摘要：隨著我國新型電力系統的提出，智能電能表除了基礎的電能計量外還應具有通信、負荷控制、法制計量與非計量部分隔離等功能。為此我國新修訂的 GB/T 17215-2021 標準充分采納了國際法制計量組織制定的《有功電能表》(IR46)，對新一代智能電能表的軟硬件要求和型式認證做出了規定。文章首先從分布式能源并網，新型電力系統等方面討論了對于新一代智能電能表的需求，其次分析了我國電能表新、舊標準體系與 IR46 的差異，對計量特性，電能表準確度等級，試驗項目的主要差異進行了對比分析，并對支持 IR46 標準的智能電能表的硬件結構和關鍵技術進行介紹，最后闡述了基于嵌入式系統的智能電能表的下一步研究方向和應用前景。

　　關鍵詞：電能計量;智能電能表;IR46;嵌入式操作系統

　　引 言

　　隨著技術的進步和電力市場化改革，電網建設不斷推進，新能源的并網運行，電價制度改革和雙向計量等業務場景面臨的新的實際需求，對電能量測設備的計量和非計量部分提出了更高和更多維的要求。電能計量是電力生產消費的技術基礎，為雙方提供數據支撐，也是生產單位經濟核算、電網運行狀態考核的重要手段，其計量精度將直接影響電力市場供需雙方的公正交易與誠信。對提高資源利用率，保護環境，推進可持續發展也具有重要意義[1]。

　　電能的計量設備——電能表，從 1889 年出現的第一塊感應式電能表(機械表)，發展到上世紀的機電式電能表，再到現在普遍使用的電子式電能表。目前國內在用的電能表種類繁多，但就其功能而言，計量部分原理由感應式向集成電路式過渡，非計量部分的各種功能愈發先進完善，且不再局限于面向電網和生產廠家而是更加考慮消費者利益。

　　總體發展趨勢可總體概括為計量功能進一步精確，非計量功能愈發智能化，服務對象更加面向全社會。智能電能表是一種以嵌入式和通信技術為核心，具有自動計量、費控、雙向通信、負荷識別等功能，支持多費率計量、分布式能源計量、電網運行狀態在線監測等實際需求的智能化儀表[2]，是新型電力系統的基礎設備，承擔了電能計量，數據傳輸，電能質量檢測等重要任務。

　　國際建議(International Recommendation)是國際法制計量組織(OIML) 為儀器儀表做出的示范性建議。2021 年我國新修訂了GB/T 17215 電測量設備系列標準，參考了國際法制計量組織制定的《有功電能表》(Active electrical energy meters，系列編號簡寫為 IR46)。OIML 是一個世界性的政府間組織，其主要目標是協調成員國計量部門實施相關計量相關法規和建議。我國作為成員國也應遵循此類國際性計量法規文件。IR46 提出了計量與非計量部分隔離的電能表體系，法制計量部分能夠獨立運行且不受干擾，非計量部分支持在線升級，且其故障和升級不對電能表其余部分造成不利影響。另外在計量特性和準確度等級方面參考IEC系列標準提出新的評價方案。對智能電能表型式評價的考察有了新的試驗評定和更嚴格的誤差要求[3]。

　　目前，各個國家和地區都在努力推進智能電能表的投入使用，2009 年美國為 4 000萬戶家庭安裝智能電能表，法國提出 2015年—2021 年建設 3 500 萬只智能電能表的Linky 計劃，歐盟提出未來將完成 80%家庭用戶的的智能電能表部署，2011 年，我國也進入了智能電能表更換的高峰期，根據 2014、2015 年招標數據計算，全國范圍內智能電能表的覆蓋率已經達到 70%以上。伴隨國家電網對“新型電力系統”建設的支持，基于 IR46 標準的新型智能電能表的前景十分廣闊。

　　其中具備高準確度等級和可靠性的軟硬件設計，對解決方案提供整套支持是我國電能表生產企業占據領先優勢的關鍵。文章首先分析了智能電能表的需求，對比我國智能電能表標準與 IR46 的差異，介紹了智能電能表的若干關鍵技術，最后闡述了智能電能表的下一步發展趨勢。隨著新能源并網的增多，雙碳建設和合同電價等背景，智能電能表的多樣化，智能化的功能愈發重要，如雙向計量、在線監測故障識別、負荷管理等。

