智能电能表在阶梯电价实施中的技术方案优化的探讨

王甜婧+王文光

摘要： 通过对实施阶梯电价技术方案的探讨，指出了更新智能电表为最适合供电企业的方案。从本地费控预付费功能、多费率及阶梯电价计算选择功能、远程数传通信功能、负荷监控和控制功能四个方面， 讨论了电能表技术方案的重点配置和优化，为电力部门在电能表的性能选择中提供了一个较佳的选型方案。

Abstract： Through the discussion of implementing ladder electricity price， updating smart meters is proposed as the most suitable scheme for power supply enterprises. From four perspectives of the local fees charged subscription function， choice of rates and ladder electricity price calculation function， remote digital communication function， load monitoring and control functions， the key configurations and optimizations of the technical scheme of watt-hour meter are discussed， and a better scheme of watt-hour meter selection for the power sector is provided.

关键词： 智能；电能表；阶梯电价；技术方案

Key words： smart；electric energy meter；ladder electricity price；technical proposal

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）22-0016-03

0 引言

目前阶梯电价政策已经出炉，我国居民用电即将实施阶梯电价政策，根据陕西省物价局近期通告，一户一表居民用电将实行阶梯电价，阶梯电价初步方案为：一档电量为120或150千瓦时以内的用电量（含120或150千瓦时），不加价；二档电量为120-210（150-240）千瓦时的用电量（含210或240千瓦时），每千瓦时加价0.05元；三档电量为210或240千瓦时以上的用电量，每千瓦时加价0.3元。然而目前现有运行的普通电能表及一部分预付费电能表均无法实现阶梯电价，本文就什么性能什么要求的电能表才符合供电企业实施阶梯电价的要求予以技术方案探讨。

1 技术方案的对比分析

1.1 升级电力营销系统软件来实施阶梯电价 将目前的电力营销系统软件改进升级为能够按照阶梯电价方案进行自动计算电费的软件，即抄表员将抄回的电能表中的耗电数据输入计算机以后，由电力营销系统软件根据用户实际用电量大小进行阶梯电价计算出用户应激的电费。该实施方案的优点是简单、投资少、见效快，缺点是对于已经装有预付费电能表的用户无法实施阶梯电价，同时这样滞后性计算出的阶梯电价电费会使用户不易接受、甚至可能会导致电费纠纷。

1.2 远程数传通讯售电来实施阶梯电价 目前远程数传的通讯方式不外乎有以下几种：低压电力线载波、无线数字电台、GSM/GPRS无线网络、485接口等通讯口组网。在这几种方式中，各自有各自的不同程度的优点及缺点，不论采用何种通讯方式组网，都具有无限传输的特性。优点是远程实时计算阶梯电价电费快捷高效、有利于监测及统计，缺点组网复杂、投资大、同时现行电能表需要更换为多功能电能表，经济性差，实施运行中易受通讯信道影响。

1.3 将大量普通电能表更换智能型电能表来实施阶梯电价 目前现有运行的普通电能表及一部分预付费电能表均无法实现阶梯电价，将这些电能表全部更换为具有本地费控制功能的智能型预付费电能表，由其表内自建的程序软件功能完成用户实时用电的阶梯电价自动选择与实施电费计算，如基于嵌入式系统，运用单片机控制计算电价，在表内实时扣除用户的实际用电电费。该方案的优点是本地化实时计算阶梯电价电费并予以实时扣除，不会导致滞后性计算所发生的电费交纳困难或纠纷，缺点是需要大量更换电能表，投资大。

从上面的分析可以看出：方案3是比较适合供电企业采用的，下面我们就将什么性能什么要求的电能表才符合供电企业实施阶梯电价最理想的要求予以技术方案探讨。

2 多功能或智能型预付费电能表技术方案的重点配置与优化

2.1 本地费控预付费功能的重点配置与优化 通过本地费控（IC卡或射频卡）实现离散式本地费控预付费及远程数传功能的电能表原理如图1所示。该类多功能或智能电能表应集电能计量、分时多费率控制、阶梯多费率控制、预付费控制、负荷监测、报警、显示、冻结、RS485通讯、红外通讯、载波通讯、IC卡数据读写等功能集于一身，实现客户用电量和用电信息采集存储。

