黃瑞，肖宇，曾偉杰，胡紅利，葉志，段羽潔

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司，長沙 410000； 2. 智能電氣量測與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室，長沙 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)的進步和電力市場化改革，電網(wǎng)建設(shè)不斷推進，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?？傮w發(fā)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(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(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(qū)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(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，我國也進入了智能電能表更換的高峰期，根據(jù)2014、2015年招標數(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(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準與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。

1 基于IR46標準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，為實現(xiàn)碳達峰碳中和這一綠色目標，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)負荷計量帶來挑戰(zhàn)，能夠準確地測量用戶側(cè)實際負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[6]。非線性負載的接入，準確性與可靠性要求系統(tǒng)能夠進行在線監(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)公司與用戶進行交易的基礎(chǔ)，將合同下發(fā)到智能電能表進行費率控制。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行分別計算；其次，針對負荷預(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(jiān)測技術(shù)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(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)以及數(shù)據(jù)包含的特征。設(shè)備在運行時，這些負荷特征會重復(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)化的算法來進行非侵入式負荷監(jiān)測。

2 我國電能表標準與IR46標準的對比

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等，在實踐和理論的發(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標準。如圖1所示，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(fā)點制定了一系列新的計量特性和軟硬件要求。2006年～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(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準。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(yīng)更新。

圖1 一些國家和地區(qū)有關(guān)電能表的標準

如表2所示，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]。

表2 GB/T 17215與IR46的對比

對于計量特性，以往我國國標GB/T 17215.211-2006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。如表3所示，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(shù)誤差極限在±0.25%以內(nèi)?？梢缘贸鯣B/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(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])以百分數(shù)形式做出了規(guī)定，誤差偏移極限則是細分后分別在三段區(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，型式評價試驗和抗其他影響量的試驗方面如表4所示。

表3 電能表準確度的分級

表4 試驗項目對比

由表4可知，IR46給出了更多的標準要求，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格[11]。對于負載平衡，IR46標準設(shè)置了若干個實驗條件進行試驗，考察其誤差范圍是否在規(guī)定區(qū)間內(nèi)，與此相對的是IEC標準未規(guī)定試驗點。諧波實驗項目在以往的5次諧波基礎(chǔ)上增加了方波和尖頂波，與實際電網(wǎng)環(huán)境更為接近，此外對電流幅值，相位角做出了定量要求，在有諧波時電流有效值不超過Imax，峰值不超過1.4Imax，并要求在給定試驗點：至少在10Itr，基波為純阻性條件下進行測量。另外，對于射頻電磁場的頻率范圍從最高2 000 MHz提高到了6 000 MHz[11]，新加入了外部工頻磁場試驗，這就要求電能表有較好的電磁兼容性能。陽光輻射防護的試驗天數(shù)增加，對廠家而言，產(chǎn)品機械和電氣設(shè)計時的抗輻射設(shè)計需要加以考慮。IR46還提出了耐久性試驗和綜合誤差評定實驗，提高了電能表在極端環(huán)境下的計量和非計量性能要求等級，通過綜合考慮各種影響量帶來的誤差偏移考察電能表計量性能[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行適當?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(chǔ)上，較為廣泛的采納了OIML制定的IR46新標。從整體結(jié)構(gòu)的設(shè)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(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標準電能表關(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的標準的智能電能表的結(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)

文獻[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)備負責(zé)。文獻[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[15]根據(jù)IR46標準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。文獻[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。

圖2 單芯系統(tǒng)

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，使得用戶運行進程不受其他進程干擾。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，可以達到計量部分與管理部分的隔離。文獻[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。

3.1.2 雙芯系統(tǒng)

文獻[17]使用兩塊MSP430分別進行數(shù)據(jù)采集和信號處理，開發(fā)的智能電能表具有低成本，低功耗的特點，使用24位A/D轉(zhuǎn)換器可以進一步提高電能表的精度。文獻[18]描述了符合印度標準的智能電能表，其中計量IC與通訊IC相分離，并給出了其準確度和通訊協(xié)議一致性的測試結(jié)果。文獻[12]采用了雙芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙芯系統(tǒng)

