安科瑞 陳聰

摘要：智能電網(wǎng)出現(xiàn)后,無論是供電測(cè)還是用電側(cè),都會(huì)自然地走向萬(wàn)物互聯(lián),從而誕生出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將供電系統(tǒng)與用電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了的統(tǒng)一,將用電管理直接擴(kuò)展到電網(wǎng)端,形成了家庭、社區(qū),樓宇、城市、社會(huì)生活等方方面面的智慧用供電管理體系。在這個(gè)用供電體系中,智能電表無疑成為管理體系中的一個(gè)核心設(shè)備。智能電表的任務(wù)也將從單純電量計(jì)量向用供電領(lǐng)域的信息平臺(tái)、交互平臺(tái)、控制平臺(tái)的平臺(tái)化目標(biāo)前進(jìn)。未來,智能電表將在家庭生活、智慧社區(qū)、智慧城市等現(xiàn)代化生活中發(fā)揮巨大的作用。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；智能電表

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)誕生前,人們將物聯(lián)網(wǎng)的概念局限于互聯(lián)網(wǎng)的萬(wàn)物互聯(lián)。萬(wàn)物互聯(lián)形成的所有智能化終端都是一個(gè)智能化的電子系統(tǒng),都帶有一個(gè)電源子系統(tǒng),在提升各種智力功能時(shí),都要有電源管理功能。一些小型的智能終端中,大多使用獨(dú)立的電源。在一些大型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如分布式系統(tǒng)、局域網(wǎng)系統(tǒng)的智能家居、工業(yè)生產(chǎn)線、電動(dòng)車充電樁、城市安防系統(tǒng)、城市照明系統(tǒng))中,它們都會(huì)延伸到智能電網(wǎng),從而帶來復(fù)雜的電源管理與用供電管理,并衍生出智能電網(wǎng)對(duì)用電側(cè)終端設(shè)備的感知與控制;加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)智力提升,實(shí)現(xiàn)了其對(duì)龐大的電力生產(chǎn)、輸配電、電力調(diào)度、安全運(yùn)營(yíng)中的所有終端設(shè)備的智能互聯(lián),從而形成了一個(gè)泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)。

雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)是泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系,內(nèi)網(wǎng)包括發(fā)電的電源側(cè)與輸、配電的電網(wǎng)側(cè),外網(wǎng)包括用戶側(cè)與供應(yīng)商。內(nèi)外網(wǎng)有一個(gè)共同界面,這個(gè)界面就是智能變電站與智能電表,它用于實(shí)現(xiàn)供電側(cè)對(duì)用電側(cè)的感知、控制與信息交互。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)外網(wǎng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的形成源于供電、用電的兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)體系。前者屬于強(qiáng)電領(lǐng)域,是一個(gè)壟斷的封閉型網(wǎng)絡(luò)體系;后者屬于弱電領(lǐng)域,是一個(gè)自由的開放型網(wǎng)絡(luò)體系。內(nèi)、外網(wǎng)交互界面中的智能電表采用標(biāo)準(zhǔn)的雙芯結(jié)構(gòu)體系,以應(yīng)對(duì)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電力物聯(lián)網(wǎng),用相對(duì)獨(dú)立的方式實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)供電端電量計(jì)量與用電端用電管理的安全保障。

2初級(jí)階段的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)階段,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)處于內(nèi)網(wǎng)建設(shè)的初級(jí)階段,主要有內(nèi)網(wǎng)的三型兩網(wǎng)建設(shè)、云平臺(tái)建設(shè)、大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù),以及應(yīng)對(duì)新能源的智慧能源服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)等。

（1）三型兩網(wǎng)建設(shè)

2019年10月,電網(wǎng)有限公司發(fā)布了《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)***2019》。書中把“三型兩網(wǎng)”建設(shè)確定為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。三型,即樞紐型的智力電網(wǎng)、平臺(tái)型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)與內(nèi)外網(wǎng)共享型的社會(huì)屬性;兩網(wǎng),即堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前,在兩網(wǎng)建設(shè)中,在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)為基礎(chǔ)上,不斷向用電側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用擴(kuò)展。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)從業(yè)者來說,會(huì)注重用電管理相關(guān)的應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層的基礎(chǔ)建設(shè)。

（2）云平臺(tái)建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)誕生后,隨之而來的必然是大數(shù)據(jù)與云計(jì)算,云平臺(tái)則是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算服務(wù)的重要工具。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容有:變電所運(yùn)維云平臺(tái)、能源管理云平臺(tái)、智慧用電云平臺(tái)、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)、充電樁(電動(dòng)汽車、自行車)運(yùn)營(yíng)管理云平臺(tái)、預(yù)付費(fèi)管理云平臺(tái)等。可以看出,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)建設(shè)的集中在智能電網(wǎng)新能源的發(fā)電、儲(chǔ)電、并網(wǎng)與供電的負(fù)荷應(yīng)用領(lǐng)域。目前,我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)了眾多的云平臺(tái)(如阿里云、騰訊云、華為云等),這些都是外網(wǎng)中開放性的云平臺(tái)。從電網(wǎng)壟斷性、安全性出發(fā),電網(wǎng)會(huì)建設(shè)獨(dú)立、封閉、由嚴(yán)格管控的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的云平臺(tái)。