在本地实现费控功能的电能表就是本地费控电能表。它不仅能够支持各种固态介质进行充值及参数设置，比如CPU卡、射频卡等，还可以支持虚拟介质实现远程充值、参数设置和控制功能。

在电能表内部进行电费实时结算是本地费控电能表的主要功能，其设置如下：

①如果设定的报警金额大于剩余金额，电能表会以各种方式提醒用户，比如声、光等；实时记录透支金额，一旦透支金额小于设定的透支门限金额时，电能表就可以发出断电信号，并控制负荷开关断电；同时如果电能表接收到相关的已续费通知后，就会首先把透支的金额扣除掉，只有在设定值低于剩余金额时，电能表才能被允许处于合闸状态，并能够通过远程或本地方式对电能表进行指令合闸操作。②电能表有一个被允许的最大储值金额，剩余金额不能超过它。③电能表的剩余金额可以和预存电费金额进行准确的叠加，还可以把相关的信息记录在各种固态介质上，比如CPU卡、射频卡等。④任何非指定介质的信息电能表都是拒绝的，一旦有人进行不正常操作，电能表自身具有一定的防护功能，自行停止工作，直到操作恢复正常以后，电能表就可以正常运行并且不会丢失数据。⑤相应的读写操作会在购电卡插入电能表3秒后完成。⑥必须经过严格的密码验证及安全认证才能通过固态介质对电能表进行各项操作，比如参数设置、电价费率、预存电费、ESAM数据抄读信息返写、下发远程控制命令等，此外，为了使电能表在一个允许编程的状态下运行，除了用户购电信息，在设置其他一些用电参数时必须通过编程键和编程密码验证。⑦在设置电能表内的各项用电参数时，除了通过固态介质实现，也可以在保证安全的前提下利用虚拟介质实现。⑧安全认证加密要求：为了保证数据传输安全可靠，在通过固态介质设置电能表内的各项参数时，比如预存电费、电价费率、信息返写、下发远程控制命令等，必须经过严格的密码验证或ESAM模块等安全认证。同时ESAM模块的加密算法必须依照国家的相关规定使用SM1算法。

并且，以上功能配置均应满足《GDW 1364-2013单相智能电能表技术规范》[2]。

2.2 多费率及阶梯电价计算选择功能的配置与优化

具有该功能的智能型电能表，应以MCU+计量芯片技术为基础，采用当今世界最新集成电路技术，并满足相关技术标准和国家电网行业标准《GDW 1364-2013单相智能电能表技术规范》、Q/GDW354-2009《智能电能表功能规范》、Q/GDW365-2009《智能电能表信息交换安全认证技术规范》等制造标准。同时性能方面应具备如下功能要求：

①应具有两套以上的电价方案，可在约定的时刻或达到约定的用电量水平时自动转换；②应支持通过授权的CPU IC卡或射频卡修改阶梯电价方案；③应支持远程通讯数传方式通过授权的存在指令修改阶梯电价方案；④具有两套以上的电价方案，可在约定的时刻或达到约定的用电量水平时自动转换。

2.3 远程数传通讯功能的配置与优化 远程数传通讯功能的配置应符合DL/T645-2007《多功能电能表通讯协议》[6]要求及《GDW 1364-2013单相智能电能表技术规范》要求， 其配置的通讯接口及其设置应满足如下要求：

①红外通讯接口、RS485接口、载波通讯接口、本地固态介质（CPU卡、射频卡等）接口，红外通讯、RS485、载波通讯接口的物理层相互间独立，一个通讯接口损坏后不影响其它接口的正常运行。②通讯接口和电能表内部电路实行光电隔离，有失效保护电路。③电能表与载波通讯模块之间的通讯遵循DL/T645-2007协议及其备案文件，采用外部即插即用型的载波模块，载波通讯接口有失效保护电路，即在未接入、接入或更换通讯模块时，不会对电能表自身的性能、运行参数以及正常计量造成影响，在载波通讯时，电能表的计量性能、存储的计量数据和参数不受到影响。

