“十三五”期间智能电表及通信新产品开发难题的讨论

“十三五”期间智能电表及通信新产品

开发难题的讨论

中国现代电网量测技术平台

张春晖

2016年9月1日

2016年是“十三五”起步年。本文作者在“中国现代电网量测技术平台（微信公众号为：dianwangliangce）”发表了一批“十三五”智能电表及通信新产品开发的文稿，从不同视角提出新产品开发项目。近期，又发表《“十三五”期间关注与研究的智能电表及通信新产品开发项目汇总》，供电表企业制定“十三五”智能电表及通信新产品开发规划的参考。

以上汇总稿汇总了“十三五”智能电表及通信新产品可供开发的3类（国网2016年计量新产品开发，智能电表及通信创新产品开发，配电网在线监测系统产业化研究）40项。面对这些开发量大，涉及知识面广的新产品开发项目，本文作者从电表行业整体发展的角度，选择有难度但很有开发价值的新产品开发项目进行讨论，并介绍新开发项目由来，前期研究，基本开发内容，期望为“十三五”新产品开发项目求解，至少要逐步做深，推进计量新产品项目的开发产业化。

1、国产智能电表的基本智能化特征尚待开发

1）智能控制的概念

北京邮电大学：《智能信息技术》

·人工智能与控制技术的结合，产生了智能控制技术。

·自动控制：能按规定程序对机器或装置进行自动操作或控制的过程。简单的说，不需要人工干预的控制就是自动控制。

·智能控制：驱动智能机器自主地实现其目标的过程。或者说，智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机器实现其目标的自动控制。

智能控制的关键在高层，高层控制的任务在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划。为了完成这些任务，需要采用符号信息处理，启发式程序设计，知识表示及自动推理和决策等相关技术。低层控制一般属于常规控制系统。

2）参考产品

·GE智能电表增加两大特征：

·双向通信功能，即电网不仅能从电表收集用电信息、更能将电网信息（如实时电价）及控制命令下达给电表，电表接收并作出“智能”响应。双向通信还包括与智能家电、其他表计的信息传递与控制命令。

·拥有基于标准的、开放的内置高级应用程序。只要接收到的信息符合预先设置的逻辑，就能自主作出判断和响应，无需等待主站再次发出指令。该程序可以实行远程修改“政策”，进行软件升级、维护。GE高级应用程序提供多种格式的交换数据信息，方便与上级软件平台集成，拥有更多智能功能。

3）国产智能电表的质量，由目前的中档水准提升到高品质要求

·据了解，目前国内智能电表可靠性预测应用研究，主要参照国标GB/T17215、941-2012/IEC62059-41：1996和GJB/Z299C，其组合应用水准与国际上IEC61709和SN29500标准组合应用，还有较大的差别，基本迎合国内智能电表低价位、优选普通电子元器件、具有中档品质的要求。关于智能电表有效寿命评估技术研究，还未见到相关的报道。

·加快智能电表可靠性技术管理系统研究

“十三五”期间，国产智能可靠性研究的重点，要由可靠性预测转向可靠性技术管理系统研究，特别要关注中国电表企业电能表可靠性技术体系的研究与建设。

据了解，智能电表可靠性技术管理具有广泛、深入的研究内容，主要包括智能电表现场数据，早期失效，产品可靠性设计，产品可靠性预测，表计可靠性考核，计量特性稳定性试验等多个环节。

2016年6月，《电网关口计量主表全性能研究》课题技术交流会议提出：目前，智能电表可靠性重点抓紧的研究项目：

汇集并翻译IEC62059系列标准引用电子设备可靠性领域相关国际标准12项，特别IEC61709和SN29500标准。

抓紧国产智能电表、终端元器件失效率数据库的建设，要以SN29500标准为基线，将国产/进口元器件失效率分档次建库引用。

按实用、可信、促进表计品质升级的原则，开展智能电表可靠性预测与验证测试两类（国际、国内）方法比较或互补的研究，选定优化的智能电表预测典型方案。

进而开展智能电表有效寿命评估方法及验证测试技术研究，建立具有权威的智能电表可靠性测试机构。

开展智能电表计量特性稳定性试验研究

研究提出与实施中国电表企业电能表可靠性技术体系建设，目前包括：智能电表现场运行数据汇总，表计早期失效预防措施，产品可靠性设计（特别是降额设计、热设计、容差设计），产品的生产工艺、测试、包装、运输、安装等环节质量控制措施，表计可靠性加速试验，表计有效寿命评估及验证测试，表计计量特性稳定性试验及表计可靠性标准系列、可靠性信息化网络和表计制造全过程可靠性智能决策系统。

