1、第 44 卷 第 504 期 电测与仪表 Vol.44 No.504 2007 年 第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007 新一代智能电能表的发展探讨 刘明杰 1，周林 1，苗长胜 2，吴维德 2，向景睿 2 （ 1. 西南交通大学 电气工程学院 , 成都 610031； 2. 国网四川省电力公司计量中心 , 成都 610041） 摘要： 我国各个产业的不断 进步导致社会对电能的需求量 不断增加，智能电能表作为电能计量的重要设备之一， 它的使用和发展对每一个人而言都有着非常重要的意义。本文首先对我国现行工业用电和居民用电
2、的使用情况进行说明，然后以四川为例并结合四川特殊的地理环境，讨论四川省智能电能表的使用状况和故障原因。通 过比较 2009 版和 2013 版 智能电能表的优缺点，提出基于 IR46 标准新型电能表的研发思路，给出了新一代双芯智能电能表的设计方案和结构框图，其中主要包括外观结构，内部功能划分以及数据传输等三大部分，最后将新一代双芯智能电能表与现有智能电能表进行比较，指出推广新一代智能表的可行 性和必要性。 关键词 ： 用电量；智能电能表； IR46 协 议；数据传输 中图分类 号 ： TM933 文献标识码 ： B 文章编号 ： 文章编号 ： 1001-1390（ 2017） 00-0000-
3、00 Study on the development discussion of new generation smart meter Liu Mingjie1, Zhou Lin1, Miao Changsheng2, Wu Weide2, Xiang Jingrui2 (1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China. 2. State Grid Sichuan Electric Power Corporation Metering Center, Chen
4、gdu 610041, China) Abstract: The growth and development of various modern industries lead to the increasing demand of electricity in our society. As one of the most important electricity metering equipments, smart meter is essential for everyone in the daily life. This paper firstly introduces the s
5、tatus of current industrial electricity, and then, discusses the using condition and the failure reason of smart meter in Sichuan province due to its special geographical environment. By comparing the relative merits and defects of smart meter between 2009 edition and 2013 edition, the passage will
6、show a new generation of smart meter based on IR46 protocol. The design of new double-core smart meter is provided with its exterior structure, the internal functional division and the data transmission mode. Finally, this paper illustrates the advantages of double-core smart meter to the old editio
