黃瑞，肖宇，曾偉杰，胡紅利，葉志，段羽潔

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，長(zhǎng)沙 410000； 2. 智能電氣量測(cè)與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410004； 3. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和電力市場(chǎng)化改革，電網(wǎng)建設(shè)不斷推進(jìn)，新能源的并網(wǎng)運(yùn)行，電價(jià)制度改革和雙向計(jì)量等業(yè)務(wù)場(chǎng)景面臨的新的實(shí)際需求，對(duì)電能量測(cè)設(shè)備的計(jì)量和非計(jì)量部分提出了更高和更多維的要求。電能計(jì)量是電力生產(chǎn)消費(fèi)的技術(shù)基礎(chǔ)，為雙方提供數(shù)據(jù)支撐，也是生產(chǎn)單位經(jīng)濟(jì)核算、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)考核的重要手段，其計(jì)量精度將直接影響電力市場(chǎng)供需雙方的公正交易與誠(chéng)信。對(duì)提高資源利用率，保護(hù)環(huán)境，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義[1]。電能的計(jì)量設(shè)備—電能表，從1889年出現(xiàn)的第一塊感應(yīng)式電能表(機(jī)械表)，發(fā)展到上世紀(jì)的機(jī)電式電能表，再到現(xiàn)在普遍使用的電子式電能表。目前國(guó)內(nèi)在用的電能表種類(lèi)繁多，但就其功能而言，計(jì)量部分原理由感應(yīng)式向集成電路式過(guò)渡，非計(jì)量部分的各種功能愈發(fā)先進(jìn)完善，且不再局限于面向電網(wǎng)和生產(chǎn)廠家而是更加考慮消費(fèi)者利益。總體發(fā)展趨勢(shì)可總體概括為計(jì)量功能進(jìn)一步精確，非計(jì)量功能愈發(fā)智能化，服務(wù)對(duì)象更加面向全社會(huì)。

智能電能表是一種以嵌入式和通信技術(shù)為核心，具有自動(dòng)計(jì)量、費(fèi)控、雙向通信、負(fù)荷識(shí)別等功能，支持多費(fèi)率計(jì)量、分布式能源計(jì)量、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)等實(shí)際需求的智能化儀表[2]，是新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，承擔(dān)了電能計(jì)量，數(shù)據(jù)傳輸，電能質(zhì)量檢測(cè)等重要任務(wù)。

國(guó)際建議(International Recommendation)是國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML) 為儀器儀表做出的示范性建議。2021年我國(guó)新修訂了GB/T 17215電測(cè)量設(shè)備系列標(biāo)準(zhǔn)，參考了國(guó)際法制計(jì)量組織制定的《有功電能表》(Active Electrical Energy Meters，系列編號(hào)簡(jiǎn)寫(xiě)為IR46)。OIML是一個(gè)世界性的政府間組織，其主要目標(biāo)是協(xié)調(diào)成員國(guó)計(jì)量部門(mén)實(shí)施相關(guān)計(jì)量相關(guān)法規(guī)和建議。我國(guó)作為成員國(guó)也應(yīng)遵循此類(lèi)國(guó)際性計(jì)量法規(guī)文件。IR46提出了計(jì)量與非計(jì)量部分隔離的電能表體系，法制計(jì)量部分能夠獨(dú)立運(yùn)行且不受干擾，非計(jì)量部分支持在線升級(jí)，且其故障和升級(jí)不對(duì)電能表其余部分造成不利影響。另外在計(jì)量特性和準(zhǔn)確度等級(jí)方面參考IEC系列標(biāo)準(zhǔn)提出新的評(píng)價(jià)方案。對(duì)智能電能表型式評(píng)價(jià)的考察有了新的試驗(yàn)評(píng)定和更嚴(yán)格的誤差要求[3]。

目前，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都在努力推進(jìn)智能電能表的投入使用，2009年美國(guó)為4 000萬(wàn)戶(hù)家庭安裝智能電能表，法國(guó)提出2015年～2021年建設(shè)3 500萬(wàn)只智能電能表的Linky計(jì)劃，歐盟提出未來(lái)將完成80%家庭用戶(hù)的的智能電能表部署，2011年，我國(guó)也進(jìn)入了智能電能表更換的高峰期，根據(jù)2014、2015年招標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算，全國(guó)范圍內(nèi)智能電能表的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到70%以上。

伴隨國(guó)家電網(wǎng)對(duì)“新型電力系統(tǒng)”建設(shè)的支持，基于IR46標(biāo)準(zhǔn)的新型智能電能表的前景十分廣闊。其中具備高準(zhǔn)確度等級(jí)和可靠性的軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)解決方案提供整套支持是我國(guó)電能表生產(chǎn)企業(yè)占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。文章首先分析了智能電能表的需求，對(duì)比我國(guó)智能電能表標(biāo)準(zhǔn)與IR46的差異，介紹了智能電能表的若干關(guān)鍵技術(shù)，最后闡述了智能電能表的下一步發(fā)展趨勢(shì)。