（3）大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)

萬(wàn)物互聯(lián)后,必然出現(xiàn)大量的感知數(shù)據(jù),物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算便成為物聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用中三位一體的重要產(chǎn)業(yè)應(yīng)用模式。

所有用電側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)大系統(tǒng)都會(huì)以各種方式與智能電網(wǎng)相連,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層會(huì)感知眾多用電信息,從而形成電力系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)體系。在這些用電大數(shù)據(jù)中包含眾多信息,從而形成了一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)。圖1展示了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中大數(shù)據(jù)服務(wù)領(lǐng)域與服務(wù)內(nèi)容。這些服務(wù)領(lǐng)域與服務(wù)內(nèi)容幾乎涵蓋了與社會(huì)生活相關(guān)的全部領(lǐng)域與方方面面。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)中的一個(gè)典型應(yīng)用案例是城市住房空置率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。所有新建住宅都會(huì)安裝智能電表,從智能電表的使用/空閑,以及電量計(jì)數(shù)可以判斷住房是空置還是在使用中。

1. 智慧能源服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)

當(dāng)前,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要任務(wù)是新能源的應(yīng)用服務(wù)(如風(fēng)電、光伏分布式能源的發(fā)電、并網(wǎng)、電力調(diào)度,以及新能源汽車的能源(氫能源電池、動(dòng)力電地)供應(yīng)與管理服務(wù)等)。圖2是一個(gè)用于電動(dòng)汽車充電的智慧能源服務(wù)系統(tǒng)。

未來,眾多新能源都會(huì)以電能為核心,無論是發(fā)電(風(fēng)電、光伏)還是能源(氫能、地?zé)崮?、潮汐能?轉(zhuǎn)換,抑或是能源利用,都少不了電網(wǎng)的支持。圖2展示了一個(gè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車充電的內(nèi)外網(wǎng)、供電用的一個(gè)完整體系。

3新一代智能電表的發(fā)展趨勢(shì)

從傳統(tǒng)計(jì)量電表到電力物聯(lián)網(wǎng)新型智能電表,其發(fā)展的趨勢(shì)是:多功能智力平臺(tái)構(gòu)建、眾多半導(dǎo)體廠家參與、三表合一的綜合應(yīng)用、應(yīng)對(duì)多元化的多功能服務(wù)等。

1. 多功能智力平臺(tái)構(gòu)建

為了應(yīng)對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)對(duì)用電側(cè)的智能用電管理,將傳統(tǒng)電能計(jì)量表變革到集感知、控制、監(jiān)測(cè)、用電管理為一體,具有通信、交互、顯示功能的一個(gè)智力平臺(tái);為了適應(yīng)未來大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的應(yīng)用,該平臺(tái)不僅有良好的智能控制能力,還應(yīng)有強(qiáng)大的計(jì)算能力,以滿足邊緣計(jì)算要求。從單一通話功能手機(jī)到如今智能手機(jī)的演變,我們可以想象一下未來智能電表的發(fā)展前景。

（2）眾多半導(dǎo)體廠家積參與

智能電表以MCU為核心,并逐步過渡到能滿足邊緣計(jì)算、實(shí)時(shí)感知與控制的AI芯片。受市場(chǎng)需求吸引,早在十多年前,眾多半導(dǎo)體廠家就積參與了智能電表芯片的開發(fā),如早期ADI公司的ADE系列、飛思卡爾的MZ系列、恩智浦的LPC1700系列、西門子的Blackfin處理器等。眾多半導(dǎo)體廠家的介入有利于智能電表硬件體系的不斷更新,以及從MCU到AI芯片的更新迭代。

（3）三表合一的綜合應(yīng)用

為了應(yīng)對(duì)智慧樓宇、智能家居的建設(shè),原有分離的三表 (氣、水、電表)將逐漸走向合一,從而開創(chuàng)多傳感器感知與 智能控制的智慧生活時(shí)代。未來,三表合一的綜合計(jì)量、AI 芯片的算力提升、邊緣計(jì)算的特殊賦能、用電模式的遠(yuǎn)程測(cè) 控等將大地提升家庭能源應(yīng)用的智慧化管理水平。

（4）應(yīng)對(duì)多元化的多功能服務(wù)

為了應(yīng)對(duì)日益多元化的能源及能源管理,智能電表將 逐漸完善從單向到雙向、從近程到遠(yuǎn)程、從通信到控制的 功能進(jìn)化。例如:

1. 為了應(yīng)對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能電源的電網(wǎng)輸送,智能 電表從電網(wǎng)側(cè)單向計(jì)量變?yōu)殡娋W(wǎng)側(cè)/用戶側(cè)的雙向輸送、 計(jì)量、管理與監(jiān)測(cè)功能;

2. 為了應(yīng)對(duì)用供電側(cè)的交互功能,新型智能電表必 須具有雙向通信功能,如供電側(cè)發(fā)出用電信息、用電側(cè)發(fā) 出請(qǐng)求調(diào)控信息的雙向通信功能;

3. 為了應(yīng)對(duì)未來更多外部設(shè)備接入帶來電源管理要 求,智能電表會(huì)開發(fā)出眾多的遙控、遙測(cè)功能,未來的智能 電表會(huì)成為一個(gè)智能化住宅、樓宇用電模式的控制中心。

4智能電表的IR46雙芯體系構(gòu)建

早期,智能電表結(jié)構(gòu)體系的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IR46(InternationalRecommendation46)由國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)制定并于2012年10月發(fā)布。多年來一直在不斷完善,我國(guó)一直遵循該標(biāo)準(zhǔn)。

IR46標(biāo)準(zhǔn)的核心理念是使智能電表向測(cè)控平臺(tái)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)計(jì)量與管理雙芯結(jié)構(gòu),并保證雙芯的物理分離。雙芯之間只能通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖3清晰地展示了一個(gè)智能電表的標(biāo)準(zhǔn)雙芯結(jié)構(gòu)體系。

計(jì)量芯作為獨(dú)立的法制計(jì)算部分,嚴(yán)格管控,不能隨意升級(jí),以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、數(shù)據(jù)可追溯與時(shí)鐘的安全性。

管理芯滿足平臺(tái)管理要求,實(shí)現(xiàn)雙向交互、顯示與通信,用電管理與優(yōu)化用電模式等。軟件下載與更新不影響計(jì)量芯的正常工作,未來還須滿足邊緣計(jì)算要求。

雙芯之間依靠SPI總線相連。SPI是主從模式的串行外設(shè)接口總線,支持一個(gè)或多個(gè)Slave設(shè)備,廣泛用于MCU和外設(shè)模塊連接。這種總線連接方式有效地保證了雙核間相對(duì)獨(dú)立與安全操作空間。

智能電表雙芯設(shè)計(jì)理念源于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)外網(wǎng)體系結(jié)構(gòu),以及內(nèi)外網(wǎng)不同的狀態(tài)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)是一個(gè)壟斷、封閉、關(guān)乎利益與安全的電網(wǎng),外網(wǎng)則是一個(gè)充滿不安全因素、自由、開放的互聯(lián)網(wǎng)。雙芯的結(jié)構(gòu)模式可以在確保電網(wǎng)安全與電力用戶數(shù)據(jù)安全的同時(shí),充分介入用戶端的用電管理,實(shí)現(xiàn)與用戶的自由交互,有利于未來智能電表在用戶側(cè)的平臺(tái)化應(yīng)用。

5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái)，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái)。用戶僅需購(gòu)買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺(tái)提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費(fèi)管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報(bào)警和記錄、運(yùn)維管理等功能，并支持多平臺(tái)、多語(yǔ)言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場(chǎng)所

本平臺(tái)適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運(yùn)維等領(lǐng)域。

（3）平臺(tái)結(jié)構(gòu)

（4）平臺(tái)功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實(shí)現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測(cè)'、遙信、遙控控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測(cè)和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機(jī)結(jié)合起來，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預(yù)付費(fèi)管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對(duì)建筑、通訊管理機(jī)、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

3）用戶管理：對(duì)商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對(duì)已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對(duì)已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報(bào)表：提供售電、售水財(cái)務(wù)報(bào)表、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢，本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費(fèi)看板

充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)的所有功能，包括城市級(jí)大屏、交易管理、財(cái)務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

充電樁看板

智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)策略配置及后臺(tái)遠(yuǎn)程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁(yè)面

安全用電

安全用電采用剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測(cè)器，對(duì)引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計(jì)分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實(shí)現(xiàn)“防患于未然”的目的。

智慧消防

通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。彌補(bǔ)了原先針對(duì)“九小場(chǎng)所”和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細(xì)化”的實(shí)際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)論

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是繼物聯(lián)網(wǎng)之后的又一重大變革,它將物聯(lián)網(wǎng)大系統(tǒng)的供電體系與用電體系統(tǒng)一成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)世界。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)由智能電網(wǎng)蛻變而來,由電網(wǎng),目前尚處于初級(jí)階段。2019年由電網(wǎng)發(fā)布的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)***2019》中規(guī)劃了2024年建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的具體目標(biāo)事弱電領(lǐng)域智能系統(tǒng)應(yīng)用的。嵌就入多式年系來統(tǒng)在領(lǐng)物域聯(lián)的網(wǎng)業(yè)應(yīng)者用而中言從,一旦涉及物聯(lián)網(wǎng)大應(yīng)用(如新能源、電動(dòng)汽車)領(lǐng)域,必然會(huì)與電力物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián);同時(shí),智能電表在用電側(cè)平臺(tái)化的深入應(yīng)用,必將帶來智慧家居、智慧樓宇、智慧城市、智慧交通等領(lǐng)域用供電的統(tǒng)一應(yīng)用模式。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的智能電表

[2]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.