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

2019年6月 8日

近期，网上又陆续报道：国网新一代智能电表开发情况。

· 2019年4月28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。

· 5月31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。

· 6月28---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。

· 2017年6月19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？

· 2017年8月10日，发表《中国智能电表的缘起、发展与期望（第二部分：上集）》； 2017年8月20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。

· 2019年6月8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

· 2016年9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。

· 2017年9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1；RTC；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卡/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种

·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--BUS、ZigBee、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（OIML）IR46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

—双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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