1 基于IR46標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表的需求分析

如表1所示，隨著新能源并網(wǎng)的增多，雙碳建設(shè)和合同電價(jià)等背景，智能電能表的多樣化，智能化的功能愈發(fā)重要，如雙向計(jì)量、在線監(jiān)測(cè)故障識(shí)別、負(fù)荷管理等。

表1 多樣化的智能電能表需求

1.1 新型電力系統(tǒng)

隨著新型電力系統(tǒng)的提出，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和這一綠色目標(biāo)，電力系統(tǒng)的主要任務(wù)就是最大化消納新能源，以實(shí)現(xiàn)清潔低碳、靈活高效、開(kāi)放互動(dòng)。智能電能表作為消費(fèi)側(cè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其計(jì)量的準(zhǔn)確性、操作的高效性都影響著新型電力系統(tǒng)的性能，而新能源的大量引入又對(duì)電能表的動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)量帶來(lái)挑戰(zhàn)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量用戶(hù)側(cè)實(shí)際負(fù)荷曲線直接影響著面向新型電力系統(tǒng)的需求響應(yīng)機(jī)制的探討[4]。

1.2 分布式能源并網(wǎng)

智能電能表的基本功能是實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量，對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)與處理，為電能結(jié)算和分析提供數(shù)據(jù)支撐[5]。隨著越來(lái)分布式能源接入到電力系統(tǒng)，非線性元件的數(shù)量成倍增加，導(dǎo)致電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)增加，進(jìn)而帶來(lái)了一些計(jì)量問(wèn)題。首先，分布式能源會(huì)向電網(wǎng)輸送電能，因此需要智能電能表能夠進(jìn)行雙向計(jì)量；其次，新能源具有間歇性、波動(dòng)性等特征，容易引發(fā)三相不平衡、電壓波動(dòng)、電壓中斷等問(wèn)題，使電能表計(jì)量出現(xiàn)較大的失準(zhǔn)[6]。非線性負(fù)載的接入，準(zhǔn)確性與可靠性要求系統(tǒng)能夠進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，從而使電網(wǎng)評(píng)估節(jié)點(diǎn)對(duì)電能質(zhì)量的影響[7]。

1.3 多合同電價(jià)

在電力市場(chǎng)中，電價(jià)合同是電網(wǎng)公司與用戶(hù)進(jìn)行交易的基礎(chǔ)，將合同下發(fā)到智能電能表進(jìn)行費(fèi)率控制。費(fèi)率控制主要是實(shí)現(xiàn)分段計(jì)費(fèi)、分時(shí)計(jì)費(fèi)，階梯電價(jià)計(jì)費(fèi)，從而優(yōu)化用電分布，提高效率。同時(shí)，為了能夠溯源，交易中產(chǎn)生的交互過(guò)程及結(jié)果均需記錄與保存。因此，對(duì)智能電能表提出了以下需求:首先，對(duì)電網(wǎng)和用戶(hù)作為不同的交易主體需要對(duì)電價(jià)進(jìn)行分別計(jì)算；其次，針對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)施平衡交易、電價(jià)結(jié)算；最后，對(duì)未來(lái)的多種計(jì)費(fèi)方式，預(yù)留合同電價(jià)模式[5]。

1.4 故障識(shí)別

隨著傳感器融合技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，智能電能表的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)成為智能電能表的故障分析與壽命預(yù)測(cè)的重要途徑[8]。由于智能電能表的數(shù)量出現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，電能表的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)與故障診斷十分困難，而遠(yuǎn)程的運(yùn)行維護(hù)與故障診斷可以有效地解決這一問(wèn)題[9]，因此智能電能表應(yīng)具有故障識(shí)別與報(bào)警的功能。另外，電能表在端子虛接或者人為原因破壞的情況下，端子座的溫度會(huì)急劇升高[5]，所以在智能電能表的設(shè)計(jì)中對(duì)端子溫度監(jiān)測(cè)也提出了相關(guān)要求。

1.5 負(fù)荷識(shí)別與能效管理

為了能夠進(jìn)行能效管理，負(fù)荷識(shí)別是必要前提，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)可以獲得總負(fù)荷的電壓、電流等信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行特征提取，提取出不同特性的負(fù)荷成分(即負(fù)荷印記)。負(fù)荷特征可以反應(yīng)運(yùn)行中的設(shè)備的用電狀態(tài)，如電壓電流等電信號(hào)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)包含的特征。設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，這些負(fù)荷特征會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，智能電能表便可以把各個(gè)用電設(shè)備識(shí)別出來(lái)[5]，然而，目前沒(méi)有一種能夠解決所有問(wèn)題的算法，因此，智能電能表需要具有不斷更新優(yōu)化的算法來(lái)進(jìn)行非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)。

2 我國(guó)電能表標(biāo)準(zhǔn)與IR46標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

