智能電能表的功能開發及系統分析

吳 斌，陳志佳

（1.上海市電力公司電能計量中心，上海 200051；2.上海市電力公司信息通信中心，上海 200030）

0 引言

智能電網（smart power grids）通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標，提供滿足21世紀客戶需求的電能質量。其中，智能電能表是構建高級量測體系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）的基礎設備之一，其功能涉及電網的生產、安全、考核和貿易結算各個環節。

與傳統電能表的需求不同，智能電能表除了追求本身的準確性和可靠性外，更注重其互操性和系統集成，包括電能供應管理與控制、計量計費、配電系統自動化、調度自動化等。因此，智能電能表不僅需要滿足當前計量體系的要求，還應著眼于未來5—10年智能電網發展的需要。

1 智能電網概述

我國的智能電網是以特高壓骨干網架為基礎，以信息化技術為橋梁，結合我國能源分布特點，以實現電網與電源和客戶之間的互動為目的的智能化網絡，是一個完整的信息架構和基礎設施體系［1］。智能電網的建設可實現對電力客戶、電力資產、電力運營的持續監控，利用“隨需應變”的信息，提高電力公司的管理水平、工作效率和服務水平，進一步加強電網的安全可靠性，同時有助于推進綠色環保的分布式新型能源系統建設［2］。

智能電網的特點在于自愈、互動、堅強、優質電能供應、兼容各種發電與儲能系統、活躍市場、優化資產和高速運行等［3］。智能電網實現的是“信息與電能的雙向流動”，最終的驅動力是“節能減排”，其最高形式為“多指標自趨優運營”［4］。智能電網提供了一種激勵的環境，邀請電能消費者與供給者，以各種方式來參與電網的運行，而電網運行本身則由剛性的調控向柔性調控轉變，通過更多的價格杠桿來對電網實施運行管理。

2 智能計量系統的模塊和功能

智能電能表由測量單元、數據處理單元、通信單元等部件組成。按模塊化設計，分為相對獨立的6個功能模塊：①基本功能模塊，分為時鐘、清零、信號輸出、顯示、停電抄表和輔助電源；②安全功能模塊，分為安全保護和安全認證；③計量功能模塊，分為電能計量、需量測量和數據存儲；④費控功能模塊，分為費率和時段、凍結、費控和階梯電價；⑤管理功能模塊，分為事件記錄、負荷記錄、測量、預處理和報警；⑥通信功能模塊。

以智能電能表為基礎構建的智能計量系統，能夠支持智能電網對負荷管理、分布式電源接入、能源效率、電網調度、電力市場交易和減少排放等方面的要求。隨著智能電網的構建，結合用電信息采集系統的應用，可對智能電能表進行獨立、遠程和相互配合的各種功能設置。

2.1 電價策略的執行

智能電能表是電價策略的靈活執行者。目前我國的電價是受管制的，管制下的電價無法真正反映電力供應與需求之間的關系，從而導致電力企業在電力需求波動的時候，缺乏有效的調節手段，造成資源的巨大浪費。理想化的電價形成機制，應該是電力企業根據電力供需狀況以及電力供應中清潔能源的比例，實時制定并發布電價，通過價格杠桿調節電力客戶的需求，實現電力負荷需求的理想化。但是，理想化的電價機制會形成多種電價，過于顆粒化的電價會使電力客戶響應疲憊，同時帶來電價政策發布和計量的龐大的通信數據量，導致智能用電系統運行費用和建設費用猛增。因此，必須根據實際需求選擇相應的電價策略。

1）時段電價 在不同時段內實行不同的貿易電價。一般以小時或者更寬泛的時間為單位。

2）階梯電價 由國家制定政策、各地政府根據社會發展水平確定實施細則，按基本生活用電量、正常合理用電量、滿足較高生活質量用電量三檔，或多檔實施的電價政策。

3）特殊需求電價 對供電質量有特殊要求，如高可靠性、高穩定性，或可接受限制供電等事前協商確定的協議電價。

智能電網根據電網實際運行的情況，進行預測并設定下一時段的費率，用于調整相適應的輸電、用電價格，并通過網絡對智能電能表進行設置后由其執行。智能電能表可根據電網對電價策略的要求，接受階梯電價、時段電價、特殊需求電價等各種不同的電價策略，并在執行過程中記錄不同電價時刻的用電量信息。

由于智能電能表的費率及時段的劃分和執行不是在智能電能表本地存儲后周期循環執行的，而是完全依靠智能用電系統主站下發，智能電能表在T－1時段通過遠程信道接收到電價時段劃分策略后通知電力客戶，并在T時段開始時執行。同時，客戶也可以通過智能電能表監控自身用電量和費用，提出特殊需求，使電力公司供電購電更有針對性。