圖3中計量模塊、管理模塊獨立設(shè)計并運行，并由系統(tǒng)電源隔離供電。整個系統(tǒng)最重要的部分為計量模塊，其中計量MCU提供帶時標的、以分鐘為時間單位的增量電能，由系統(tǒng)電源，RTC電池，超級電容分繼給計量模塊供電，以實現(xiàn)全時段電量采集。計量模塊由A/D采集模塊、存儲器與不可擦除存儲器、通信模塊等組成，具有電壓電流采集、電能計量、事件記錄、故障上報、時鐘校準和通信功能[19]，且計量模塊不可進行軟件升級，在獨立運行期間不受其他模塊故障或者軟件升級的影響。管理模塊包括了上下行模塊、紅外、通信模塊、ESAM、費控等。管理MCU負責(zé)非法制計量的功能，如顯示、電費管理、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負荷識別、上下行通信與采集終端信息交互，并且可以管理各項業(yè)務(wù)需求[12]。出廠時間計量芯功能固化、不支持軟件升級，管理芯可升級更新功能[20]?？傮w來講，計量芯要做到計量可靠，追求更高精度，考慮用戶的利益放在優(yōu)先位置，充分體現(xiàn)公平公正，同時做到抗干擾性能優(yōu)越，集參數(shù)保護與軟件保護為一體。管理芯要做到管理強大，可擴展性強，未來可兼容多個必要模塊以滿足電力物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用場景。管理芯需要管理模塊之間的調(diào)度運維，且軟件升級，滿足功能拓展，靈活管理，信息更新的多樣化管理需求[21]。電能表的設(shè)計過程需要采取測試技術(shù)進行完善和質(zhì)量驗證，文獻[22]介紹了雙芯智能電能表的硬件測試中通用的故障模式分析和測試需求。

文獻[23]針對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，以實現(xiàn)費控管理、事件記錄、負荷控制、在線升級等功能。文獻[24]在計量芯片的隔離電路中增加可加密和解密機制，提升了電能表的防竊電功能。文獻[25]設(shè)計了一種采取DSP+ARM的智能電能表軟件實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了IR46關(guān)于軟件分離、計量特性防護等要求，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(yōu)勢，但是相對硬件成本較高，未經(jīng)過市場檢驗。國內(nèi)學(xué)者對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)均從硬件層面實現(xiàn)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(tǒng)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(qū)別在于非計量芯部分，雙芯系統(tǒng)是全部集成到一個芯片圖5內(nèi)，而多芯系統(tǒng)則依據(jù)功能進行了劃分，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分，采取多模組芯片劃分出隔離區(qū)域。多芯系統(tǒng)的實現(xiàn)方式有多種，文獻[26]將通信芯獨立出來，負責(zé)智能電能表的上行通信和下行通信，實現(xiàn)多元化高效通信和多業(yè)務(wù)接入功能。文獻[27]將業(yè)務(wù)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(zé)法制計量部分；管理芯負責(zé)各個模塊的協(xié)調(diào)與通信等非計量部分功能；辨識芯承擔(dān)用戶負荷細粒度分解功能；負控芯承擔(dān)EV有序充放電和負荷控制的任務(wù)。實現(xiàn)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(shè)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(shè)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(jié)果。

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。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)字量進行數(shù)字信號處理，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]。

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

目前我國廠商在單相電能表計量IC中占據(jù)了一定的市場份額，而在高利潤的三相電能計量IC市場中，國外ADI、TI、Cirrus Logic等公司仍位于主導(dǎo)地位。

3.2.2 時鐘

嵌入式系統(tǒng)的時鐘通常由振蕩器、定時喚醒器、分頻器組成，常用晶振作振蕩器。MCU、外設(shè)等都是在時鐘的驅(qū)動下工作的，高精度與穩(wěn)定性好的時鐘是一個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)電源同時給RTC與超級電容充電，同時電池作為備用電源，超級電容可以為RTC獨立供電7天。時鐘誤差主要受到環(huán)境溫度的影響，文獻[23]設(shè)計了一種帶有溫度補償?shù)腞TC電路，包括了RTC計時電路、溫度傳感器、溫度補償模塊和存儲器。并提出并采用基于累計誤差控制的補償算法。經(jīng)實驗室測試，在-45 ℃～85 ℃溫度范圍內(nèi)，計時誤差在4 ppm以內(nèi)。