7、n, which shows the feasibility and the necessity of new generation smart meter. Keywords: electricity consumption, smart meter, IR46 protocol, data transmission 0 引 言 电能作为当前社会最重要的能源之一， 关系到社会各个行业的正常运作 ，电能的使用情况往往可以从侧面反映出一个国家的工业体系和经济发展状况。智能电能表是采集系统 中 最基础 也是最重要 的组成部分，它的推广和应用可有效防范电费拖欠，降低公司的电费风险，可通过规范其标准和
8、 技术条件，明确采集终端和系统主站建设方向，从而促进电能计量行业技术水平的提高，带动电力设备制造产业发展 1。 本文将对我国近 五 年来 工业用电和居民用电现状进行分析 ，结合智能电能表在四川省投入使用情况，总结智能电能表现有问题以及相关新技术，通过对当前数据的分析，对未来 即将 推出的新一代智能电能表 的发展进行探讨 并提出相应的检测、整改意见。 1 我国电能使用现状分析 近十年来，我国高新技术产业取得迅猛发展，原有 各个产业 继续稳步前进，沿海经济发达城市和内陆“新一线”城市 等 对电量的需求日趋增大。此外，由于居民用电在每年各个季度均有较大差异，特别是冬夏两季，是大功率家用电器的用电高峰
9、期。第 44 卷 第 504 期 电测与仪表 Vol.44 No.504 2007 年 第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007 因此，本文 将 分别 对不同年份相同季度全国 工业和居民 用电 总 量进行比较，从而可以更加直观地观察各个时期用电量的增长率。 从表 1 数据可知，全国工业用电 大多数 处于稳定上升态势，但由于国家相继出台一系列节能减排政策， 对 高污染、高耗能企业 进行严格把关 ，导致部分季度全国工业用电总量 的增长率呈现负值 。表 2数据属于居民用电，主要体现在家用电器的使用上，居民用电受当年气候影响较大，
10、特别是冬夏两季，由于每年的温度不同，家用电器的使用情况也会发生较大变化，因此这两 个季度的 数据波动较大，但整体仍处于上升 趋势 。由此可见，现代 社会对电能的依赖程度越来越高，特别是电动汽车充电桩等一系列清洁能源设备的使用，必将导致社会对电能的依赖程度进一步增大 ，而作为电能计量工具的智能电能表在其中将起到至关重要的作用。 表 1 2012 年至 2016 年各季度中国工业用电总量 Tab.1 Total industrial electricity consumption in China of each quarter during 2012-2016 年份 Q1 （亿千瓦时） 增长率
11、/(%) Q2 （亿千瓦时） 增长率 /(%) Q3 （亿千瓦时） 增长率 /(%) Q4 （亿千瓦时） 增长率 /(%) 2012 9 974 5.44 10 744 3.77 11 381 3.25 11 263 8.61 2013 10 404 4.31 11 400 6.11 12 439 9.30 12 211 8.42 2014 10 939 5.14 11 958 4.89 12 745 2.46 12 651 3.60 2015 10 997 0.53 12 068 0.92 12 692 -0.42 12 453 -1.57 2016 11 415 3.8 12 521 3.
12、75 13 718 8.08 表 2 2014 年至 2016 年各季度全国居民用电总量 Tab.2 Total residential electricity consumption in China of each quarter during 2012-2016 年份 Q1 （亿千瓦时） 增长率 /(%) Q2 （亿千瓦时） 增长率 /(%) Q3 （亿千瓦时） 增长率 /(%) Q4 （亿千瓦时） 增长率 /(%) 2012 1 682 15.6 1 354 8.84 1 743 9.90 1 438 6.05 2013 1 735 3.15 1 417 4.65 2 062 18.3
13、0 1 561 8.55 2014 1 849 6.57 1 528 7.83 1 947 -5.58 1 606 2.88 2015 1 904 2.97 1 638 7.20 2 030 4.26 1 703 6.04 2016 2 108 10.71 1 703 3.97 2 402 18.33 2 智能电能表发展历程及使用现状 2.1 电能表的发展历程 国家电网公司提出，统一坚强智能电网建设将分三步走： 2009 年至 2010 年为全面建设阶段，重点开展规划工作，完成标准制定； 2011 年至 2015 年为全面建设阶段，加快特高压电网和配电网建设，各项体系初步形成； 2016年至