这里需要说明，目前国产智能电表的质量，要达到国际上高端电表的高品质，还有许多方面的要求。本课题叙述的智能电表可靠性设计、测试与管理，是目前国产智能电表质量的重要弱项。还有，要研究建立智能电表计量全性能技术指标体系，适应不同或复杂环境的计量需求，先进软件架构设计、测试技术，全域计量稳定性技术与测试等，本文作者将撰写全面的专题文稿进行讨论。

2、具有基本智能化特征的智能终端产业化探索

该新型智能终端包括供水/供气/供热智能终端，配变台区、负荷控制、用户专变智能终端，具有广泛的应用领域。

1）由兰吉尔公司研发出新型网格路由器的启示

2016年2月，兰吉尔推出能够连接多个网格部署AMI解决方案的（Grid Stream）通信平台。

（注：Grid Stream—兰吉尔公司AMI的指令中心）

“网格路由器对于Grid Stream通信平台的网络连接适应性、分布智能和客户智能解决方案的处理能力有很大的帮助。该装置作为一个网格边缘服务器，会实时指导和处理从多个前端系统和智能社区网络传来的数据”，“新的网格路由器通过和其它相关网络和设备建立连接的方式，扩展Grid Stream的网格化管理，以帮助公用事业和他们所服务的社区实现更广泛的能源管理目标。”

由以上表述可知，网格路由器的关键技术：

一是，通过建立连接的方式，扩展（AMI）通信平台的网格化管理。

二是，“会实时指导和处理”多方面传来的数据，属于智能控制技术范畴。参考北京邮电大学：《智能信息技术》，“智能控制是一类无需人干预就能独立驱动智能机器实现其目标的自动控制”，“智能控制的关键”在高层，高层控制的任务在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划”，也就是“自主、实时判断和响应”。

在国网“四表合一采集”的现场，当水/气/热表计或计量发生应急事件，需要具有自主、实时判断和响应功能的智能设备，为相应行业集抄主站进行特殊方式的连接，及时反馈应急事件的信息，并组织现场处理，无需按国网“四表合一采集”正常信息传递路径反馈。

2）供水智能终端研发

说明：供水智能终端，可以用作网格社区供气、供热智能终端研发参考。

借鉴兰吉尔“新型网格路由器”的设计思路，作为网格社区供水智能终端，需拥有基于标准、开放的内置高级应用程序。只要感知到网格社区供水漏损超标的信息，符合由国网“四表合一采集”主站预先设置的逻辑，无需等待其再次发出指令，就能自主实时作出判断和响应，向水司主站传递网格社区供水漏损超标的信息、报警，进行现场处理。同时将这些供水漏损情况报送“四表合一采集”主站。以上高级应用程序可以实时远程修改“政策”，进行软件升级维护，还提供多种格式的交换数据信息，方便与国网“四表合一采集”主站、水司主站的软件平台集成，拥有更多的智能功能。

3）参考资料：高压设备智能化控制过程设计

中国电科院：《高压设备智能化方案及技术特征》、《智能电力变压器信息流方案的设计》

·高压设备智能化，由高压设备、智能组件（IED集合）、传感器和执行器组成。其中，IED为智能电子装置，智能组件为IED有机集合，是智能化核心部件。

·高压设备智能化控制过程：由传感器输出信号，经IED前置、数据处理后输出原始数据、格式化信息。由智能组件对原始数据或格式化信息做进一步专业分析，生成智能化信息，完成相应的测量、控制、监测等基本功能。也可将计量、保护、录波、电能质量监测作为扩展功能。再是控制模块也是智能组件基本功能的一部分，控制指令源于电网调度系统或基于设备本身的测量和监测信息形成的控制策略。最后通过站控层网络，由电网调度系统或智能组件发出控制指令，实现电网或高压设备的优化运行。