　　1.1 新型電力系統

　　隨著新型電力系統的提出，為實現碳達峰碳中和這一綠色目標，電力系統的主要任務就是最大化消納新能源，以實現清潔低碳、靈活高效、開放互動。智能電能表作為消費側的關鍵節點，其計量的準確性、操作的高效性都影響著新型電力系統的性能，而新能源的大量引入又對電能表的動態負荷計量帶來挑戰，能夠準確地測量用戶側實際負荷曲線直接影響著面向新型電力系統的需求響應機制的探討[4]。

　　1.2 分布式能源

　　并網智能電能表的基本功能是實現電能的計量，對電能數據進行采集、存儲與處理，為電能結算和分析提供數據支撐[5]。隨著越來分布式能源接入到電力系統，非線性元件的數量成倍增加，導致電網中的動態與穩態擾動增加，進而帶來了一些計量問題。

　　首先，分布式能源會向電網輸送電能，因此需要智能電能表能夠進行雙向計量;其次，新能源具有間歇性、波動性等特征，容易引發三相不平衡、電壓波動、電壓中斷等問題，使電能表計量出現較大的失準[6]。非線性負載的接入，準確性與可靠性要求系統能夠進行在線監測，從而使電網評估節點對電能質量的影響[7]。

　　1.3 多合同電價

　　在電力市場中，電價合同是電網公司與用戶進行交易的基礎，將合同下發到智能電能表進行費率控制。費率控制主要是實現分段計費、分時計費，階梯電價計費，從而優化用電分布，提高效率。同時，為了能夠溯源，交易中產生的交互過程及結果均需記錄與保存。因此，對智能電能表提出了以下需求。首先，對電網和用戶作為不同的交易主體需要對電價進行分別計算;其次，針對負荷預測結果，實施平衡交易、電價結算;最后，對未來的多種計費方式，預留合同電價模式[5]。

　　1.4 故障識別

　　隨著傳感器融合技術和數據處理技術的發展，智能電能表的運行狀態數據成為智能電能表的故障分析與壽命預測的重要途徑[8]。由于智能電能表的數量出現爆炸式的增長，電能表的現場檢驗與故障診斷十分困難，而遠程的運行維護與故障診斷可以有效地解決這一問題[9]，因此智能電能表應具有故障識別與報警的功能。另外，電能表在端子虛接或者人為原因破壞的情況下，端子座的溫度會急劇升高[5]，所以在智能電能表的設計中對端子溫度監測也提出了相關要求。

　　1.5 負荷識別與能效管理

　　為了能夠進行能效管理，負荷識別是必要前提，非侵入式負荷監測技術可以獲得總負荷的電壓、電流等信號，對這些信號進行特征提取，提取出不同特性的負荷成分(即負荷印記)。負荷特征可以反應運行中的設備的用電狀態，如電壓電流等電信號數據，和數據包含的特征。設備在運行時，這些負荷特征會重復出現，智能電能表便可以把各個用電設備識別出來[5]，然而，目前沒有一種能夠解決所有問題的算法，因此，智能電能表需要具有不斷更新優化的算法來進行非侵入式負荷監測。

　　我國電能表標準與 R46 標準的對比電能表技術從感應式向智能電能表完善的歷程中，各國與國際性組織發布了多種標準和建議，例如以往普遍采取的 IEC 系列、美國 ANSIC12、歐盟的 MID 標準體系，我國 GB，在實踐中和理論的發展下，世界多國參與的國際法制計量組織在以往 IEC 的基礎上制定了新的 IR46 標準。由于舊 IEC 系列不能及時適應新型電力系統多層次的功能需求和更高速更安全的計量準則，IR46 在部分繼承 IEC 標準的同時，以保護消費者的利益為出發點制定了一系列新的計量特性和軟硬件要求。

　　2006 年到2018 年以來我國 GB/T 17215 的電能表標準是依照舊 IEC 標準，從生產制造和使用的角度，對感應式，電子式，機電式等電能表制定了差異化的標準。在 IR46 修訂完成后，我國2021版GB/T 17215中充分采納了IR46中關于計量特性的修訂內容，不同以往舊標準對機電式與靜止式有功電能表采取的不同精度等級的劃分方式，GB/T 17215-2021沒有對機電式電能表準確度等級做出相應更新。

　　從整體結構而言，IR46不再區分有功無功、機電式和靜止式的電能表，而是對不同原理的表提出了統一的技術要求，但仍然對舊機電式儀表做出了一定的放寬。比如對于負載不平衡、電壓改變、諧波、嚴重電壓改變等影響量引起機電式儀表誤差偏移極限時，對機電式儀表要求或者適用條件較低。其中對于 A, B, C, D 四個等級的基本最大允許誤差標準不適用于機電式儀表[10]。

　　對于計量特性，以往我國國標 GB/T17215.211-2006 中通過起動電流(Ist)，最大電流(Imax)，基本電流(Ib)，額定電流( In) 定義計量電流，GB/T 17215.211-2021 采納了IR46 的規定，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)、轉折電流(Itr)、標稱電壓(Unom)、標稱頻率(fnom)，修改了起動電流(Ist)、最大電流(Imax)的參量的定義，對誤差等級劃分也進行了新的修改。

　　GB/T 17215.321-2021 將電能表分為A, B, C, D, E 五個等級，其中 A, B, C, D 前四者計量等級與 IR46 相同，但是 B 的誤差要求比 IR46 更高，E 是我國國標中新加入的精度要求最高的電能表等級，在各種試驗點的條件下最大百分數誤差極限在±0.25%以內。可以得出 GB/T 17215 對電能表準確度做了更嚴格的標準。此外，準確度等級的劃分中新舊標準也有一定的對應關系，其中Itr=0.1Ib/0.05In。對于直接接入式電能表，Imin=0.05Ib, 對 于 經 互 感 器 接 入 的 電 能 表Imin=0.02In(2 級或 1 級)或 Imin=0.01In(0.5S級或 0.2S 級)。

　　綜合來講，在計量特性的準確度要求中 A，B，C，D，E 五個等級對應的最大允許誤差和溫度系數極限在三段不同電流區間([Ist, Imin], [Imin, Itr], [Itr, Imax])以百分數形式做出了規定，誤差偏移極限則是細分后分別在三段區間以及最大電流(Imax)，10 倍轉折電流(10Itr)等額定值下給出規定[3]。

　　對于電子設備的子組件分離和軟件分離，法制計量部分的關鍵部分不應受到設備其他部分的影響，且要求在型式試驗時，應驗證電能表功能與存儲不被非授權者外部指令影響。電能表的非計量部分可以進行軟件更新，且更新期間不會影響法制計量部分的正常功能運行[3]。綜上，我國 GB/T 17215.211-2021，在以往 IEC 系列標準的基礎上，較為廣泛的采納了 OIML 制定的 IR46 新標。

　　從整體結構的設計、準確度等級的劃分、計量性能的要求，型式評價的新試驗要求、對計量性能的保護、耐久性都有了較大的改變。重要的是提出了法制計量部分與非法制計量部分的分離[12]，與我國現有的智能表差異較大，對我國電能表市場和企業是一次沖擊，隨著智能電能表更新周期的到來，投入大量研發資金，把握好 IR46 標準電能表關鍵技術和提供成套的解決方案的支持者會占據市場的先機。

　　3硬件結構與關鍵技術分析

　　3.1 硬件結構對復符合 IR46 的標準的智能電能表的結構，國內外學者做出了如下幾類探索，大致可分為單芯系統、雙芯系統、多芯系統，并分別在各自系統中介紹了其隔離措施。

　　3.1.1 單芯系統

　　Fabio Clarizia 等人[13]將多個單芯電能表，通信設備和微型處理器組成分布式測量系統，形成了一種實時能源管理的架構，其中單芯電能表主要只承擔了計量功能，通訊和計算由系統中其他設備負責。Gouri R.Barai 等人[14]介紹了一種將主要功能集成在一塊單芯系統中的電能表架構。

　　張秋雁等人[15]根據 IR46 標準研究了基于單芯系統的智能電能表，應用操作系統控制 MPU 進行分層分塊處理，使管理模塊獨立于計量模塊配置及在線升級，因采用操作系統，故開放性、交互性更強。侯興哲等人[10]也從實時嵌入式操作系統應用角度探討了新一代智能電能表的發展方向，提出非法制計量功能應具有軟件模塊化特性，面向更多潛在使用場景，可靠與可協作性的平臺，嵌入式操作系統因具有以上優點愈發收到研究與工程人員的關注。