14、2020年为引领提升阶段，全面建成统一坚强智能电网 2。 2009 年 9 月，国家电网公司发布并开始在公司系统内实施智能电能表系列标准，同年 12 月开始 首次规模化集中招标 3，这标志着智能电能表时代的到来，它将逐步取代原有的多功能电能表，广泛投入使用。不同于传统电能表，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 4。 两者相同点在于都包含测量单元和数据处理单元，但后者比前者增加了 通信单元，能够将数据 通过采集终端实时传递给主站，为建设更加坚强的智能电网奠定了基础，满足国家对电力的调控、
15、公司对电能的监控以及用户对电价的掌控需要。 2.2 智能电能表 在川 使用情况 自 2009 年至今，国网公司一共出台过两版智能电能表技术规范，现有智能电能表主要分为 2009 版和 2013 版两个版本。以四川省为例，目前四川省已经收到来自全国 52 个仪表厂家 287 个批次合计25226762 只智能电能表，至 2016 年 9 月底已有22272190 只智能电能表投入使用 。 图 1 是近 四年 来四川省智能电能表的 投入 使用 量的柱状图 。 从 图 1 可以 看出，近四年来，智能电能表在四川省的使用量一直呈递增 趋势。 2016 年三季度智能电能表的投入使用量是 2013 年一季
16、度的近 20 倍。相较于往期人工抄表的方式，智能电能表 通过自动上传相关电能数据， 有效提高工作效率，人工成本投入将大大降低。 第 44 卷 第 504 期 电测与仪表 Vol.44 No.504 2007 年 第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007 图 1 四川省智能电能表投入使用量 Fig.1 Input usage of smart meter in Sichuan province 在四川省因 其 特有的自然环境而导致电力设施受损主要可分为两大类。第一是长期危害，由于四川地处西南地区，大部分面积均 位 于四川盆地
17、 腹地 ，与同纬度地区相比，年平均气温明显偏高，封闭的盆地，四周山区东南部相对较低有利于水汽进入，西北部山区相对较高不利于水汽散失，导致空气湿度高，多阴雨天气，多雾，它是我国年日照时间最少的地区之一，以上各种地理气候因素导致同种智能电能表在四川地区故障率偏高，需要对外部环境干扰有更强的防御能力。第二是突发灾害，四川 正处于 鲜水河地震带、安宁河 -则木河地震带等多个地震带（区）上，受自然灾害而导致的智能电能 表 损坏的情况具有不确定性 ，夏季雨水丰沛，山区容易发生洪水、泥石流等次生灾害，同样会对智能电能表造成极大损害 5。 因此，对于新一代智能电能表的检测除按照国网规范之外，还需充分考虑仪表的
18、使用环境，针对不同外部条件进行一定补充性试验。 2.3 现行智能电能表不同版本的异同点 下 面以单相 智能电能表为例，对现行智能电能表不同版本的异同点进行说明，国家电网公司于2009 年 9 月首次制定了单相智能电能表技术规范Q/GDW 364-2009、单相智能电能表型式规范Q/GDW 355-2009 标准以及智能电能表功能 规范Q/GDW 354-2009，通常简称为 “09 版单相智能电能表 ”，在使用三年后的 2012 年国家电网公司对其进行了第一次修订，并于 2013 年招标工作中正式投入使用，因此，修订版又称之为 “13 版单相智能电能表 ”。 相较于 09 版电能表， 13 版
19、电能表主要有以下变化 6-8： （ 1） 技术规范，包括增加、修订防恒定磁场影响、 0.5 mT 工频磁场影响、负荷开关、通信模块互换性测试以及通信接口带载能力测试； （ 2） 型式规范，包括统 一模块仓和模块尺寸等要求，取消编程键、报警灯，精简液晶显示内容 ； （ 3） 功能规范，修改、统一了费控功能实现流程，规范了事件阈值的默认值，统一了报警方式、上报方法等，增加红外认证、电能表软件比对、通信模块互换功能，增加恒定磁场监测、交流磁场防潜等功能。 在保留原版智能电能表的基本功能外，国家电网公司针对构建智能电网的总体要求，删去一些不常用的功能项，新增了符合建立大数据项目的功能。例如，修订后的
