安科瑞 陳聰

摘要：智能電網(wǎng)出現(xiàn)后,無論是供電測還是用電側(cè),都會自然地走向萬物互聯(lián),從而誕生出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將供電系統(tǒng)與用電系統(tǒng)實現(xiàn)了的統(tǒng)一,將用電管理直接擴展到電網(wǎng)端,形成了家庭、社區(qū),樓宇、城市、社會生活等方方面面的智慧用供電管理體系。在這個用供電體系中,智能電表無疑成為管理體系中的一個核心設(shè)備。智能電表的任務(wù)也將從單純電量計量向用供電領(lǐng)域的信息平臺、交互平臺、控制平臺的平臺化目標(biāo)前進。未來,智能電表將在家庭生活、智慧社區(qū)、智慧城市等現(xiàn)代化生活中發(fā)揮巨大的作用。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；智能電表

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)誕生前,人們將物聯(lián)網(wǎng)的概念局限于互聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)。萬物互聯(lián)形成的所有智能化終端都是一個智能化的電子系統(tǒng),都帶有一個電源子系統(tǒng),在提升各種智力功能時,都要有電源管理功能。一些小型的智能終端中,大多使用獨立的電源。在一些大型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如分布式系統(tǒng)、局域網(wǎng)系統(tǒng)的智能家居、工業(yè)生產(chǎn)線、電動車充電樁、城市安防系統(tǒng)、城市照明系統(tǒng))中,它們都會延伸到智能電網(wǎng),從而帶來復(fù)雜的電源管理與用供電管理,并衍生出智能電網(wǎng)對用電側(cè)終端設(shè)備的感知與控制;加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對智能電網(wǎng)智力提升,實現(xiàn)了其對龐大的電力生產(chǎn)、輸配電、電力調(diào)度、安全運營中的所有終端設(shè)備的智能互聯(lián),從而形成了一個泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)。

雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)是泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系,內(nèi)網(wǎng)包括發(fā)電的電源側(cè)與輸、配電的電網(wǎng)側(cè),外網(wǎng)包括用戶側(cè)與供應(yīng)商。內(nèi)外網(wǎng)有一個共同界面,這個界面就是智能變電站與智能電表,它用于實現(xiàn)供電側(cè)對用電側(cè)的感知、控制與信息交互。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)外網(wǎng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的形成源于供電、用電的兩個不同的網(wǎng)絡(luò)體系。前者屬于強電領(lǐng)域,是一個壟斷的封閉型網(wǎng)絡(luò)體系;后者屬于弱電領(lǐng)域,是一個自由的開放型網(wǎng)絡(luò)體系。內(nèi)、外網(wǎng)交互界面中的智能電表采用標(biāo)準(zhǔn)的雙芯結(jié)構(gòu)體系,以應(yīng)對雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電力物聯(lián)網(wǎng),用相對獨立的方式實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)供電端電量計量與用電端用電管理的安全保障。

2初級階段的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)階段,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)處于內(nèi)網(wǎng)建設(shè)的初級階段,主要有內(nèi)網(wǎng)的三型兩網(wǎng)建設(shè)、云平臺建設(shè)、大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù),以及應(yīng)對新能源的智慧能源服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)等。

（1）三型兩網(wǎng)建設(shè)

2019年10月,電網(wǎng)有限公司發(fā)布了《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)***2019》。書中把“三型兩網(wǎng)”建設(shè)確定為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。三型,即樞紐型的智力電網(wǎng)、平臺型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)與內(nèi)外網(wǎng)共享型的社會屬性;兩網(wǎng),即堅強智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前,在兩網(wǎng)建設(shè)中,在堅強智能電網(wǎng)建設(shè)為基礎(chǔ)上,不斷向用電側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用擴展。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)從業(yè)者來說,會注重用電管理相關(guān)的應(yīng)用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層的基礎(chǔ)建設(shè)。

（2）云平臺建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)誕生后,隨之而來的必然是大數(shù)據(jù)與云計算,云平臺則是實現(xiàn)云計算服務(wù)的重要工具。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺建設(shè)內(nèi)容有:變電所運維云平臺、能源管理云平臺、智慧用電云平臺、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺、充電樁(電動汽車、自行車)運營管理云平臺、預(yù)付費管理云平臺等。可以看出,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺建設(shè)的集中在智能電網(wǎng)新能源的發(fā)電、儲電、并網(wǎng)與供電的負(fù)荷應(yīng)用領(lǐng)域。目前,我國物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)了眾多的云平臺(如阿里云、騰訊云、華為云等),這些都是外網(wǎng)中開放性的云平臺。從電網(wǎng)壟斷性、安全性出發(fā),電網(wǎng)會建設(shè)獨立、封閉、由嚴(yán)格管控的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的云平臺。