　　使用單芯的智能電能表時，為了實現法制計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級虛擬化和基于容器級虛擬化，分別對應虛擬機和容器，二者的主要區別為容器隔離技術抽離了虛擬機中的客戶操作系統內核。容器隔離的優點是既簡化了內核層，又提供了隔離空間，使得用戶運行進程不受其他進程干擾。常見的有基于 Docker 的隔離技術。

　　因此，對于智能電能表而言，輕量級的嵌入式系統加上容器級虛擬化隔離，可以達到計量部分與管理部分的隔離。段曉萌等人[16]設計了一個基于電能表嵌入式平臺的虛擬機，可以以虛擬機的運行方式消除電能表不同硬件平臺的影響。

　　目前國外對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勢，但是相對硬件成本較高，未經過市場檢驗。國內學者對多芯電能表的研究做出了一定的探索。與單芯系統的軟件分離方式不同的是，雙芯與多芯系統均從硬件層面實現了 IR46標準中法制計量與非計量部分的分離。

　　雙芯與多芯系統相比較，共同點為對于計量芯部分，兩者采取類似的獨立運行的處理方式，區別在于非計量芯部分，雙芯系統是全部集成到一個芯片內，而多芯系統則依據功能進行了劃分。多芯系統將管理芯中部分功能細分，采取多模組芯片劃分出隔離區域。多芯系統的實現方式有多種，王大偉等人[26]將通信芯獨立出來，負責智能電能表的上行通信和下行通信，實現多元化高效通信和多業務接入功能。孫毅等人[27]將業務需求分劃給為四個芯：計量芯、管理芯、辨識芯、負荷芯。

　　計量芯主要負責法制計量部分;管理芯負責各個模塊的協調與通信等非計量部分功能;辨識芯承擔用戶負荷細粒度分解功能;負控芯承擔 EV 有序充放電和負荷控制的任務。實現了計量精度<±0.1%，達到 D 級電能表的誤差要求，同時負荷識別精度大于 87%，負控芯片通信成功率達到100%。目前的研究趨勢主要為雙芯設計，即計量芯與管理芯，但是也有許多研究者進一步細分為多芯的模塊化設計，但總體上講，計量芯作為獨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分結果。

　　4展望

　　目前我國所投入使用的智能電能表大多是是滿足舊標準的具有遠程數據抄讀、預付費等功能的電能表，在法制計量部分與非計量部分并沒有隔離措施，且管理模塊所具有的功能不足以滿足未來的需求。因此，模塊化的設計是智能電能表未來的發展趨勢。但由于中國電能表市場廠家繁多，各廠家所采用的 MCU 和外圍電路都會存在區別，給基于 IR46 的下一代智能電能表批量化升級管理帶來了巨大的難度。

　　一種解決方法是統一電能表的硬件和軟件方案，不允許差異化，但這種方法難實現。第二種方法則采用跨硬件平臺的操作系統虛擬化技術，電能表軟件在虛擬化層面開發，編譯，管理，升級。因此，從硬件成本而言，基于嵌入式操作系統的智能電能表具有很大的發展潛力，其中輕量級嵌入式操作系統和低資源開銷的系統虛擬化與隔離技術成為了研究的關鍵。

　　5結束語

　　文章首先從電網實際運行，電力市場交易，電能表自身功能等方面分析了嵌入式電能表的需求。作為新型電力系統建設的關鍵終端產品，未來智能電能表的應用領域和覆蓋率會進一步增加，市場規模也會不斷擴大。然后對比了我國的電能表 GB/T 17215 標準與國際標準，在計量特性，電能表準確度等級，試驗項目方面有了新的變化：我國 GB/T17215 從 IEC 系列向 IR46 靠攏，表明相關法律法規積極調整向消費者利益靠攏。分析了電能表硬件結構與關鍵技術。最后對智能電能表未來的發展趨勢作出展望。

　　參 考 文 獻：

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　　作者：黃瑞 1,2，肖宇 1,2，曾偉杰 1,2，胡紅利 3，葉志 1,2，段羽潔 3