智能電錶的的設計突破及面臨哪些挑戰

智能電錶的的設計突破及面臨哪些挑戰

苗書立 發表於 2020-02-24 10:32:49

成熟的智能電網建成後，智能電錶具有自動查詢、遠程抄表功能，還可以實現自動拉閘斷電。但目前國內智能電錶主要還是以PLC方式進行聯網傳輸數據，暫未採用RF通信方式。本文探討智能電錶在設計上有哪些突破，在功能上還有哪些待完善的地方。

1 、智能電錶在設計上的突破

圖1：智能電錶及用電信息採集系統。

如圖1所示，在智能電網用電信息採集系統中，智能電錶介於電力用戶和信息採集現場終端之間，主要完成電力用戶用電信息的提供、管理和傳遞，是智能電網的最底層終端設備。

1.1 信息的提供：計量技術的突破

從功能上講，傳統電錶只要求計量有功電能，智能電錶能夠實現更多的計量和測量功能，比如電網電壓、電流、功率、頻率等參數。電錶的核心任務是電能計量，但是電能計量已不再是智能電錶的唯一功能，智能電錶需要提供更多的電力使用狀況參數，並將這些信息進行收集、分析和交互管理後產生有用的信息，電力系統再以此實時地做出更好的用電決策和電力系統配置優化。

從性能上講，傳統電錶精度等級較低，隨著計量技術的發展，智能電錶在計量的精度、動態範圍等指標上都有了很大的提高，在啟動潛動上也可以做的更準確，可以實現軟體校表極大提高生產效率。實際上，目前的智能電錶尤其是智能單相表提供的精度等級已遠遠超過國家標準要求。

從可靠性上講，傳統電錶尤其是感應式電錶，其抗幹擾性能、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幹擾電錶的正常運行，進而達到竊電的目的。智能電錶採用領先的現代集成電路設計技術，可以保證在強幹擾、寬溫度範圍下的精確可靠計量，有效的保障電網公司和合法用戶的權益，實現用電的公平和公正。

1.2 信息的管理：智能管理的突破

傳統電錶沒有MCU或者MCU只承擔很簡單的管理功能，其信息通過字輪來顯示，僅能提供電量數據給用戶，不能對用電採集進行智能管理。

智能電錶的MCU系統擔負用電信息的存儲、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、時鐘模塊、加密模塊、計量模塊、通信模塊、預付費卡等的有效管理，智能電錶可以實現預付費、復費率、階梯電價等用電方式的管理，實現自動拉合閘、自動報警等安全措施的管理，實現自動控制、自動抄表等信息傳遞的管理。

使用智能電錶，電力用戶可根據用電信息改變用電習慣、選擇用電方式和時間，提高能源使用效率，減少能源的浪費，實現電能的合理利用。

使用智能電錶，電網公司可利用智能電錶對用電信息進行監測，及時發現存在的問題甚至電力故障，為用戶提供用電諮詢；每戶的電力需求可以詳細把握，並根據需求調節發電與配電設備，平衡高峰和低谷需求期的用電量，形成發電、配電與用電的及時互動，減少大面積停電、斷電等影響社會正常生產、生活的事件發生。

1.3 信息的傳遞：通信技術的突破

傳統電錶是電網中一個個孤立的終端，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。而智能電網依靠各種通信手段將智能電錶納入統一的網絡中，智能電錶作為智能電網的智能終端節點，可以實現自動抄表、自動控制等功能，大大提高了效率和可靠性。

智能電網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缺點，通信模式將根據最終應用進行選擇，如智能電錶與採集器/集中器之間一般採用載波和485等方式，採集器/集中器與主站之間一般採用GPRS、光纖等方式。

2 、智能電錶在功能上待完善的地方以及面臨的挑戰

圖2：以新型SOC為核心的智能電錶應用。

智能電錶的發展需要更高性能的器件，其中尤以集成了眾多功能的SOC晶片最引人注目。如圖2所示，以高性能SOC為核心的智能電錶，再配上預付費卡、加密晶片、LCD顯示屏、通信模塊等組成了新一代智能電錶的主體。智能電錶的發展對其中的一些關鍵模塊提出了新的要求，如下文所述。

