摘要：隨著我國新型電力系統(tǒng)的提出，智能電能表除了基礎(chǔ)的電能計量外還應(yīng)具有通信、負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證做出了規(guī)定。文章首先從分布式能源并網(wǎng)，新型電力系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)體系與 IR46 的差異，對計量特性，電能表準(zhǔn)確度等級，試驗項目的主要差異進(jìn)行了對比分析，并對支持 IR46 標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表的硬件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，最后闡述了基于嵌入式系統(tǒng)的智能電能表的下一步研究方向和應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：電能計量;智能電能表;IR46;嵌入式操作系統(tǒng)

　　引 言

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步和電力市場化改革，電網(wǎng)建設(shè)不斷推進(jìn)，新能源的并網(wǎng)運行，電價制度改革和雙向計量等業(yè)務(wù)場景面臨的新的實際需求，對電能量測設(shè)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(chǎn)消費的技術(shù)基礎(chǔ)，為雙方提供數(shù)據(jù)支撐，也是生產(chǎn)單位經(jīng)濟核算、電網(wǎng)運行狀態(tài)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(huán)境，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義[1]。

　　電能的計量設(shè)備——電能表，從 1889 年出現(xiàn)的第一塊感應(yīng)式電能表(機械表)，發(fā)展到上世紀(jì)的機電式電能表，再到現(xiàn)在普遍使用的電子式電能表。目前國內(nèi)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(yīng)式向集成電路式過渡，非計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者利益。總體發(fā)展趨勢可總體概括為計量功能進(jìn)一步精確，非計量功能愈發(fā)智能化，服務(wù)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(shù)為核心，具有自動計量、費控、雙向通信、負(fù)荷識別等功能，支持多費率計量、分布式能源計量、電網(wǎng)運行狀態(tài)在線監(jiān)測等實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)了電能計量，數(shù)據(jù)傳輸，電能質(zhì)量檢測等重要任務(wù)。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(shè)備系列標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)是協(xié)調(diào)成員國計量部門實施相關(guān)計量相關(guān)法規(guī)和建議。我國作為成員國也應(yīng)遵循此類國際性計量法規(guī)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(zhǔn)確度等級方面參考IEC系列標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格的誤差要求[3]。

　　目前，各個國家和地區(qū)都在努力推進(jìn)智能電能表的投入使用，2009 年美國為 4 000萬戶家庭安裝智能電能表，法國提出 2015年—2021 年建設(shè) 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(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)計算，全國范圍內(nèi)智能電能表的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到 70%以上。伴隨國家電網(wǎng)對“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)確度等級和可靠性的軟硬件設(shè)計，對解決方案提供整套支持是我國電能表生產(chǎn)企業(yè)占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢的關(guān)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(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。基于 IR46 標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表的需求分析隨著新能源并網(wǎng)的增多，雙碳建設(shè)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(fā)重要，如雙向計量、在線監(jiān)測故障識別、負(fù)荷管理等。

　　1.1 新型電力系統(tǒng)

　　隨著新型電力系統(tǒng)的提出，為實現(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，以實現(xiàn)清潔低碳、靈活高效、開放互動。智能電能表作為消費側(cè)的關(guān)鍵節(jié)點，其計量的準(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電能表的動態(tài)負(fù)荷計量帶來挑戰(zhàn)，能夠準(zhǔn)確地測量用戶側(cè)實際負(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現(xiàn)電能的計量，對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲與處理，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)中的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)擾動增加，進(jìn)而帶來了一些計量問題。首先，分布式能源會向電網(wǎng)輸送電能，因此需要智能電能表能夠進(jìn)行雙向計量;其次，新能源具有間歇性、波動性等特征，容易引發(fā)三相不平衡、電壓波動、電壓中斷等問題，使電能表計量出現(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，從而使電網(wǎng)評估節(jié)點對電能質(zhì)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(wǎng)公司與用戶進(jìn)行交易的基礎(chǔ)，將合同下發(fā)到智能電能表進(jìn)行費率控制。費率控制主要是實現(xiàn)分段計費、分時計費，階梯電價計費，從而優(yōu)化用電分布，提高效率。同時，為了能夠溯源，交易中產(chǎn)生的交互過程及結(jié)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(wǎng)和用戶作為不同的交易主體需要對電價進(jìn)行分別計算;其次，針對負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，實施平衡交易、電價結(jié)算;最后，對未來的多種計費方式，預(yù)留合同電價模式[5]。

　　1.4 故障識別

　　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，電能表的現(xiàn)場檢驗與故障診斷十分困難，而遠(yuǎn)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(yīng)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(shè)計中對端子溫度監(jiān)測也提出了相關(guān)要求。

　　1.5 負(fù)荷識別與能效管理

　　為了能夠進(jìn)行能效管理，負(fù)荷識別是必要前提，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)可以獲得總負(fù)荷的電壓、電流等信號，對這些信號進(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)運行中的設(shè)備的用電狀態(tài)，如電壓電流等電信號數(shù)據(jù)，和數(shù)據(jù)包含的特征。設(shè)備在運行時，這些負(fù)荷特征會重復(fù)出現(xiàn)，智能電能表便可以把各個用電設(shè)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(yōu)化的算法來進(jìn)行非侵入式負(fù)荷監(jiān)測。我國電能表標(biāo)準(zhǔn)與 R46 標(biāo)準(zhǔn)的對比電能表技術(shù)從感應(yīng)式向智能電能表完善的歷程中，各國與國際性組織發(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 ANSIC12、歐盟的 MID 標(biāo)準(zhǔn)體系，我國 GB，在實踐中和理論的發(fā)展下，世界多國參與的國際法制計量組織在以往 IEC 的基礎(chǔ)上制定了新的 IR46 標(biāo)準(zhǔn)。

