王志勇，張鐵壁，侯錫銘

(1.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 電力工程系，河北 滄州 061001；2.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 學(xué)生處，河北 滄州 061001)

隨著電網(wǎng)智能化程度的提高，傳統(tǒng)的機(jī)械式電表已不適合應(yīng)用，智能電表應(yīng)運(yùn)而生。作為一個(gè)智能終端，它成了聯(lián)系電網(wǎng)和用戶的中轉(zhuǎn)站，其作用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單一的計(jì)量功能，在電能的合理分配和綜合管理中發(fā)揮著重要作用。

1 智能電表的概述

智能電表(smart meter)的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品稱為靜止式電表，其價(jià)格是機(jī)械式電表的10到20倍，只用于高端用戶。2000年前后，在一些大中城市用電子式電表來取代了機(jī)械電表，但還不是智能電表。所謂智能電表就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等，通過加裝智能芯片，使其具有電能計(jì)量、計(jì)費(fèi)、與上位機(jī)通信和用電管理等功能的儀表。因?yàn)樗鼡碛泄δ茌^強(qiáng)的微控制器，所以就是一臺(tái)小型電腦，其自動(dòng)化和智能化的功能更強(qiáng)大。[1]

1.1 目前智能電表的種類[2]

目前投入使用的智能電表主要有分時(shí)復(fù)費(fèi)率式電能表、預(yù)付費(fèi)式但能表、集中遠(yuǎn)傳式電能表。

(1)分時(shí)復(fù)費(fèi)率式電能表只是按照峰、平、谷時(shí)段分別計(jì)費(fèi)，還不能做到在線檢測和在線收費(fèi)，其智能化還很低，只是初級(jí)的智能電表。

(2)預(yù)付費(fèi)式電能表采用先交費(fèi)后用電的模式，這樣雖然減輕了抄表員的工作量，但是沒有辦法對(duì)電表進(jìn)行自動(dòng)檢測和控制，所以只能是電表智能化過程中的過渡產(chǎn)品。

(3)集中遠(yuǎn)傳式電能表，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)把用戶的用電信息在線抄讀，存入用電管理中心的計(jì)算機(jī)，管理人員可以隨時(shí)監(jiān)視用電狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。此系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了傳輸、監(jiān)控和管理的功能，但是不具備控制功能，只能算是智能電表系統(tǒng)的雛形。

1.2 國內(nèi)外智能電表的應(yīng)用狀況

2008年中國國家電網(wǎng)公司開始建立用戶用電信息系統(tǒng)，組織編寫了國網(wǎng)智能電表企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2009年10月份開始對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部和電表制造企業(yè)進(jìn)行貫徹執(zhí)行。2009年底，國家電網(wǎng)進(jìn)行了智能電表的首次招標(biāo)，2010年，累計(jì)招標(biāo)2 700萬只，北京、上海等一線城市已經(jīng)開始使用智能電表。2011年，全國進(jìn)入了智能電表更換高峰期。[3]

2011年6月25日，山西公司用電信息采集系統(tǒng)在全省范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.4萬智能電表用戶的遠(yuǎn)程費(fèi)控功能。費(fèi)控功能的實(shí)現(xiàn)使居民用電更加智能化、供電服務(wù)更加人性化。

2011年8月17日起智能遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)在威海供電公司已經(jīng)全面上線運(yùn)行，智能電表是系統(tǒng)的主要部件之一。

2011年10月12日，安徽滁州供電公司單相智能電表成功實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程費(fèi)控跳閘，催費(fèi)及欠費(fèi)停復(fù)電用戶單個(gè)控制或分批次控制功能具備應(yīng)用條件。

同時(shí)，在其他一些大中城市，隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，智能電表也在推廣和使用。

2009年美國總統(tǒng)奧巴馬為抵御金融危機(jī)、振興美國經(jīng)濟(jì)，提出了新能源戰(zhàn)略，智能電網(wǎng)的建設(shè)處于首位，同年1月奧巴馬宣布為4 000萬美國家庭安裝智能電表。[4]

英國也宣布從2011到2020年對(duì)現(xiàn)有的4700萬只電表和氣表進(jìn)行升級(jí)。

法國計(jì)劃將正在使用的3 500萬只電能表更換為智能電表。

意大利已經(jīng)于2001到2004年間安裝和改造了3 000萬只智能電能表，實(shí)現(xiàn)了全國95%電力用戶的用電信息的自動(dòng)采集，構(gòu)建了智能化電網(wǎng)。

