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新一代国网智能电表开发技术的演化进程——《中国智能电表的缘起、发展与期望(第三部分:上集)》

 张春晖 中国现代电网量测技术 前天

新一代国网智能电表开发技术的演化进程——《中国智能电表的缘起、发展与期望(第三部分:上集)》

 

中国现代电网量测技术平台

张春晖

 

20196 8

 

近期,网上又陆续报道:国网新一代智能电表开发情况。

 

· 2019428日,在泛在电力物联网产业生态联盟大会上,国网信通产业集团领导提出:建设泛在电力物联网的保障之一,设计研发新一代智能电表,实现电能和温度计量,用户家庭中大容量负荷的用电信息采集与控制。

 

· 531日,中国智能量测产业技术创新战略联盟电能表工作组青岛会议:审查了国网智能电能表技术、功能、型式、安全规范修订稿大纲,还对新一代智能电表关键技术进行了交流探讨。

 

· 628---29日,全国电工仪器仪表生产力促进中心将在杭州举办”基于泛在电力物联网框架的电能计量技术研讨会议”,会议议题之一,介绍:新一代智能电表设计方案。

 

以上新一代智能电表的开发,国网是从2016年发布《基于IR46理念的”双芯”智能电表设计方案》起步,近两年,”双芯”智能电表样机版本及介绍文章不断更新,但未定型。进入2019年,随着国网开展泛在电力物联网的建设,对”双芯”智能电表又提出泛在连接、与用户进行高级互动功能的要求,行业有关部门顺势将”双芯”智能电表演化成新一代智能电表开发,并已经制订出新一代智能电表设计方案。当前,国内智能电表需求不旺,新一代国网智能电表的开发,加快进入市场,确实引人关注,寄以期望

 

《中国智能电表的缘起、发展与期望》是本文作者撰写的系列文稿,先后发表的时间跨度已经有两年。

 

· 2017619日,发表《中国智能电表的缘起、发展与期望(第一部分)》,主要叙述:一、中国首部国网智能电表系列企业标准(2009版)推出的前前后后;二、基于2013版国网智能电表系列企业标准的智能电表,与电子式多功能表比较有哪些创新?

 

· 2017810日,发表《中国智能电表的缘起、发展与期望(第二部分:上集)》; 2017820日,发表《中国智能电表的缘起、发展与期望(第二部分:下集)》,主要叙述:三、IR46标准与现行电能表国标/IEC标准相比较,有哪些不同的特征或新概念。

 

· 201968日,本文将发布:《中国智能电表的缘起、发展与期望(第三部分:上集)》,主要叙述:

 

四、新一代国网智能电表开发技术的演化进程

 

1、从国网”双芯”智能电表设计方案说起

 

· 20169月,国网发布《基于IR46理念的”双芯”智能电能表设计方案》,并首次组织面向电表企业的宣贯会议。

 

· 20179月,中国电科院专家发表《一种基于IR46理念的智能电能表设计方案研究》。

 

·鉴于”双芯”智能电表尚未形成标准,这里,本文作者再补充下列内容:按”双芯”智能电表的要求,2013版国网《智能电能表功能规范》中的25项功能的分解列出方法。

 

本部分的内容摘录于以上3方面文稿并经编辑而成,主要介绍早期国网”双芯”智能电表的开发情况,说明新一代智能电表产品设计的特征与提出的问题。

 

1)国网”双芯”智能电表“”双芯”的定义,与设计内容不完全符合

 

1)国网”双芯”智能电表的架构设计,分为计量芯与管理芯两部分。其中,计量芯部分,除直接计量功能,还包括管理、器件的功能;管理芯部分,除管理,还包括组合计量功能。”双芯”的两部分,对计量、管理、器件的设计内容混在一起,表述不清晰。

 

鉴于”双芯”分为计量芯、管理芯两部分的定义,已被近两年的”双芯”智能电表文稿沿用,不宜再改了。但”双芯”两部分的设计内容需要分类,为现有智能电表25项功能分解,列入”双芯”智能电表计量芯、管理芯设计内容提供规范。

 

2)由此,本文作者建议:

 

”双芯”智能电表的计量芯、管理芯两部分,按是否属于法制计量管理来区分:

