智能电能表通信协议及技术发展

第1章　智能电能表 1.1　智能电能表定义 目前，国际上对智能电能表的定义还不统一，也没有提出被大家广泛认可的国际标准。对智能电能表的定义主要是针对它所具有的功能，由于各地区所研究使用的智能电能表的功能不尽相同，所以对其的定义也就不一样。 欧洲智能表计联盟在定义智能电能表的时候主要是通过描述电能表的特性，认为智能电能表除了能够对电能信息进行基本的计算和处理以外，还应该具备较强的通信能力，能够支持实时双向的通信，这样就能很方便地实现供电部门与用户的信息共享，用户可以方便地获取各种用电信息。此外，欧洲智能表计联盟认为智能电能表还应该提供能源优化管理这方面的服务。 美国需求响应和高级计量联盟则指出智能电能表应该实现以下功能： (1)可以计量不同时间段内的用电数据，方便实现分时电价； (2)能够支持多种方式的电价交易，在电力市场中占据重要地位； (3)允许具备电力以外的功能，有更全面的服务范围和更好的用户体验； (4)可以使电力运行部门的服务更完善，质量更高。 在国内，对智能电能表的定义是这样的：其主要功能部件可以对电能信息进行实时的计算、备份、解析并具有自主分析本领的测量仪表。一般来说，智能电能表对数据的采集和处理方面的能力很出众，这也是智能电能表*基本的特征。另一方面，它也具有一定的智能性，能够进行显示和操作，即可进行人机交互。在此基础上，智能电能表的概念就显而易见了，即用于测量电能的智能仪表，进一步阐述，即以微处理器为核心的电子式多功能电能表。近年来，智能电能表的功能更加全面，如具有通信功能、具有多用户计量功能、可以对特定用户进行计量等。 智能电能表是智能电网高级计量体系中的重要设备，智能电能表作为智能电网的智能终端，是一种新型电能表，可实现多种用电参数的精确计量。在电费收取方面，智能电能表打破了传统的模式，采用预付费的方式，在表内的剩余金额过少时，电能表会通过光或声等方式提醒用户金额不足，需要及时购买。用户持集成电路卡(integrated circuit card，IC卡)到供电部门交款购电，供电部门用售电管理机将购电量写入IC卡中。当表内剩余电量等于报警电量时，拉闸断电报警(或通过蜂鸣器报警)，此时用户在感应区刷卡(卡中有预先存入的电费)即可恢复供电，供电后将卡拿走；当剩余电量为零时，自动拉闸断电，用户必须再次持卡交费购电，才可以恢复用电，有效地解决了上门抄表和收电费难的问题。同时，智能电能表可通过设置多种费率来有效地调节电网负载平衡，实现削峰填谷，使用户的用电效率得以显著提高。智能电能表除具备基本的计量功能外，相比普通电能表，它还能提供更加详细的能耗情况，与电力局的用电管理系统实现双向交互，帮助电力局监控、管理用电和计费收费[8-10]。同时，智能电能表还可连接家中正在使用的智能家电，根据分时电价，有效地组织电能消费，尽量减少高峰时期高价电的消费，*终对电能起到调节负荷的作用，减少电厂建设需求，节约能源；它还具有双向多种费率计量功能、多种数据传输模式的双向交互功能、用户端控制功能、防窃电等智能化的功能，智能电能表代表着未来节能型智能电网用户智能化终端的发展方向。 1.2　智能电能表结构及其网格的特点 1.2.1　智能电能表结构 智能电能表主要由测量单元、数据处理单元、通信单元三部分组成。 测量单元主要进行电能的测量，完成对电能数据的实时采集。 数据处理单元能够对采集到的信息进行集中处理，将采集到的电压和电流信息转化成与电能成正比的脉冲输出，并经过单片机进行处理，*终转化为需要统计的各类用电量加以输出，实现费控功能。 通信单元的通信信道物理层是独立的，具有冗余配置，支持RS485通信、红外通信、载波通信、公网通信模块，各类不同模块之间遵循《多功能电能表通信协议》(DL/T 645—2007)。 