成熟的智能電網(wǎng)建成后，智能電表具有自動(dòng)查詢、遠(yuǎn)程抄表功能，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉閘斷電。但目前國內(nèi)智能電表主要還是以PLC方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，暫未采用RF通信方式。本文探討智能電表在設(shè)計(jì)上有哪些突破，在功能上還有哪些待完善的地方。
1智能電表在設(shè)計(jì)上的突破
在智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)中，智能電表介于電力用戶和信息采集現(xiàn)場終端之間，主要完成電力用戶用電信息的提供、管理和傳遞，是智能電網(wǎng)的層終端設(shè)備。
1.1信息的提供：計(jì)量技術(shù)的突破
從功能上講，傳統(tǒng)電表只要求計(jì)量有功電能，智能電表能夠?qū)崿F(xiàn)更多的計(jì)量和測量功能，比如電網(wǎng)電壓、電流、功率、頻率等參數(shù)。電表的核心任務(wù)是電能計(jì)量，但是電能計(jì)量已不再是智能電表的功能，智能電表需要提供更多的電力使用狀況參數(shù)，并將這些信息進(jìn)行收集、分析和交互管理后產(chǎn)生有用的信息，電力系統(tǒng)再以此實(shí)時(shí)地做出更好的用電決策和電力系統(tǒng)配置優(yōu)化。
從性能上講，傳統(tǒng)電表精度等級較低，隨著計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，智能電表在計(jì)量的精度、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)上都有了很大的提高，在啟動(dòng)潛動(dòng)上也可以做的更準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)軟件校表極大提高生產(chǎn)效率。實(shí)際上，目前的智能電表尤其是智能單相表提供的精度等級已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
從可靠性上講，傳統(tǒng)電表尤其是感應(yīng)式電表，其抗干擾性能、防竊電性能、溫度性能等方面都比較差，一些不法用戶很容易通過簡單的手段干擾電表的正常運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到竊電的目的。智能電表采用的現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，可以保證在強(qiáng)干擾、寬溫度范圍下的可靠計(jì)量，有效的保障電網(wǎng)公司和合法用戶的權(quán)益，實(shí)現(xiàn)用電的公平和公正。
1.2信息的管理：智能管理的突破
傳統(tǒng)電表沒有MCU或者M(jìn)CU只承擔(dān)很簡單的管理功能，其信息通過字輪來顯示，僅能提供電量數(shù)據(jù)給用戶，不能對用電采集進(jìn)行智能管理。
智能電表的MCU系統(tǒng)擔(dān)負(fù)用電信息的存儲、用電信息的顯示和用電信息的傳遞等管理功能。通過對存儲模塊、時(shí)鐘模塊、加密模塊、計(jì)量模塊、通信模塊、預(yù)付費(fèi)卡等的有效管理，智能電表可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)、復(fù)費(fèi)率、階梯電價(jià)等用電方式的管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉合閘、自動(dòng)報(bào)警等措施的管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)抄表等信息傳遞的管理。
使用智能電表，電力用戶可根據(jù)用電信息改變用電習(xí)慣、選擇用電方式和時(shí)間，提高能源使用效率，減少能源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電能的合理利用。
使用智能電表，電網(wǎng)公司可利用智能電表對用電信息進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題甚至電力故障，為用戶提供用電咨詢；每戶的電力需求可以詳細(xì)把握，并根據(jù)需求調(diào)節(jié)發(fā)電與配電設(shè)備，平衡高峰和低谷需求期的用電量，形成發(fā)電、配電與用電的及時(shí)互動(dòng)，減少大面積停電、斷電等影響社會正常生產(chǎn)、生活的事件發(fā)生。
1.3信息的傳遞：通信技術(shù)的突破
傳統(tǒng)電表是電網(wǎng)中一個(gè)個(gè)孤立的終端，用電信息依靠人工抄表來收集，效率和可靠性都不能得到保障。而智能電網(wǎng)依靠各種通信手段將智能電表納入統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中，智能電表作為智能電網(wǎng)的智能終端節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、自動(dòng)控制等功能，大大提高了效率和可靠性。
智能電網(wǎng)常用的通信方式包括電力線載波、485、GPRS、小無線、光纖等，這些通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，通信模式將根據(jù)終應(yīng)用進(jìn)行選擇，如智能電表與采集器/集中器之間一般采用載波和485等方式，采集器/集中器與主站之間一般采用GPRS、光纖等方式。
2智能電表在功能上待完善的地方以及面臨的挑戰(zhàn)
智能電表的發(fā)展需要更高性能的器件，其中尤以集成了眾多功能的SOC芯片引人注目。如圖2所示，以高性能SOC為核心的智能電表，再配上預(yù)付費(fèi)卡、加密芯片、LCD顯示屏、通信模塊等組成了新一代智能電表的主體。智能電表的發(fā)展對其中的一些關(guān)鍵模塊提出了新的要求，如下文所述。
