智能电表的低压集抄系统专利分析

于正河 庞红

摘要：针对智能电表的低压集抄系統在发展过程中存在的技术问题，本文通过专利检索和人工去噪，对该领域的技术构成、专利技术活跃度以及重点专利进行详尽的分析。分析结果表明，在智能电表的低压集抄系统领域，我国已经成为专利申请量第一的国家，但是核心技术急需突破，专利质量急需提升，政府部门应出台相关政策，鼓励高校、科研院所和企业等加大对该领域核心技术的研发投入，提高我国在该领域高质量专利的申请量。该研究为智能电表的低压集抄系统的研发和专利布局提供了理论依据。

关键词：智能电表; 抄表系统; 专利检索; 专利分析; 专利布局; 高质量专利

中图分类号： TM933.4  文献标识码： A

随着信息技术的快速发展，以智能电表为核心的低压集抄系统开始进入人们的视野[1]。基于智能电表的低压集抄系统，运用通讯系统和计算机网络系统等新的技术手段自动读取和处理电表数据[2]，这项技术将数据自动采集、传输和处理运用到电能供、用与管理系统中，是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户消耗用电的智能化电力管理系统，从根本上克服了传统人工抄表方式的弊端，为现代化的电能管理创造了良好的条件[3]。目前，我国正在大力推行分时电价运营、预支电费等先进的电力管理模式，而抄表方式的改进是这一管理模式大力推进的必要条件[4]。自动抄表技术最早是在国外发展起来的，早在1971年国外就已有该行业的专利申请，1986年美国成立了自动抄表研究协会（automatic meter reading association，AMRA）[5]，这为美国自动抄表技术的发展起到了推动作用。而从2004年，自动抄表技术的专利申请开始进入快速增长期，申请主要侧重于通信技术领域。此时，世界各国通信领域的技术飞速发展，微电子技术、计算机（单片机）技术、数据通信技术和自动控制技术等高新技术的发展，促进了多功能、智能化电子式电能表技术的进一步成熟，在降低生产成本的同时，也促进了电能远程集中抄表技术的产生与发展[6]。在20世纪末21世纪初，世界各国先后开始发展智能远传电表，虽然投入力度及侧重有所不同，但都经历了一个比较长的发展过程[7]。由于电在整个国民经济和人民生活中具有举足轻重的作用，统计用电量抄表系统的发展也显得至关重要[8]。因此，本文通过对智能电表的集抄领域进行专利检索和人工去噪，分析目前该领域国内外的发展状况，为提高我国在该领域高质量专利的申请量提供参考。

1 集中抄表系统技术构成

1.1 主要技术分支分析

集中抄表系统专利申请数量较多，涉及技术分支也很多，通过专利检索和人工去噪，挑选出其专利申请量排名前20位的主要技术分支进行分析（主要技术分支所占百分比），集中抄表系统主要技术分支占比如图1所示。

前20位主要技术分支的含义如下：

G08C17（18%）： 按照所采用的无导线电气线路表征的信号传送装置。

G08C19（13%）： 电信号传输系统。

G01R11（11%）： 用于测量电功率或电流的时间积分的机电装置。

G01R22（8%）： 用于测量电功率或电流的时间积分的装置，例如电表。

H04B3（5%）： 有线传输系统。

G01R35（5%）： 包含在本小类其他组中的仪器的测试或校准。

H04L29（5%）： H04L1/00至H04L27/00单个组中不包含的装置、设备、电路和系统。

H04L12（4%）： 数据交换网络。

H02J13（4%）： 对网络情况提供远距离指示的电路装置。

H04Q9（3%）： 用于从主局选择地呼叫一个分局的遥控或遥测系统的装置。

G08C23（3%）： 非电信号传输系统，如光学系统。

G07F15（3%）： 有仪表控制的分配液体、气体或电的投币式设备。

G06Q50（3%）： 特别适用于公用事业或旅游等特定商业领域的系统或方法。

G08C15（3%）： 以使用的多路传输为特征的装置，该多路传输用于在一公共通道上传输多个信号。

H04M11（2%）： 专门适用于与其他电系统组合的电话通信系统。

G01D4（2%）： 计费设备。

G05B19（2%）： 程序控制系统。

G01R31（2%）： 电路故障的检测装置;以提供在其他位置所进行的测试为特征的电测试装置[9]。

H04W84（2%）： 网络拓扑。

H04N7（2%）： 电视系统。

由上述排名可以看出，集中抄表系统的专利申请主要集中在无线通信技术、信息传输、智能电表和有线通信技术等领域，其中无线通信技术是抄表系统主要攻克的关键技术，是研发的热点技术。随着智能电网建设和用电管理需求的提高，对集中抄表覆盖面、信号传输稳定性、远距离传输的可靠性等方面的需求越来越高[10]。信息采集系统和信号传输系统的技术改进和提升是各电力企业面临的重大技术问题[11]。