電能表技術(shù)從感應(yīng)式向智能電能表完善的歷程中，各國(guó)與國(guó)際性組織發(fā)布了多種標(biāo)準(zhǔn)和建議，例如以往普遍采取的IEC系列、美國(guó)ANSIC12、歐盟的MID標(biāo)準(zhǔn)體系、我國(guó)GB等，在實(shí)踐和理論的發(fā)展下，世界多國(guó)參與的國(guó)際法制計(jì)量組織在以往IEC的基礎(chǔ)上制定了新的IR46標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，由于舊IEC系列不能及時(shí)適應(yīng)新型電力系統(tǒng)多層次的功能需求和更高速更安全的計(jì)量準(zhǔn)則，IR46在部分繼承IEC標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，以保護(hù)消費(fèi)者的利益為出發(fā)點(diǎn)制定了一系列新的計(jì)量特性和軟硬件要求。2006年～2018年以來(lái)我國(guó)GB/T 17215的電能表標(biāo)準(zhǔn)是依照舊IEC標(biāo)準(zhǔn)，從生產(chǎn)制造和使用的角度，對(duì)感應(yīng)式、電子式、機(jī)電式等電能表制定了差異化的標(biāo)準(zhǔn)。在IR46修訂完成后，我國(guó)2021版GB/T 17215中充分采納了IR46中關(guān)于計(jì)量特性的修訂內(nèi)容，不同以往舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)電式與靜止式有功電能表采取的不同精度等級(jí)的劃分方式，GB/T 17215-2021沒(méi)有對(duì)機(jī)電式電能表準(zhǔn)確度等級(jí)做出相應(yīng)更新。

圖1 一些國(guó)家和地區(qū)有關(guān)電能表的標(biāo)準(zhǔn)

如表2所示，從整體結(jié)構(gòu)而言，IR46不再區(qū)分有功無(wú)功、機(jī)電式和靜止式的電能表，而是對(duì)不同原理的表提出了統(tǒng)一的技術(shù)要求，但仍然對(duì)舊機(jī)電式儀表做出了一定的放寬。比如對(duì)于負(fù)載不平衡、電壓改變、諧波、嚴(yán)重電壓改變等影響量引起機(jī)電式儀表誤差偏移極限時(shí)，對(duì)機(jī)電式儀表要求或者適用條件較低。其中對(duì)于A、B、C、D四個(gè)等級(jí)的基本最大允許誤差標(biāo)準(zhǔn)不適用于機(jī)電式儀表[10]。

表2 GB/T 17215與IR46的對(duì)比

對(duì)于計(jì)量特性，以往我國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T 17215.211-2006中通過(guò)起動(dòng)電流(Ist)、最大電流(Imax)、基本電流(Ib)、額定電流(In)定義計(jì)量電流，GB/T 17215.211-2021采納了IR46的規(guī)定，刪除了基本電流(Ib)、額定電流(In)、參比電壓(Un)、參比頻率(fn)的定義，增加了最小電流(Imin)、轉(zhuǎn)折電流(Itr)、標(biāo)稱(chēng)電壓(Unom)、標(biāo)稱(chēng)頻率(fnom)，修改了起動(dòng)電流(Ist)、最大電流(Imax)的參量的定義，對(duì)誤差等級(jí)劃分也進(jìn)行了新的修改。如表3所示，GB/T 17215.321-2021將電能表分為A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)，其中A、B、C、D前四者計(jì)量等級(jí)與IR46相同，但是B的誤差要求比IR46更高，E是我國(guó)國(guó)標(biāo)中新加入的精度要求最高的電能表等級(jí)，在各種試驗(yàn)點(diǎn)的條件下最大百分?jǐn)?shù)誤差極限在±0.25%以?xún)?nèi)?？梢缘贸鯣B/T 17215對(duì)電能表準(zhǔn)確度做了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。此外，準(zhǔn)確度等級(jí)的劃分中新舊標(biāo)準(zhǔn)也有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中Itr=0.1Ib/0.05In。對(duì)于直接接入式電能表，Imin=0.05Ib,對(duì)于經(jīng)互感器接入的電能表Imin=0.02In(2級(jí)或1級(jí))或Imin=0.01In(0.5S級(jí)或0.2S級(jí))。綜合來(lái)講，在計(jì)量特性的準(zhǔn)確度要求中A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的最大允許誤差和溫度系數(shù)極限在三段不同電流區(qū)間([Ist,Imin], [Imin,Itr], [Itr,Imax])以百分?jǐn)?shù)形式做出了規(guī)定，誤差偏移極限則是細(xì)分后分別在三段區(qū)間以及最大電流(Imax)，10倍轉(zhuǎn)折電流(10Itr)等額定值下給出規(guī)定[3]。

在電磁兼容試驗(yàn)，型式評(píng)價(jià)試驗(yàn)和抗其他影響量的試驗(yàn)方面如表4所示。

表3 電能表準(zhǔn)確度的分級(jí)