 

计量芯部分---法制计量管理范畴:其设计内容分为法制计量(以直接计量为主;辅以组合计量)及专项计量、基础管理、基础器件3类功能。

 

管理芯部分---非法制计量管理范畴:分为非法制计量(组合计量)、配套管理、配套器件3类功能。

 

2)表计整体架构设计不同

 

1)现有智能电表:采用一体化架构设计,"计量芯+MCU"工作模式即计量芯发出电能脉冲,由MCU进行电能量的累加计量,MCU还负责如计费、通信、显示、费控等共25项功能。软件程序固化。

 

2)国网”双芯”智能电表的架构设计,前面已经指出:”双芯”:分为计量芯、管理芯两部分:

 

计量芯部分设计内容的分类:

·专项计量:电压、电流采样/瞬时值计量

·法制计量类:电能计量(直接计量为主,辅以组合计量),其电能量数据带时标

·基础管理类:全失压事件检测;电源异常事件检测;故障上报;时钟及校时;,法制计量数据溯源;法制计量及特定功能的数据存储。

·基础器件类:计量芯片;计量MCU;存储器1RTC;时钟电池;超级电容;RS---485;脉冲指示(输出端钮)。

 

管理芯部分设计内容分类

·非法制计量类:需量测量(组合计量)

·配套管理类:费控;其它事件记录;停电抄表;负控;非法制计量的数据存储;数据冻结;结算电量;显示;对外通信;软件升级

·配套器件类:管理MCU;停电电池;SAM/ESAM;,显示器;通信(RS--485、红外、上下行通信模块)。

 

双芯两部分之间,通过SPI接口进行数据交换。

 

3)按”双芯”分类要求,Q/GDW1354---2013国网《智能电能表功能规范》25项功能的分类方法

 

1)电能计量

 

(计量芯)法制计量类:

·直接计量:正向、反向有功电能量计量;四象限无功电能量计量;分相正向、反向有功电能量计量

·组合计量:有功、无功电能量的分时计量。

 

(管理芯)非法制计量类

·组合计量:组合有功和组合无功;组合无功1和组合无功2

 

2)需量测量

 

(管理芯)非法制计量类

·组合计量:单向或双向最大需量;分时段的最大需量。

 

3)时钟

 

(计量芯)基础管理类

·具有温度补偿的内置硬时钟电路

·环保型锂电池作为时钟备用电源

·通过RS--485接口,对电能表校时。

 

4)费率和时段

 

(计量芯)法制计量类

·组合计量:至少支持尖、峰、平、谷4费率;,具有两套可以任意编程的费率和时段。

 

5)清零

 

(计量芯)基础管理类

·法制电能量计量数据清零

 

(管理芯)配套管理类

·非法制电能量计量数据清零

·需量清零。

 

6)数据存储

 

(计量芯)基础管理类

·存储器1:负责存储法制计量数据

 

(管理芯)配套管理类

·存储器2:负责存储非法制计量数据。

 

7)冻结

 

(计量芯)基础管理类

·冻结法制计量数据

 

(管理芯)配套管理类

·冻结非法制计量数据

 

数据冻结方式:定时冻结;瞬时冻结;日冻结;约定冻结;整点冻结。

 

8)事件记录

 

(计量芯)基础管理类

·全失压记录

·电源异常记录

 

(管理芯)配套管理类

·各相失压记录;各相断相记录;各相失流记录;电压、电流逆相序记录;潮流反向记录;掉电记录;需量超限记录;,三相电能表的电压、电流不平衡记录;恒定磁场干扰事件纪录;内置负荷开关误动作记录;需量清零记录;编程总次数记录;校时总次数记录;各相过载总次数、总时间记录;开表盖记录;开端钮盖记录;永久记录的电能表清零事件记录;拉闸和合闸事件纪录。

 

9)通信

 

(计量芯)基础管理类

· RS---485通信

 

(管理芯)配套管理类

· RS---485通信;红外通信;载波通信;公网通信;,微功率无线通信。

 

10)信号输出

 

(计量芯)基础器件类

·电能量脉冲输出端钮

 

