淺析基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智能電表設計與應用

摘要：智能電網(wǎng)出現后,無(wú)論是供電測還是用電側,都會(huì )自然地走向萬(wàn)物互聯(lián),從而誕生出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將供電系統與用電系統實(shí)現了的統一,將用電管理直接擴展到電網(wǎng)端,形成了家庭、社區,樓宇、城市、社會(huì )生活等方方面面的智慧用供電管理體系。在這個(gè)用供電體系中,智能電表無(wú)疑成為管理體系中的一個(gè)核心設備。智能電表的任務(wù)也將從單純電量計量向用供電領(lǐng)域的信息平臺、交互平臺、控制平臺的平臺化目標前進(jìn)。未來(lái),智能電表將在家庭生活、智慧社區、智慧城市等現代化生活中發(fā)揮巨大的作用。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；智能電表

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)誕生前,人們將物聯(lián)網(wǎng)的概念局限于互聯(lián)網(wǎng)的萬(wàn)物互聯(lián)。萬(wàn)物互聯(lián)形成的所有智能化終端都是一個(gè)智能化的電子系統,都帶有一個(gè)電源子系統,在提升各種智力功能時(shí),都要有電源管理功能。一些小型的智能終端中,大多使用獨立的電源。在一些大型物聯(lián)網(wǎng)應用(如分布式系統、局域網(wǎng)系統的智能家居、工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)、電動(dòng)車(chē)充電樁、城市安防系統、城市照明系統)中,它們都會(huì )延伸到智能電網(wǎng),從而帶來(lái)復雜的電源管理與用供電管理,并衍生出智能電網(wǎng)對用電側終端設備的感知與控制;加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對智能電網(wǎng)智力提升,實(shí)現了其對龐大的電力生產(chǎn)、輸配電、電力調度、安全運營(yíng)中的所有終端設備的智能互聯(lián),從而形成了一個(gè)泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)。

雙網(wǎng)結構是泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)有的結構體系,內網(wǎng)包括發(fā)電的電源側與輸、配電的電網(wǎng)側,外網(wǎng)包括用戶(hù)側與供應商。內外網(wǎng)有一個(gè)共同界面,這個(gè)界面就是智能變電站與智能電表,它用于實(shí)現供電側對用電側的感知、控制與信息交互。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)內外網(wǎng)雙網(wǎng)結構體系的形成源于供電、用電的兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò )體系。前者屬于強電領(lǐng)域,是一個(gè)壟斷的封閉型網(wǎng)絡(luò )體系;后者屬于弱電領(lǐng)域,是一個(gè)自由的開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò )體系。內、外網(wǎng)交互界面中的智能電表采用標準的雙芯結構體系,以應對雙網(wǎng)結構的電力物聯(lián)網(wǎng),用相對獨立的方式實(shí)現泛在電力物聯(lián)網(wǎng)供電端電量計量與用電端用電管理的安全保障。

2 初級階段的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

現階段,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)處于內網(wǎng)建設的初級階段,主要有內網(wǎng)的三型兩網(wǎng)建設、云平臺建設、大數據與數據服務(wù),以及應對新能源的智慧能源服務(wù)系統建設等。

（1）三型兩網(wǎng)建設

2019年10月,電網(wǎng)有限公司發(fā)布了《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)文件2019》。文件中把“三型兩網(wǎng)"建設確定為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設的戰略目標。三型,即樞紐型的智力電網(wǎng)、平臺型的物聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)與內外網(wǎng)共享型的社會(huì )屬性;兩網(wǎng),即堅強智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。當前,在兩網(wǎng)建設中,在堅強智能電網(wǎng)建設為基礎上,不斷向用電側的物聯(lián)網(wǎng)應用擴展。對于物聯(lián)網(wǎng)應用的嵌入式系統從業(yè)者來(lái)說(shuō),會(huì )注重用電管理相關(guān)的應用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò )層、感知層的基礎建設。

（2）云平臺建設

物聯(lián)網(wǎng)誕生后,隨之而來(lái)的必然是大數據與云計算,云平臺則是實(shí)現云計算服務(wù)的重要工具。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺建設內容有:變電所運維云平臺、能源管理云平臺、智慧用電云平臺、環(huán)保用電監管云平臺、充電樁(電動(dòng)汽車(chē)、自行車(chē))運營(yíng)管理云平臺、預付費管理云平臺等?？梢钥闯?泛在電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺建設的集中在智能電網(wǎng)新能源的發(fā)電、儲電、并網(wǎng)與供電的負荷應用領(lǐng)域。目前,我國物聯(lián)網(wǎng)應用中出現了眾多的云平臺(如阿里云、騰訊云、華為云等),這些都是外網(wǎng)中開(kāi)放性的云平臺。從電網(wǎng)壟斷性、安全性出發(fā),電網(wǎng)會(huì )建設獨立、封閉、由嚴格管控的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的云平臺。

