智能電能表發(fā)展歷程及應(yīng)用前景

郭興昕 ，賈 軍 ，郭曉艷 ，紀(jì) 峰 ，沈秋英

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2.陜西安康供電局，陜西 安康 725000)

電能表是一種累計(jì)發(fā)出或消耗電能量的計(jì)量?jī)x表，主要用于供電企業(yè)與電力客戶、各大電網(wǎng)關(guān)口或發(fā)電廠與電網(wǎng)變電所之間結(jié)算有功和無功電能量，以及用于供電企業(yè)統(tǒng)計(jì)線損、網(wǎng)損。電能表的出現(xiàn)和發(fā)展已有一百多年歷史，隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，電能表已從感應(yīng)式交流電能表發(fā)展到電子式交流電能表，再到電子式多功能電能表，截止目前到智能電能表，我國電能表正朝著信息互動(dòng)化、用電智能化的方向發(fā)展。

1 電能表的起源

最早的電能表是德國人艾迪生在1880年用電解原理制成直流電能表，即安時(shí)計(jì)。到了1888年，交流電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用對(duì)電能表的發(fā)展提出了新的要求，意大利科學(xué)院的物理學(xué)家弗拉里斯提出用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的原理來測(cè)量電能量。1889年，匈牙利崗茲公司一位德國人布勒泰制作成總重量為36.5 kg的世界上第一塊感應(yīng)式電能表。1905年出現(xiàn)了增加非工作磁路改進(jìn)成90°的方法，使電能表的各項(xiàng)參數(shù)有了很大提高。隨后性能較好的高導(dǎo)磁材料的出現(xiàn)，大大減輕了電能表的質(zhì)量并縮小了其體積，每只表的質(zhì)量降到了1.5～2 kg，而且降低了其功率消耗。上世紀(jì)30年代開始，電能表采用鉻鋼、鋁鎳合金代替原來的鎢銅，并通過降低電能表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來降低其損耗，同時(shí)改善了電能表的負(fù)荷特性。當(dāng)時(shí)，國外的感應(yīng)式電能表的過負(fù)荷能力達(dá)到600%以上，而且采用雙寶石軸承和磁力軸承，電能表壽命延長(zhǎng)至15～30年。至此，感應(yīng)式電能表在電能計(jì)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

2 智能電能表發(fā)展歷程

智能電能表作為智能電網(wǎng)的終端設(shè)備，代表著未來節(jié)能型智能終端的發(fā)展方向。智能電能表是由傳統(tǒng)電能表逐步發(fā)展起來的。我國電能表發(fā)展到智能電能表，大致經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段。

2.1 感應(yīng)式交流電能表

從上世紀(jì)20年代開始，我國各發(fā)電廠、供電部門和用電客戶均采用國外進(jìn)口和國產(chǎn)的感應(yīng)式單、三相交流有功電能表。

2.1.1 結(jié)構(gòu)原理

感應(yīng)式交流電能表采用帶有電流、電壓鐵芯線圈，利用三磁通電磁感應(yīng)原理使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，以機(jī)械計(jì)數(shù)器顯示方式累加記錄有功電量。

2.1.2 功能特點(diǎn)

（1）利用三磁通電磁感應(yīng)原理使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，以機(jī)械計(jì)數(shù)器顯示方式累加記錄電量；

（2）功能單一，具有有功或無功電能計(jì)量功能；

（3）頻率范圍窄，非線性負(fù)載計(jì)量誤差大；

（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、準(zhǔn)確度不高；

（5）負(fù)載電流范圍小，過載能力低；

（6）安裝垂直度要求高，電能表傾斜度應(yīng)≤3°。

2.2 電子式交流電能表

20世紀(jì)60年代末，日本發(fā)明了時(shí)分割乘法器并提出了其功率測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了全電子化電能計(jì)量裝置，日本橫河株式會(huì)社生產(chǎn)了2885型數(shù)字功率變換器，受到全世界的關(guān)注。在這個(gè)原理基礎(chǔ)上，我國研制出單相和三相電子式數(shù)字功率電能標(biāo)準(zhǔn)表。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，模擬–數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)和大規(guī)模集成電路的逐步完善，促使各種性能和功能的電子式電能表逐步成為電能計(jì)量的主力軍。

2.2.1 結(jié)構(gòu)原理

電子式交流電能表是以微電子電路為基礎(chǔ)，將被測(cè)電壓、電流接入電能表后，經(jīng)乘法器、P/f轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)顯示控制輸出一個(gè)電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)脈沖，當(dāng)輸入功率改變時(shí)，輸出脈沖也跟著改變，經(jīng)微處理器、在時(shí)間上再累加（積分）起來就可測(cè)得電能值。

