系统的末端系统具备多元化通信功能，电能表的通信方式和数据传递速度与主站数据的运用之间是直接影响的关系，因此通信的便捷是实现电网公司提供好的服务的重要保证。新一代智能电能表运用先进的技术，采用 HPLC 与 HPLC 微功率无线双模的方式，双功率实现数据传输。这种上行通信的设计，功能强大，在下行通信的设计中扩展模块接口，使下行通信模块具备采集数据信息和相应的控制能力 ；基表中配置蓝牙通信方式，能够和手机终端、电能表之间的数据完成了交互运用。多元化的通信方式成为了泛在物联网高速处理信息的支撑，满足了物联网发展中人机交互和万物互联的发展需求。
　　3.4 模块的升级转型
　　在传统智能电能表的发展上，管理芯不断升级，对电能表的传统功能进行合理补充升级，让其具备很强的覆盖率。在后期的发展中，为升级扩展延伸预留了一定的空间，且支持在线软件的升级。新一代智能电能表作为新的法制计量器具，计量芯的设定没有现场升级，但只要其他模组在线升级，就可以充分引用在线升级功能。系统中某一项功能的修改与其他模组的运行之间不存在联系，不影响别的模块正常使用。升级流程采取智能跟踪升级功能，如果在现场出现功能性的变动，国家电网会将验证过的软件下载到处于运行中的电能表上，启动定时更新。这种方式的运用为未来不同软件的更新奠定了坚实的基础。
　　3.5 智能化
　　新一代智能电能表采用点阵式液晶显示功能，功能齐全，可以自定义字体大小和显示功能内容，还可以快速生成二维码，方便运维人员与用户使用和查询信息，满足了智能化的发展与人们的需求。为保证智能运用的可行性与可靠性，在确保外部尺寸不变的情况下对内部进行合理的升级设计。内部使用无软线焊接设计理念强化功能，还计划取消电能表弱电辅助端子，有效提升整个智能电能表的设计理念与等级，能够为泛在电力物联网的基础建设提供有效合理的保证。
　　3.6 监测功能与分析功能
　　新一代智能电能表设计中，采用了用电负荷监测功能，谐波在42次以下的分量都能够测量，这种方式为国家电网企业负责动态负荷调整的工作人员提供了强有力的数据支撑，还可以实现居民用电负荷的感知，增加对用户用电行为的预测，运用这种技术可以指导用户科学合理用电。新一代智能电能表在设计上采用多芯模组化的设计理念和单元设计，融合计量单元与管理单元，形成新一代电能表的基础部分。两者在物理层相互独立互不干扰，但是配备上行通信模块、下行通信模块、各类业务运用模块之后，非计量模块能够独立升级，不同业务运用模块都能够灵活配置灵活转换和运用。各类业务的应用模块的运用确保计量功能准确可靠，而且为未来扩展所需预留了充足的空间，兼容性和可扩展性也得到了大大的提升。预计在未来的发展中，新一代智能电能表能够发挥出巨大的潜力。
　　4 新一代智能电能表的发展趋势
　　电动汽车有序充电、对居民用电负荷特征进行智能分析、多表合一的信息采集业务，目前在典型业务场景中的应用，智能电能表已经发挥了强大的功能。以电动汽车有序充电为例，电动汽车有序充电业务是支撑建筑泛在物联网的方向与趋势，有利于实现削峰填谷的作用，提升电网设备的利用率，满足用户居家出行多元化用电的需求。借助大数据信息资源，结合的数据挖掘分析技术、通信技术，引导用户合理用电，提升电网设备用电的利用率和整体的质量，满足时代的多元化需求。新一代智能电能表在2019年6月份完成研发，计划在2020年底发布企业标准，为国家电网的泛在物联网建设提供强有力的技术标准支持。泛在物联网的出现，为新一代智能电能表的改良换代创造了新的发展途径，也为电力物联网 的发展提供了技术支撑。在未来的发展中，会朝着用户体验升级方面发展，实现双向互动服务。电网企业在未来的发展中需要做好智能表的设计，当智能表处于不同物理环境下都能稳定运行，在信息模块和功能扩展升级上还需要加强设计，实现简易操作。
　　5安科瑞为国家电网2021泛在电力物联网建设提供解决方案
　　安科瑞电气深耕用户侧能效管理多年，逐渐完善了从电力物联网云平台到终端传感器的生态体系，在＂源（电源）-网（电网）-荷（负荷）-储（储能）＂各个环节加大研发投入，已经形成＂云（云平台）-管（有线/无线物联）-边（边缘计算）-端（终端设备）＂的生态系统，参与泛在电力物联网建设，为国家电网建设＂三型两网＂提供解决方案，使用户在任何时间、地点、人、物之间实现信息连接和交互，产生共享数据，从而为电网、发电、供应商、用户服务。
　　5.1云平台