目前，智能电能表的研究和设计一般都基于下面两种硬件架构。 **种是使用通用芯片来架构。在智能电能表的设计当中，往往引进随机存取存储器(random access memory，RAM)、数字信号处理(digital signal processing，DSP)、现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)等比较高端的硬件，这些芯片具有更快的处理速度和更加全面的功能，这使得电能表的设计更加灵活多变，这些高端硬件的引入，大大改变了原有的电能表设计的架构。 第二种是采用专用计量芯片加处理器的架构。这种架构将数据的釆集运算和数据的后期处理分离开来，由专用电能计量芯片对电网数据进行采集，计算有功、无功等，然后通过指定的通信方式，将数据传送给电能计量芯片，再对数据进行存储显示等操作。这种设计架构比**种方案更加灵活，而且现在专用的电能计量芯片很多，功能也很强大，可以大幅度地降低设计的复杂度。 图1-1所示的智能电能表采用第二种设计架构，即专用计量芯片加微控制单元(microcontroller unit，MCU)的架构。 图1-1　智能电能表结构图 注：Ua、Ub、Uc为三相电压输入；Ia、Ib、Ic为三相电流输入。 从图1-1中可以看出，智能电能表大体上可以分成6个功能模块，分别是电能计量模块、电源模块、通信模块、存储模块、显示模块和主控制器模块。这里选用i.Max作为主控制器，负责读取电能计量数据并进行后续处理、自动化管理和数据通信等。电能计量模块的芯片则选用专用电能计量芯片ADE7758，负责数据的采集和运算。 (1)主控制器模块。i.Max是整个智能电能表的核心，与其他5个模块均有连接，在电能计量方面，*终的用电量是在i.Max中累加完成的，此外，i.Max还负责监控电源电路等。 (2)电能计量模块。电网的电压和电流通过由电压互感器和电流互感器组成的调理电路，转变成能处理的电压信号，输入通道*终接受的都是电压信号，峰值不超过额定*大值，可同时兼容三相三线制和三相四线制两种不同的电力网络。 (3)电源模块。电源模块为整个系统中各个模块供电。 (4)显示模块。显示模块将指定的信息显示在显示器上，具体包括各种电力参数和通知信息等，实现人机互动功能。 (5)通信模块。通信模块包括采用协议的网络通信以及本地通信。通信模块是电能表的核心，通过它完成组网，可以实现多种功能。此外，通信可以实现与智能插座、智能电器等设备的通信，进行用电规划和控制。 (6)存储模块。该模块可以实现数据的存储和调用。 1.2.2　智能电能表及其网络的特点 智能电能表的主要特点包括： (1)电子式平台； (2)集成通信技术； (3)支持远程断、供电； (4)电能质量数据(电压、电流、功率因数、频率、停电信息)； (5)高级窃电检测； (6)远程配置； (7)远程升级； (8)内部扩展接口，可扩展更多功能。 1.3　需求分析与设计思路 1.3.1　应用需求分析 本节从业务场景、业务应用及业务模式三个方面对新形势下智能电能表应用需求的转变进行分析。 业务场景方面，新型负荷和微电源的出现，使智能电能表计量对象呈现多样化，既包括常规居民用户，也包括使用电动汽车(electric vehicle，EV)充电桩、分布式光伏发电的居民用户，及小区集中式光伏发电、集中式充电桩等。 业务应用方面，随着电力体制改革和用户需求的提升，电能表业务应用不再局限于营销计费，电网公司与用户供需互动、服务深化、营配融合支撑配网运行等更多业务应用涌现。 业务模式方面，在电力物联网“云管边端”的建设架构下，充分利用物联网技术，建立物联网数据采集通道，构建感知与汇集体系，建立电网资产物联网。