2.2 為客戶與電力公司提供耗電量

智能電能表為客戶和電力公司提供耗電量體現于本地顯示、遠程自動抄表。智能電能表在向主站提供準確、全面的耗電量數據的同時，根據電網需求記錄一段時間內的負荷曲線數據。對于遠程抄表，雖然主站對數據的實時性要求不高，但是智能電能表仍然能對數據進行必要的處理和壓縮，以減少通信系統的壓力。同時，智能電能表可為客戶查詢、提供短期歷史數據，甚至遠程歷史數據查詢。為了減輕通信系統的壓力，發送客戶查詢請求可以通過郵件或其他通信手段提供數據。

2.3 電能質量監測和諧波計量

電能質量監測是對電壓、諧波、閃變、跌落等特性進行監測，并且在此基礎上對諧波進行計量，通過監測與計量，為今后對諧波治理與管理提供手段。對于分布式發電客戶可能存在的發電模式，其發電質量由智能電表監控，當電能質量未達標時發出跳閘控制命令，斷開分布式電源。

1）電壓監測 標準的變電站由獨立的計量回路與測量回路構成，但客戶站由于場地、設備投資等原因，無測量回路。隨著計量裝置的標準化改造，原安裝于計量電壓回路的電壓監測儀，被批量拆除，對電壓監測造成了困難，但電監委要求對客戶供電點電壓監測提出了高要求（比如B類客戶100%全覆蓋），智能電能表中提供了此功能，不僅可達到電監委對電壓監測點數的要求，而且也節約了大量月抄收電壓數據的人力和物力。

2）諧波監測與計量 通過對客戶計量點諧波含量與諧波電能的監測，為下一步的諧波治理提供依據。特別是對于大客戶與上網關口（如分布式綠電等）需要加強監測。對上網關口客戶的上網電能質量進行諧波的監測與計量，保證了上網電能的合格、可靠，同時也保護了電網本身的電能質量和其他客戶的權益。

2.4 電能計量

考慮到分布式電源的靈活接入，智能電能表的電能計量是對正反向有功，四象限無功、需量等進行計量。針對客戶既存在用電模式又存在發電模式的情況，電能表雙向計量應準確、公平，保證客戶供用電情況下的計量誤差的一致性，體現公平的計量原則。

有功的計量包含正反向計量以及基波計量與全波計量，可根據不同客戶進行選擇。針對新型分布式電源上網客戶，在監測電能質量的基礎上，可選擇正反向計量以及基波計量。

2.5 用電建議

用電建議是指智能電能表能夠通過互動終端與客戶互動，向客戶提前發布電價策略，提供停電及恢復供電通知等，方便客戶調整用電計劃。

互動終端通過通信模塊利用本地信道與智能電能表進行通信，實時接收客戶關心的信息，并通過人機對話模塊的顯示屏告知客戶。

1）客戶目前執行的電價策略及時段劃分情況；

2）客戶目前執行的具體電價；

3）實時的電壓、電流、功率等電氣量信息；

4）客戶目前的碳排放量（考慮到未來實現碳排放交易的需要）；

5）客戶目前剩余的電費（對預付費客戶），當低于一定閥值時，啟動報警提示功能。

除了上述功能外，智能電能表配合互動終端，成為客戶用電范圍內的所有電器的綜合控制中心，客戶可以隨時看到自己的用電數據，幫助客戶對自己的用電設備制定適合自己的用電策略。

2.6 用電關開功能

關、開功能是智能電能表的一項新功能，有本地和遠程兩種方式，通常結合費控和負荷控制功能。是指智能電能表根據供用電合同，實時判斷各項供用電指標來確定停、送電的操作。本地關、開功能通過發出跳閘控制命令，斷開客戶電源以保證電網及其他客戶的正常用電。尤其是伴隨分布式電源的大量接入，客戶可能處于發電模式，在電能質量未達標時發出跳閘控制命令切斷電源。

遠程關、開功能，是指電力企業可以通過智能用電系統主站對智能電能表進行停、送電的操作。智能電能表通過輸出脈沖或電平開關信號，控制表內繼電器或表外負荷開關的方式來實現遠程控制。遠程關、開功能針對預付費客戶，在客戶欠費時供電企業可以實施停電；當客戶重新繳費后，供電企業可以通過該功能為客戶恢復供電。

2.7 負荷峰值限制

負荷峰值限制是負荷控制系統的一種功能延伸，除普通單相客戶外，其他客戶均為控制范圍，與用電申請容量相對應，以供用電協議為基礎，結合電價策略，電網根據運行情況對特定客戶實行用電控制。但是，隨著用電需求側的管理和分布式電源的引入，電網的這種極端情況將得到緩解，采用峰值負荷限制之前應該先考慮其他措施。智能電能表可以考慮根據遠程設置開啟或關閉該項功能，調節設定值。