3、基于用户内部统计电表的低压电网最大负荷监测与控制系统

用户内部的低压电网最大负荷监测与控制系统，可以实现用户内部有序用电，保障重点负荷和负荷总开关的可靠运行，在办公大楼、酒店、医院、工商户及居民用户应用前景看好。同时，该系统产品不属于电网集中招标管理范畴，目前国内尚未见到新产品开发报道。

参考产品：

ABB公司：全球首款集成能源管理和智能电网通信的低压断路器Emax2

·E max2全新系统低压断路器，集成了系统保护、负载管理、测量、通信及电能管理等多种功能，从标准系统到最复杂的自动化网络，E max2都能简单可靠地满足用户需求。

·E max2配装了集成电能管理功能的智能型脱扣器，能够测量和评估能耗，继而通过管理用电负荷维持或降低由用户设定的峰值功率。

·新一代智能脱扣器具有容易设定和读取、具备直观的触摸屏操作、精度高、可以存储更多报警和脱扣事件等多种功能，同时还配备了避免故障和有效脱扣所需的智能管理系统。

·E max2可以通这对非重要负荷选择性的脱网和适时的再接入实现电能管理理，这一智能“决策”源于ABB专利技术的软件算法。

·这一独有的电能管理功能是E max2最高端技术。其无需增加额外的监控系统，在客户设定的最大功率限值前提下，通过ABB专利技术的逻辑算法，配合控制器对能耗实时监测，在保证整体系统运行正常前提下，基于客户对负载优先级别的排序，控制下游主次支路分合。

·E max2还具有广域的连通性，可与所有自动化配网和能量管理系统实现完美整合，或实现远程服务。同时，非常易于操作，可以通过便携笔记本、智能手机或者单板电脑对智能脱扣器进行读写与查询。其通信模块可以直接正面安装，并能简单、快速的实现通信功能。

·E max2将保持与原有的E max断路器价格水平不变的情况下，逐步替代E max断路器产品。

·ABB还将针对如低温、高海拔、高压直流等特殊的应用场合，对E max的相关功能进行定制化设定。

ABB公司：具有功率控制器功能的Emax2用于负荷管理。

4、具有国际高端电表品质的新型国产高端三相电表开发，争取进入电网关口计量主表地位

一是，重庆市电科院：《关口电能表性能测试报告》

经对多款关口电能表进行性能测试、比较，其中某型关口电能表具有的计量性能：

1）从0.05%In到最大量程内，基本误差曲线平坦，测量误差＜0.05%。各功率因数下，测量误差＜0.08%

2）无功测量高精度，达到0.5级要求，超过现行IEC无功电表标准。

3）极低功率因数，例如相位在90°±0.5°时，测量误差＜1%。说明功率因数＜0.25时，进行误差调整与控制。

4）从0.05%In到最大量程的双向计量精确。

5）但是，某型关口电能表的过载、高电压特性稍差。

二是，威胜集团公司：《某型关口电能表分析》

1）计量方案，在电力负荷、相位改变时，控制高精度测量的线性度。

2）电源方案，三相PT和辅助电源同时供电，经一相PT或辅助电源正常，电表即可运行。

3）停电状态，电表内置超级电容，可支持时钟和停电抄表30天；如选配锂电池可支持10年。

4）管理方案，实现表计高级多功能；测量系统与通信系统完全独立。

5）液晶及按键：（略）

6）采用长寿命、高稳定的品牌元器件

7）电表结构设计

·电路板有多块，便于电表系列产品开发

·电路板采用卡口结构，无金属固定螺丝

·面接触式的接线端子设计

三是，近期，《电测与仪表》刊登北京/洛阳斯瑞埃尔公司推出的0.05级安装式标准表，采用超高精度全硬件矢量TDM乘法器，内置两种精度小于0.0001%误差计算器。其应用之一是用于电网关口表远程校验系统，替代电网关口副表对三相关口主表、大用户表在线适时监测。

本文作者建议，将0.05级安装式标准表，与电网关口主表、副表并列挂网运行，考核现有电网关口主表（进口）、副表（国产）的变差，为国产高端电表设计改进提供24h计量变差数据。