智能电能表部署在边端，一方面需要兼容多种通信资源，架起上传下达的桥梁，另一方面也要具备边缘计算能力，使用云端协同提升业务支撑能力。 1.3.2　功能需求分析 本节从电网业务出发，分析智能电能表的功能需求。 由于新负荷倒逼及售电体制改革推进，营销业务已全然不同，营销业务亟待智能电能表实现多功能计量及多样化计费。 社会进步要求供电服务水平跟上时代的步伐，加强用户双向互动，网上营业厅、微信、支付宝、小程序(App)等多渠道服务手段建设完善，实现智能电能表与居民互动的基础在于掌握户内的精细化用电数据，要求智能电能表具有非侵入式负荷辨识能力。 电力供需互动不仅是信息互动，更多是业务互动，负荷自动控制、电动汽车有序充放电等要求智能电能表不仅具备本地分解计算能力，同时支持双向多功能通信，既能上行通信，也能下行通信。 在电力物联网建设模式下，构建云端协同模式提升业务处理能力，营配融合、电网供需互动等复杂业务功能需求要求智能电能表在提升采样频率和采样精度的同时，增加数据聚合、数据清洗、事件触发等更多本地处理功能。 1.3.3　电能表总体设计 本书基于应用需求和功能需求，进行智能电能表的总体设计。 设计思想上，基于IR46标准建设，采用模块化设计思路，各个模块物理隔离，松耦合关联，既保证法制计量部分的独立性，同时也保障各相关模块的协调配合性。 模块设计上，综合业务需求分为四大芯，分别是计量芯、管理芯、辨识芯、负控芯，各芯片模块功能定位明确。计量芯为基表，主要承担电能计量任务；管理芯承担整表的管理任务；辨识芯承担用户负荷细粒度分解功能；负控芯承担EV有序充放电和负荷控制任务。 电能表软件可升级，管理部分采用模块化设计，部分硬件功能模块可插拔，软件功能可独立在线或远程升级。 电能表硬件组态可插拔，计量芯与管理芯为标配，辨识芯和负控芯根据应用场景的需求进行选配，各模块功能独立，可在不更换电能表的前提下，实现硬件模块更换、功能升级等，降低表计更换成本。 1.4　未来发展趋势 智能电能表作为测量电能的专用仪表，被广泛应用于世界各国的各个电能贸易结算与监测领域，成为电能计量管理现代化的基础。在我国，智能电能表是智能电网的一个基本单元，为用电信息采集系统提供了丰富的数据资源，向公司生产、运营监控分析系统提供实时数据，充分发挥了电网智能化支撑作用。新材料、新技术、新工艺的不断发展和应用，促使未来智能电能表技术朝着国际化、标准化、智能化、数字化、精确化、安全化的方向发展，逐步实现智能电能表技术水平的新飞跃。 面对新形势下的多重挑战，现有智能电能表已经逐渐不能满足新一代采集系统的需求，未来智能电能表亟待解决现有方案的不足。基于IR46提出的“有关电能计量的关键部分，无论是软件或者硬件，都应不受电能表其他部分影响或影响其他部分”，我国也在积极研制双芯智能表，将计量部分与非计量部分独立设计。表计计量部分选择采用更高标准的元器件、更优化的软件程序与更可靠的计量外围电路结构，实现双芯智能电能表计量部分高精度、低功率因数计量的要求，应用宽动态的计量芯片设计方案，优化数字校准技术，保证双芯智能电能表计量部分的高准确性、高安全性、高可靠性和高一致性。表计非计量部分采用软件模块化设计，将计量部分与非计量部分隔离，即将显示模块、通信模块、负荷曲线模块等独立设计，并使得智能电能表软件支持对各模块的独立升级，确保在扩展或更改非计量部分软件程序时表计计量功能不会受到影响。智能电能表的双芯设计，可在不更换智能电能表的前提下，更好地适应电力体制改革以及满足日益增长的用户功能需求，降低运维成本，实现资源合理配置[11-14]。在进行了前期的调研及深入研究后，本书研制出兼容和支持各种通信资源，能够实现法制计量和管理功能独立运行的双芯智能电能表