2.1 信息的提供：計量技術待完善的地方

從計量方案的穩定性上講，智能電錶現場應用條件十分複雜，溫度、溼度、壓力、幹擾等條件千變萬化，智能電錶是最近幾年才研發生產的產品，其在現場安裝和運行的可靠性、使用過程中暴露出來的故障和質量問題等都面臨挑戰。目前智能電錶已經安裝數千萬隻，也積累了很多現場經驗，但是由於電錶廠面臨很大的價格壓力，智能電錶的方案層出不窮，核心晶片不斷更換為價格更低的產品，前期積累的經驗由於方案的更替不能有效的傳承下去。電錶計量方案的可靠性和長期穩定性將會成為將來智能電錶面臨的重大挑戰。

從用電設備和用電環境的新發展來看，越來越多的負載呈現動態畸變負荷特性，如工業用戶中的鋼鐵、冶金、高鐵、機械加工、電動汽車充電站等，民用用戶中的非法節電器等。這些負載加在電網上，造成了大量的諧波量和直流量，而且呈現出快速變化的特點。目前的電錶均為靜止式電錶，從國家標準、計量方法一直到檢定裝置等整個體系均只能保證穩態負荷下的準確計量，如何應對諧波狀況以及動態負荷下的準確計量將成為未來計量技術需要完善的地方。另外，新能源的應用也對計量技術提出了挑戰，分布式發電系統的計量方法以及標準需要在未來不斷完善發展。未來可針對這些特殊應用的場合研發新的計量技術，在最終條件成熟時再全面推廣。

從計量參數的需求上看，目前智能電錶已經具備了電壓有效值、電流有效值、零線電流、有功功率、電壓線頻率、功率因數等參數，未來可能需要提供更多的電力參數用於電能質量監測和用電管理，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

隨著智能電網系統推出越來越多的功能，智能電錶的功能越來越複雜，智能電錶需要控制的任務和處理的數據也大幅增加。如需要更高的安全性、篡改保護和檢測性能；需要增加升級次數，保證信息及時更新；需要遠程實時控制，實現遠程開關和遠程流量控制；需要更複雜的加密算法。因此，根據應用的要求和MCU內核的負載，未來智能電錶將遷移到32位內核，而且對程序存儲器（一般為內嵌FLASH）提出了更高的需求，雖然8位機仍然是目前智能電錶的主流，但是可以肯定的是8位機不能滿足未來智能電錶的需求。電錶業界需要提早在一個更高性能的平臺上迎接不斷增長的需求。

智能電錶的另一挑戰是對其壽命的預期，感應式電錶具備較長的工作壽命，智能電錶如要達到10年甚至15年的工作壽命，電池是其中關鍵之一，電池完成電錶掉電情況下的計時、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、自動溫補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：通信技術待完善的地方

智能電錶的興起很大程度上取決於智能電錶所支持的通信模式的發展。目前智能電錶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，鑑於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，485方式布網複雜成本稍高，載波方式成本最低但是實時性和可靠性最差。

未來的智能電錶需要具備雙向實時通信，需要具備安全的通信功能，需要具備欺詐活動的偵測和預防，需要較高的數據傳輸速度，需要具備較低的布網成本。目前的單一通信模式尚不具備以上所有特徵，因此未來通信技術的發展是智能電網發展的一個關鍵。智能電網需要根據最終應用需求選擇合適的通信方式。

2.4 智能電錶還能做什麼

智能電錶的本質任務是作為電網公司向電力用戶收費的一桿秤，目的是完成電量的準確可靠計量。目前智能電網的發展又賦予了其遠程智能終端的功能，智能電錶未來還能做什麼？消費者如何使用智能電錶與電網進行互動？這些問題都需要進一步的研究。

責任編輯：gt

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