智能電網(wǎng)雙向電表

1、智能電網(wǎng)中的智能電表摘要:智能電表是由傳統(tǒng)電能表逐步發(fā)展起來(lái)的，它在智能電網(wǎng)中是重要的智能終端。智能電表功能 的擴(kuò)充使得智能電表除了具有了雙向計(jì)量的基本.摘要:智能電表是由傳統(tǒng)電能表逐步發(fā)展起來(lái)的，它在智能電網(wǎng)中是重要的智能終端。 智能電表功能的擴(kuò)充使得智能電表除了具有了雙向計(jì)量的基本功能以外，還具有分時(shí)分類計(jì) 量.雙向通信、多種控制的功能。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序言智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，它已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電能表，智能電表除了具備 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)和新能源的使用它還具有雙向多 種費(fèi)率計(jì)量功

2、能、用戶端控制功能、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信功能，防竊電功能等 智能化的功能，智能電表代表著未來(lái)節(jié)能型智能電網(wǎng)最終用戶智能化終端的發(fā)展方向。隨著智能電網(wǎng)的日益發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)于智能化用戶終端的需求也日益增大，據(jù)統(tǒng)計(jì)， 在未來(lái)5年，隨著智能電網(wǎng)在世界各國(guó)的建設(shè)，智能電表在全球安裝的數(shù)量將高達(dá)2億多只。 同樣，在中國(guó)，隨著國(guó)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表的需求也會(huì)大幅 度地增長(zhǎng)，保守的預(yù)計(jì)，市場(chǎng)將會(huì)有1.7億只左右的需求。美國(guó)政府為升級(jí)本國(guó)電網(wǎng)的撥款 中，就有一部分專門用于在未來(lái)3年致使13%的美國(guó)家庭（1800萬(wàn)戶家庭）能裝上智能電表。在歐洲，意大利及瑞典已經(jīng)完成先進(jìn)計(jì)量基

3、礎(chǔ)設(shè)施的部署，將所有普通電表更換為智 能電表。法國(guó)、西班牙、德國(guó)和英國(guó)預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi)也將完成智能電表的全面推廣和應(yīng) 用。2傳統(tǒng)電能表簡(jiǎn)介最傳統(tǒng)的用戶終端一電能表是電磁式的，安裝在用戶端，用于計(jì)量用戶的用電量，計(jì)量 單位為度（kWh）。為了提倡用電量的合理性分配，鼓勵(lì)用戶在用電的低谷期用電，在我國(guó)己經(jīng)逐步開(kāi)始推廣使用分時(shí)電表（如圖1），它具有簡(jiǎn)單的分時(shí)計(jì)量功能，也就是可以分為白天和黑夜兩個(gè)區(qū) 間分別計(jì)量，為峰期和谷期的分別計(jì)費(fèi)提供了依據(jù)。圖】分時(shí)I甘表隨著數(shù)字化技術(shù)在電能表中的應(yīng)用，電能表的功能逐步得到擴(kuò)充，一批多功能的電能表 相繼誕生。比如預(yù)付費(fèi)電能表就是應(yīng)用比較廣泛的電能表之一。它通過(guò)預(yù)

4、付費(fèi)卡為電能表充 值，然后按照當(dāng)?shù)氐膯挝浑妰r(jià)和用電量從預(yù)存費(fèi)用中扣除，預(yù)存費(fèi)被扣除為零時(shí)，電表將不 為用戶提供電能除非你再次充值。這種通過(guò)Ie卡預(yù)付費(fèi)的電能表也有稱為智能Ie卡預(yù)付 費(fèi)電能表的，但它還不是真正意義上的智能電表（如圖2）。除此之外，為了提高效率，減少上門抄表吃閉門羹的的尷尬，也開(kāi)始有了一些具有紅外 抄表和異地抄表功能的電能表（圖3）和防止竊電（圖4）等擴(kuò)充功能的多功能電能表問(wèn)世。但 這些多功能的電能表也還是電能表智能化的起步，與真正意義上的智能電表還有很大的差 別。早在2007年12月初，國(guó)家發(fā)改委就發(fā)布了多功能電能表和（多功能電能表通信協(xié) 議兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)分別為DL/

5、T614-2007不n DL/T645-2007飛此外還有國(guó)家 質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的多功能電能表特殊要求 （GB/17215.301-2007）等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。到2009年10月，國(guó)家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標(biāo)準(zhǔn)， 新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電表在計(jì)量、費(fèi)控、通信、功耗、電子線路布線等技術(shù)指標(biāo)要求均有了大幅提高， 以前對(duì)于微控制器MCU(MicroController Unit)附加功能由可選變成了必選工頁(yè)，要求有更 高的計(jì)算能力DMIPS(Dhrystone Million Instructions Per Second)以滿足智能電表的高 性能要求:要求有更大的存儲(chǔ)容量以滿足復(fù)雜