歐盟計(jì)劃到2020年把80%的普通電表更換為智能電能表，大約有1.45億只。

2 智能電表的原理

智能電表由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元等組成，具有電能量計(jì)量、信息存儲(chǔ)和處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)控制、信息交互等功能。相對(duì)以往的普通電能表，除具備基本的計(jì)量功能外，智能電能表是全電子式電能表，帶有硬件時(shí)鐘和完備的通信接口，支持雙向計(jì)量、自動(dòng)采集、階梯電價(jià)、分時(shí)電價(jià)、凍結(jié)、控制、監(jiān)測等功能，具有高可靠性、高安全等級(jí)以及大存儲(chǔ)容量等特點(diǎn)，可以為實(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)等奠定基礎(chǔ)。

智能電表的原理如圖 1所示，由M CU、通信芯片、預(yù)付費(fèi)卡、帶溫補(bǔ)的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶驅(qū)動(dòng)、計(jì)量芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、繼電器驅(qū)動(dòng)和電源等。[4]

圖1 智能電表原理圖

2.1 智能電表的采樣方式

智能電表采集用電量信息的采樣方式主要有兩種形式。

一種是通過用互感器采樣，即利用電壓互感器和電流互感器分別來采集用戶的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，以確定用電量。

另一種是直接采樣，就是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取得電壓信號(hào)，用電阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進(jìn)行電流直接采樣，從而確定用電量。[5]

在起動(dòng)電流、線性、功耗和精確度等方面，互感器采樣都不如直接采樣好，小電流時(shí)更為突出。例如：對(duì)額定電流為20A的電路，互感器采樣的啟動(dòng)電流在40 mA左右，而直接采樣的啟動(dòng)電流僅為20 mA左右。又如：采用電流互感器采樣，由于激磁存在，若不采取補(bǔ)償措施，互感器本身誤差就可能超過5%。而采用專用的錳銅片進(jìn)行直接電流采樣的智能電表誤差可調(diào)整到+0.5%。當(dāng)然利用互感器采樣也有優(yōu)點(diǎn)，那就是抗干擾性較強(qiáng)，線路簡單，成本低。

2.2 智能電表的通信方式[6]

智能電表和控制中心之間的通信方式有以下幾種形式：

(1)采用專線，如有線的 RS-485總線或現(xiàn)場總線布線，系統(tǒng)獨(dú)立性好，但是容易受到自然條件的限制，人為因素的影響較大，維護(hù)工作量大。

(2)采用電力線載波通信，不用重新布線，系統(tǒng)組建方便，但是由于非線性負(fù)荷的大量使用，對(duì)電力線載波特別是擴(kuò)頻電力線載波信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響，使其數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性下降。[7]

(3)采用430M Hz無線傳輸，系統(tǒng)組建容易，但其穩(wěn)定性和可靠性無法保障。

(4)借助公用電話網(wǎng)通信。網(wǎng)絡(luò)容易組建，但是技術(shù)復(fù)雜，還需要部門之間的協(xié)調(diào)。

目前通信網(wǎng)絡(luò)是制約智能電表發(fā)展和推廣的重要因素。將來的三網(wǎng)合一，會(huì)給智能電表的發(fā)展帶來更大的方便。

3 智能電表的功能

智能電表是智能電網(wǎng)中的一個(gè)重要部分，它除了具備普通電表的計(jì)量功能之外，還有更多的智能功能。

(1)雙向計(jì)量

在倡導(dǎo)環(huán)保和節(jié)能的今天，許多分布式新能源在用戶端得到了利用，如太陽能發(fā)電等，當(dāng)這些電能有剩余時(shí)，就可以通過智能電表反饋給電網(wǎng)，這就需要智能電表具有雙向傳輸和計(jì)量的功能。這樣既節(jié)約了能源又保障了用戶的利益。

(2)分時(shí)段和分類計(jì)費(fèi)

智能電表可以對(duì)用戶在用電高峰和低谷時(shí)的費(fèi)用分別計(jì)算，還可以對(duì)不同功率因數(shù)的負(fù)載的用電分別計(jì)費(fèi)。供電公司把分時(shí)電費(fèi)情況發(fā)送的用戶的智能電表上，供用戶調(diào)節(jié)自己用電做參考，用戶還可以通過智能電表查收賬單和停電通知。供電公司可以通過智能電表實(shí)時(shí)采集用電信息和負(fù)荷分布情況來優(yōu)化電網(wǎng)。這樣可以更好地鼓勵(lì)用戶選擇節(jié)能電器和實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰避峰用電，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

(3)雙向通信[1]

雙向通信也是電表智能化的一個(gè)體現(xiàn)，控制中心除了接收智能電表發(fā)出的用電信息以外，還可以向智能電表發(fā)出調(diào)控指令，實(shí)現(xiàn)遙測和遙控。

圖2 智能電表控制家用電器的原理圖

(4)控制功能

智能電表的微控制器M CU(Micro Controller Unit)的 I/O 接口可以連接許多外部設(shè)備，如：照明燈具、空調(diào)、洗衣機(jī)、電飯煲、電控窗簾、防盜器等家用電器，通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行遙測和遙控，還可以實(shí)現(xiàn)異地報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)智能住宅。其原理如圖2所示。