1.2 各重点技术专利申请量发展趋势

各重点技术专利申请量发展趋势如图2所示。由图2可以看出，H04L12、H02J13和H04Q9这三个技术的发展较为缓慢，各申请人在这几个分支的投入和关注较小，属于该领域的空白点;而G08C17、G08C19、G01R11和G01R22近年来发展迅速，属于该领域主要研发方向和热点。

2 专利技术活跃度分析

经调查发现，集中抄表系统专利的申请人较为分散，排名前3的是国家电网公司、中国电力科学研究院和个性化传播传媒有限责任公司（personalized media communications limited liability company，PMCLLC），申请量分别是900，104和73件，分别占抄表系统总申请量的116%，13%和09%。因此，以国家电网公司为重要申请人，对其所有专利申请和抄表系统专利申请的技术分支进行分析。经检索，国家电网公司名下专利申请总量为136 319件（横坐标为技术分支，纵坐标为专利申请量），对于国家电网公司，专利申请排名前10位的技术分支如图3所示。进一步检索和去噪，国家电网公司涉及集中抄表系统的专利申请量为900件，集抄系统专利申请前10位的技术分支如图4所示。

由图3可以看出，在技术分支G01R31（电性能测试、探测装置）上的申请量为11 390件，在技术分支H02G1（安装、维护、修理或拆卸电缆或电线的方法或设备）上的申请量为9731件，在技术分支H02J3（交流干线或交流配电网络的电路装置）上的申请量为6806件;由图4可以看出，国家电网公司在技术分支G01R35（仪器的测试或校准）上的申请量为226件，在技术分支G08C17（无线通信传输）上的申请量为161件，在技术分支G08C19（电信号传输系统）上的申请量为143件。

国家电网公司在抄表系统领域的申请量排名第一，占抄表系统总申请量的116%，是关系中国能源安全和国民经济命脉的国有重要骨干企业，是电力行业的上游企业。因此，国家电网公司为该领域重要申请人。综合国家电网公司名下的专利申请数据，其申请的抄表系统专利仅占其所有专利总量的07%，其在集中抄表系统专利的重要技术分支G01R35、G08C17和G08C19在其专利总申请中排名靠后，因此說明集中抄表系统专利申请的技术活跃度不高。

3 重点专利分析

3.1 国外重点专利分析

从国外集中抄表系统通信技术专利中筛选同族专利个数在10个以上的专利，共42件，再从42件专利中筛选被引证次数最多的4件专利作为重点专利进行分析，国外集中抄表系统通信技术部分重点专利如表1所示。由表1可以看出，通信技术重点专利主要产生在美国和德国等发达国家，且在世界范围内的布局较广，技术内容涉及扩频技术、用于远程通信的无线网络上的控制和自动化、用于远程数据产生站的通信协议等。

公开号为US20060209932A1的专利，用于处理无线通信网络中的路径分量系统和方法，提供了一种通信系统，其包括一个或多个路径分析器，以确定相对于无线通信网络中使用的一组信道路径的路径幅度。这样的分析可包括模拟或数字信号处理，以确定信号路径的峰值能量含量，相位估计或其它参数等方面。从路径确定中，一个或多个阈值分量部分地基于路径幅度，选择用于通信的信道路径的子集。

公开号为GB2352590A的专利，手持式仪表读取器读取实用仪表，如煤气、水表或电表，可从仪表接收无线电频率传输的数据，也可从仪表感应接收数据，从而使其能够读取多种类型的仪表。读者可以使用各种协议进行交流，也可以在收音机和感应阅读之间自动切换。读取器发送一个信号，使其在所有范围内以时间交错的方式传输数据，根据ID编号或生成的随机编号，读者可以通过在审问信号中发送识别号来询问选定的仪表，也可以提供与计算机射频同轴链接器（radio frequency，RF）链接以下载数据[12]。计算机可能在车辆中，抄表路线可存储在计算机中，然后提供下一个抄表信息给读者，路线也可以存储在阅读器中。

公开号为WO0004427A1的专利，用于监测和控制电器或实用程序。其可以与远程通信的从属节点使用一种协议用于不同的媒体，包括有线网络上的控制和自动化、无线电、微波和输电线。这种虚拟因特网链路响应到请求，从所述服务器和遥控器，以复制信息，作为通过上述远程节点被连接到因特网。虚拟链路是用于远程信息中读取家庭自动化和安全反射的主服务器。所述互联网上远程节点的动作数据库信息，通过一个主从属异常的协议支持自动化计量，安全地实现e现金传送和因特网后信道请求。