四是，2016年5月，本文作者的文稿《国产高端电表为何久久未能进入电网关口计量主表地位？》，提出继续合作研究国产高端电表如何进入电网关口计量主表地位的具体做法：

1）现有电网关口计量主表全性能测试技术再研究。

·计量性能测试技术，重点是计量稳定性考核方法，按IR46要求进行极低负荷计量误差定量测试及表计组合最大误差计算。

·电表可靠性技术，采用IEC61709和SN29500标准进行表计可靠性预测研究应用。

·进口高端电表设计特征研究

2）由省级电网电科院、大型电表企业和本文作者合作研究：参照进口高端电表品质水准，制定电网关口计量主表技术要求。

3）倡导电表行业向高端计量发展，大型电表企业与电网计量部门都要有行业担当。大型电表企业要增加新型国产高端表开发的人才与资金投入，研发出具有国际高端电表质量水准的新型国产高端电表。电网计量部门要安排新型国产高端电表与进口高端电表并列挂网运行，进行表计比对测试、考核与设计改进。期望新型国产高端电表早日进入电网关口计量主表地位。

5、国网用电信息采集系统本地通信技术瓶颈如何破题？

目前，国网用电信息采集系统尚未全面建成，本地通信方式的70%，采用低成本的窄带电力线载波（低速）通信技术，按日自动采集98%考核。国网全域每日有800万户需要人工抄表或手持终端现场抄表。为暂时应付这道难关，地（市）及县级供电部门采用委托系统集成商代进行系统采集运维、付费方式，日自动采集成功率略有提升。

鉴于宽带无线通信，宽带电力线载波通信新技术尚处于应用试点阶段，全面推广应用需要巨额投资与漫长的周期，估计近5年内，窄带电力线载波（低速）通信方式还是主流，近10年内还将继续应用。由此，如何破解本地通信技术瓶颈是电网计量部门需要抓紧研究的重要课题。

1）本地窄带电力线载波（低速）通信方式不变，采用低成本的100%系统采集运维方案

青岛东软公司、重庆电科院：《（重庆）江津龙门场二台区现场工作报告》

江津参观点公变台区共有居民、工商户347户，由于干扰严重，安装2台集中器，其中1台集中器自动抄表成功率97%/24h，另1台集中器37-55%/24h。

经现场测试窄带载波通信的信噪比，由电信用户机柜开关电源发出最高干扰噪声达到280kHz、130dBμv。为此，对该用户配电柜进线端加装SQ780-100型阻波器；公变台区集中器由2台改为1台；该公变台区的大多数用户直接沿用低压窄带载波（低速芯片）通信方式，只有电信用户内的4只电表，处于阻波器后面，改用由青岛东软公司设计的微功率无线通信采集方案，再通过电信用户内合适地点安装的无线——载波转换器，将4只电表的数据，由电力线载波通信发回集中器。改进后，该公变台区由1台集中器实现24h、自动抄表成功率100%的目标。

2）关于宽带电力线载波通信应用试点，关键在集中器设计改进，宽带载波通信信道的监管技术

·宽带电力线载波（低速）通信集中器应用方案，挖掘主站软件功能潜力，破解本地通信技术瓶颈，大幅度提升自动采集数量。

·影响宽带电力线载波通信扩大应用的因素研究，对地埋电缆、公变台区电容器无功补偿装置的影响，提出量化影响数据。对宽带载波通信干扰的测量与抑制方法研究。宽带载波通信本身发出的干扰测试与抑制措施开发。在此基础上，组织制定宽带电力线载波通信信道技术规范。

3）宽带/窄带电力线载波通信现场测试新设备开发

多频点/宽带信噪比测试仪

低压电网分布阻抗测试（计算）仪

用户分布电容测试仪

最大载波发射功率测试仪

配变台区智能化识别仪

载波通信路由监测仪

阻波器/濾波器设计，测试技术

6、谐波全功率三相计量系列新产品何时“热”起来？

1）三相智能电表全功率设计，按非正弦波的有功功率，无功功率，畸变功率和视在功率计算。主要参照标准IEEE1459-2010，国际上参考产品：GE公司的KV2CTM三相电表，具有畸变功率因数计量功能。