6、的數(shù)據(jù)處理需求:更多的輸入輸出I/O方式以 應(yīng)對(duì)與日益增多的外部設(shè)備的對(duì)接?？梢?jiàn)，智能電表是含有微控制器支持的比多功能表具有 更多功能的一種智能終端。3智能電表簡(jiǎn)介智能電表不同于一般的多功能電能表，因?yàn)樗旧砗泄δ茌^強(qiáng)的微控制器(MCU)，所 以它就像一臺(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，通常它會(huì)具備以下 的一些主要功能。雙向計(jì)量作為智能電網(wǎng)的用戶端，智能電表的主要功能是為用戶提供一個(gè)電網(wǎng)的入戶接口，通過(guò) 智能電表可以將安全、高質(zhì)量的電能輸送到用戶的用電設(shè)備上。在新能源蓬勃發(fā)展的今天， 許多分布式新能源已經(jīng)在用戶端得到了充分的使用，用戶自己產(chǎn)生的清潔能源除了滿足用戶 自身的

7、需要以外會(huì)產(chǎn)生多余的能量，也可以通過(guò)智能電表反饋到電網(wǎng)中去。所以智能電表就 要具備雙向電能輸送和計(jì)量的功能。在計(jì)量的過(guò)程中，因?yàn)橛蠱CU的支持，可以方便地實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)供電系統(tǒng)內(nèi)精確、可靠的電能管理。它不僅可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)分時(shí)管理，用戶的 用電情況可以有更多的分類，更清晰明了。比如它除了可以包含每個(gè)月的用電量，而且還可 以按日期、時(shí)間以及按耗電的電器分類分別計(jì)量不同的電費(fèi)和電能使用情況。這就為電網(wǎng)高 效節(jié)能管理提供了有用的實(shí)時(shí)信息。依據(jù)這些信息，管理方可以通過(guò)合理的手段，為一些高 耗能設(shè)備從用電高峰時(shí)段轉(zhuǎn)到非用電高峰時(shí)段提供優(yōu)惠折扣，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰避蜂用電，提高電網(wǎng) 的運(yùn)行效率。雙向通信智能電表與智能電

8、網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送都離不開(kāi)遠(yuǎn)程通訊，為此，智能電表的遠(yuǎn)程 通信功能就尤為重要。智能電網(wǎng)中的智能變電站除了可以接受智能電表發(fā)出的用電信息以 外，還可以向智能電表發(fā)出調(diào)控信息，因此，智能電表一般要求具有雙向的通信功能?？梢?說(shuō)通信功能是智能電表的主要功能之一。智能電表與遠(yuǎn)端的智能化變電站之間的通訊方式可以有多種形式，如電力線路的載波通 訊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊、通信網(wǎng)絡(luò)通訊以及借助其他專網(wǎng)的通訊(如有線電視網(wǎng)絡(luò)等)。未來(lái)三網(wǎng) 合一的發(fā)展，也會(huì)為智能電表的通訊帶來(lái)更大的方便?？刂乒δ苤悄茈姳韺?huì)具備傳統(tǒng)的電能表和多功能電能表所無(wú)法企及的對(duì)智能家電設(shè)備的控制 功能。智能電表的MCU可以帶有強(qiáng)大的I/O接口

9、，使得它可以與更多的外部設(shè)備對(duì)接。借助 遠(yuǎn)程通信的功能，用戶在異地通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通訊設(shè)備對(duì)自己家里的各類智能化用電 設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控、遙測(cè)將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。比如：對(duì)空調(diào)、洗衣機(jī)、電飯策、電熱水器、照明、 電控窗簾和百葉窗等實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)端的開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)在居家安裝了智能化安全系統(tǒng)以后，通過(guò)智 能電表的遠(yuǎn)程通信功能還可以實(shí)現(xiàn)異地的監(jiān)控和報(bào)警。可以說(shuō)智能電表的功能也會(huì)不斷地?cái)U(kuò) 充，未來(lái)的智能電表就可能成為一個(gè)智能化住宅的控制中心(圖5)。圖S智能電表應(yīng)用4國(guó)外智能電表的發(fā)展?fàn)顩r 美國(guó)ADI公司美國(guó)模擬器件公司ADI(AnalogDevicesInc.，)是國(guó)際著名的IC設(shè)計(jì)公司，公司在高性 能模擬集成電