2.1信息的提供：計(jì)量技術(shù)待完善的地方
從計(jì)量方案的穩(wěn)定性上講，智能電表現(xiàn)場應(yīng)用條件十分復(fù)雜，溫度、濕度、壓力、干擾等條件千變?nèi)f化，智能電表是近幾年才研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品，其在現(xiàn)場安裝和運(yùn)行的可靠性、使用過程中暴露出來的故障和質(zhì)量問題等都面臨挑戰(zhàn)。目前智能電表已經(jīng)安裝數(shù)千萬只，也積累了很多現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，但是由于電表廠面臨很大的價(jià)格壓力，智能電表的方案層出不窮，核心芯片不斷更換為價(jià)格更低的產(chǎn)品，前期積累的經(jīng)驗(yàn)由于方案的更替不能有效的傳承下去。電表計(jì)量方案的可靠性和長期穩(wěn)定性將會成為將來智能電表面臨的重大挑戰(zhàn)。
從用電設(shè)備和用電環(huán)境的新發(fā)展來看，越來越多的負(fù)載呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)畸變負(fù)荷特性，如工業(yè)用戶中的鋼鐵、冶金、高鐵、機(jī)械加工、電動(dòng)汽車充電站等，民用用戶中的非法節(jié)電器等。這些負(fù)載加在電網(wǎng)上，造成了大量的諧波量和直流量，而且呈現(xiàn)出快速變化的特點(diǎn)。目前的電表均為靜止式電表，從國家標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量方法一直到檢定裝置等整個(gè)體系均只能保證穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下的準(zhǔn)確計(jì)量，如何應(yīng)對諧波狀況以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的準(zhǔn)確計(jì)量將成為未來計(jì)量技術(shù)需要完善的地方。另外，新能源的應(yīng)用也對計(jì)量技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，分布式發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)量方法以及標(biāo)準(zhǔn)需要在未來不斷完善發(fā)展。未來可針對這些特殊應(yīng)用的場合研發(fā)新的計(jì)量技術(shù)，在終條件成熟時(shí)再推廣。
從計(jì)量參數(shù)的需求上看，目前智能電表已經(jīng)具備了電壓有效值、電流有效值、零線電流、有功功率、電壓線頻率、功率因數(shù)等參數(shù)，未來可能需要提供更多的電力參數(shù)用于電能質(zhì)量監(jiān)測和用電管理，如諧波含量、閃變等。
2.2信息的管理：智能管理待完善的地方
隨著智能電網(wǎng)系統(tǒng)推出越來越多的功能，智能電表的功能越來越復(fù)雜，智能電表需要控制的任務(wù)和處理的數(shù)據(jù)也大幅增加。如需要更高的性、篡改保護(hù)和檢測性能；需要增加升級次數(shù)，保證信息及時(shí)更新；需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)和遠(yuǎn)程流量控制；需要更復(fù)雜的加密算法。因此，根據(jù)應(yīng)用的要求和MCU內(nèi)核的負(fù)載，未來智能電表將遷移到32位內(nèi)核，而且對程序存儲器（一般為內(nèi)嵌FLASH）提出了更高的需求，雖然8位機(jī)仍然是目前智能電表的主流，但是可以肯定的是8位機(jī)不能滿足未來智能電表的需求。電表業(yè)界需要提早在一個(gè)更高性能的平臺上迎接不斷增長的需求。
智能電表的另一挑戰(zhàn)是對其壽命的預(yù)期，感應(yīng)式電表具備較長的工作壽命，智能電表如要達(dá)到10年甚至15年的工作壽命，電池是其中關(guān)鍵之一，電池完成電表掉電情況下的計(jì)時(shí)、顯示等的供電，這對低功耗的SOC提出了需求，尤其是掉電情況下的耗電量，需要將MCU待機(jī)、自動(dòng)溫補(bǔ)RTC、LCD顯示等的功耗控制在微安量級，這樣電池才可以維持10年以上的壽命。
2.3信息的傳遞：通信技術(shù)待完善的地方
智能電表的興起很大程度上取決于智能電表所支持的通信模式的發(fā)展。目前智能電表的主流通信方式是載波和485，如圖1中所示。其他的通信方式，如RF、光纖、GPRS等，鑒于成本的考慮暫未成為主流。但是485方式和載波方式有其固有的缺點(diǎn)，485方式布網(wǎng)復(fù)雜成本稍高，載波方式成本但是實(shí)時(shí)性和可靠性差。
未來的智能電表需要具備雙向?qū)崟r(shí)通信，需要具備的通信功能，需要具備欺詐活動(dòng)的偵測和預(yù)防，需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，需要具備較低的布網(wǎng)成本。目前的單一通信模式尚不具備以上所有特征，因此未來通信技術(shù)的發(fā)展是智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。智能電網(wǎng)需要根據(jù)終應(yīng)用需求選擇合適的通信方式。
2.4智能電表還能做什么
智能電表的本質(zhì)任務(wù)是作為電網(wǎng)公司向電力用戶收費(fèi)的一桿秤，目的是完成電量的準(zhǔn)確可靠計(jì)量。目前智能電網(wǎng)的發(fā)展又賦予了其遠(yuǎn)程智能終端的功能，智能電表未來還能做什么？消費(fèi)者如何使用智能電表與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)？這些問題都需要進(jìn)一步的研究。