表4 試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)比

由表4可知，IR46給出了更多的標(biāo)準(zhǔn)要求，環(huán)境溫度極限更為苛刻，IR46低溫極限值為：-55 ℃、-40 ℃、-25 ℃、-10 ℃、+5 ℃，高溫極限為：+30 ℃、+40 ℃、+55 ℃、+70 ℃、+85 ℃。高低溫極限應(yīng)比電能表規(guī)定工作溫度上下限更嚴(yán)格[11]。對(duì)于負(fù)載平衡，IR46標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了若干個(gè)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，考察其誤差范圍是否在規(guī)定區(qū)間內(nèi)，與此相對(duì)的是IEC標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定試驗(yàn)點(diǎn)。諧波實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在以往的5次諧波基礎(chǔ)上增加了方波和尖頂波，與實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境更為接近，此外對(duì)電流幅值，相位角做出了定量要求，在有諧波時(shí)電流有效值不超過(guò)Imax，峰值不超過(guò)1.4Imax，并要求在給定試驗(yàn)點(diǎn)：至少在10Itr，基波為純阻性條件下進(jìn)行測(cè)量。另外，對(duì)于射頻電磁場(chǎng)的頻率范圍從最高2 000 MHz提高到了6 000 MHz[11]，新加入了外部工頻磁場(chǎng)試驗(yàn)，這就要求電能表有較好的電磁兼容性能。陽(yáng)光輻射防護(hù)的試驗(yàn)天數(shù)增加，對(duì)廠家而言，產(chǎn)品機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)時(shí)的抗輻射設(shè)計(jì)需要加以考慮。IR46還提出了耐久性試驗(yàn)和綜合誤差評(píng)定實(shí)驗(yàn)，提高了電能表在極端環(huán)境下的計(jì)量和非計(jì)量性能要求等級(jí)，通過(guò)綜合考慮各種影響量帶來(lái)的誤差偏移考察電能表計(jì)量性能[3]。

對(duì)于計(jì)量性能保護(hù)，IR46規(guī)定了軟件識(shí)別和參數(shù)保護(hù)，對(duì)竊電行為做出了一定的預(yù)防，要求通過(guò)機(jī)械、電子或密碼等方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿芊?，以防未授?quán)人員的干預(yù)。如果系統(tǒng)參數(shù)允許被用戶(hù)修改，電能表需配備自動(dòng)記錄且不可擦除設(shè)備記錄修改事件和參數(shù)[3]。

對(duì)于電子設(shè)備的子組件分離和軟件分離，法制計(jì)量部分的關(guān)鍵部分不應(yīng)受到設(shè)備其他部分的影響，且要求在型式試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)驗(yàn)證電能表功能與存儲(chǔ)不被非授權(quán)者外部指令影響。電能表的非計(jì)量部分可以進(jìn)行軟件更新，且更新期間不會(huì)影響法制計(jì)量部分的正常功能運(yùn)行[3]。

綜上，我國(guó)GB/T 17215.211-2021，在以往IEC系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，較為廣泛的采納了OIML制定的IR46新標(biāo)。從整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確度等級(jí)的劃分、計(jì)量性能的要求，型式評(píng)價(jià)的新試驗(yàn)要求、對(duì)計(jì)量性能的保護(hù)、耐久性都有了較大的改變。重要的是提出了法制計(jì)量部分與非法制計(jì)量部分的分離[12]，與我國(guó)現(xiàn)有的智能表差異較大，對(duì)我國(guó)電能表市場(chǎng)和企業(yè)是一次沖擊，隨著智能電能表更新周期的到來(lái)，投入大量研發(fā)資金，把握好IR46標(biāo)準(zhǔn)電能表關(guān)鍵技術(shù)和提供成套的解決方案的支持者會(huì)占據(jù)市場(chǎng)的先機(jī)。

3 硬件結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)復(fù)符合IR46的標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表的結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做出了如下幾類(lèi)探索，大致可分為單芯系統(tǒng)、雙芯系統(tǒng)、多芯系統(tǒng)，并分別在各自系統(tǒng)中介紹了其隔離措施。

3.1.1 單芯系統(tǒng)

文獻(xiàn)[13]將多個(gè)單芯電能表，通信設(shè)備和微型處理器組成分布式測(cè)量系統(tǒng)，形成了一種實(shí)時(shí)能源管理的架構(gòu)，其中單芯電能表主要只承擔(dān)了計(jì)量功能，通訊和計(jì)算由系統(tǒng)中其他設(shè)備負(fù)責(zé)。文獻(xiàn)[14]介紹了一種將主要功能集成在一塊單芯系統(tǒng)中的電能表架構(gòu)。文獻(xiàn)[15]根據(jù)IR46標(biāo)準(zhǔn)研究了基于單芯系統(tǒng)的智能電能表，如圖2采用模塊化的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用操作系統(tǒng)控制MPU進(jìn)行分層分塊處理，使管理模塊獨(dú)立于計(jì)量模塊配置及在線升級(jí)，因采用操作系統(tǒng)，故開(kāi)放性、交互性更強(qiáng)。文獻(xiàn)[10]也從實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用角度探討了新一代智能電能表的發(fā)展方向，提出非法制計(jì)量功能應(yīng)具有軟件模塊化特性，面向更多潛在使用場(chǎng)景，可靠與可協(xié)作性的平臺(tái)，嵌入式操作系統(tǒng)因具有以上優(yōu)點(diǎn)愈發(fā)收到研究與工程人員的關(guān)注。

