智能计量系统的发展及其系统SoC应用

徐 鼎

山东电力研究院 山东 济南 250002

0 引言

由于智能电网技术的不断发展，因此对电网的基本计量工具-电能表也提出了更高的要求，从而推动了智能电表技术的发展和研发。最早的智能电表架构是结合了多个集成电路去实现所需的功能。通常情况下，微控制器进行系统的管理和显示任务，多个模数转换器结合固定功能信号处理器担当计量职能。之后结合的大型仪表制造商的模数A/D转换和数据信号处理器DSP功能而研发出下一代专用计量功能的智能电表使用的专用集成电路。最新的有线和无线通信的基础设施为智能电网管理和智能电表的推广提供了一个未来的技术平台。从长远来看，这一通信基础设施将提供一个促进分布式能源和可再生能源发电 （如风力和太阳能）的基础。为了支持智能电网的发展，未来的电网将根据需要，让终端客户获取更多地可再生能源和自己产生的可利用能源卖回给电网系统。

1 智能计量系统

智能计量系统能够与广大用户一起在用电高峰时段实现削峰平谷，以提高电网的安全性和经济性。智能计量系统的建设可分为以下三个层次：AMR、AMI、智能电表。

1.1 自动抄表 （AMR，Automated Meter Reading）

抄表是电力企业运营的基础环节，抄表数据的准确性和及时性直接关系到电力企业的自身利益。AMR系统是根据特定国家和监管环境的规定而定的，通常使用两种方法来实现。一个方法是使用在计量端点相对较高功能的计量能力，而其他方法侧重于更低的成本和简单的功能。

为了避免损失数据，并确保计量精度和计费准确性，一些有严格司法监管的地区还要求，读取的数据采取在相对短的时间间隔（每15分钟），积累的数据在更长的沟通间隔（每8小时）。然而，由于规定补偿通信故障的潜在危险则要求至少有两个数据建立并始终保留在测光点。这意味着，计量芯片必须能够至少可以存储16个小时的数据。最后还要把AMR功能直接加入到计量芯片当中去。

在对AMR过程监管环境要求不太严格的地方上，公用事业公司可以尽量减少智能电表的成本和简化计量功能（除非另有特殊规定）。

1.2 高级量测架构（AMI，advanced metering infrastructure）

美国联邦能源管理委员会对AMI的描述是：在智能表计与公共企业系统间的通信硬件和软件及相关的系统和数据管理软件共同形成的一个网络，并具备为公共事业单位、客户、零售商等其他机构收集传递数据信息的功能。是一个用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的完整的网络和系统。

通过智能电表终端和主战之间建立的强安全网络架构AMI可以实现电网公司和用户的双向计量和通信。相较于AMR方式，由智能电表加上广域通信网络、计量数据管理系统和智能家域网络（HAN，Home Area Network） 组成的AMI可以更加高效、低价、可靠使用电能。

智能电网自动运行的程度、能源效率和节能效率的能力、运行成本的控制都依赖于AMR和AMI的建设和完善。

1.3 智能电表

1.3.1 智能电表的基本功能

智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表，是AMI网络上的系统传感器和量测电。性能良好的智能电表应该具有以下基本功能：

智能传感器可以实时地测量电量、电流和电压值；

内嵌式通讯调制解调器；

可以远程/本地通信，实现远程供断电及程序更新；

能够实现双向计量；

信息实时交互实现数据处理与储存；

窃电报警；

内嵌式开关可以远距离和局部操控；

1.3.2 对智能电表的要求

a）现场可编程性 （Field Programmability）

现场可编程性为公用事业公司提供了更大的灵活性，方便调整政策用来应对不断变化的能源使用模式。例如，当需要大量调整用户转向其它能源消耗或调整用电时段时，可将季节性或者将一天中的特定时间定价设置为峰值。通过远程升级程序还可以允许公用事业快速地调整自己的奖励利率激励客户，以帮助顺利出峰并可同时跟踪动态需求在高峰使用模式的变化。

b）能源可管理服务 （Energy-Management Service）

智能电表可以使得公用事业的实时可视性进入使用模式。进而推动需求方能够自我管理的模式，还可使客户能够更好地管理自己的能源使用情况。例如，有些计划给客户提供增强选项，通过互联网监测，按每小时的使用量来促使他们去调整用电情况，可以更多地利用优惠电价下能源的使用。除此之外，还可有计划的采用与客户的自动调温器相结合的无线一体化的智能电表，在能源高峰期间自动调整以便降低总费用。

c）安全机制 （Security Mechanism）

防窃电是智能电表的另外一个关键的驱动要素，尤其是在发展中国家，电力盗窃是一个重大的成本问题。

典型的窃电技术五花八门，如打破电表的机壳，在电表外放置磁铁使得磁性元件饱和等。有些则是试图改变负载的特性，如增加电容，半波整流负载或者瞬间高电流等。其他的可能全部或部分绕过电表，导致流经电表中性末端中交流电流的增加。