（3）大數據與數據服務(wù)

萬(wàn)物互聯(lián)后,必然出現大量的感知數據,物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算便成為物聯(lián)網(wǎng)+應用中三位一體的重要產(chǎn)業(yè)應用模式。

所有用電側的物聯(lián)網(wǎng)大系統都會(huì )以各種方式與智能電網(wǎng)相連,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層會(huì )感知眾多用電信息,從而形成電力系統的大數據體系。在這些用電大數據中包含眾多信息,從而形成了一個(gè)龐大的數據服務(wù)產(chǎn)業(yè)。圖1展示了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中大數據服務(wù)領(lǐng)域與服務(wù)內容。這些服務(wù)領(lǐng)域與服務(wù)內容幾乎涵蓋了與社會(huì )生活相關(guān)的全部領(lǐng)域與方方面面。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)大數據服務(wù)中的一個(gè)典型應用案例是城市住房空置率的數據統計。所有新建住宅都會(huì )安裝智能電表,從智能電表的使用/空閑,以及電量計數可以判斷住房是空置還是在使用中。

.       智慧能源服務(wù)系統建設

當前,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要任務(wù)是新能源的應用服務(wù)(如風(fēng)電、光伏分布式能源的發(fā)電、并網(wǎng)、電力調度,以及新能源汽車(chē)的能源(氫能源電池、動(dòng)力電地)供應與管理服務(wù)等)。圖2是一個(gè)用于電動(dòng)汽車(chē)充電的智慧能源服務(wù)系統。

未來(lái),眾多新能源都會(huì )以電能為核心,無(wú)論是發(fā)電(風(fēng)電、光伏)還是能源(氫能、地熱能、潮汐能等)轉換,抑或是能源利用,都少不了電網(wǎng)的支持。圖2展示了一個(gè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應對電動(dòng)汽車(chē)充電的內外網(wǎng)、供電用的一個(gè)完整體系。

3 新一代智能電表的發(fā)展趨勢

從傳統計量電表到電力物聯(lián)網(wǎng)新型智能電表,其發(fā)展的趨勢是:多功能智力平臺構建、眾多半導體廠(chǎng)家參與、三表合一的綜合應用、應對多元化的多功能服務(wù)等。

.       （1）多功能智力平臺構建

為了應對電力物聯(lián)網(wǎng)對用電側的智能用電管理,將傳統電能計量表變革到集感知、控制、監測、用電管理為一體,具有通信、交互、顯示功能的一個(gè)智力平臺;為了適應未來(lái)大數據、云計算的應用,該平臺不僅有良好的智能控制能力,還應有強大的計算能力,以滿(mǎn)足邊緣計算要求。從單一通話(huà)功能手機到如今智能手機的演變,我們可以想象一下未來(lái)智能電表的發(fā)展前景。

（2）眾多半導體廠(chǎng)家積參與

智能電表以MCU為核心,并逐步過(guò)渡到能滿(mǎn)足邊緣計算、實(shí)時(shí)感知與控制的AI芯片。受市場(chǎng)需求吸引,早在十多年前,眾多半導體廠(chǎng)家就積參與了智能電表芯片的開(kāi)發(fā),如早期A(yíng)DI公司的ADE系列、飛思卡爾的MZ系列、恩智浦的LPC1700系列、西門(mén)子的Blackfin處理器等。眾多國際半導體廠(chǎng)家的介入有利于智能電表硬件體系的不斷更新,以及從MCU到AI芯片的更新迭代。

（3）三表合一的綜合應用

為了應對智慧樓宇、智能家居的建設,原有分離的三表 (氣、水、電表)將逐漸走向合一,從而開(kāi)創(chuàng )多傳感器感知與 智能控制的智慧生活時(shí)代。未來(lái),三表合一的綜合計量、AI 芯片的算力提升、邊緣計算的特殊賦能、用電模式的遠程測 控等將大地提升家庭能源應用的智慧化管理水平。

（4）應對多元化的多功能服務(wù)

為了應對日益多元化的能源及能源管理,智能電表將 逐漸完善從單向到雙向、從近程到遠程、從通信到控制的 功能進(jìn)化。例如:為了應對分布式電源、儲能電源的電網(wǎng)輸送,智能 電表從電網(wǎng)側單向計量變?yōu)殡娋W(wǎng)側/用戶(hù)側的雙向輸送、 計量、管理與監測功能;為了應對用供電側的交互功能,新型智能電表必 須具有雙向通信功能,如供電側發(fā)出用電信息、用電側發(fā) 出請求調控信息的雙向通信功能;為了應對未來(lái)更多外部設備接入帶來(lái)電源管理要 求,智能電表會(huì )開(kāi)發(fā)出眾多的遙控、遙測功能,未來(lái)的智能 電表會(huì )成為一個(gè)智能化住宅、樓宇用電模式的控制中心。