　　安科瑞电气近年来已经陆续推出变电所运维云平台、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云平台解决方案等解决方案，并已经广泛应用在多地国网公司用户端业务、环保部门、安监部门、住建部门等。
　　5.1.1变电所运维云平台
　　据统计全国高供高计的工商业用户数量达到200多万户，规模巨大，但是大部分日常的运行维护工作比较传统，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障抢修时间长、风险预防薄弱等问题。国网公司和众多电力运维公司正在抢占这块巨大的市场，这是一个千亿级别的市场。
　　AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力仪表、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术，通过智能网关采集现场数据并存储在本地，再定时向云平台推送数据。平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据，包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息，有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到指定人员手机上，并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环，提高运维效率，即时发现运行缺陷并做消缺处理。
　　5.1.2能源管理云平台
　　Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业，如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等，可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。
　　平台采集建筑电、水、气、冷热量等能源消耗数据和光伏、风力、储能等新能源数据，对用能数据进行分析，按照区域、部门、用电设备类型进行细分，提供同比、环比分析比较和用能数据追溯，同时可以提供尖峰平谷各时段用能数据和报表，帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。
　　5.1.3环保用电监管云平台
　　近年来我们的环境质量有了很大的改善，这都归功于国家层面对环保的重视和环保部门的有力监察执法。安科瑞针对环保监察的痛点研发了环保用电监管系统解决方案，助力环保部门坚决打赢蓝天碧水保卫战。
　　Acrelcloud-3000环保用电监管平台主要为环保监察部门和产污排污企业服务，为环保部门提供在线监管和执法依据，为生产企业提供设备运行监控和产污排污数据记录。
　　平台采集生产企业总用电量、生产用电和治污设备用电量，进行关联分析，及时给出环保设备异常运行信号或企业异常生产信号，实现全过程防控。前端设备采用不停电免接线方案采集用电数据，经LORA无线上传到环保数据网关，再通过4G上传平台服务器或县、市、省级环保平台。各地环保部门通过污染防治设施用电实时监控，实现对排污企业生产运行无死角、全流程监控，达到变人防为信息化技防，从事后处罚到介入式执法，扭转传统依靠人力、经验进行现场核查的状态，为环保监管开辟更加切实、有效的监管方式，形成长效机制。
　　5.1.4智慧用电云平台
　　据应急管理部网站数据，2016~2018年期间因为电气原因导致的火灾占总数的百分之三十到百分之三十四左右，其中2018年全国共接报火灾23.7万起，因违反电气安装使用规定引发的火灾占总数的百分之三十四，较大和重大火灾事故中，电气火灾的比例更高。国务院、公安部消防局以及各省市自治区直辖市纷纷出台文件推广智慧用电，从源头上预防电气火灾的发生，现用电管理平台已在九小场所、三合一场所、养老福利院、医疗场所、学校、金融网点等人员密集场所广泛开展。
　　安科瑞Acrelcloud-6000用电管理云平台对电气引发火灾的主要因素（线缆温度、漏电电流、负荷电流、电压）进行不间断的数据跟踪与统计分析，通过2G/NB-IOT/4G方式采集现场数据，实时发现电气线路和用电设备存在的隐患（如：线缆温度异常、过载、过压、欠压及漏电等）并通过短信、APP推送、自动语音呼叫等方式及时预警，有效防止电气火灾的
　　发生。系统可以显示所有监测点位的漏电电流等电气参数和线缆温度，并支持巡检记录和派单操作，提供隐患分析报告，实时评估企业用电状态。
　　5.1.5电动汽车/电瓶车充电桩运营管理云平台
　　电动汽车现已成为广泛使用的绿色能源交通工具，Acrelcloud-9000充电桩运营管理云平台系统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；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。
　　电动自行车数量越来越多，解决了老百姓短距离出行问题，但是和电动自行车相关的和火灾事故新闻也屡见不鲜，有逐年增长的趋势，给社会带来了很大的损失，成为人民生命和财产的一个隐患。基于电动自行车火灾的危害和特点，各级政府部门发文对电动自行车火灾的整治都放在规范停放和充电行为上。安科瑞Acrelcloud-9500充电桩运营管理云平台，针对电动自行车火灾治理提供充电管理、资产管理和交易管理的一揽子解决方案，解决充电难、管理难和收费难的问题，可应用于商业楼宇、小区、学校、医院等场所设置的电动自行车充电场所的运营管理。
　　5.1.6物业小区预付费管理云平台
　　安科瑞远程预付费系统可以针对各商业综合体、小区、写字楼、办公楼、酒店式公寓等物业，学校、工厂宿舍的后勤管理部门以及连锁超市、大型物业分布式财务操作，在线支付，总部财务扎口等。
　　目前Acrelcloud-3000预付费管理系统已经成功在上述各场景得到广泛的应用并已经稳定运行多年，适用于物业公司对小区、办公和商铺租户的水电预付费管理，或者学校对学生宿舍的用电预付费和用电管控系统。
　　5.2有线/无线物联
　　安科瑞根据多年来的项目经验，结合用户实际需求，开发了各类有线、区域无线、广域无线通讯产品，包括网关和终端设备。支持RS485、以太网、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多种通讯方式，随着5G建设步伐的加快，未来将会有越来越多的通讯方式融入产品，服务于泛在电力物联网建设。
　　5.3边缘计算
　　安科瑞针对物联网应用开发了多款智能网关，采用嵌入式系统和边缘计算技术，现场采集和存储终端设备数据，并根据云平台的需要，采用不同的协议和云平台对接。所有数据采集、计算、异常报警触发逻辑均在网关就地设置，网络故障时数据存储在本地，网络恢复后补传数据，断点续传，提高数据可靠性。
　　5.4终端设备
　　针对泛在电力物联网的建设，安科瑞陆续推出多款物联网仪表，应用在不同场合以满足不同需求，2019年全年各类终端仪表出货量超过185万台。
　　5.5安科瑞产品在泛在电力物联网的应用
　　近两年来，安科瑞已经陆续参与江苏省部分县市电力公司的用户端能源管理平台、云南省网综合能源服务平台、上海嘉定区147所学校电力运维平台等相关平台的建设，提供了包括云平台、智能网关、终端设备等产品，各类用户端云平台在全国各地运行案例700多套，并且根据用户需求不断完善产品功能，这些项目就是未来泛在电力物联网的一部分。
　　＂能源互联网的春天到了，因其所能，它必将成为充满活力的新型能源业态。＂尽管针对泛在电力物联网还有一些不同的声音，但是泛在电力物联网已经悄无声息的铺开来，融入能源互联网基础建设的方方面面。
　　5结语
　　综上所述，电力物联网在目前得到了很好的发展，为智能电能表的发展提供了强有力的支撑，也满足了新一代智能电能表的功能定位和设计新思路。新一代智能电能表的设计，以路由器的形式与管理功能相互独立。对于泛在物联网的发展，结合新一代智能电能表的技术支持，将有非常广阔的市场。
　　参考文献
　　[1] 郭笑含.新一代智能电能表支撑泛在电力物联网技术研究
　　[2] 彭楚宁，罗冉冉，王晓东 . 新一代智能电能表支撑泛在电力物联网技术研究 [J]. 电测与仪表，2019（15）：21.
　　[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
　　作者简介
　　张星，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能照明的研发与应用