新型设计方法改善智能电表的性能

　　成熟的智能电网建成后，智能电表具有自动查询、远程抄表功能，还可以实现自动拉闸断电。但目前国内智能电表主要还是以PLC方式进行联网传输数据，暂未采用RF通信方式。本文探讨智能电表在设计上有哪些突破，在功能上还有哪些待完善的地方。
　　
　　1智能电表在设计上的突破
　　
　　如图1所示，在智能电网用电信息采集系统中，智能电表介于电力用户和信息采集现场终端之间，主要完成电力用户用电信息的提供、管理和传递，是智能电网的最底层终端设备。 

　　图1：智能电表及用电信息采集系统

　　1.1信息的提供：计量技术的突破
　　
　　从功能上讲，传统电表只要求计量有功电能，智能电表能够实现更多的计量和测量功能，比如电网电压、电流、功率、频率等参数。电表的核心任务是电能计量，但是电能计量已不再是智能电表的唯一功能，智能电表需要提供更多的电力使用状况参数，并将这些信息进行收集、分析和交互管理后产生有用的信息，电力系统再以此实时地做出更好的用电决策和电力系统配置优化。
　　
　　从性能上讲，传统电表精度等级较低，随着计量技术的发展，智能电表在计量的精度、动态范围等指标上都有了很大的提高，在启动潜动上也可以做的更准确，可以实现软件校表极大提高生产效率。实际上，目前的智能电表尤其是智能单相表提供的精度等级已远远超过国家标准要求。
　　
　　从可靠性上讲，传统电表尤其是感应式电表，其抗干扰性能、防窃电性能、温度性能等方面都比较差，一些不法用户很容易通过简单的手段干扰电表的正常运行，进而达到窃电的目的。智能电表采用领先的现代集成电路设计技术，可以保证在强干扰、宽温度范围下的精确可靠计量，有效的保障电网公司和合法用户的权益，实现用电的公平和公正。
　　
　　1.2信息的管理：智能管理的突破
　　
　　传统电表没有MCU或者MCU只承担很简单的管理功能，其信息通过字轮来显示，仅能提供电量数据给用户，不能对用电采集进行智能管理。
　　
　　智能电表的MCU系统担负用电信息的存储、用电信息的显示和用电信息的传递等管理功能。通过对存储模块、时钟模块、加密模块、计量模块、通信模块、预付费卡等的有效管理，智能电表可以实现预付费、复费率、阶梯电价等用电方式的管理，实现自动拉合闸、自动报警等安全措施的管理，实现自动控制、自动抄表等信息传递的管理。
　　
　　使用智能电表，电力用户可根据用电信息改变用电习惯、选择用电方式和时间，提高能源使用效率，减少能源的浪费，实现电能的合理利用。
　　
　　使用智能电表，电网公司可利用智能电表对用电信息进行监测，及时发现存在的问题甚至电力故障，为用户提供用电咨询；每户的电力需求可以详细把握，并根据需求调节发电与配电设备，平衡高峰和低谷需求期的用电量，形成发电、配电与用电的及时互动，减少大面积停电、断电等影响社会正常生产、生活的事件发生。
　　
　　1.3信息的传递：通信技术的突破
　　
　　传统电表是电网中一个个孤立的终端，用电信息依靠人工抄表来收集，效率和可靠性都不能得到保障。而智能电网依靠各种通信手段将智能电表纳入统一的网络中，智能电表作为智能电网的智能终端节点，可以实现自动抄表、自动控制等功能，大大提高了效率和可靠性。
　　
　　智能电网常用的通信方式包括电力线载波、485、GPRS、小无线、光纤等，这些通信方式各有优缺点，通信模式将根据最终应用进行选择，如智能电表与采集器/集中器之间一般采用载波和485等方式，采集器/集中器与主站之间一般采用GPRS、光纤等方式。
　　
　　2智能电表在功能上待完善的地方以及面临的挑战
　　
　　智能电表的发展需要更高性能的器件，其中尤以集成了众多功能的SOC芯片最引人注目。如图2所示，以高性能SOC为核心的智能电表，再配上预付费卡、加密芯片、LCD显示屏、通信模块等组成了新一代智能电表的主体。智能电表的发展对其中的一些关键模块提出了新的要求，如下文所述。 