20、13 版单相智能电能表全性能检测项目包括准确度要求试验、绝缘性能、电磁兼容试验及气候影响试验等十大项、 50 余小项试验 ，并对新一代智能电能表的 外观尺寸以及材料要求 进行了统一 。总体检测流程包括供货前检测、定样检测、全性能检测、到货抽样检测以及全检验收等五个步骤，严格要求电表厂商按照技术规范进行生产，确保每一批智能电能表在投入使用前均符合行业规范要求。 2.4 智能电能表部分安全技术措施 目前智能电能表 受到的信息安全威胁主要分为对用户端电表信息管理的攻击和对用户与电力公司双向通信网络的威胁 9 ，包括截获他人通信内容的“被动攻击”以及中断、篡改和伪造信息的“主动攻击”。解决办法主要是对
21、数据进行安全认证和线路保护，可有效防止数据的窃取和二次传输。 国网在信息交换安全认证中采 用 ESAM (嵌入式安全控制模块 )，终端将对电能表采用明 文 加 MAC的抄读方式，具体流程图如图 2 所示。 此外针对窃电问题， 早期电子式电能表窃电 手段 主要有改变电流互感器中的电流、断零线和加强交流磁场等方式 10， 而智能电能表的窃电 方式与电子式电能表相似 ，主要有电流法、电压法窃电，改变内部结构和接线方式，外加磁场法窃电 等 11。随着科技的发展，现场出现了各种新型窃电方式，目前 发现的高科技窃电形式有利用大功率无线设备、高频高压电源以及遥控设备等对智能电能表进行干扰实施窃电 12。针对
22、上述窃电手段，文献 11提 出的解决方法有基于自动抄表系统、铅封、加密和改变表内芯片通道等， 文献 12指出在智能电能表 内 增加磁场检测单元和无线检测单元，前者用于检测电能表周围存在的恒定磁场和交变磁场干扰，后者用于第 44 卷 第 504 期 电测与仪表 Vol.44 No.504 2007 年 第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007 检测是否有利用无线遥控装置窃电的行为。 保证智能电能表的信息安全和稳定传输一直是亟待解决的问题，国家电网公司为了保证其稳定性，将内部程序进行固化处理。这种方式虽然能够较好的提升智能电能
23、表的安全性，然而对后期的维护和升级工作带来的不便。因此新一代智能电能表对该问题提出了一些整改意见，其双芯工作模式可以有效解决这一问题，后文将对 这一特点加以详细说明。 获取随机数返回获取的随机数抄读帧明文和随机数下发给电表抄读响应帧明文 、M A C 、 终端随机数 、 电表 E S A M 序列号根据校验结果判断终端 M C U生成随机数根据响应帧明文 、M A C 、 终端随机数 、 电表 E S A M 序列号校验返回校验结果T E S A M电表 M C UE S A M根据抄读帧明文组织抄读回码 ， 将抄读回码明文和终端随机数下发 E S A M根据回码明文和M A C 组成抄读响应
24、帧发送给终端E S A M 接受终端随机数和明码明文生成回码明文和M A C图 2 采集终端抄读电能表的流程图 Fig.2 Flow chart of collection terminal for reading smart meter 3 新一代智能电能表发展预测 3.1 IR 46 标准的修订与完善 目前，我国智能电能表的检测均是按照国家电网公司的行业标准实施 ，电能表国际建议 IR 46 是国际法制计量组织（ OIML）下属委员会起草的一个新型技术文件 13， 它的工作内容是 为新设计生产 的电能表的型式批准提出建议，是国际法制计量的重要组成部分。 全国电工仪器仪表标准化委员会已发布通
25、知，对外召集组建 “基于 IR46 的国家标准制、修订专项研究工作组 ”14。 IR46 标准的试验项目包括：最大允许误差符合度的测试（ 5 项）、对影响量的测试（ 16 项）、对干扰的测试（ 6 项）、组合误差评估（ 2种形式）。 IR46 标准在修订前参照的是 IEC 标准，修订后参照的是欧洲计量指令 MID，其区别主要体现在对智能电能表等级的定义 、相关电流 参数 的概念以及对电能表检测 评估的形式等方面。未来智能电能表将是具有中国特色的新一代智 能电能表，在检测方面它将现有的规范与 IR46 进行融合，强调管理单元，并且为顺应大数据时代的发展，对智能电能表的通信方式也提出新的要求，从而