圖2 單芯系統(tǒng)

使用單芯的智能電能表時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)法制計(jì)量部分與管理部分的隔離，通常采用虛擬化隔離，常用的虛擬化隔離分為主機(jī)級(jí)虛擬化和基于容器級(jí)虛擬化，分別對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)和容器，二者的主要區(qū)別為容器隔離技術(shù)抽離了虛擬機(jī)中的客戶(hù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。容器隔離的優(yōu)點(diǎn)是既簡(jiǎn)化了內(nèi)核層，又提供了隔離空間，使得用戶(hù)運(yùn)行進(jìn)程不受其他進(jìn)程干擾。常見(jiàn)的有基于Docker的隔離技術(shù)。因此，對(duì)于智能電能表而言，輕量級(jí)的嵌入式系統(tǒng)加上容器級(jí)虛擬化隔離，可以達(dá)到計(jì)量部分與管理部分的隔離。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于電能表嵌入式平臺(tái)的虛擬機(jī)，可以以虛擬機(jī)的運(yùn)行方式消除電能表不同硬件平臺(tái)的影響。

3.1.2 雙芯系統(tǒng)

文獻(xiàn)[17]使用兩塊MSP430分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，開(kāi)發(fā)的智能電能表具有低成本，低功耗的特點(diǎn)，使用24位A/D轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步提高電能表的精度。文獻(xiàn)[18]描述了符合印度標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表，其中計(jì)量IC與通訊IC相分離，并給出了其準(zhǔn)確度和通訊協(xié)議一致性的測(cè)試結(jié)果。文獻(xiàn)[12]采用了雙芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙芯系統(tǒng)

圖3中計(jì)量模塊、管理模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)并運(yùn)行，并由系統(tǒng)電源隔離供電。整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分為計(jì)量模塊，其中計(jì)量MCU提供帶時(shí)標(biāo)的、以分鐘為時(shí)間單位的增量電能，由系統(tǒng)電源，RTC電池，超級(jí)電容分繼給計(jì)量模塊供電，以實(shí)現(xiàn)全時(shí)段電量采集。計(jì)量模塊由A/D采集模塊、存儲(chǔ)器與不可擦除存儲(chǔ)器、通信模塊等組成，具有電壓電流采集、電能計(jì)量、事件記錄、故障上報(bào)、時(shí)鐘校準(zhǔn)和通信功能[19]，且計(jì)量模塊不可進(jìn)行軟件升級(jí)，在獨(dú)立運(yùn)行期間不受其他模塊故障或者軟件升級(jí)的影響。管理模塊包括了上下行模塊、紅外、通信模塊、ESAM、費(fèi)控等。管理MCU負(fù)責(zé)非法制計(jì)量的功能，如顯示、電費(fèi)管理、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負(fù)荷識(shí)別、上下行通信與采集終端信息交互，并且可以管理各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求[12]。出廠時(shí)間計(jì)量芯功能固化、不支持軟件升級(jí)，管理芯可升級(jí)更新功能[20]?？傮w來(lái)講，計(jì)量芯要做到計(jì)量可靠，追求更高精度，考慮用戶(hù)的利益放在優(yōu)先位置，充分體現(xiàn)公平公正，同時(shí)做到抗干擾性能優(yōu)越，集參數(shù)保護(hù)與軟件保護(hù)為一體。管理芯要做到管理強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)，未來(lái)可兼容多個(gè)必要模塊以滿(mǎn)足電力物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用場(chǎng)景。管理芯需要管理模塊之間的調(diào)度運(yùn)維，且軟件升級(jí)，滿(mǎn)足功能拓展，靈活管理，信息更新的多樣化管理需求[21]。電能表的設(shè)計(jì)過(guò)程需要采取測(cè)試技術(shù)進(jìn)行完善和質(zhì)量驗(yàn)證，文獻(xiàn)[22]介紹了雙芯智能電能表的硬件測(cè)試中通用的故障模式分析和測(cè)試需求。

文獻(xiàn)[23]針對(duì)雙芯電能表提出了基于MCU的主控芯片的解決方案，管理芯CPU采用ARM Cortex-M4 CPU，并提供了一系列的通信接口，以實(shí)現(xiàn)費(fèi)控管理、事件記錄、負(fù)荷控制、在線升級(jí)等功能。文獻(xiàn)[24]在計(jì)量芯片的隔離電路中增加可加密和解密機(jī)制，提升了電能表的防竊電功能。文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一種采取DSP+ARM的智能電能表軟件實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了IR46關(guān)于軟件分離、計(jì)量特性防護(hù)等要求，保障了軟件系統(tǒng)的可靠性。