圖5 時鐘架構(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進行實時的數(shù)據(jù)交互的通信。對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[12]對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，并表示未來將會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)通信是支持更高級別通信(TCP/IP)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪x擇[33]。下行通信使用標準化的通信接口，兼容M-BUS、藍牙、ZigBee、WIFI等模塊，便于與用戶交互，也能實現(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，計量芯作為從站，主站控制通信的設(shè)置與收發(fā)。文獻[34]采用CAN總線方式進行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，可以有效解決電能表在通訊時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)流傳輸問題。

3.2.4 軟件升級

文獻[35]針對雙芯電能表的管理芯升級提出了一種解決方案，采用在應(yīng)用編程模式(IAP)進行軟件升級。IAP模式在工程師編程時將片上存儲分為不同區(qū)域，一部份區(qū)域加載為引導(dǎo)區(qū)域，又稱BOOT區(qū)，另一部分是程序運行的區(qū)域，在需要對系統(tǒng)進行升級時，BOOT區(qū)檢測滿足一定條件下會對程序區(qū)進行新代碼的燒錄，燒錄結(jié)束跳出引導(dǎo)程序，然后正常運行程序。上述方式能從一片存儲區(qū)域到另一片程序區(qū)域完成軟件升級的功能，避免了傳統(tǒng)在系統(tǒng)編程(ISP)需要外置編程器和現(xiàn)場燒錄的缺點，可以通過通信接口傳輸指令方便的完成遠程升級的任務(wù)。為滿足安全性的要求。系統(tǒng)在線升級時采取點對點與組協(xié)商結(jié)合的方法[12]，點對點確認電能表升級業(yè)務(wù)代碼，分組協(xié)商分發(fā)升級密鑰。將升級的代碼通過組播的形式下發(fā)，下發(fā)完成后對密鑰進行更改，防止重放攻擊。文獻[36]采用C/S客戶機/服務(wù)器模型，主站作為客戶機，電能表作為服務(wù)器主站通過GPRS/4G通信直接對電能表進行升級。對于用于智能電能表數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卦O(shè)網(wǎng)絡(luò)來說，蟲洞攻擊是特設(shè)網(wǎng)絡(luò)最最危險的威脅之一，Jungtaek Seo提出了一種有效的防御技術(shù)來檢測和相應(yīng)蟲洞攻擊[37]。

3.2.5 負荷辨識與控制

負荷辨識大多需要機器學(xué)習(xí)算法來進行辨識[38-43]，需要計算能力強、存儲容量大的CPU進行運算[27]，通過對電壓、電流、功率因數(shù)、用電量等參數(shù)的異常檢測，來進一步進行用電異常行為的判斷分析[38]。文獻[39]開發(fā)了一種嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，通過深度學(xué)習(xí)提取特征，對電能質(zhì)量擾動進行檢測和分類。文獻[40]提出了基于支持向量機的擾動檢測方法，檢測擾動的準確率可以達到93%。文獻[44]提出了一種多標簽分類的方法來實現(xiàn)非侵入式負荷監(jiān)測，使用公開數(shù)據(jù)集測試效果良好。對電網(wǎng)進行負荷控制則是通過負荷辨識的結(jié)果，來進行有序充電策略管理、收費控制，以及智能斷路器的接口控制，可以為供電公司實現(xiàn)良好的控制管理功能。

3.2.6 故障自檢

在出現(xiàn)故障時，智能電能表通過故障自檢功能的在線檢測與智能診斷，有限進行自修復(fù)，無法自我修復(fù)的故障通過管理IC向上級通信。計量IC部分的自檢側(cè)重于計量異常、防竊電等方面，而管理IC專注于事件異常、通訊等方面。硬件自檢方法包括雙路計量自檢、電源故障自檢等，主要通過電信號檢測來檢測故障；軟件自檢方法包括電能異常診斷、計量參數(shù)自檢驗等，主要通過一些特定檢測算法來檢測故障[19]。也可以通過計量的數(shù)據(jù)對電網(wǎng)進行一定的診斷，如文獻[45]提出了一種利用智能電能表計量的數(shù)據(jù)來進行快速檢測和恢復(fù)停電的中斷位置的預(yù)測方法。

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(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渲休p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/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。