（3）大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)

萬物互聯(lián)后,必然出現(xiàn)大量的感知數(shù)據(jù),物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算便成為物聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用中三位一體的重要產(chǎn)業(yè)應(yīng)用模式。

所有用電側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)大系統(tǒng)都會以各種方式與智能電網(wǎng)相連,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層會感知眾多用電信息,從而形成電力系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)體系。在這些用電大數(shù)據(jù)中包含眾多信息,從而形成了一個龐大的數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)。圖1展示了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中大數(shù)據(jù)服務(wù)領(lǐng)域與服務(wù)內(nèi)容。這些服務(wù)領(lǐng)域與服務(wù)內(nèi)容幾乎涵蓋了與社會生活相關(guān)的全部領(lǐng)域與方方面面。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)中的一個典型應(yīng)用案例是城市住房空置率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。所有新建住宅都會安裝智能電表,從智能電表的使用/空閑,以及電量計數(shù)可以判斷住房是空置還是在使用中。

1. 智慧能源服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)

當(dāng)前,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一個重要任務(wù)是新能源的應(yīng)用服務(wù)(如風(fēng)電、光伏分布式能源的發(fā)電、并網(wǎng)、電力調(diào)度,以及新能源汽車的能源(氫能源電池、動力電地)供應(yīng)與管理服務(wù)等)。圖2是一個用于電動汽車充電的智慧能源服務(wù)系統(tǒng)。

未來,眾多新能源都會以電能為核心,無論是發(fā)電(風(fēng)電、光伏)還是能源(氫能、地?zé)崮堋⒊毕艿?轉(zhuǎn)換,抑或是能源利用,都少不了電網(wǎng)的支持。圖2展示了一個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對電動汽車充電的內(nèi)外網(wǎng)、供電用的一個完整體系。

3新一代智能電表的發(fā)展趨勢

從傳統(tǒng)計量電表到電力物聯(lián)網(wǎng)新型智能電表,其發(fā)展的趨勢是:多功能智力平臺構(gòu)建、眾多半導(dǎo)體廠家參與、三表合一的綜合應(yīng)用、應(yīng)對多元化的多功能服務(wù)等。

1. 多功能智力平臺構(gòu)建

為了應(yīng)對電力物聯(lián)網(wǎng)對用電側(cè)的智能用電管理,將傳統(tǒng)電能計量表變革到集感知、控制、監(jiān)測、用電管理為一體,具有通信、交互、顯示功能的一個智力平臺;為了適應(yīng)未來大數(shù)據(jù)、云計算的應(yīng)用,該平臺不僅有良好的智能控制能力,還應(yīng)有強大的計算能力,以滿足邊緣計算要求。從單一通話功能手機到如今智能手機的演變,我們可以想象一下未來智能電表的發(fā)展前景。

（2）眾多半導(dǎo)體廠家積參與

智能電表以MCU為核心,并逐步過渡到能滿足邊緣計算、實時感知與控制的AI芯片。受市場需求吸引,早在十多年前,眾多半導(dǎo)體廠家就積參與了智能電表芯片的開發(fā),如早期ADI公司的ADE系列、飛思卡爾的MZ系列、恩智浦的LPC1700系列、西門子的Blackfin處理器等。眾多半導(dǎo)體廠家的介入有利于智能電表硬件體系的不斷更新,以及從MCU到AI芯片的更新迭代。

（3）三表合一的綜合應(yīng)用

為了應(yīng)對智慧樓宇、智能家居的建設(shè),原有分離的三表 (氣、水、電表)將逐漸走向合一,從而開創(chuàng)多傳感器感知與 智能控制的智慧生活時代。未來,三表合一的綜合計量、AI 芯片的算力提升、邊緣計算的特殊賦能、用電模式的遠(yuǎn)程測 控等將大地提升家庭能源應(yīng)用的智慧化管理水平。

（4）應(yīng)對多元化的多功能服務(wù)

為了應(yīng)對日益多元化的能源及能源管理,智能電表將 逐漸完善從單向到雙向、從近程到遠(yuǎn)程、從通信到控制的 功能進化。例如:

1. 為了應(yīng)對分布式電源、儲能電源的電網(wǎng)輸送,智能 電表從電網(wǎng)側(cè)單向計量變?yōu)殡娋W(wǎng)側(cè)/用戶側(cè)的雙向輸送、 計量、管理與監(jiān)測功能;

2. 為了應(yīng)對用供電側(cè)的交互功能,新型智能電表必 須具有雙向通信功能,如供電側(cè)發(fā)出用電信息、用電側(cè)發(fā) 出請求調(diào)控信息的雙向通信功能;

3. 為了應(yīng)對未來更多外部設(shè)備接入帶來電源管理要 求,智能電表會開發(fā)出眾多的遙控、遙測功能,未來的智能 電表會成為一個智能化住宅、樓宇用電模式的控制中心。

4智能電表的IR46雙芯體系構(gòu)建

早期,智能電表結(jié)構(gòu)體系的國際標(biāo)準(zhǔn)IR46(InternationalRecommendation46)由國際法制計量組織(OIML)制定并于2012年10月發(fā)布。多年來一直在不斷完善,我國一直遵循該標(biāo)準(zhǔn)。

IR46標(biāo)準(zhǔn)的核心理念是使智能電表向測控平臺發(fā)展,實現(xiàn)計量與管理雙芯結(jié)構(gòu),并保證雙芯的物理分離。雙芯之間只能通過SPI接口進行數(shù)據(jù)交換。圖3清晰地展示了一個智能電表的標(biāo)準(zhǔn)雙芯結(jié)構(gòu)體系。

計量芯作為獨立的法制計算部分,嚴(yán)格管控,不能隨意升級,以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、數(shù)據(jù)可追溯與時鐘的安全性。

管理芯滿足平臺管理要求,實現(xiàn)雙向交互、顯示與通信,用電管理與優(yōu)化用電模式等。軟件下載與更新不影響計量芯的正常工作,未來還須滿足邊緣計算要求。

雙芯之間依靠SPI總線相連。SPI是主從模式的串行外設(shè)接口總線,支持一個或多個Slave設(shè)備,廣泛用于MCU和外設(shè)模塊連接。這種總線連接方式有效地保證了雙核間相對獨立與安全操作空間。

智能電表雙芯設(shè)計理念源于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)外網(wǎng)體系結(jié)構(gòu),以及內(nèi)外網(wǎng)不同的狀態(tài)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)是一個壟斷、封閉、關(guān)乎利益與安全的電網(wǎng),外網(wǎng)則是一個充滿不安全因素、自由、開放的互聯(lián)網(wǎng)。雙芯的結(jié)構(gòu)模式可以在確保電網(wǎng)安全與電力用戶數(shù)據(jù)安全的同時,充分介入用戶端的用電管理,實現(xiàn)與用戶的自由交互,有利于未來智能電表在用戶側(cè)的平臺化應(yīng)用。

5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領(lǐng)域。

（3）平臺結(jié)構(gòu)

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術(shù)，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結(jié)合起來，運用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預(yù)付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認(rèn)參數(shù)進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費看板

充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

充電樁看板

智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關(guān)策略配置及后臺遠(yuǎn)程管理和移動管理等，降低路燈設(shè)施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

安全用電

安全用電采用剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測器，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然”的目的。

智慧消防

通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。彌補了原先針對“九小場所”和危化品生產(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細(xì)化”的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)論

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是繼物聯(lián)網(wǎng)之后的又一重大變革,它將物聯(lián)網(wǎng)大系統(tǒng)的供電體系與用電體系統(tǒng)一成一個完整的物聯(lián)網(wǎng)世界。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)由智能電網(wǎng)蛻變而來,由電網(wǎng),目前尚處于初級階段。2019年由電網(wǎng)發(fā)布的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)***2019》中規(guī)劃了2024年建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的具體目標(biāo)事弱電領(lǐng)域智能系統(tǒng)應(yīng)用的。嵌就入多式年系來統(tǒng)在領(lǐng)物域聯(lián)的網(wǎng)業(yè)應(yīng)者用而中言從,一旦涉及物聯(lián)網(wǎng)大應(yīng)用(如新能源、電動汽車)領(lǐng)域,必然會與電力物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián);同時,智能電表在用電側(cè)平臺化的深入應(yīng)用,必將帶來智慧家居、智慧樓宇、智慧城市、智慧交通等領(lǐng)域用供電的統(tǒng)一應(yīng)用模式。

參考文獻

[1]何立民.泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的智能電表

[2]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.