2.2.2 功能特點(diǎn)

（1）以微電子電路為基礎(chǔ)，完成電能計(jì)量的計(jì)算功能；

（2）功能較多，可實(shí)施多時(shí)段、多費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)電能計(jì)量；

（3）頻率范圍寬，負(fù)載誤差曲線平坦；

（4）適應(yīng)于模塊化制造工藝，準(zhǔn)確度較高；

（5）負(fù)載電流范圍寬，過載能力達(dá)8倍以上；

（6）安裝垂直度要求不高；

（7）具備通信功能，便于抄表及通信。

2.3 電子式多功能電能表

從本世紀(jì)初開始，發(fā)展了一種新型的集多種計(jì)量要求與多種功能于一體的電子式單、三相多功能電能表，不僅可減少電能表數(shù)量、減少安裝電能表屏數(shù)，同時(shí)可以減小TA二次實(shí)際負(fù)載、提高TA的計(jì)量精度，特別是變電所的旁路開關(guān)、互饋線路的電能計(jì)量。

2.3.1 結(jié)構(gòu)原理

電能表工作時(shí)，A，B，C三相電壓、電流經(jīng)取樣電路分別取樣送到計(jì)量芯片進(jìn)行處理，CPU將處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)需要送至顯示部分、通信部分等數(shù)據(jù)輸出單元。

2.3.2 功能特點(diǎn)

（1）采用專用計(jì)量芯片，完成電能計(jì)量的計(jì)算功能；

（2）能計(jì)量正反向有功、無功電能、四象限無功電能，可設(shè)置費(fèi)率；

（3）最大需量測(cè)量功能；

（4）事件記錄功能；

（5）清零、電量?jī)鼋Y(jié)功能；

（6）負(fù)荷記錄功能；

（7）瞬時(shí)電氣參量測(cè)量功能。

2.4 智能電能表

隨著全球性智能電網(wǎng)和國家電網(wǎng)公司電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)，電能表不再僅作為單一計(jì)費(fèi)儀表而存在，正向智能化、系統(tǒng)化、模塊化和多元化的系統(tǒng)終端發(fā)展。隨著自動(dòng)抄表系統(tǒng)與負(fù)荷控制系統(tǒng)逐步合并升級(jí)成用電信息采集系統(tǒng)，并向高級(jí)量測(cè)體系（AMI）過渡，智能電能表作為信息系統(tǒng)內(nèi)部最末端的設(shè)備，已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ碾姽x器儀表產(chǎn)品之一[1]。

智能電能表是智能電網(wǎng)的智能終端，已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電能表，智能電能表除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計(jì)量功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用，其還具有信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、防竊電、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信等功能，支持雙向計(jì)量、階梯電價(jià)、分時(shí)電價(jià)、峰谷電價(jià)等實(shí)際需要，也是實(shí)現(xiàn)分布式電源計(jì)量、雙向互動(dòng)服務(wù)、智能家居、智能小區(qū)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4.1 結(jié)構(gòu)原理

智能電能表由測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，是屬于多功能電能表范疇，但又不同于一般的多功能表電能表，因?yàn)樗旧砗泄δ茌^強(qiáng)的微控制器（MCU），就像一臺(tái)小型的電腦一樣，自動(dòng)化和智能化的功能更豐富、更強(qiáng)大[2]。

2.4.2 功能特點(diǎn)

（1）具有多功能表所有特性；

（2）有費(fèi)控功能，可通過CPU卡、射頻卡、載波、公網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)費(fèi)控；

（3）統(tǒng)一費(fèi)控智能電能表信息交換安全認(rèn)證；

（4）事件記錄功能更加完善；

（5）通信方式多樣，支持信息互動(dòng)；

（6）可實(shí)施階梯電價(jià)功能。

3 智能電能表應(yīng)用前景

隨著國家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)展，作為用戶端的智能電能表的需求也會(huì)大幅度地增長(zhǎng)。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的要求，建設(shè)“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的采集系統(tǒng)，居民用戶信息采集得到大規(guī)模應(yīng)用。2009年國家電網(wǎng)公司制訂了12項(xiàng)國家電網(wǎng)公司智能電能表企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一電能表型式及功能要求。國家電網(wǎng)公司智能電能表大規(guī)模集中招標(biāo)也于2009年年底啟動(dòng)，截止今年9月，國家電網(wǎng)公司已組織開展9次智能電能表集中招標(biāo)，單相電能表招標(biāo)總數(shù)量達(dá)9967萬只，三相電能表招標(biāo)總數(shù)量達(dá)912萬只。在今后幾年，國網(wǎng)公司將以每年4～5個(gè)招標(biāo)批次的固定模式集中招標(biāo)智能電能表。