(5)自診斷和自我恢復(fù)功能

智能電表的硬件和軟件及其所處的系統(tǒng)都比普通電表更復(fù)雜，所有它的故障率相應(yīng)增加，這就需要智能電表具有故障自診斷和自我恢復(fù)的功能。在沒有人為干預(yù)的情況下，故障發(fā)生時(shí)，智能電表應(yīng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、分析和判斷，并作出隔離、重裝和起動(dòng)等一系列動(dòng)作，完成自診斷和自我恢復(fù)功能。

(6)保護(hù)功能

智能電表應(yīng)該有檢測電源質(zhì)量和自動(dòng)斷電的功能，如當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓達(dá)到報(bào)警值時(shí)，應(yīng)上傳信息，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警和信息顯示，需要時(shí)能給負(fù)載斷電，以保護(hù)用戶的電氣設(shè)備。

4 智能電表發(fā)展中的制約問題[2]

智能電表發(fā)展中的制約問題有以下幾個(gè)。

(1)成本高。智能電表功能多，采用了許多新技術(shù)，所以其成本和售價(jià)過高，普通用戶不愿承受或難以承受。這也影響了廠家的積極性，制約了智能電表的發(fā)展。但是隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，及國家政策的支持，智能電表的價(jià)格會(huì)逐漸降低。

(2)安全保障難度大。智能電表就是一個(gè)小型計(jì)算機(jī)，其存儲(chǔ)和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)大，其高效、低廉和可靠的安全系統(tǒng)的建立是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，不同通信方式的加密方法需要解決，應(yīng)付日益增多的網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊也是一個(gè)不容忽視的問題。

(3)智能化程度的提高難度大。智能電表應(yīng)該和人一樣具有智能，也就是在沒有人工參與的條件下，具有感知、分析、判斷和作出反應(yīng)的能力，但是所有這一切都是在程序的控制下進(jìn)行的，一旦出現(xiàn)新的問題，沒有程序指導(dǎo)，電表就無能為力了，也就是說沒有獨(dú)立思考的能力，這是智能化程度提高進(jìn)程中的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

5 我國智能電表發(fā)展前景[8]

2011 年，國際市場研究機(jī)構(gòu)派克咨詢公司(Pike Research)發(fā)布了一份名為《智能電表市場預(yù)測》的報(bào)告，報(bào)告中指出隨著各國政府不遺余力地?cái)U(kuò)大智能電表的部署工作，市場將經(jīng)歷一波高潮。派克認(rèn)為，中國這個(gè)大市場對(duì)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添色不少。隨著智能電表在中國國內(nèi)的快速部署，進(jìn)一步確保了它在該市場的穩(wěn)定地位，預(yù)計(jì)未來10年都會(huì)維持這一增長態(tài)勢。

國家電網(wǎng)公司計(jì)劃2012年到2015年之間的三年內(nèi)，新安裝智能電表約2.4億塊，將成為全球最大智能電表消費(fèi)市場。到2016年中國的智能電表的安裝數(shù)量將占到亞太地區(qū)所有智能電表安裝數(shù)量的3/4以上。中國政府已經(jīng)建立在2011～2020年安裝6.82億～7.82億個(gè)智能電表的目標(biāo)。2020年智能電表的覆蓋率將達(dá)到100%。可以相信，隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，智能電表的應(yīng)用也將會(huì)很快進(jìn)入千家萬戶。

6 結(jié)語

節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今世界的主題，智能電網(wǎng)的建設(shè)也在為之做著積極的貢獻(xiàn)，作為電網(wǎng)智能終端的智能電能表是一種綠色表計(jì)，各國對(duì)其需求量日益增加，我國更是需求大戶，國內(nèi)廠商正在把一些新材料、新技術(shù)和新工藝投入到智能電能表的生產(chǎn)上，提高質(zhì)量和降低成本。政府從政策上對(duì)智能電能表的生產(chǎn)和使用予以扶持，同時(shí)大力宣傳，讓老百姓接受這種新事物。相信未來10年，智能電表會(huì)逐漸普及，我們會(huì)擁有一個(gè)綠色、高效、可靠的智能電網(wǎng)。

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[3]張高龍.智能電表技術(shù)及市場[J].電器工業(yè)，2010(12)：56-60.

[4]韓明，費(fèi)宇航.智能電表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及其發(fā)展趨勢[J].集成電路應(yīng)用，2010(10)：29-30.

[5]馬瑞，陳晨.基于DSP控制的智能電表設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2011(21)：151-152.

[6]曹舒.采用智能電表的居民用戶無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，2010(8)：112-116.

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