　　由于舊 IEC 系列不能及時適應(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量準(zhǔn)則，IR46 在部分繼承 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的同時，以保護消費者的利益為出發(fā)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(biāo)準(zhǔn)是依照舊 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，從生產(chǎn)制造和使用的角度，對感應(yīng)式，電子式，機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2021版GB/T 17215中充分采納了IR46中關(guān)于計量特性的修訂內(nèi)容，不同以往舊標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度等級做出相應(yīng)更新。

　　從整體結(jié)構(gòu)而言，IR46不再區(qū)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(tǒng)一的技術(shù)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(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(biāo)準(zhǔn)不適用于機電式儀表[10]。

　　對于計量特性，以往我國國標(biāo) 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(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)稱電壓(Unom)、標(biāo)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(jìn)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(biāo)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?jǐn)?shù)誤差極限在±0.25%以內(nèi)。

　　可以得出 GB/T 17215 對電能表準(zhǔn)確度做了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。此外，準(zhǔn)確度等級的劃分中新舊標(biāo)準(zhǔn)也有一定的對應(yīng)關(guān)系，其中Itr=0.1Ib/0.05In。對于直接接入式電能表，Imin=0.05Ib, 對 于 經(jīng) 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(zhǔn)確度要求中 A，B，C，D，E 五個等級對應(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]。

　　對于計量性能保護，IR46 規(guī)定了軟件識別和參數(shù)保護，對竊電行為做出了一定的預(yù)防，要求通過機械、電子或密碼等方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿芊猓�以防未授�?quán)人員的干預(yù)。如果系統(tǒng)參數(shù)允許被用戶修改，電能表需配備自動記錄且不可擦除設(shè)備記錄修改事件和參數(shù)[3]。對于電子設(shè)備的子組件分離和軟件分離，法制計量部分的關(guān)鍵部分不應(yīng)受到設(shè)備其他部分的影響，且要求在型式試驗時，應(yīng)驗證電能表功能與存儲不被非授權(quán)者外部指令影響。電能表的非計量部分可以進(jìn)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(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、準(zhǔn)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(xiàn)有的智能表差異較大，對我國電能表市場和企業(yè)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(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占據(jù)市場的先機。

　　3硬件結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析

　　3.1 硬件結(jié)構(gòu)

　　對復(fù)符合 IR46 的標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者做出了如下幾類探索，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)

　　Fabio Clarizia 等人[13]將多個單芯電能表，通信設(shè)備和微型處理器組成分布式測量系統(tǒng)，形成了一種實時能源管理的架構(gòu)，其中單芯電能表主要只承擔(dān)了計量功能，通訊和計算由系統(tǒng)中其他設(shè)備負(fù)責(zé)。

　　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(tǒng)中的電能表架構(gòu)。張秋雁等人[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，應(yīng)用操作系統(tǒng)控制 MPU 進(jìn)行分層分塊處理，使管理模塊獨立于計量模塊配置及在線升級，因采用操作系統(tǒng)，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(tǒng)應(yīng)用角度探討了新一代智能電能表的發(fā)展方向，提出非法制計量功能應(yīng)具有軟件模塊化特性，面向更多潛在使用場景，可靠與可協(xié)作性的平臺，嵌入式操作系統(tǒng)因具有以上優(yōu)點愈發(fā)收到研究與工程人員的關(guān)注。

　　使用單芯的智能電能表時，為了實現(xiàn)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(yīng)虛擬機和容器，二者的主要區(qū)別為容器隔離技術(shù)抽離了虛擬機中的客戶操作系統(tǒng)內(nèi)核。容器隔離的優(yōu)點是既簡化了內(nèi)核層，又提供了隔離空間，使得用戶運行進(jìn)程不受其他進(jìn)程干擾。常見的有基于 Docker 的隔離技術(shù)。因此，對于智能電能表而言，輕量級的嵌入式系統(tǒng)加上容器級虛擬化隔離，可以達(dá)到計量部分與管理部分的隔離。段曉萌等人[16]設(shè)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。

　　3.2 關(guān)鍵技術(shù)

　　3.2.1 電能計量

　　電能表按原理通常分為機械式，機電式，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，錳銅分流器分流時產(chǎn)生和電流成正比的電壓信號，抗干擾能力強，電流互感器損耗低，動態(tài)范圍寬，但是當(dāng)電網(wǎng)中存在直流分量時容易飽和產(chǎn)生信號畸變。

　　羅氏線圈可測大范圍的電流，霍爾元件測量精度高，但這兩者易受磁場干擾，對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;時分割乘法器電路易于實現(xiàn)，但是頻率響應(yīng)范圍窄，不適合畸變波形下的電能計量。

　　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(biāo)準(zhǔn)的具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄讀、預(yù)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(shè)計是智能電能表未來的發(fā)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(qū)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(tǒng)一電能表的硬件和軟件方案，不允許差異化，但這種方法難實現(xiàn)。第二種方法則采用跨硬件平臺的操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)，電能表軟件在虛擬化層面開發(fā)，編譯，管理，升級。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Γ�其中輕量級嵌入式操作系統(tǒng)和低資源開銷的系統(tǒng)虛擬化與隔離技術(shù)成為了研究的關(guān)鍵。

　　5結(jié)束語

　　文章首先從電網(wǎng)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(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵終端產(chǎn)品，未來智能電能表的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋率會進(jìn)一步增加，市場規(guī)模也會不斷擴大。然后對比了我國的電能表 GB/T 17215 標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)，在計量特性，電能表準(zhǔn)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(guān)法律法規(guī)積極調(diào)整向消費者利益靠攏。分析了電能表硬件結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)。最后對智能電能表未來的發(fā)展趨勢作出展望。

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