　　
图2：以新型SOC为核心的智能电表应用

　　2.1信息的提供：计量技术待完善的地方
　　
　　从计量方案的稳定性上讲，智能电表现场应用条件十分复杂，温度、湿度、压力、干扰等条件千变万化，智能电表是最近几年才研发生产的产品，其在现场安装和运行的可靠性、使用过程中暴露出来的故障和质量问题等都面临挑战。目前智能电表已经安装数千万只，也积累了很多现场经验，但是由于电表厂面临很大的价格压力，智能电表的方案层出不穷，核心芯片不断更换为价格更低的产品，前期积累的经验由于方案的更替不能有效的传承下去。电表计量方案的可靠性和长期稳定性将会成为将来智能电表面临的重大挑战。
　　
　　从用电设备和用电环境的新发展来看，越来越多的负载呈现动态畸变负荷特性，如工业用户中的钢铁、冶金、高铁、机械加工、电动汽车充电站等，民用用户中的非法节电器等。这些负载加在电网上，造成了大量的谐波量和直流量，而且呈现出快速变化的特点。目前的电表均为静止式电表，从国家标准、计量方法一直到检定装置等整个体系均只能保证稳态负荷下的准确计量，如何应对谐波状况以及动态负荷下的准确计量将成为未来计量技术需要完善的地方。另外，新能源的应用也对计量技术提出了挑战，分布式发电系统的计量方法以及标准需要在未来不断完善发展。未来可针对这些特殊应用的场合研发新的计量技术，在最终条件成熟时再全面推广。
　　
　　从计量参数的需求上看，目前智能电表已经具备了电压有效值、电流有效值、零线电流、有功功率、电压线频率、功率因数等参数，未来可能需要提供更多的电力参数用于电能质量监测和用电管理，如谐波含量、闪变等。
　　
　　2.2信息的管理：智能管理待完善的地方
　　
　　随着智能电网系统推出越来越多的功能，智能电表的功能越来越复杂，智能电表需要控制的任务和处理的数据也大幅增加。如需要更高的安全性、篡改保护和检测性能；需要增加升级次数，保证信息及时更新；需要远程实时控制，实现远程开关和远程流量控制；需要更复杂的加密算法。因此，根据应用的要求和MCU内核的负载，未来智能电表将迁移到32位内核，而且对程序存储器（一般为内嵌FLASH）提出了更高的需求，虽然8位机仍然是目前智能电表的主流，但是可以肯定的是8位机不能满足未来智能电表的需求。电表业界需要提早在一个更高性能的平台上迎接不断增长的需求。
　　
　　智能电表的另一挑战是对其寿命的预期，感应式电表具备较长的工作寿命，智能电表如要达到10年甚至15年的工作寿命，电池是其中关键之一，电池完成电表掉电情况下的计时、显示等的供电，这对低功耗的SOC提出了需求，尤其是掉电情况下的耗电量，需要将MCU待机、自动温补RTC、LCD显示等的功耗控制在微安量级，这样电池才可以维持10年以上的寿命。
　　
　　2.3信息的传递：通信技术待完善的地方
　　
　　智能电表的兴起很大程度上取决于智能电表所支持的通信模式的发展。目前智能电表的主流通信方式是载波和485，如图1中所示。其他的通信方式，如RF、光纤、GPRS等，鉴于成本的考虑暂未成为主流。但是485方式和载波方式有其固有的缺点，485方式布网复杂成本稍高，载波方式成本最低但是实时性和可靠性最差。
　　
　　未来的智能电表需要具备双向实时通信，需要具备安全的通信功能，需要具备欺诈活动的侦测和预防，需要较高的数据传输速度，需要具备较低的布网成本。目前的单一通信模式尚不具备以上所有特征，因此未来通信技术的发展是智能电网发展的一个关键。智能电网需要根据最终应用需求选择合适的通信方式。
　　
　　2.4智能电表还能做什么
　　
　　智能电表的本质任务是作为电网公司向电力用户收费的一杆秤，目的是完成电量的准确可靠计量。目前智能电网的发展又赋予了其远程智能终端的功能，智能电表未来还能做什么？消费者如何使用智能电表与电网进行互动？这些问题都需要进一步的研究。