三相智能电表为何要采用全功率设计？

·据大用户现场抽测数据，60%的大用户，三相电压谐波含有率在5%以内，不超标。但是三相电流谐波含有率严重超标，就是说大用户的畸变功率分量很大，畸变功率因数很低，由畸变功率引起线损分量增长。现有的三相电能表不能正确反映出谐波功率影响量，无法为制定抑制谐波功率的电价政策提供计量数据。

·三相智能电表采用全功率设计，可以保障计量数据可靠性。在某项计量数据因干扰丢失后，可以由表计进行数据自补算。

2）三相用户、配电网的谐波电能能耗评估测试仪

该新型产品具有用户、配电网的正弦波与畸变功率因数计算、基波与谐波有功功率计量功能。

该新型产品提出开发的由来

·长期以来谐波计量技术争议的焦点是基波与谐波有功电能计量结果如何处理？其实重点应放在正弦波与畸变功率因数算法及测试结果处理上。

目前，国网/南网对高压/低压大用户实行功率因数电费奖惩办法，采用正弦波功率因数计算，即视在电能由有功、无功电能的方和根求出。对大用户来说，采用电容器无功补偿后，正弦波功率因数很高，可以少缴电费。

实际情况则不同，经重庆市电科院现场测试，大用户的60%，三相电压谐波不超标，三相电流往往超标严重。视在电能采用电压乘电流再积分算法，畸变功率因数很低，需要多缴电费。由此，目前的电网经济收益有很大的失算。

·从2014年起，国务院频频出台工业用户节能新政；今年的新电改又强调节能是重点课题之一。但是，大用户电能能耗评估，目前只能利用正弦波现场测试仪进行能耗测试，测试结果严重失真。

·用户、配电网的谐波电能能耗评估测试仪主要应用对象为电网计量部门、地方节能办测试机构、大型谐波源工业用户。

3）具有正弦波与非正弦波全功率三相计量之差鉴别能力的高准确度电能计量标准装置

7、智能电表多通信方式网关设计：数据传输协议转换

1）智能电表测量系统的智能化核心：智能电表网关

·2013年，德国信息安全局（BSI）受德国经济能源部委托，制定了全新的智能电表测量系统技术规范，提出以智能电表网关为中心，基于先进双向通信网络，连接测量仪器网络，广域电力市场和需求侧并实现其互动的智能测量系统，简称IMsys。在这个架构中，电表（以及气表、水表等）只是负责采集数据的测量传感器，而智能电表网关才是系统智能化的核心，是连接来自不同区域参与者的关键功能模块。

德国智能电表测量系统是“工业4.0”的智能探索。

2）重庆邮电大学：《电力通信系统网关设计》提出多通信方式通信网关的主要技术要求：

·采用多任务调度机制，实现通信网中多种通信方式高效、可靠地进行信息交互。

·网关功能需求

·模块化设计

·协议转换

·支持多种通信方式

·完成应用网络管理控制功能

·网关硬件设计架构：

硬件模块：电源模块，高速核心控制器模块，各种通信方式模块，存储器模块

·网关软件设计架构：

采用三层结构：

·底层，硬件驱动层

各种通信方式模块驱动，定时器驱动，Flash存储器驱动，中断响应处理驱动。

·中层，嵌入式操作系统及底层功能函数层

嵌入式操作系统，实现进程管理，时间管理，文件系统，进程间通信，内存管理。

底层功能函数，以太网通信功能函数，实时时钟功能函数，串行通信功能函数，串口扩展通信函数，Flash存储器功能函数。

·在中层与高层之间插入：通信协议转换调用接口、TCP/IP协议栈、6LOWPAN协议栈、嵌入式操作系统调用接口。

·高层，应用层

各种通信方式与终端/以太网控制中心的通信控制管理任务。

8、新型单相智能电表系列产品设计

1）单相智能电表需要设计多个准确度等级，重新核定误差极限

现有国网《单相智能电表技术规范Q/GDW，1364-2013》规定，“单相智能电表准确度等级为有功2级。电能表误差极限±1.0%（0.1Ib≤I≤Imax，功率因数为1），出厂误差应控制在误差极限值的60%以内”。