(管理芯)配套器件类

·多功能信号输出端钮:可输出时间信号、需量周期信号、或时段切换信号

·控制输出端钮:可输出1电脉冲或电平开关信号,控制外部报警装置或负荷开关。

 

11)显示

 

(管理芯)配套管理类

·电能表显示内容,分为数值、代码和符号3

·电能表具有停电后唤醒显示功能

·应能通过液晶显示测试密钥、正式密钥等状态。

 

12)测量及监测

 

(管理芯)非法制计量类

·可测量总及分相有功功率、无功功率、功率因数、各相电压、分相(含零线)电流、频率等运行参数

·三相电能表应提供越限监测功能,可对线(相)电压、电流、功率因数等参数设置限值。当超限时,应以事件方式进行记录。

 

13)安全保护

 

(管理芯)配套管理类

·电能表的清零、编程、参数设置等应符合Q/GDW1365---2013标准的要求。

 

14)费控

 

(管理芯)配套管理类

·本地费控方式:通过CPU卡、射频卡等固态介质实现

·远程费控方式:通过无线公网、载波等虚拟介质和远程售电系统实现

·电能表的预存电费金额应能与表内的剩余金额进行准确的迭加

·远程费控电能表应能支持远程直接合闸与远程允许合闸。

 

15)负荷记录

 

(管理芯)配套管理类

·三相电能表负荷记录内容:(略)

·单相电能表负荷记录内容:(略)

·三相电能表负荷记录的存储空间:(略)

·单相电能表负荷记录的存储空间:(略)。

 

16)阶梯电价

 

(计量芯)法制计量类

·本地费控电能表具有两套阶梯电价,并可设置时间点,启动另一套阶梯电价计费

·支持以月、年为计费周期的阶梯算费方式。

 

17)停电抄表及显示

 

(管理芯)配套管理类

·在停电状态下,电能表通过按键或非接触(红外)方式唤醒电能表抄读数据。其中,单相电能表不要求停电状态下的非接触式唤醒

·三相电能电表停电唤醒后,应能通过红外通信方式抄读表内数据。

 

18)保电功能

 

(管理芯)配套管理类

·电能表具有远程保电功能。在保电状态下的电能表,不执行任何情况下引起的拉闸操作,直至解除保电命令。

 

19)报警

 

(计量芯)基础管理类

·报警事件:全失压事件;电源异常事件

 

(管理芯)配套管理类

·报警事件:失压;逆相序;过载;功率反向(双向表除外);电池欠压等

 

光报警:采用背光点亮方式进行报警。当事件恢复正常后报警自动结束。

 

20)辅助电源

 

(管理芯)配套管理类

·电能表可配置辅助电源接线端钮

·辅助电源供电电压为100---240V交、直流自适应

·具备辅助电源的电能表,应以辅助电源供电优先;线路和辅助电源两种供电方式,应能实现无间断自动转换。

 

21)安全认证

 

(管理芯)配套管理类

·通过固态介质或虚拟介质对电能表进行参数设置、预存电费、信息返写和下达远程控制命令操作时,需通过ESAM模块的安全认证

· ESAM模块的加密算法,推荐使用SMI算法。

 

22)电能表软件比对功能

 

(管理芯)配套管理类

·电能表支持其目标代码通过通信方式加密读出,实现软件比对功能。

 

23)恒定磁场监测与事件记录

 

(管理芯)配套管理类

·在恒定磁场干扰,且电能表能正常工作时,电能表具有恒定磁场监测功能。当磁感应强度高于限值时,电能表应记录恒定磁场干扰事件。

 

24)电源异常事件记录

 

(计量芯)基础管理类

·电能表具有电源异常检测功能。当检测到电能电表内部直流工作电源异常,同时交流输入电源正常的情况下,应记录电源异常事件。

 

25)负荷开关误动作检测功能

 

(管理芯)配套管理类

·对负荷开关内置的电能表,如检测到表内负荷开关误动作,应记录负荷开关误动作事件。

 

4)”双芯”智能电能内功能模块的新设计

 

1)直流工作电源模块设计

 

”双芯”智能电能工作时的主电源由电网提供,经由3个稳压模块进行电压变换后:

·稳压模块1:接入(计量芯)计量芯片、计量MCU、存储器1使用

·稳压模块2:接入(管理芯)管理MCU、存储器2、通信单元使用

·稳压模块3:与超级电容器并联后接入(计量芯)RTC使用

·稳压模块之间由二极管相互隔离。

 

时钟电池:经隔离二极管与稳压模块3串联,作为RTC备用电源。

 

停电抄表电池:接入红外使用。接入背光、蜂鸣器的接法:(待查询)

 

2)通信模块设计

 

早期的窄带(低速)电力线载波通信方式,其通信速率已难以满足费控业务、高频数据采集、双向互动、远程升级等智能用电新需求,意指不再继续使用,需要通信技术更新。

 

上行通信方案

”双芯”智能电表在借助原有通信信道基础上,应配置实时性作业需求的高速通信方式,如OFDM窄带(快速)电力线载波、国网宽带(高速)电力线载波、IP等新的通信技术。

 

下行通信方案

”双芯”智能电能设计下行标准化的接口。下行通信模块可兼容M--BUSZigBee、蓝牙、或WiFi模块,实现与用户之间实时双向互动,也可以进行”多表集抄”业务。

 

(计量芯)及其与(管理芯)之间的通信

·(计量芯)与(管理芯)之间采用SPI通信方式,制订独立的通信协议。(管理芯)为主站,通信链路的建立与解除均由(管理芯)控制

·从(计量芯)引出独立的RS---485本地接口,不需要组网,用作对法制计量数据的校核或溯源

·当系统主站需要从远程召测(计量芯)基础计量数据时,可抄读(管理芯)的逻辑设备,来抄读(计量芯)基础计量数据。

 

3)(管理芯)软件在线升级方案

 

(管理芯)软件在线升级时,采用点对点与组播通信相结合的方式。组播时,采用升级密钥;组播下发完成后,组播密钥进行更新修改。

 

”双芯”智能电能将新版本的程序下载至存储器中。

5)本文点评

 

1)国网:《基于IR46理念的”双芯”智能电能表设计方案》,是率先将国际法制计量组织(OIMLIR46标准在国内落地的电表新产品设计纲要,颠覆了国内智能电能传统产品设计方法,适应智能电表技术不断更新的长期需求,实现国内电表行业计量产品创新要求。

 

2)国网”双芯”智能电能设计的特征

 

MCU、双存储器设计

 

首次提出电压、电流采样/瞬时值测量

 

首次提出电能量数据带时标

 

 RTC工作电源设计可靠:具有稳压模块/时钟电池/超级电容

 

采用本地高速通信新技术

 

(管理芯)软件在线升级

 

3)从该设计方案提出的问题

 

”双芯”智能电表设计方案,重点提出”双芯”电表架构设计。作为新型电表设计大纲,设计内容比较粗略。

 

据了解,智能电表产品设计内容很广泛:

·电表功能定位与整体架构设计

·硬件设计及测试

·软件设计及测试

·电表可靠性设计及验证测试

·电表生产工艺流程设计及测试

·电表型式试验等。

 

 2013版国网《智能电能表功能规范》中的25项功能,有11项功能未提到,包括分时计量、费率和时段、阶梯电价、信号输出、测量及监测、安全保护、负荷记录、保电功能、辅助电源、恒定磁场监测及事件记录、负荷开关误动作检测功能。

 

明确可以继续采用OFDM窄带(快速)电力线载波通信方式,但未提出应用场景限定。过几年,有可能又要提出技术更新。

 

电表内按”双芯”布局,增加硬件及结构、软件设计难度;内部通信、外部采集可能有延时,需要进行长期、多案例的验证测试。

 

  IR46标准提出的准确度标示改变、新的试验要求等重点技术问题,未予明确。

 

4)由此可见,国网《基于IR46理念的”双芯”智能电能表设计方案》,是新一代智能电能的起步项目。由于该方案缺失内容较多,又没有提供实施细则,导致”双芯”智能电表样机设计各不相同、多样化,同时,2016年后,对新一代智能电表又提出新的期望,因此,”双芯“智能电表可能成为新一代智能电表的过渡性新产品。

 

(待续)

                                                                                                                                                                       声明


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