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浅析基于泛在电力物联网的智能电表设计与应用
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摘要：智能电网出现后,无论是供电测还是用电侧,都会自然地走向万物互联,从而诞生出泛在电力物联网。泛在电力物联网将供电系统与用电系统实现了的统一,将用电管理直接扩展到电网端,形成了家庭、社区,楼宇、城市、社会生活等方方面面的智慧用供电管理体系。在这个用供电体系中,智能电表无疑成为管理体系中的一个核心设备。智能电表的任务也将从单纯电量计量向用供电领域的信息平台、交互平台、控制平台的平台化目标前进。未来,智能电表将在家庭生活、智慧社区、智慧城市等现代化生活中发挥巨大的作用。
关键词：智能电网；泛在电力物联网；智能电表
1 泛在电力物联网
泛在电力物联网诞生前,人们将物联网的概念局限于互联网的万物互联。万物互联形成的所有智能化终端都是一个智能化的电子系统,都带有一个电源子系统,在提升各种智力功能时,都要有电源管理功能。一些小型的智能终端中,大多使用独立的电源。在一些大型物联网应用(如分布式系统、局域网系统的智能家居、工业生产线、电动车充电桩、城市安防系统、城市照明系统)中,它们都会延伸到智能电网,从而带来复杂的电源管理与用供电管理,并衍生出智能电网对用电侧终端设备的感知与控制;加上互联网技术对智能电网智力提升,实现了其对庞大的电力生产、输配电、电力调度、安全运营中的所有终端设备的智能互联,从而形成了一个泛在的电力物联网。
双网结构是泛在的电力物联网特有的结构体系,内网包括发电的电源侧与输、配电的电网侧,外网包括用户侧与供应商。内外网有一个共同界面,这个界面就是智能变电站与智能电表,它用于实现供电侧对用电侧的感知、控制与信息交互。泛在电力物联网内外网双网结构体系的形成源于供电、用电的两个不同的网络体系。前者属于强电领域,是一个垄断的封闭型网络体系;后者属于弱电领域,是一个自由的开放型网络体系。内、外网交互界面中的智能电表采用标准的双芯结构体系,以应对双网结构的电力物联网,用相对独立的方式实现泛在电力物联网供电端电量计量与用电端用电管理的安全保障。
2 初级阶段的泛在电力物联网
现阶段,泛在电力物联网处于内网建设的初级阶段,主要有内网的三型两网建设、云平台建设、大数据与数据服务,以及应对新能源的智慧能源服务系统建设等。
（1）三型两网建设
2019年10月,电网有限公司发布了《泛在电力物联网文件2019》。文件中把“三型两网”建设确定为泛在电力物联网建设的战略目标。三型,即枢纽型的智力电网、平台型的物联网应用服务与内外网共享型的社会属性;两网,即坚强智能电网与泛在电力物联网。当前,在两网建设中,在坚强智能电网建设为基础上,不断向用电侧的物联网应用扩展。对于物联网应用的嵌入式系统从业者来说,会注重用电管理相关的应用层、平台层、网络层、感知层的基础建设。
（2）云平台建设
物联网诞生后,随之而来的必然是大数据与云计算,云平台则是实现云计算服务的重要工具。泛在电力物联网云平台建设内容有:变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩(电动汽车、自行车)运营管理云平台、预付费管理云平台等。可以看出,泛在电力物联网云平台建设的集中在智能电网新能源的发电、储电、并网与供电的负荷应用领域。目前,我国物联网应用中出现了众多的云平台(如阿里云、腾讯云、华为云等),这些都是外网中开放性的云平台。从电网垄断性、安全性出发,电网会建设独立、封闭、由严格管控的泛在电力物联网的云平台。
（3）大数据与数据服务
万物互联后,必然出现大量的感知数据,物联网、大数据、云计算便成为物联网 应用中三位一体的重要产业应用模式。
所有用电侧的物联网大系统都会以各种方式与智能电网相连,泛在电力物联网的感知层会感知众多用电信息,从而形成电力系统的大数据体系。在这些用电大数据中包含众多信息,从而形成了一个庞大的数据服务产业。图1展示了泛在电力物联网中大数据服务领域与服务内容。这些服务领域与服务内容几乎涵盖了与社会生活相关的全部领域与方方面面。
泛在电力物联网大数据服务中的一个典型应用案例是城市住房空置率的数据统计。所有新建住宅都会安装智能电表,从智能电表的使用/空闲,以及电量计数可以判断住房是空置还是在使用中。
- 智慧能源服务系统建设