公开号为WO9532595A1的专利，用于一个中心数据之间的通信数据终端，多个中间数据的终端，多个远程单元的节点和多个网络服务的模块，使用多个帧与每个具有多个信道帧。所述多个中间数据的终端发送中断描述符表（interrupt descriptor table，IDT）同步信号到多个远程单元的节点在第一信道帧。上述多个远程单元的节点发送广域网（remote computer network，RCN）同步信号到多个网络服务的模块在第二信道帧。该网络服务模块从多个物理设备发送数据，使用无线波，作为网络安全管理（network and security manager，NSM）分组信号以上述多个远程单元的节点使用一个第四信道帧。多个远程单元的节点存储呼入NSM分组信号和响应于第一轮询信号一个第三信道中发送该帧从一个特定的中间数据的终端，发送所述NSM分组信号，以该中间数据终端作为RCN一个第五信道的帧上的分组信号。该中间数据终端依次存储RCN从上述多个远程单元的节点接收到的分组信号和响应于第二轮询信号从中央数据发送终端上的一个第六信道帧，发送RCN分组信号作为一个IDT一个第七信道的帧上的分组信号到中央数据终端。

3.2 国内重点专利分析

从2941件国内集中抄表系统通信技术专利中，筛选同族专利个数在2个以上的专利，共400件，再从400件专利中筛选被引证次数最多的4件专利作为重点专利进行分析，国内集中抄表系统通信技术的部分重点专利如表2所示。由表2可以看出，国内通信技术重点专利主要是远距离通信技术、电能管理控制系统和电能信息采集等。

公开号为CN102177729A的专利，在电气电力线上为电力线通信（power line communication，PLC）提供系统、方法和计算机程序产品，包括可安装在电气配电变压器（distribution transformer，DT）附近来提供高速接口的装置，并与一个或多个接入装置通信，所述接入装置为通过无线电高空测候器（radio sonde，RS）RS232、RS485、光学、无线和以太网上的模拟信号或数字信号提供低速接口。所述装置将到/来自在电气线上的这些接入装置的数据传送到在一根电线的一条或多条金属线上或在多根线上的其他中继器，并用来增强和改进信号质量。检测到金属线或线承载数据存在问题，就在其他金属线上发送所述数据，并且电力线一有故障就利用到全球移动通信系统（government system for mobile communications，GSM）和全球微波互联接入（WiMax）网络的无线后备[13]中。所述装置允许公用事业和其他来读取电表，并监测配电网的电力质量及检测电力损耗、故障、中断。

公开号为CN101826755A的专利，其结构包括电力用户集控终端装置、数据传输装置和系统监控服务器。电力用户集控终端装置用于接收电力用户监控设备的用电信息及输出控制用户监控设备的信号[14];数据传输装置向下至少连接一个电力用户集控终端装置，向上通过有线网络与系统监控服务器连接;本发明对现有技术的贡献是实现了企业和用户的即时互动和信息交流、电力企业内部的信息互动和交流;实现了电网及设备的紧急事项保护;系统可以实时采集配电网中的所有线路运行数据、设备运行数据、设备状态数据、计量装置数据、通信传输系统的运行数据、传输设备状态数据、图象数据、音频和视频数据等[15]。

公开号为CN101354408B的专利，是一种建立在台区集中服务终端的电能采集与运行基础上的管理系统与方法，该系统包括主站系统、台区集中服务终端、电能表采集器、台区电能表和居民电能表[16]。主站系统的主要功能是对数据进行采集、处理、管理分析和输出，并对整个系统的运行状态进行监控和升级;台区集中服务终端主要用于配变监测、用电现场管理抄表等;电能表采集器主要负责抄表任务[17]。下行选择使用RF窄带无线射频数传/电力载波/RS485接口与电能表采集器通讯，上行通过通用分组无限业务（general packet radio service，GPRS）/码多分址（code division multiple access，CDMA）信道将所有数据上传至主站系统[18]。

公开号为CN1278339A的专利，是一个含有多个用户输入端的室内环境控制和能量管理系统。用户输入端主要负责接收用户的输入参数，该端口包括至少一种能量单位价位的室内环境条件范围[19]。室内环境条件输入端口主要用于接收实时监测的室内环境条件。能量价格输入端会根据单位时间周期内的能量成本预算来制定相应的用电计划。与各输入端耦合的处理器可以基于用户输入参数来计算多种能量单位价位的环境条件死区范围，并且控制至少一个能耗载荷设备[20]。在上述实施方案中，环境条件至少包含温度、一个载荷设备、加热和冷却系统。处理器通过通信链路与至少一个能量供应公司进行通信，并且最终确定一个能量供应公司，使屋内能耗成本降到最低。