2.8 費控

費控有兩種控制方式，本地方式通過CPU卡、射頻卡等固態介質實現；遠程方式通過通信和遠程售電系統實現預付費功能，系統主站通過下發電費的方式實現客戶的預付費。

當智能電能表內的剩余金額小于或等于系統所設的報警金額時，智能電能表通過互動終端對電力客戶進行提醒；當智能電能表內的剩余金額為零或低于雙方約定的透支門限金額時，智能電能表對客戶實施停電；當客戶及時續費后，智能用電系統主站可通過遠程信道，控制智能電能表恢復供電。

遠程方式還有數據傳輸的實時性和安全性需要，考慮到下發電費方式對數據信息安全的要求級別很高，參考國際信用卡消費的具體做法，不建議采用本地預付費方式，只是把此功能作為對客戶及時續費的提醒和參考，最終的電費結算以主站的數據為準。

2.9 狀態監測

狀態監測包括狀態建模和狀態識別，是實現系統自愈的必備條件。狀態監測在電能質量監測的基礎上，著重對客戶用電狀況的監測，包括電壓、電流、功率、功率因素等，并且可以根據評價指標，對異常用電情況向主站上報，同時在對電能表內部模塊檢測的基礎上，對外部設備進行狀態檢測。

2.10 自愈

智能電網的自愈是指來自外部或是內部對電網的損害，都能自動做出反應并自行修復，而且盡可能小地對系統正常運行產生影響。智能電能表的自愈，可劃分為元件層自愈和系統層自愈。元件層自愈，是指智能電能表對自身除精度以外的運行情況進行自檢，并提交檢查報告；系統層自愈是指智能電能表作為一個獨立的單元，為系統或其他智能電能表提供協作，共同完成故障分析和處理。

自愈有兩種方式，就地自愈是指在保證計量準確的前提下，對內部故障模塊進行復位重啟（可解決因電能質量中閃變、電壓跌落等原因造成的模塊暫態故障）；人工分析干預下的自愈，是指內部故障模塊不能就地排除故障或外部設備異常運行情況下，向上級主站上報故障情況并記錄事件，由主站進行相應的后續處理。

2.11 資產管理

資產管理指通過遠程信息采集，改善資產的運行效率與使用情況。智能電能表能夠將設備運行維護情況通過采集系統實時上報主站，幫助工作人員管理設備資產。同時，具有唯一的身份識別標識，自動更新數據庫信息，做到即插即用，減少維護工作量。

2.12 數據處理與存儲功能

1）數據的處理 隨著智能電能表數據信息采集量的日益增長，對傳輸系統造成很大的壓力，因此有必要在數據源對某些功能數據進行分析和處理以減少傳輸量，這個數據源可以是智能電能表或是智能終端。本地的數據處理可以通過遠程設置閥值作為上傳數據的標準，增強上傳數據的有效性與必要性。另外，也可為特殊客戶定制實時運行數據的監測、處理以及上傳方案。

2）數據的存儲 本地的數據存儲為在網絡故障情況下的數據分析提供依據。電價策略中越來越細化的時段與費率劃分，客觀上可能帶來電費糾紛。智能電能表以設定的時間間隔（如15min）存儲12個月內客戶的所有計量信息并存儲通過遠程信道接收的12個月內供電企業下發的電價策略。在智能電能表斷電后，上述數據至少保存3個月。除此之外，還應具有2個獨立的數據存儲區。

2.13 增值服務

增值服務是指智能電能表與客戶智能設備通信，實現與客戶的雙向互動，是實現電價策略、需求側管理等功能的基礎。同時，利用互動終端，供電企業還可為客戶提供天氣預報、視頻監控、信息發布服務、安防報警、門禁控制、水／電／氣一體化解決方案等。

實現增值服務，由智能電能表通過給客戶使用的通用接口實現，電能表本體并不參與服務的具體過程。

3 結語

智能電能表與不同系統連接時，由于系統應用對象不同，要求智能電能表具有適應多系統訪問的能力；當智能電能表用于不同用電客戶時，由于不同客戶的用電需求不同，對電能表功能設置的要求也不同。因此，智能電能表不能簡單的看成適用于所有客戶功能需求的“全能表”，而應該是按客戶類型進行需求劃分，滿足特定客戶功能需求的電能表，其功能設置應充分考慮分布式能源的接入，通信信道的實際承受能力以及客戶互動的便捷性。基于對今后智能電網的發展趨勢，本文對智能電能表的功能發展進行了探討，智能電能表是為智能電網服務的，其發展的趨勢受智能電網的需求影響，但智能電能表的核心還是在保證計量準確性的基礎上，更多的向擴展性能與通信方向發展。