通过低压电力线载波通讯实现远程数传功的原理示意图如图2所示。

从这种数据通讯数传方式可以看出：在一个小区内从电能表到集中控制器（通讯机）之间是低压电力线载波通讯，从集中控制器（通讯机）到电力结算中心之间是用公用电话网或通信光缆进行连接。采用这种通讯连接方式安装非常的简单，由于没有任何多余的连线，网络连接接点大大的减少了，进而各网络线路之间的连接的接点故障率也就不会很高了，有效的弥补了其他多连接点连接方式的弊端，同时如果把一个可控开关安装在电能表内，电能表还可以对用户的用电情况进行远程在线检测机控制等。

2.4 负荷监测与控制功能的配置与优化 安装使用大量多功能或智能型电能表以后，可以利用其自身具有的通讯接口组建立远程数据实时通讯数传系统，从而可以构建出对用户用电情况的实时数据监测与控制，这样便利了供电企业实施对用户负荷的监测及控制，便于对用户用电情况进行在线数据分析及统计。其电能表的负荷监测与控制功能的配置应符合如下优化设置要求：

①电能表的数字面板上应有：电流、电压、有功功率（负荷）指示、需量指示、跳闸指示、合闸指示、报警指示等数字及状态指示信号设置。

②电能表有可输出脉冲或电平开关信号，控制外部报警装置或外部负荷开关，负荷开关可采用两种方式，分别是内置和外置，当采用内置负荷开关时，电能表在开关操作时具有消弧措施，它的出口回路在操作异常时会发生信号，同时还能够进行现场测试。当采用外置负荷开关时，电能表设计有一组开关信号，正常工作时，输出的开关信号维持负荷开关合闸，允许用户用电；当满足控制条件时，输出的开关信号驱动外置负荷开关动作，中断供电。

③当电能表停电后，可通过按键唤醒电能表，电能表被唤醒以后如没有按键操作，自动循环显示一遍后返回掉电状态，若有按键操作则按键操作30秒后返回掉电状态。当外部交流电源断电后，电能表由内部电池供电保持不间断工作，同时电表为降低电池功耗，自动转入休眠状态，当外部交流电源恢复供电时，电表推出休眠状态，休眠状态下可唤醒。

3 结论

首先通过对实施阶梯电价技术方案的探讨，对比升级电力营销系统软件、远程数传通信售电、更换智能电表四种方案，指出了更新智能电表为最适合供电企业的方案。然后从本地费控预付费功能、多费率及阶梯电价计算选择功能、远程数传通信功能、负荷监控和控制功能四个方面， 讨论了电能表技术方案的重点配置和优化，得出了现阶段符合供电企业实施阶梯电价所需要的较理想技术要求的多功能或智能型电能表的技术方案，从而可以为供电企业在实施阶梯电价过程中，对电能表的性能选型提供一个较佳的选型方法，同时也可以给电能表生产厂家提供一个供电企业迫切需求的电能表技术方案目标，执行标准依据新的国家电网《GDW 1364-2013单相智能电能表技术规范》。

该技术方案克服了以前普通电能表及普通预付费电能表所固有的缺点，有利于提高本地费控网络化的付费率、简化预付费阶梯电价计算以及提高系统的安全性、可靠性和科学性，不但能够在表内实时实地计算用户的阶梯电价电费并予以实时抵扣，而且还能够利用表内的电力线载波功能或485接口通讯功能对用户进行在线检测、远方抄表与在线分析等工作，大大方便电力部门及时掌握用户的用电情况，随时可对用户的用电负荷、用电量等情况进行监测与管理，给电力部门的负荷管理、线损管理等工作会带来许多便利。

参考文献：

[1]李剑.单相智能复费率电能表的设计与开发[D].上海：同济大学，2008.

[2]2009 Q G D W，智能电能表功能规范[S].2009.

[3]林女贵，莫桑比.智能电能表费控模式选择研究[J].闽江学院学报，2013，34（1）：40-43.

[4]余波.智能电能表引领智能营销[J].科技与生活，2010（017）： 212.

[5]宗建华，闫华光，史树冬，等.智能电能表，北京：中国电力出版社，2010.

[6]2007 D L T，多功能电能表通信协议[S].2007.