基于嵌入式系统的智能电能表研究展

　　摘要：随着我国新型电力系统的提出，智能电能表除了基础的电能计量外还应具有通信、负荷控制、法制计量与非计量部分隔离等功能。为此我国新修订的 GB/T 17215-2021 标准充分采纳了国际法制计量组织制定的《有功电能表》(IR46)，对新一代智能电能表的软硬件要求和型式认证做出了规定。文章首先从分布式能源并网，新型电力系统等方面讨论了对于新一代智能电能表的需求，其次分析了我国电能表新、旧标准体系与 IR46 的差异，对计量特性，电能表准确度等级，试验项目的主要差异进行了对比分析，并对支持 IR46 标准的智能电能表的硬件结构和关键技术进行介绍，最后阐述了基于嵌入式系统的智能电能表的下一步研究方向和应用前景。

　　关键词：电能计量;智能电能表;IR46;嵌入式操作系统

　　引 言

　　随着技术的进步和电力市场化改革，电网建设不断推进，新能源的并网运行，电价制度改革和双向计量等业务场景面临的新的实际需求，对电能量测设备的计量和非计量部分提出了更高和更多维的要求。电能计量是电力生产消费的技术基础，为双方提供数据支撑，也是生产单位经济核算、电网运行状态考核的重要手段，其计量精度将直接影响电力市场供需双方的公正交易与诚信。对提高资源利用率，保护环境，推进可持续发展也具有重要意义[1]。

　　电能的计量设备——电能表，从 1889 年出现的第一块感应式电能表(机械表)，发展到上世纪的机电式电能表，再到现在普遍使用的电子式电能表。目前国内在用的电能表种类繁多，但就其功能而言，计量部分原理由感应式向集成电路式过渡，非计量部分的各种功能愈发先进完善，且不再局限于面向电网和生产厂家而是更加考虑消费者利益。总体发展趋势可总体概括为计量功能进一步精确，非计量功能愈发智能化，服务对象更加面向全社会。

　　智能电能表是一种以嵌入式和通信技术为核心，具有自动计量、费控、双向通信、负荷识别等功能，支持多费率计量、分布式能源计量、电网运行状态在线监测等实际需求的智能化仪表[2]，是新型电力系统的基础设备，承担了电能计量，数据传输，电能质量检测等重要任务。国际建议(International Recommendation)是国际法制计量组织(OIML) 为仪器仪表做出的示范性建议。2021 年我国新修订了GB/T 17215 电测量设备系列标准，参考了国际法制计量组织制定的《有功电能表》(Active electrical energy meters，系列编号简写为 IR46)。

　　OIML 是一个世界性的政府间组织，其主要目标是协调成员国计量部门实施相关计量相关法规和建议。我国作为成员国也应遵循此类国际性计量法规文件。IR46 提出了计量与非计量部分隔离的电能表体系，法制计量部分能够独立运行且不受干扰，非计量部分支持在线升级，且其故障和升级不对电能表其余部分造成不利影响。另外在计量特性和准确度等级方面参考IEC系列标准提出新的评价方案。对智能电能表型式评价的考察有了新的试验评定和更严格的误差要求[3]。

　　目前，各个国家和地区都在努力推进智能电能表的投入使用，2009 年美国为 4 000万户家庭安装智能电能表，法国提出 2015年—2021 年建设 3 500 万只智能电能表的Linky 计划，欧盟提出未来将完成 80%家庭用户的的智能电能表部署，2011 年，我国也进入了智能电能表更换的高峰期，根据 2014、2015 年招标数据计算，全国范围内智能电能表的覆盖率已经达到 70%以上。伴随国家电网对“新型电力系统”建设的支持，基于 IR46 标准的新型智能电能表的前景十分广阔。

　　其中具备高准确度等级和可靠性的软硬件设计，对解决方案提供整套支持是我国电能表生产企业占据领先优势的关键。文章首先分析了智能电能表的需求，对比我国智能电能表标准与 IR46 的差异，介绍了智能电能表的若干关键技术，最后阐述了智能电能表的下一步发展趋势。基于 IR46 标准的智能电能表的需求分析随着新能源并网的增多，双碳建设和合同电价等背景，智能电能表的多样化，智能化的功能愈发重要，如双向计量、在线监测故障识别、负荷管理等。