26、做到设备组件分离、计量功能模块独立、非计量模块升级不影响计量模块的效果。 3.2 新型电能表研发思路与困难解决 未来智能电能表的发展思路主要体现在三个方面： （ 1） 是 做到结构件简约，底壳尺寸基本保持不变，高度进行适当修改，使 上一代智能电能表更换后 能够兼容原有表箱。在模块方面将不再只支持单一模块，而是同时开放 多个的端口，并支持多模块热插拔功能 ； （ 2） 是做到计量芯可靠，将会追求更高的精度，充分体现公平公正的原则，同时将会拥有更宽广的量程，可以应对各种条件，将计量与管理分隔独立，加强计量部分的安全稳定性。内置软件要能够得到统一认证，进一步降低故障率 ； （ 3） 是做到管理芯强大
27、，要对电能表的现有功能进行补充， 使其 覆盖面更广，并且要为后期扩展预留空间，并支持对管理块软件的在线升级。在通信问题上，现有的面向过程协议 在将来 会改为面向对象协议。 未来的发展中，水、电、气、热实现四表集抄，智能电能表将会成为重要的数据 中转站，实现上下行通信。目前常用的通信方 式有 RS485 总线技术、蓝牙技术、 ZigBee 技术、 M-Bus 总线技术等 15。其中蓝牙技术和 ZigBee 技术属于无线通信方式，通信距离较短，实用性不强。 RS485 是目前最常用的通信方式，现有智能电能表上含有该端口，但 由于第 44 卷 第 504 期 电测与仪表 Vol.44 No.504
28、2007 年 第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007 RS485 使用的是有极性屏蔽的双绞线，对布线要求很高，进而提高了施工难度和成本，此外 RS485 的带载能力和从机对自带电池的依赖等均是其发展障碍 16。因此文献 17指出， M-Bus 相较于 RS485 总线，采用无极性普通双绞线，并且布线的拓扑结构种类更多，同时由于 M-Bus 的调制方式不同，带载能力也不同，并且 M-Bus 总线在满足通信的情况下，可以给从机供电，从而提升了从机自带电池的使用寿命。 此外，智能电能表的采集方式也将迎来 2.0 时代，模块与管
29、理芯之间的通信速率将提升至 100 kbps。 对电价的设定也不仅仅局限于当前的阶梯电价或者费率电价，将主要根据实际情况采取柔性电价，对有功功率的读取时间间隔 调整 为 1 分钟，无功功率间隔为 15 min，并 使 数据量 存储期限延长至一年 。 3.3 设计方案 目前正普遍推广使用的 13 版智能电能表只含有单块控制芯片，内部结构没有对计量单元与管理单元进行区分，在通信方面也较为单一，并不能满足当前社会的发展需求。其功能框图如图 3 所示。 现 行 智 能 电 能 表 功 能 框 图系统电源存 储 器 上 行 模 块 停 抄 电 池C P U 卡E S A M 安 全 模 块负 控 开 关
30、R S 4 8 5 通 信电压采样电流采样计量芯片单 芯 M C U红 外 通 信R T C 时 钟 芯 片时 钟 电 池图 3 现行智能电能表功能 框图 Fig.3 Functional block diagram of current smart meter 新一代双芯智能电能表主要分为计量芯和管理芯两 大部分，其中计量芯主要实现 电量计算、事件记录、时钟校准、瞬时量测量、通信工作以及故障上报等功能，而管理芯则是完成数据冻结、结算电量、继电器控制、 LED 屏显示、对外通信以及在线升级等工作 。两者的差异主要体现在， 出场时将对计量芯功能固化，不支持远程升级，而管理芯存在多样化管理需求，可
31、以通过远程升级程序的方式进行管理芯功能升级。其次，管理芯涉及收费功能，可通过计量芯基础冻结电能进行校 核，而计量芯的功能则相对单一，更注重可靠性。具体的功能框图如图 4 所示。 I R 4 6 双 芯 智 能 表 功 能 框 图系统电源计量芯电压采样电流采样计量芯片计 量 M C U存 储 器 1单 路 R S 4 8 5 通 信R T C 时 钟 芯 片超 级 电 容时 钟 电 池管理芯上 行 模 块下 行 模 块管 理 M C U停 抄 电 池 C P U 卡E S A M安 全 模 块红 外 通 信存 储 器 2 负 控 开 关 U S B 通 信多 路R S 4 8 5 通 信S P
32、I 串 行 外 设 接 口图 4 IR46 双芯智能电能表功能 框图 Fig.4 Functional block diagram of double-core smart meter based on IR46 protocol 对于模块的需求，新一代智能电能表将不仅仅只安装上行模块，同时也将对下行模块提出了新的处理方案。上行模块带载能力为 6 W，将支持PRIME-PLC、 G3-PLC、 GPRS、微功率无线、光纤以及 RS485，且目前已有厂家研制出通过单张 SIM卡切换 通道自寻不同运营商 信号 的技术。 智能电能表自带 GPRS 等功能可以使其跨过采集终端，直接向主站传递数据，这对
33、于水电气热公司获取各自相关数据提供了便利。下行模块带载能力为 2.4 W，主要支持 M-BUS、 RF、蓝牙、 Wifi 和 Zigbee 通信模式，第 44 卷 第 504 期 电测与仪表 Vol.44 No.504 2007 年 第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007 通过安装下行模块，对 “四表一体 ”工作的开展有重大意义。 3.4 新旧智能电能表的比较 通过比较新旧两代智能电能表，总结其差异，主要体现在外观结构、计量部分、管理部分以及通信协议四个方面： 外观结构部 分。双芯智能表时钟电池模块化并支持更换， 不再只
34、支持单一模块，对扩展口将实现模组化，支持上下行通信。显示方面 用点阵液晶屏取代原有段码液晶屏，使其更加灵活多变，且显示功能将由 原先轮显 19 项、键显 97 项，改为轮显 9项、键选 27 项，使其 标识 更加简洁明了。报警输出由信号段子输出改为计量芯 RS485 输出。 计量部分。原国网要求中计量与计费没有区别，双芯智能表将对法制部分进行认证，并且对电费定价和数据存储也将改为柔性电价和数据追溯功能。原有电表计量部分未独立，易受外界干扰。双芯电能表计量部分属于计量芯，通信、事件、计费等属于管理芯，两者独立运行，通过 SPI 交互数据。 管理部分。双芯智能表支持远程、本地在线升级，法制芯通过软
35、件认证，不允许升级。其操作系统将由原有单一任务调度方式改为更有效的任务切换调度方式，提高实时性，支持实时异常诊断，支持 USB 高速数据导出，可扩展 TCP/IP 协议。 通信部分。原有采集系统采用面 向过程的 DL/T 645 协议，未来将改为采用面向对象的 DL/T 698 协议。双芯智能表支持模组化设计后， 将从原有的单行通信改为支持上下行通信， 支持 M-BUS 接口，支持无线连接 IHD， 可 进行简单的数据交互，支持四表集抄。原有智能表模块与表之间的接口速率为 2 400 bps，双芯智能表模块与管理芯之间通信接口速率将提升至 115 200 bps。 4 结束语 智能电能表是电能
36、计量中最重要的一环，也是最贴近民生的一部分，其准确性、稳定性和实用性是电力行业最关注的问题之一。本文主要通过 对我国电能需求变化以及智能电能表 推广使用情况的介绍，反映我国电力系统行业的发展，并对下一代新型智能电能表的构造与发展做出分析。通过借鉴国外高端表计设计理念，结合国内的实际情况，研制出既能满足坚强智能电网要求又能符合 IR 46 标准、实现计量芯和管理芯独立运行、兼容和支持各种通信资源、具有中国特色的下一代智能电能表。 参 考 文 献 1 张吟妹 . 运行中智能电能表的常见故障与故障鉴定 D. 北京 : 华北电力大学 , 2015. Zhang Yinmei. The fault id
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46、, 2015. 作者简介： 刘明杰（ 1992），男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化。 Email: 第 44 卷 第 504 期 电测与仪表 Vol.44 No.504 2007 年 第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007 周林（ 1993），男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化。 Email: 苗长胜 （ 1969），男，高级工程师，硕士，研究方向为电能计量 技术 。 Email： 吴维德（ 1963），男， 高级工程师，硕士 ，研究方向为智能电能表用电采集技术。 Email:wwd_ 向 景睿（ 1988），男，硕士 ，研究方向为电能测量技