1.3.3 智能电表的发展

a）智能平台：建立未来智能家域网络（HAN，Home Area Network）平台

家庭能源管理自动化

遥控负荷管理

能源的分布式产生和储存

电动车

b）双向通讯

双向通信是电力网络运营商能够提供扩展能源资源，智能监测和控制能力的关键。运营商们可以对电网进行实时监控乃至整个电能的消耗，实现可改变税费的时间表，并设置限制用电，以便更好地管理电网的高峰负荷。

反过来，消费者也可以对他们的电力消耗进行实时观测，从而增强使用方的保护。还可以根据可变费税时间表的设定，用户可以尽量减少电力高峰使用时间内消耗。

c）电力线通讯（PLC）技术是节省成本的关键

PLC是目前智能电表中最广泛采用的通讯技术

通过电力线的通讯使得智能电表更加符合成本效益。由于它的通讯使用的是电力线，这种技术允许电网运营商利用现有的电网基础设施实现高度安全可靠的通讯。因此，电力线通讯不再需要部署一个独立的通讯基础设施来补充已有电网络的基础设施。

世界上第一个基于OFDM的PLC调制解调器与传统的窄带PLC调制解调器相比可以进行更长的距离的通讯传输，它可以在10kHz至490kHz频率范围内操作。这种调制解调器采用了先进的宽带网络技术，可以实现不良信道条件下的高度可靠和安全的数据通信。

d）自动仪表管理系统（AMM）

自动仪表管理系统的一个主要考虑就是减少窃电。AMM的独有功能是分布式财产管理系统和使用阈值检测等为有关部门提供了一个减少和消除经济损失的有价值工具。AMM系统可以根据预先承诺的基础上设定使用阈值而直接控制等等。

自动仪表管理系统还可以减少人工数据录入和传输所带来的误差。

1.4 智能计量系统的优点

客户服务：为用户提供更加方便，优质和快速的服务

电力能源的使用量可以按年、月、日甚至每小时自我读取

更加节能，提供更好的能源使用和停电管理提供预付费支付选项

降低营运成本，自动读表系统成本的降低使得整个营运成本的降低

需求管理：为客户提供的能源使用及效率的管理手段

新的费率选择及减少延迟付款

提供能源使用数据，峰值使用时间的控制使得账单的价格更低，增加数据的安全性

环保：不仅可以选择是否在峰值期间使用，还可以控制温室气体排放和污染的控制

2 SoC系统芯片

SoC（System on clip）系统级芯片，是一个具有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。带DSP功能的专用高精度计量芯片逐渐替代了以往采用多个采样模块加上多路转换开关和高分辨率的模拟数字转换器构成一个同步采样模块的方式。SoC芯片是将整个应用电子系统全部集成在一个芯片中，芯片嵌入快速CPU、模拟比较器、载波发生、脉冲去抖等电路。基于SoC芯片的电能表具有高精度、低功耗、防窃电、有助于提高电力线载波抄表通信成功率等特点。近几年国内外智能电表系统正向SoC芯片技术方向发展。

智能仪器的系统芯片（SoC）中包括以下功能：

灵活的，多端口的通信选项以支持AMR链接，与局部的装置如自动调温器整合以及多点子仪表拓扑结构。

大流量多读处理功能，比如采用多通道输入到一个带有可编程序计算器的delta–sigma型模数转换器去降低单元成本。

最低硬件的投入支持各种传感器的信号输入去调控温度和其他环境变量以提高效率和准确度。

现场可升级软件以延长仪表方案的使用寿命，并可以根据制定的方针政策去动态地调整和能源优化的使用。

多相监测和分析功能，以帮助和管理能源的消耗，能够进行负载分析和优化电机功能等。

LCD接口能够支持多种电压和屏幕解析度。

带有外部内存管理功能以及各种可扩展的内部闪存容量能够支持广泛的数据存储选项。

备有几个篡改检测的机构可以防止能源被盗窃，他们支持电流互感器，罗戈夫斯基线圈，电流分流检测以及他们的组合电流敏感机构和开路电流传感器检测等。

对于单相和多相电源功率测量时，即使在特殊的测量篡改检测条件下仍能够进行单线的功率测量。

内置实时时钟（RTC）功能。

图1 SoC智能电表系统芯片结构基本框架图

3 结论

总之，智能电网管理技术中的智能计量系统，是一个可以实现环境保护和资源充分利用的更聪明的解决方案。而集成的SoC解决方案可以通过优化去限制这些成本，其性能和灵活性可在不去建造更多的发电厂的情况下，去支持最坏的生态情况（比如为期一周的用电高峰），电网运营商还将能够最大限度地利用现有资源和可再生能源的发电等。同时，用户的管理功能可以更好地去平衡负载的分布。

许多新的智能电表系统芯片（SoC）的出现为智能电表大规模地普及和应用创造了前所未有的机会。随着SoC方案的逐渐成熟，和在国外部分市场的批量使用的示范效应，SoC方案将在未来两到三年内取得实质性突破，也将把智能电网技术推向一个新的阶段。

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