3.1.3 多芯系統(tǒng)

目前國(guó)外對(duì)多芯電能表研究較少，雖然多芯電能表在隔離和模塊化具有優(yōu)勢(shì)，但是相對(duì)硬件成本較高，未經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)多芯電能表的研究做出了一定的探索。與單芯系統(tǒng)的軟件分離方式不同的是，雙芯與多芯系統(tǒng)均從硬件層面實(shí)現(xiàn)了IR46標(biāo)準(zhǔn)中法制計(jì)量與非計(jì)量部分的分離。雙芯與多芯系統(tǒng)相比較，共同點(diǎn)為對(duì)于計(jì)量芯部分，兩者采取類(lèi)似的獨(dú)立運(yùn)行的處理方式，區(qū)別在于非計(jì)量芯部分，雙芯系統(tǒng)是全部集成到一個(gè)芯片圖5內(nèi)，而多芯系統(tǒng)則依據(jù)功能進(jìn)行了劃分，如圖4所示。

圖4 多芯系統(tǒng)

圖4中的多芯系統(tǒng)將管理芯中部分功能細(xì)分，采取多模組芯片劃分出隔離區(qū)域。多芯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式有多種，文獻(xiàn)[26]將通信芯獨(dú)立出來(lái)，負(fù)責(zé)智能電能表的上行通信和下行通信，實(shí)現(xiàn)多元化高效通信和多業(yè)務(wù)接入功能。文獻(xiàn)[27]將業(yè)務(wù)需求分劃給為四個(gè)芯：計(jì)量芯、管理芯、辨識(shí)芯、負(fù)荷芯。計(jì)量芯主要負(fù)責(zé)法制計(jì)量部分；管理芯負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)與通信等非計(jì)量部分功能；辨識(shí)芯承擔(dān)用戶(hù)負(fù)荷細(xì)粒度分解功能；負(fù)控芯承擔(dān)EV有序充放電和負(fù)荷控制的任務(wù)。實(shí)現(xiàn)了計(jì)量精度<±0.1%，達(dá)到D級(jí)電能表的誤差要求，同時(shí)負(fù)荷識(shí)別精度大于87%，負(fù)控芯片通信成功率達(dá)到100%。目前的研究趨勢(shì)主要為雙芯設(shè)計(jì)，即計(jì)量芯與管理芯，但是也有許多研究者進(jìn)一步細(xì)分為多芯的模塊化設(shè)計(jì)，但總體上講，計(jì)量芯作為獨(dú)立的模塊是較為普遍的方案，其他的多芯模塊是管理芯模塊的細(xì)分結(jié)果。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 電能計(jì)量

電能表按原理通常分為機(jī)械式，機(jī)電式，全電子式。主流智能電能表采用全電子方案。在電壓采樣方面有電阻(電容)分壓和電壓互感器接入式，隨著對(duì)電能表準(zhǔn)確度的要求變高，分壓電阻從普通貼片電阻向高精度的電阻如金屬薄膜電阻發(fā)展。電流采樣方面有錳銅分流器接入，電流互感器接入，羅氏線圈，霍爾傳感器等方式，錳銅分流器分流時(shí)產(chǎn)生和電流成正比的電壓信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，電流互感器損耗低，動(dòng)態(tài)范圍寬，但是當(dāng)電網(wǎng)中存在直流分量時(shí)容易飽和產(chǎn)生信號(hào)畸變。羅氏線圈可測(cè)大范圍的電流，霍爾元件測(cè)量精度高，但這兩者易受磁場(chǎng)干擾，對(duì)電能表電磁兼容性要求高。采樣后送入乘法器進(jìn)行功率的計(jì)量。乘法器從原理上分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器，從結(jié)構(gòu)上分為分離式和專(zhuān)用集成芯片式(SOC)。模擬式有熱電變換乘法器，霍爾效應(yīng)乘法器，時(shí)分割乘法器等，熱電變換乘法器精度較低，已經(jīng)較少使用；霍爾效應(yīng)乘法器頻率響應(yīng)寬，但是工藝復(fù)雜；時(shí)分割乘法器電路易于實(shí)現(xiàn)，但是頻率響應(yīng)范圍窄，不適合畸變波形下的電能計(jì)量。智能電能表采用數(shù)字乘法器的方案較多，其核心是高精度的A/D采樣轉(zhuǎn)換器，將電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，A/D采樣轉(zhuǎn)換器從原理上可分為逐次比較型 A/D和Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器[28-32]。

近些年采樣和計(jì)量部分由分離式電路逐漸發(fā)展成一種專(zhuān)用的電能計(jì)量芯片，專(zhuān)用電能計(jì)量芯片的采樣的精度足以匹配IR46智能電能表的誤差要求，再配合大動(dòng)態(tài)范圍比的計(jì)量MCU，可以完成負(fù)載寬范圍變化下的電壓電流采集，適應(yīng)現(xiàn)代各種非線性負(fù)載的接入，滿(mǎn)足多元化的計(jì)量需求。計(jì)量MCU對(duì)采樣電壓和電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾鞰CU再進(jìn)行后續(xù)處理[19]。

目前我國(guó)廠商在單相電能表計(jì)量IC中占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，而在高利潤(rùn)的三相電能計(jì)量IC市場(chǎng)中，國(guó)外ADI、TI、Cirrus Logic等公司仍位于主導(dǎo)地位。

3.2.2 時(shí)鐘

嵌入式系統(tǒng)的時(shí)鐘通常由振蕩器、定時(shí)喚醒器、分頻器組成，常用晶振作振蕩器。MCU、外設(shè)等都是在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下工作的，高精度與穩(wěn)定性好的時(shí)鐘是一個(gè)嵌入式智能電能表按照正常預(yù)期工作的關(guān)鍵[19]?？紤]到智能電能表計(jì)量的誤差要求和連續(xù)性要求，如圖5所示，通常采用系統(tǒng)電源同時(shí)給RTC與超級(jí)電容充電，同時(shí)電池作為備用電源，超級(jí)電容可以為RTC獨(dú)立供電7天。時(shí)鐘誤差主要受到環(huán)境溫度的影響，文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)腞TC電路，包括了RTC計(jì)時(shí)電路、溫度傳感器、溫度補(bǔ)償模塊和存儲(chǔ)器。并提出并采用基于累計(jì)誤差控制的補(bǔ)償算法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，在-45 ℃～85 ℃溫度范圍內(nèi)，計(jì)時(shí)誤差在4 ppm以?xún)?nèi)。

圖5 時(shí)鐘架構(gòu)圖

3.2.3 數(shù)據(jù)通信

智能電能表的通信方式總體可以分為兩種，即上行通信和下行通信。上行通信指的是智能電能表與遠(yuǎn)程的電網(wǎng)公司之間的通訊，而下行通信指的是智能電能表與用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互的通信。對(duì)于雙芯或多芯的智能電能表還存在芯片間的通信方式。文獻(xiàn)[12]對(duì)于雙芯智能電能表提出了一種通信方案，上行通信支持載波、GPRS、本地485等通信方式，并表示未來(lái)將會(huì)朝更高速的通信方式發(fā)展；電力載波通信(PLC)和電力線寬帶通信(BPL)通信是支持更高級(jí)別通信(TCP/IP)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪x擇[33]。下行通信使用標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口，兼容M-BUS、藍(lán)牙、ZigBee、WIFI等模塊，便于與用戶(hù)交互，也能實(shí)現(xiàn)多表合一的集中采集業(yè)務(wù)；芯片間設(shè)置SPI通信總線，采用主從式結(jié)構(gòu)通信，管理芯作為主站，計(jì)量芯作為從站，主站控制通信的設(shè)置與收發(fā)。文獻(xiàn)[34]采用CAN總線方式進(jìn)行CPU芯片與其他處理單元的通信，因其具有通訊可靠性高、速度快等特點(diǎn)，可以有效解決電能表在通訊時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)流傳輸問(wèn)題。

3.2.4 軟件升級(jí)

文獻(xiàn)[35]針對(duì)雙芯電能表的管理芯升級(jí)提出了一種解決方案，采用在應(yīng)用編程模式(IAP)進(jìn)行軟件升級(jí)。IAP模式在工程師編程時(shí)將片上存儲(chǔ)分為不同區(qū)域，一部份區(qū)域加載為引導(dǎo)區(qū)域，又稱(chēng)BOOT區(qū)，另一部分是程序運(yùn)行的區(qū)域，在需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)時(shí)，BOOT區(qū)檢測(cè)滿(mǎn)足一定條件下會(huì)對(duì)程序區(qū)進(jìn)行新代碼的燒錄，燒錄結(jié)束跳出引導(dǎo)程序，然后正常運(yùn)行程序。上述方式能從一片存儲(chǔ)區(qū)域到另一片程序區(qū)域完成軟件升級(jí)的功能，避免了傳統(tǒng)在系統(tǒng)編程(ISP)需要外置編程器和現(xiàn)場(chǎng)燒錄的缺點(diǎn)，可以通過(guò)通信接口傳輸指令方便的完成遠(yuǎn)程升級(jí)的任務(wù)。為滿(mǎn)足安全性的要求。系統(tǒng)在線升級(jí)時(shí)采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與組協(xié)商結(jié)合的方法[12]，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)確認(rèn)電能表升級(jí)業(yè)務(wù)代碼，分組協(xié)商分發(fā)升級(jí)密鑰。將升級(jí)的代碼通過(guò)組播的形式下發(fā)，下發(fā)完成后對(duì)密鑰進(jìn)行更改，防止重放攻擊。文獻(xiàn)[36]采用C/S客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模型，主站作為客戶(hù)機(jī)，電能表作為服務(wù)器主站通過(guò)GPRS/4G通信直接對(duì)電能表進(jìn)行升級(jí)。對(duì)于用于智能電能表數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卦O(shè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，蟲(chóng)洞攻擊是特設(shè)網(wǎng)絡(luò)最最危險(xiǎn)的威脅之一，Jungtaek Seo提出了一種有效的防御技術(shù)來(lái)檢測(cè)和相應(yīng)蟲(chóng)洞攻擊[37]。

3.2.5 負(fù)荷辨識(shí)與控制

負(fù)荷辨識(shí)大多需要機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)進(jìn)行辨識(shí)[38-43]，需要計(jì)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大的CPU進(jìn)行運(yùn)算[27]，通過(guò)對(duì)電壓、電流、功率因數(shù)、用電量等參數(shù)的異常檢測(cè)，來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行用電異常行為的判斷分析[38]。文獻(xiàn)[39]開(kāi)發(fā)了一種嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)提取特征，對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。文獻(xiàn)[40]提出了基于支持向量機(jī)的擾動(dòng)檢測(cè)方法，檢測(cè)擾動(dòng)的準(zhǔn)確率可以達(dá)到93%。文獻(xiàn)[44]提出了一種多標(biāo)簽分類(lèi)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)，使用公開(kāi)數(shù)據(jù)集測(cè)試效果良好。對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行負(fù)荷控制則是通過(guò)負(fù)荷辨識(shí)的結(jié)果，來(lái)進(jìn)行有序充電策略管理、收費(fèi)控制，以及智能斷路器的接口控制，可以為供電公司實(shí)現(xiàn)良好的控制管理功能。

3.2.6 故障自檢

在出現(xiàn)故障時(shí)，智能電能表通過(guò)故障自檢功能的在線檢測(cè)與智能診斷，有限進(jìn)行自修復(fù)，無(wú)法自我修復(fù)的故障通過(guò)管理IC向上級(jí)通信。計(jì)量IC部分的自檢側(cè)重于計(jì)量異常、防竊電等方面，而管理IC專(zhuān)注于事件異常、通訊等方面。硬件自檢方法包括雙路計(jì)量自檢、電源故障自檢等，主要通過(guò)電信號(hào)檢測(cè)來(lái)檢測(cè)故障；軟件自檢方法包括電能異常診斷、計(jì)量參數(shù)自檢驗(yàn)等，主要通過(guò)一些特定檢測(cè)算法來(lái)檢測(cè)故障[19]。也可以通過(guò)計(jì)量的數(shù)據(jù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行一定的診斷，如文獻(xiàn)[45]提出了一種利用智能電能表計(jì)量的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行快速檢測(cè)和恢復(fù)停電的中斷位置的預(yù)測(cè)方法。

4 展望

目前我國(guó)所投入使用的智能電能表大多是是滿(mǎn)足舊標(biāo)準(zhǔn)的具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄讀、預(yù)付費(fèi)等功能的電能表，在法制計(jì)量部分與非計(jì)量部分并沒(méi)有隔離措施，且管理模塊所具有的功能不足以滿(mǎn)足未來(lái)的需求。因此，模塊化的設(shè)計(jì)是智能電能表未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但由于中國(guó)電能表市場(chǎng)廠家繁多，各廠家所采用的MCU和外圍電路都會(huì)存在區(qū)別，給基于IR46的下一代智能電能表批量化升級(jí)管理帶來(lái)了巨大的難度。一種解決方法是統(tǒng)一電能表的硬件和軟件方案，不允許差異化，但這種方法難實(shí)現(xiàn)。第二種方法則采用跨硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)，電能表軟件在虛擬化層面開(kāi)發(fā)，編譯，管理，升級(jí)。因此，從硬件成本而言，基于嵌入式操作系統(tǒng)的智能電能表具有很大的發(fā)展?jié)摿?，其中輕量級(jí)嵌入式操作系統(tǒng)和低資源開(kāi)銷(xiāo)的系統(tǒng)虛擬化與隔離技術(shù)成為了研究的關(guān)鍵。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章首先從電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，電力市場(chǎng)交易，電能表自身功能等方面分析了嵌入式電能表的需求。作為新型電力系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵終端產(chǎn)品，未來(lái)智能電能表的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋率會(huì)進(jìn)一步增加，市場(chǎng)規(guī)模也會(huì)不斷擴(kuò)大。然后對(duì)比了我國(guó)的電能表GB/T 17215標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)量特性、電能表準(zhǔn)確度等級(jí)、試驗(yàn)項(xiàng)目方面有了新的變化：我國(guó)GB/T 17215從IEC系列向IR46靠攏，表明相關(guān)法律法規(guī)積極調(diào)整向消費(fèi)者利益靠攏。分析了電能表硬件結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)。最后對(duì)智能電能表未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)作出展望。