当前,泛在电力物联网的一个重要任务是新能源的应用服务(如风电、光伏分布式能源的发电、并网、电力调度,以及新能源汽车的能源(氢能源电池、动力电地)供应与管理服务等)。图2是一个用于电动汽车充电的智慧能源服务系统。
未来,众多新能源都会以电能为核心,无论是发电(风电、光伏)还是能源(氢能、地热能、潮汐能等)转换,抑或是能源利用,都少不了电网的支持。图2展示了一个泛在电力物联网应对电动汽车充电的内外网、供电用的一个完整体系。
3 新一代智能电表的发展趋势
从传统计量电表到电力物联网新型智能电表,其发展的趋势是:多功能智力平台构建、众多半导体厂家参与、三表合一的综合应用、应对多元化的多功能服务等。
- （1）多功能智力平台构建
为了应对电力物联网对用电侧的智能用电管理,将传统电能计量表变革到集感知、控制、监测、用电管理为一体,具有通信、交互、显示功能的一个智力平台;为了适应未来大数据、云计算的应用,该平台不仅有良好的智能控制能力,还应有强大的计算能力,以满足边缘计算要求。从单一通话功能手机到如今智能手机的演变,我们可以想象一下未来智能电表的发展前景。
（2）众多半导体厂家积参与
智能电表以MCU为核心,并逐步过渡到能满足边缘计算、实时感知与控制的AI芯片。受市场需求吸引,早在十多年前,众多半导体厂家就积参与了智能电表芯片的开发,如早期ADI公司的ADE系列、飞思卡尔的MZ系列、恩智浦的LPC1700系列、西门子的Blackfin处理器等。众多国际半导体厂家的介入有利于智能电表硬件体系的不断更新,以及从MCU到AI芯片的更新迭代。
（3）三表合一的综合应用
为了应对智慧楼宇、智能家居的建设,原有分离的三表 (气、水、电表)将逐渐走向合一,从而开创多传感器感知与 智能控制的智慧生活时代。未来,三表合一的综合计量、AI 芯片的算力提升、边缘计算的特殊赋能、用电模式的远程测 控等将大地提升家庭能源应用的智慧化管理水平。
（4）应对多元化的多功能服务
为了应对日益多元化的能源及能源管理,智能电表将 逐渐完善从单向到双向、从近程到远程、从通信到控制的 功能进化。例如:为了应对分布式电源、储能电源的电网输送,智能 电表从电网侧单向计量变为电网侧/用户侧的双向输送、 计量、管理与监测功能;为了应对用供电侧的交互功能,新型智能电表必 须具有双向通信功能,如供电侧发出用电信息、用电侧发 出请求调控信息的双向通信功能;为了应对未来更多外部设备接入带来电源管理要 求,智能电表会开发出众多的遥控、遥测功能,未来的智能 电表会成为一个智能化住宅、楼宇用电模式的控制中心。
4 智能电表的IR46双芯体系构建
早期,智能电表结构体系的国际标准IR46(InternationalRecommendation46)由国际法制计量组织(OIML)制定并于2012年10月发布。多年来一直在不断完善,我国一直遵循该标准。
IR46标准的核心理念是使智能电表向测控平台发展,实现计量与管理双芯结构,并保证双芯的物理分离。双芯之间只能通过SPI接口进行数据交换。图3清晰地展示了一个智能电表的标准双芯结构体系。
计量芯作为独立的法制计算部分,严格管控,不能随意升级,以确保数据准确可靠、数据可追溯与时钟的安全性。
管理芯满足平台管理要求,实现双向交互、显示与通信,用电管理与优化用电模式等。软件下载与更新不影响计量芯的正常工作,未来还须满足边缘计算要求。
双芯之间依靠SPI总线相连。SPI是主从模式的串行外设接口总线,支持一个或多个Slave设备,广泛用于MCU和外设模块连接。这种总线连接方式有效地保证了双核间相对独立与安全操作空间。
智能电表双芯设计理念源于泛在电力物联网的内外网体系结构,以及内外网不同的状态。泛在电力物联网的内网是一个垄断、封闭、关乎利益与安全的电网,外网则是一个充满不安全因素、自由、开放的互联网。双芯的结构模式可以在确保电网安全与电力用户数据安全的同时,充分介入用户端的用电管理,实现与用户的自由交互,有利于未来智能电表在用户侧的平台化应用。
5 Acrel-EIOT能源物联网云平台
（1）概述
Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。
该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。
（2）应用场所
本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。
（3）平台结构
（4）平台功能
电力集抄
电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析�
