基于高级量测体系的电能表计量发展研究

摘要：智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，它的提出将对电能计量系统的功能和精度提出了更高的要求。本文首先介绍了高级量测体系在智能电网中的作用，然后重点讲述了电能表计量系统发展的历程与实现的功能，并简要说明了智能化计量系统的优势与存在的问题，最后展望了智能电网前景。

关键词：智能电网；高级量测体系；电能计量；智能化

中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-02

1 引言

智能电网已成为当今世界电力行业关注的热点，被认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势，引领了电网未来发展的方向。我国在智能电网建设方面也制定了相应的发展规划，高级量测体系（advanced metering infrastructure，AMI）[1]作为智能电网的重要组成部分，它为智能电网的互动性提供了框架性基础，因而建设AMI系统是实现智能化电网的重要举措。

AMI是一个使用智能电表通过多种通信介质，按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据、能够提供开放式双向通信的系统，是智能电网的基础信息平台。建设AMI，将彻底改变从电力流向信息流单向流动的现状，实现用户和电力供应商的互动交流和实时的技术支持。用户和电力供应商的互动信息，能使用户及时了解电网负荷的使用情况和电价信息，选择用电时间合理利用电力资源，在电价政策的引导下减小电网负荷的峰谷差，达到削峰填谷的目的，从而使用户由被动电力消费者变为主动参与电网的运行者。目前，首当其冲的是在AMI体系指导下，智能化电能计量系统作为智能电网构建的重要组成部分，将朝着智能化、信息化、网络化方向发展。

2 电能表计量发展历程与功能

电能表作为电能传输和消耗的计量装置，在人民生活水平和工业生产日新月异的环境下，将起着举足轻重的作用。从1889年德国人布勒泰制成的世界上第一块感应式电能表开始，电能表计量系统由感应式向电子式的技术革新已走过了一百多年的历史，现正在往智能化电表方向发展。

2.1 感应式电能表计量。感应式电能表基本工作原理是：使得固定线圈在交变电流的作用下，将产生的磁场与金属铝圆盘中产生的感应电流相互作用，从而产生电磁转矩，通过该原理即可累积耗费的电能达到电能计量的目的[2]，如图1所示。

此种表计具有电磁兼容性好、维护简单、价格低廉和使用期限长等特点。历经百年经过不断的进行功能完善和缩小体积，以达到逐步满足电力工业市场的需要，致使它稳居电能计量工具的主导地位。无可否认的是，由于其内部电磁旋转元件容易老化致使感应式电能表的计量准确度达不到很高的标准而且功能也比较单一。

2.2 数字化电能表计量。传统的电磁感应式电能表在功能实现与计量精度上都远落后于工业社会的要求，因此随着微电子技术的迅猛发展，以微处理器芯片或专用的电能计量芯片为核心的数字化电能表孕育而生，它具有精度高、可靠性强和多功能等诸多特点，极大满足了现代电力市场的需求。

2.2.1 基于MCU/DSP的数字化电能表。基于MCU/DSP的数字化电能表[4]，如图2所示，首先对现场的大电压和大电流信号进行调理整形，然后将得到的数据经过A/D采样后，由MCU单片机进行软件计算，利用其内部的电能参量程序算法计算得出各电能参量，此种方案实现的数字化电能表在硬件配置上是相当灵活性的，可以按功能需求增添RS232、RS485和CAN总线等通信电路模块；增添LCD和LED等显示电路模块；使电能计量数据的本地显示和远程集抄表等功能易于实现，同时还能在服务器端方便的进行在线数据的分析。

在基于MCU的数字化电能表中，整个电能表装置的处理核心为MCU。在满足市场对功能需求的提前下，由于MCU方案在制造工艺与价格上具有相当大的优势，因而此种方案的电能表近年来在市面上应用较多，在硬件条件的限制下，要实现的功能越多，使用的算法运算越复杂，无颖会占用更多的MCU的硬件资源，因此实现的功能越多，电能表对有功电能计量的性能就可能越差，但由于对信号进行了数字化的处理，此类基于MCU/DSP的电能表与传统的电磁感应式电能表相比在测量精度和稳定误差等级上仍具有绝对的优势。

2.2.2 基于专用电能计量芯片的数字化电能表。基于专用电能计量芯片的数字化电能表的结构框图如图3所示。此类电能表装置的数据处理核心为电能计量芯片，通过硬件可获得有功电能和无功电能等电能参量[5]。将图2与图3比较可知，它只是将A/D转换器植入了电能芯片的片内，内部数据处理模块用了针对电能计量优化的DSP，此外还增加了一片微控制器，用于读取电能计量芯片寄存器中的数据和对数据进行上传，可见它也只是基于MCU电能表的一种变形。

这类电能表的多功能化依赖于电能计量芯片的多功能化，要想实现更多、更复杂的计量功能，就必须使用更高一级的电能计量芯片，这无形中提高了电能表研制的成本，同时又降低了电能表电能参量计量的灵活性。

2.3 智能化电能计量。智能化电能计量系统要实现其功能可采用模块化设计方式，将整个计量体系分为两部分采集计量装置和综合通信装置[6]，如图4模块化的设计，可以降低设计系统的难度和升级成本，提高系统的可靠性，这也完全符合智能仪表在智能电网中发挥的作用。当其中一个装置出现问题时，可以隔离处理，不会影响另一装置的正常使用。采集计量部分可安装在变电站计量回路中，而综合通信部分则可位于控制室内，同时综合通信装置可通过串行口扩展模块接收多个采集计量装置传输来的数据。

采集计量装置主要功能是完成输入调理、采集计算、电光转换和向综合通信装置传输测量数据等功能。其中采集计算单元是整个采集计量装置的核心电路，能使整个装置同时具有高精度和易于扩展的能力，它将采样所得电压、电流采样值进行处理，获得电量、功率、功率因数等计量数据，并根据预先设定的时段完成分时有、无功电能计量和最大需量计量功能。

综合通信装置能为用户提供一个友好的界面，能处理用户提供的操作指令。它的主要功能是可以动态显示当前测量和需计算的电流、电压、功率、电能等数据；可以方便查询历史数据，并可通过SD卡下载数据或通过TCP/IP协议上传数据；用户可以对费率时间、需量周期和滑差时间、自动上传时间间隔、短信报警手机号码等参数进行设置；用户还可以对计量采集装置失压断相、计量采集装置故障、综合通信装置更改参数设定、短信报警等事件记录进行查询。

3 智能化计量系统优势与面临的问题

3.1 智能化计量系统优势。建立智能化的电能计量系统，首先可以为智能电网中管理的互动性、信息化、自动化提供强有力的数据支持；其次依赖其强大的数据信息网络可以使电能使用者及时了解最近一段时间的用电信息，适当调整用电量，尽量避开用电高峰期，而电能管理者可以根据电能使用者的科学性建议以及生活性需求进行适当的供电管理调整，通过培养一批高素质的电能计量工作人员，实现智能化的电能计量管理；再次可以推动电能计量领域的发展，加快电能计量技术以及电能计量设备的更新换代，有利于新技术和新工艺的不断完善；最后通过采用封闭的全自动监测流水线技术，有利于提高电能计量检定和电能计量运行的监测水平。

3.2 智能化计量系统发展中面临的问题。新型智能计量系统需要采用一种新型的测量方法，该方法的工作原理也是新型的理念，因而需制定新标准，标准和功能等都力求设备的完善和统一，而且新标准需得到国家相关部门的认证才有应用的市场；如何妥善处理淘汰的电能计量设备，实现旧物利用；电能计量智能化技术不成熟，缺少使用和维护的经验，需对操作人员进行专业的培训工作等问题在实际实现过程中也是需要充分考虑的。

4 结论

从电能计量系统的发展和研究来看，各种电子技术的发展、通信协议的不断完善及软件技术的不断更新，进一步奠定了计量系统向智能化方向发展的基础，通过在每家每户接入智能电表，并使各种智能仪器与通信网络相联，从而实现电网在控制中心的可视化与智能化调度，给电力行业的发展带来了质的飞跃。

参考文献：

[1]Cleveland FM. Cyber security issues for Advanced Metering Infrasttructure （AMI） [C]. IEEE Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century， 20-24 July，2008.

[2]赵伟，庞海波，刘灿涛.电能表技术的发展历程[J].电测与仪表，1999，36（06）：4-7.

[3]王宏毅.静止式和感应式标准电度表的性能比较[J].供用电，1994，（03）：42-44.

[4]张雄伟，陈亮，徐光辉.DSP芯片的原理与开发应用（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2003.

[5]马文耀.基于专用芯片的三相多费率电能表的研制[D].江苏：南京航空航天大学，2007.

[6]李灏.高精度智能电能计量系统设计[D].河北：华北电力大学，2009.

[作者简介]周荣华（1978-），女，湖南益阳人，硕士研究生，讲师，研究方向：嵌入式系统、网络服务质量；左国才（1978-），女，湖南双峰人，讲师，研究方向：数据挖掘。

基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（11C0723）；湖南省教育厅科学研究项目（11C0724）