10、路(Ie)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域居于業(yè)界領(lǐng) 先地位，其產(chǎn)品在整個(gè)IC行業(yè)占據(jù)了非常大的份額，他們的研究方向代表了 IC設(shè)計(jì)的發(fā)展 方向。2009年12月，美國(guó)ADI公司宣布推出四款高精度電能計(jì)量擾，型號(hào)為ADE7878、 ADE7868. ADE7858及ADE7854,可用于提高商業(yè)、工業(yè)及住宅智能電表的精度和性能。四款 產(chǎn)品的進(jìn)度達(dá)到0.1%，可同時(shí)測(cè)量無(wú)功和有功功率。此外，其中一款產(chǎn)品還具備基波電能 測(cè)量功能，這對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)而言至關(guān)重要。ADE7878、ADE7858及ADE7854高精度電能計(jì)量IC為多相配置而設(shè)計(jì)，能質(zhì)量參數(shù)， 如SAG、峰值

11、、周期、角度測(cè)量及相序等。另外，ADE7868和ADE7878具備各種防竊電功能。美國(guó)程思卡爾半導(dǎo)體公司美國(guó)的飛思卡爾半導(dǎo)體(FreescaleSemiconductor，Inc.，)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司， 為汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)控制和網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)設(shè)計(jì)并制造嵌入式半導(dǎo)體產(chǎn)品口在全球擁有設(shè)計(jì)、 研發(fā)、制造和銷售機(jī)構(gòu)。飛思卡爾利用在嵌入式領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，在充分研究中國(guó)國(guó)網(wǎng)新標(biāo) 準(zhǔn)有關(guān)單相電表設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，飛恩卡爾推出了 MZ系列8位微控制器(MCU)芯片，集成 了 60kB、96 kB或128kB閃存，提供64引腳LQFP封裝。MZ系列微控制器還提供32位處理器芯片，集成256kB閃存。飛思卡爾

12、根據(jù)中國(guó)國(guó)網(wǎng)新標(biāo)專門推出的64引腳的單項(xiàng)電表用9S08MZ60、MZ96、 MZ128MCU，三項(xiàng)電表用51MZ256等產(chǎn)品，并已完成了樣機(jī)制造。歐洲恩智浦半導(dǎo)體公司總部位于荷蘭Eindhoven的世界前十大半導(dǎo)體公司一恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semi conductors )以其領(lǐng)先的射頻、模擬、電源管理、接口、安全和數(shù)字處理方面的專長(zhǎng)。產(chǎn)品 應(yīng)用涉及汽車、智能識(shí)別、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、照明、工業(yè)、移動(dòng)、消費(fèi)和計(jì)算等領(lǐng)域。根據(jù)智能電表發(fā)展藍(lán)圖，NXP推出了基于ARMCortex的MCU解決方案-LPC 1 700系列。 LPCI70O在智能電表系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括三相(多功能)表、單相復(fù)費(fèi)率/多功能

13、表和多功 能終端。具體來(lái)看，LPCI700的主要特點(diǎn)有:具有100MHz處理速度的ARMCortex -M3控制器、嵌 套向量中斷處理器、內(nèi)存保護(hù)單元、喚醒中斷處理器，可以滿足各種優(yōu)先級(jí)中斷的自動(dòng)喚 醒，四種省電模式:睡眠、深度睡眠、掉電、深度掉電。NXP智能電表外圍采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有防竊電等多種功能，可使用非接觸式讀卡技術(shù) 完成預(yù)付費(fèi)。其智能MX安全解決方案中，可配有室內(nèi)多計(jì)量表無(wú)線連接用ISM 一-band收 發(fā)器，并有多種標(biāo)準(zhǔn)芯片可選，諸如SMPS(開(kāi)關(guān)電源)芯片、低功耗實(shí)施時(shí)鐘、顯示驅(qū)動(dòng)器、 小信號(hào)分立器件和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件等。德國(guó)西門子公司西門子自動(dòng)抄表信息系統(tǒng)(AMIS), ANIS

14、利用ADI公司的Blackfin處理器。西門子公司 選擇了 Blackfin匯聚式處理器。這是因?yàn)樵撎幚砥骶邆渫瑫r(shí)作為DSP和Meu進(jìn)行無(wú)縫工作 的能力，特別適合西門子AMIS的高處理和動(dòng)態(tài)通信應(yīng)用要求。Blackfin處理器具備處理儀 表級(jí)原始實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)儀表和電網(wǎng)之間通信的能力，可提供一站式、低成本、易于 配置的解決方案。由于供電公司的AMIS智能電表的部署范圍不僅僅覆蓋本地電網(wǎng)，因此西 門子基于Blackfin的電表部件還能按本地或國(guó)家特有的不同通信標(biāo)準(zhǔn)方便地通過(guò)軟件輕松 升級(jí)。AMIS可以實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)范圍的數(shù)據(jù)采集以及電力公司、電網(wǎng)和用戶之間的通信。通過(guò)基 于Blackfin處理