作為用電信息采集系統(tǒng)的終端設(shè)備，智能電能表是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源。智能電能表可采集的數(shù)據(jù)包括有功、無功正向、反向電能量數(shù)據(jù)；電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)等一系列的負(fù)荷記錄；有功、無功正向、反向各費(fèi)率時(shí)段最大需量數(shù)據(jù)；定時(shí)凍結(jié)、瞬時(shí)凍結(jié)、日凍結(jié)、約定凍結(jié)數(shù)據(jù)；失壓、斷相、失流、逆相序、掉電、需量清零、編程、校時(shí)、遠(yuǎn)程控制拉閘、開表蓋、電表清零等事件記錄數(shù)據(jù)。

隨著電力用戶用電信息采集的深入，智能電能表提供的采集數(shù)據(jù)也必將在智能電網(wǎng)中得到深層次運(yùn)用。在不久的將來，將在信息社會(huì)中發(fā)揮更大的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)

目前，配網(wǎng)側(cè)的潮流分布信息通常很不準(zhǔn)確。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力工業(yè)管理體制市場(chǎng)化進(jìn)程的加快，對(duì)估計(jì)預(yù)測(cè)精度的要求也越來越高。通過在用戶側(cè)增加測(cè)量節(jié)點(diǎn)，將獲得更加準(zhǔn)確的負(fù)載和網(wǎng)損信息，從而避免電力設(shè)備過負(fù)載和電能質(zhì)量惡化。通過將大量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可實(shí)現(xiàn)未知狀態(tài)的預(yù)估和測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的校核[3]。

3.2 電能質(zhì)量和供電可靠性監(jiān)控

無論從電網(wǎng)運(yùn)行的需要考慮，還是從供電用戶的需要考慮，加強(qiáng)對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性的監(jiān)控都十分必要。采用智能電能表能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量和供電狀況，從而及時(shí)、準(zhǔn)確地響應(yīng)用戶投訴，并提前采取措施預(yù)防電能質(zhì)量問題的發(fā)生。

3.3 用戶側(cè)負(fù)荷分析建模及預(yù)測(cè)

基于智能電能表所獲得的用戶側(cè)基礎(chǔ)信息和用電信息，可以對(duì)各類用電分別進(jìn)行典型性分析、趨勢(shì)分析；并且在完成各負(fù)荷類型特性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象因素對(duì)不同類型或者不同用戶的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相關(guān)因素分析及主成分分析；并在此基礎(chǔ)上建立合理的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，對(duì)用戶側(cè)的負(fù)荷進(jìn)行中短期預(yù)測(cè)；再加入社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治等因素后，建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，利用組合法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶側(cè)的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.4 防竊電平臺(tái)建設(shè)

根據(jù)不同低壓配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及智能電能表采集數(shù)據(jù)的種類和性質(zhì)，可以提出網(wǎng)絡(luò)防竊電平臺(tái)的系統(tǒng)框架。有效防止竊電以及破壞電能計(jì)量設(shè)備行為的發(fā)生。對(duì)隨時(shí)發(fā)生的計(jì)量設(shè)備故障和運(yùn)行安全隱患，可通過即時(shí)上傳計(jì)量參數(shù)、故障現(xiàn)象等信息，方便計(jì)量人員及時(shí)準(zhǔn)確地判斷和處理設(shè)備故障和事故隱患。

3.5 用戶能量管理

通過智能電能表采集的信息，可以構(gòu)建用戶能量管理系統(tǒng)，從而為各種用戶提供能量管理的服務(wù)，在滿足室內(nèi)環(huán)境控制（溫度、濕度、照明等）的同時(shí)，盡可能減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)的建設(shè)必將淘汰所有感應(yīng)式電能表及功能簡(jiǎn)單、不具備分時(shí)分類計(jì)量、雙向計(jì)量、雙向通信功能的電子式電能表。取而代之的是功能完善的智能電能表。智能電表的大量使用將會(huì)使得智能電網(wǎng)的節(jié)能、高效、安全的性能得到更充分的體現(xiàn)。

[1]薛昌波，周飛龍.智能技術(shù)在電能計(jì)量領(lǐng)域的展望[J].中國計(jì)量，2010（4）：31-33.

[2]李保瑋.智能電表簡(jiǎn)介[J].新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（3）：70-73.

[3]孫 杰.智能電表在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（21）：155.