4 结束语

智能电表低压集抄系统的技术分支主要集中在无线电力传输、电信号传输和有线传输等领域，并且各重点技术的专利申请量呈迅猛发展态势。此外，无线电力传输、电信号传输和用于测量电功率或电流的时间积分装置等技术分支是未来的研发热点。国外在该领域的重点专利主要涉及扩频技术、远程通信技术的控制和自动化等技术分支，而我国在该领域的重点专利主要集中在远距离通信技术、电能管理控制系统和电能信息采集等技术分支，由此说明该领域的重点技术仍然掌握在國外发达国家手中。但也可以看到，我国在该领域的发展势头迅猛，专利申请量位居世界第一。我国应注重专利质量，提升研发水平，以高校和科研院所为核心，努力推进通信技术等核心技术的研发。

参考文献：

[1] 张灏霁. 低压集抄系统建设的风险及控制措施探讨[J]. 科技资讯， 2018， 16（13）： 2829.

[2] 马晓东， 易鑫， 徐晓娜. 基于低压集抄系统的采集器升级方案研究[J]. 信息系统工程， 2019（8）： 2426.

[3] 高鹏聪. 低压集抄系统的推广与运行维护方式解读[J]. 中国新技术新产品， 2019（18）： 117118.

[4] 蔡晓聪. 低压集抄采集方案优劣对比[J]. 中国新技术新产品， 2019（12）： 4142.

[5] 董昌海. 船舶企业电能智能化管理系统的设计与应用[J]. 物联网技术， 2014， 4（8）： 8486， 89.

[6] 吴琼. 低压集抄全覆盖相关问题研究与分析[J]. 电工技术， 2017（7）： 7677.

[7] 王昌正， 郝柳. 远传抄表系统及塑料光纤技术与应用[J]. 建设科技， 2017（6）： 2026.

[8] 李俊松， 张靳予， 张合强. 面向居民的智能远程抄表系统的应用[J]. 电子元器件与信息技术， 2020， 4（1）： 9697.

[9] 董超， 刘玉国， 宋微. 基于专利分析的我国动力电池产业发展研究[J]. 现代情报， 2014， 34（6）： 132138.

[10] 魏金花. 电力系统自动化控制中的智能技术应用研究[J]. 中国新技术新产品， 2019（19）： 2526.

[11] 夏水斌， 余鹤， 董重重， 等. 基于集抄系统深化应用的低压台区电网拓扑重构方案[J]. 电测与仪表， 2017， 54（20）： 110115.

[12] 双维芳， 张辉. 信号传输领域关键词检索策略浅析[J]. 中国发明与专利， 2019， 16（6）： 104109.

[13] 谈红焱. 低压电能计量集抄技术应用与分析[J]. 技术与市场， 2018， 25（10）： 155157.

[14] 吕榕雪. 基于MODBUS协议的远程抄表系统[J]. 科技创新与应用， 2018（5）： 112113.

[15] 白晶. 基于单片机的智能化抄表系统设计[J]. 电子测试， 2017（22）： 2223.

[16] 梁洁. 低压集抄系统的实用化现状分析及策略[J]. 中国新技术新产品， 2017（20）： 2021.

[17] 张志铿. 谈低压集抄系统的运行维护与管理[J]. 科技资讯， 2018， 16（36）： 58， 62.

[18] 張仙兰. 低压集抄系统的应用[J]. 通信电源技术， 2019， 36（12）： 7476， 79.

[19] 马亦然， 王雅军. 浅谈智能电表的远程抄表系统[J]. 纯碱工业， 2018（3）： 2830.

[20] 杨中翔， 赵捷丰， 郑培强. 基于LORA的物联网燃气表抄表系统设计[J]. 电子技术与软件工程， 2018（15）： 172174.

Patent Analysis of Low Voltage Collecting System for Smart Meter

YU Zhenghe， PANG Hong

（Intellectual Property Institute of Qingdao University， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：   Aiming at the technical problems existing in the development process of the lowvoltage collection system of smart meters， this paper conducts a detailed analysis of the technical composition， patent technology activity and key patents in this field through patent search and manual denoising. The analysis results show that in the field of lowvoltage meter reading systems for smart meters， China has become the country with the largest number of patent applications， but core technologies are in urgent need of breakthroughs and the quality of patents is in urgent need of improvement. Enterprises and others have increased their investment in research and development of core technologies in this field to increase the number of highquality patent applications in China. This research provides a theoretical basis for the research and development and patent layout of the lowvoltage collection system of smart meters.

Key words： smart meter; meter reading system; patent search; patent analysis; patent layout; highquality patents