4 智能電表的IR46雙芯體系構建

早期,智能電表結構體系的國際標準IR46(InternationalRecommendation46)由國際法制計量組織(OIML)制定并于2012年10月發(fā)布。多年來(lái)一直在不斷完善,我國一直遵循該標準。

IR46標準的核心理念是使智能電表向測控平臺發(fā)展,實(shí)現計量與管理雙芯結構,并保證雙芯的物理分離。雙芯之間只能通過(guò)SPI接口進(jìn)行數據交換。圖3清晰地展示了一個(gè)智能電表的標準雙芯結構體系。

計量芯作為獨立的法制計算部分,嚴格管控,不能隨意升級,以確保數據準確可靠、數據可追溯與時(shí)鐘的安全性。

管理芯滿(mǎn)足平臺管理要求,實(shí)現雙向交互、顯示與通信,用電管理與優(yōu)化用電模式等。軟件下載與更新不影響計量芯的正常工作,未來(lái)還須滿(mǎn)足邊緣計算要求。

雙芯之間依靠SPI總線(xiàn)相連。SPI是主從模式的串行外設接口總線(xiàn),支持一個(gè)或多個(gè)Slave設備,廣泛用于MCU和外設模塊連接。這種總線(xiàn)連接方式有效地保證了雙核間相對獨立與安全操作空間。

智能電表雙芯設計理念源于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的內外網(wǎng)體系結構,以及內外網(wǎng)不同的狀態(tài)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的內網(wǎng)是一個(gè)壟斷、封閉、關(guān)乎利益與安全的電網(wǎng),外網(wǎng)則是一個(gè)充滿(mǎn)不安全因素、自由、開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)。雙芯的結構模式可以在確保電網(wǎng)安全與電力用戶(hù)數據安全的同時(shí),充分介入用戶(hù)端的用電管理,實(shí)現與用戶(hù)的自由交互,有利于未來(lái)智能電表在用戶(hù)側的平臺化應用。

5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供能源物聯(lián)網(wǎng)數據服務(wù)的平臺。用戶(hù)僅需購買(mǎi)安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數據服務(wù)。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語(yǔ)言、多終端數據訪(fǎng)問(wèn)。

（2）應用場(chǎng)所

本平臺適用于公寓出租戶(hù)、連鎖小超市、小型工廠(chǎng)、樓管系統集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領(lǐng)域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現對各種監測數據的查詢(xún)、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實(shí)現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進(jìn)行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢(xún)供配電室內各設備運行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數，并根據實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢(xún)或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現從能源數據采集、過(guò)程監控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過(guò)程有機結合起來(lái)，運用數據處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線(xiàn)生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現全廠(chǎng)能源系統的統一調度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶(hù)及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進(jìn)行配置；

3）用戶(hù)管理：對商鋪用戶(hù)執行開(kāi)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢(xún)等操作；

4）售電管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢(xún)等操作；

5）售水管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售水、退水、記錄查詢(xún)等操作；

6）報表：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢(xún)，本系統所有的報表及記錄查詢(xún)，都支持excel格式導出。

預付費看板

充電樁管理

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監控、運營(yíng)分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

智能照明

智能照明通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數據監測，也可以實(shí)現定時(shí)開(kāi)關(guān)策略配置及后臺遠程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁(yè)面

安全用電

安全用電采用剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線(xiàn)溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發(fā)現的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實(shí)現時(shí)間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實(shí)現“防患于未然"的目的。

智慧消防

通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。原先針對“九小場(chǎng)所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無(wú)法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實(shí)際需求。

（5）系統硬件配置

6 結論

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是繼物聯(lián)網(wǎng)之后的又一重大變革,它將物聯(lián)網(wǎng)大系統的供電體系與用電體系統一成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)世界。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)由智能電網(wǎng)蛻變而來(lái),由電網(wǎng),目前尚處于初級階段。2019年由電網(wǎng)發(fā)布的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)文件2019》中規劃了2024年建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的具體目標事弱電領(lǐng)域智能系統應用的。嵌就入多式年系來(lái)統在領(lǐng)物域聯(lián)的網(wǎng)業(yè)應者用而中言從,一旦涉及物聯(lián)網(wǎng)大應用(如新能源、電動(dòng)汽車(chē))領(lǐng)域,必然會(huì )與電力物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián);同時(shí),智能電表在用電側平臺化的深入應用,必將帶來(lái)智慧家居、智慧樓宇、智慧城市、智慧交通等領(lǐng)域用供電的統一應用模式。

參考文獻

[1]何立民.泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的智能電表

[2]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者簡(jiǎn)介：魏健輝，女，安科瑞電氣股份有限公司。