15、器設(shè)計(jì)的智能電表器件，系統(tǒng)不僅可以測(cè)量各個(gè)家庭的用電情況，還可以 擴(kuò)展到從發(fā)電廠到用戶的整個(gè)系統(tǒng)，AMIS對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控并將數(shù)據(jù)傳送給控制站。系統(tǒng)采 用電力線技術(shù)來(lái)傳送數(shù)據(jù)，AMIS還可用無(wú)線電、互聯(lián)網(wǎng)或本地交換載波進(jìn)行通訊?；贐lackfin的智能電表不僅能夠滿足目前的設(shè)計(jì)要求，而且還可以方便地實(shí)現(xiàn)下一 代能量管理，為用戶提供可選的用電額度應(yīng)用作好了準(zhǔn)備。AMIS支持更多的新能源系統(tǒng)的 采用，AMIS系統(tǒng)儀表可以控制從太陽(yáng)能電池或者發(fā)電廠輸送的電能。雖然有先哲的預(yù)言，然而卻沒(méi)想到步伐卻如此地迅速。以美國(guó)及歐洲為中心，已開(kāi)始導(dǎo) 入帶有通信功能的智能電表。最近，這一趨勢(shì)也全面波及到日本。日本業(yè)

16、界最大的廠商一東 京電力已于2010年10月開(kāi)始進(jìn)行智能電表的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。5國(guó)內(nèi)智能電表應(yīng)用前景國(guó)內(nèi)智能電表大規(guī)模應(yīng)已經(jīng)將啟動(dòng)，國(guó)家電網(wǎng)公司在2010年智能電網(wǎng)第一階段的項(xiàng)目 中大約有91億元用于智能電表、電表采集終端及后臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)。智能電表標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)下發(fā)， 2009年11月國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)啟動(dòng)了第一批智能電表招標(biāo)，本次招標(biāo)包含二級(jí)單相遠(yuǎn)程費(fèi) 控智能電能表680多萬(wàn)只，一級(jí)三相費(fèi)控智能電能表26萬(wàn)只，招標(biāo)金額大約13億元。預(yù)計(jì) 國(guó)網(wǎng)公司2015年前將全面建成用電信息采集系統(tǒng)，居民用戶信息采集得到大規(guī)模應(yīng)用，智 能電表覆蓋率超過(guò)80%,用戶超過(guò)1.4億戶，2020年智能電表的覆蓋率將達(dá)到100%。

17、作為 應(yīng)用的先例，浙江省寧波第一批智能用電信息采集器在海曙、江東、江北、鎮(zhèn)海、北侖全面 安裝，1600戶居民將首先享受到智能電表帶來(lái)的便利。2009年11月，浙江省海鹽供電局在該縣的南塘琴同推出了一個(gè)智能用電服務(wù)系統(tǒng)。目 前該縣通元鎮(zhèn)韓家橋的風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)發(fā)電并網(wǎng)工程已投入運(yùn)行。該互補(bǔ)并網(wǎng)工程包 括1000W的光伏發(fā)電和500 W的風(fēng)力發(fā)電，都是裝在用戶現(xiàn)場(chǎng)。在工程中使用了雙向的電表 測(cè)量技術(shù)，既可記錄用戶取自電網(wǎng)的電量，也可記錄用戶自身所發(fā)出的電量。在2010年上海世博會(huì)園區(qū)內(nèi)，智能電表已經(jīng)廣泛使用。世博園區(qū)內(nèi)35kV及以上用戶7 戶，其中包括中國(guó)館，10 kV用戶45戶，太陽(yáng)能用戶3戶，總共覆蓋了近200個(gè)智能電表。 作為智能電網(wǎng)的一個(gè)組件，智能電表在這個(gè)領(lǐng)域是的作用是舉足輕重的。我國(guó)智能電表研究和推廣時(shí)間與國(guó)際基本同步，但由于受以下幾方面因素的影響，我國(guó) 智能電表技術(shù)與國(guó)外水平存在較大差距。一是核心技術(shù)缺失。高端市場(chǎng)基本被國(guó)外產(chǎn)品占領(lǐng)， 使是國(guó)產(chǎn)品牌F芯片、電解電容、液晶顯示屏(LCD)等核心部件均采用國(guó)外產(chǎn)品或技術(shù)，自 有技術(shù)支撐能力薄弱。二是生產(chǎn)廠家分散，直接導(dǎo)致研發(fā)力量不足，核心技術(shù)突破進(jìn)展緩慢。 目前，我國(guó)各種類型電表年產(chǎn)量己達(dá)2億