国网拥有单相用户35900万户，单相智能电表准确度只有有功计量2级，不合适。

目前，城市居民每月最多用电量与农村居民最少用是要差60-100倍。同时，防窃电需从单相智能电表1千瓦时抓起。本文作者建议：国产单相智能电表需设计0.2、0.5、1、2级4个准确度等级，分别用于月用电量500千瓦时及以上、200千瓦时及以上、100千瓦时及以上、100千瓦时以下4类单相用户。

同时，0.2-1级单相智能电表，需设计典型日负荷曲线记录，用于协助分析用户用电量异常情况。

单相智能电表的误差极限要求，需与表计准确度等级一致起来，比较合理。

2）单相智能电表全功率设计，按正弦波的有功功率，无功功率和视在功率计算。

·单相智能电表采用全功率计算，可以考核有功功率与无功功率计算的正交性。现有单相智能电表，只要求计量有功电能，不能反映居民小区无功功率分布，无功功率对配变台区线损的影响。

·单相智能电表采用全功率设计，可以保障计量数据可靠性，在某项计量数据因干扰丢失后，可以由表计进行数据自补算。

9、配电网在线监测系产业化研究

长期以来，国网，南网的配电网建设与管理滞后，欠账太多。2016年起，从农村到城市大规模开展配电网改造升级工程，标准化先行，资金投入有保障。其中，配电网监测技术如何发展是重要研究课题。

目前，配电网在线监测系统，门类多，主要包括:

1）配电网运行安全，经济，电能质量指标监测与控制（补偿）

2）配电设备，主要有配变，开关，电缆/架空线，绝缘子，中压开关柜/计量柜，环网柜，无功补偿设备，配电终端等在线监测

3）配电所/配电室/配电站在线监测

4）配电通信网络，通信方式多，有技术瓶颈，无统一建设规划

目前，配电网在线监测系统，由当地供电部门立项，出资并招标开发。开发项目名目多，开发企业多，重复开发多，市场无序管理。

传统电表企业主要重视智能电表/采集终端由电网集中招标。近几年，有些大型电表企业转向配电设备与市场开发，还是跟着配电行业需求走。

本文作者建议：传统电表企业需要将现有配电网在线监测项目进行梳理，提炼出系统底层类同的模块，从多门类传感器抓起，研究配电网各类在线监测系统的硬件，软件差异，按配电网地域开发组网技术，提升配电网在线监测水准，走向产业化，开拓更大的新市场。

10、参考件：《“十三五”期间关注与研究的智能电表及通信新产品开发项目汇总》

“十二五”营造的（智能电表及通信新产品）开发环境

1）2016年，国网安装智能电表6058万只，实现用电信息采集系统基本全覆盖，全域采集37758万户，总采集覆盖率95.5%。预期2017年，国网将建成国际上最大，单方向通信的用电信息采集系统。之后，采集系统发展的重点，或将转移到系统功能深化应用和电网多专业应用，系统通信网架进行重构，破解本地通信技术瓶颈。

2）国网，2010年安装应用的智能电表，经过8年网上运行，估计2018年起将分期分批进行轮换更新。由此，需要关注轮换下来的早期智能电表，如何测试评估是否可以再上网应用？2013年版国网智能电表及用电信息采集系统系列企业标准，或将修订再出新版。智能电表及采集系统的设计方案，硬件，软件准备进行新的开发。

3）“十三五”后4年，国网智能电表需求要素将有较大改变，预期平均年需求量4094万只，比“十二五”平均年需求量下降31%。电表企业需要适时作出反应，调整新产品开发与营销策略。

4）2016年初，国网省级电力计量中心的“四线一库”全域，纵向，实时管控关键技术研究与应用项目通过了技术鉴定，标志国网实验室智能化技术应用取得新成果。但是，现有在线计量系统的智能化研究还是短板，只开展计量装置智能故障诊断技术研究等有限项目，与智能电网/能源互联网的发展很不适应。

5）近7年，传统电表企业主要面向国网，南网智能电表集中招标，用心保障计量产品质量，企业因市场稳定，新产品需求不旺而受益，发展。面对“十三五”市场新情况，传统电表企业需要思考与部署电表产品多元化开发，去培育，拓展新的市场。但是，新产品开发技术实力不足。

6）能源互联网的指导意见与区块链技术应用规划工作，已经由国家相关部委出台新政。作为电表行业，面向能源互联网的高级“四表集抄”网络合作开发，建议先走一步试点。

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