　　1.1 新型电力系统

　　随着新型电力系统的提出，为实现碳达峰碳中和这一绿色目标，电力系统的主要任务就是最大化消纳新能源，以实现清洁低碳、灵活高效、开放互动。智能电能表作为消费侧的关键节点，其计量的准确性、操作的高效性都影响着新型电力系统的性能，而新能源的大量引入又对电能表的动态负荷计量带来挑战，能够准确地测量用户侧实际负荷曲线直接影响着面向新型电力系统的需求响应机制的探讨[4]。

　　1.2 分布式能源

　　并网智能电能表的基本功能是实现电能的计量，对电能数据进行采集、存储与处理，为电能结算和分析提供数据支撑[5]。随着越来分布式能源接入到电力系统，非线性元件的数量成倍增加，导致电网中的动态与稳态扰动增加，进而带来了一些计量问题。首先，分布式能源会向电网输送电能，因此需要智能电能表能够进行双向计量;其次，新能源具有间歇性、波动性等特征，容易引发三相不平衡、电压波动、电压中断等问题，使电能表计量出现较大的失准[6]。非线性负载的接入，准确性与可靠性要求系统能够进行在线监测，从而使电网评估节点对电能质量的影响[7]。

　　1.3 多合同电价

　　在电力市场中，电价合同是电网公司与用户进行交易的基础，将合同下发到智能电能表进行费率控制。费率控制主要是实现分段计费、分时计费，阶梯电价计费，从而优化用电分布，提高效率。同时，为了能够溯源，交易中产生的交互过程及结果均需记录与保存。因此，对智能电能表提出了以下需求。首先，对电网和用户作为不同的交易主体需要对电价进行分别计算;其次，针对负荷预测结果，实施平衡交易、电价结算;最后，对未来的多种计费方式，预留合同电价模式[5]。

　　1.4 故障识别

　　随着传感器融合技术和数据处理技术的发展，智能电能表的运行状态数据成为智能电能表的故障分析与寿命预测的重要途径[8]。由于智能电能表的数量出现爆炸式的增长，电能表的现场检验与故障诊断十分困难，而远程的运行维护与故障诊断可以有效地解决这一问题[9]，因此智能电能表应具有故障识别与报警的功能。另外，电能表在端子虚接或者人为原因破坏的情况下，端子座的温度会急剧升高[5]，所以在智能电能表的设计中对端子温度监测也提出了相关要求。

　　1.5 负荷识别与能效管理

　　为了能够进行能效管理，负荷识别是必要前提，非侵入式负荷监测技术可以获得总负荷的电压、电流等信号，对这些信号进行特征提取，提取出不同特性的负荷成分(即负荷印记)。负荷特征可以反应运行中的设备的用电状态，如电压电流等电信号数据，和数据包含的特征。设备在运行时，这些负荷特征会重复出现，智能电能表便可以把各个用电设备识别出来[5]，然而，目前没有一种能够解决所有问题的算法，因此，智能电能表需要具有不断更新优化的算法来进行非侵入式负荷监测。我国电能表标准与 R46 标准的对比电能表技术从感应式向智能电能表完善的历程中，各国与国际性组织发布了多种标准和建议，例如以往普遍采取的 IEC 系列、美国 ANSIC12、欧盟的 MID 标准体系，我国 GB，在实践中和理论的发展下，世界多国参与的国际法制计量组织在以往 IEC 的基础上制定了新的 IR46 标准。

　　由于旧 IEC 系列不能及时适应新型电力系统多层次的功能需求和更高速更安全的计量准则，IR46 在部分继承 IEC 标准的同时，以保护消费者的利益为出发点制定了一系列新的计量特性和软硬件要求。2006 年到2018 年以来我国 GB/T 17215 的电能表标准是依照旧 IEC 标准，从生产制造和使用的角度，对感应式，电子式，机电式等电能表制定了差异化的标准。在 IR46 修订完成后，我国2021版GB/T 17215中充分采纳了IR46中关于计量特性的修订内容，不同以往旧标准对机电式与静止式有功电能表采取的不同精度等级的划分方式，GB/T 17215-2021没有对机电式电能表准确度等级做出相应更新。

　　从整体结构而言，IR46不再区分有功无功、机电式和静止式的电能表，而是对不同原理的表提出了统一的技术要求，但仍然对旧机电式仪表做出了一定的放宽。比如对于负载不平衡、电压改变、谐波、严重电压改变等影响量引起机电式仪表误差偏移极限时，对机电式仪表要求或者适用条件较低。其中对于 A, B, C, D 四个等级的基本最大允许误差标准不适用于机电式仪表[10]。

　　对于计量特性，以往我国国标 GB/T17215.211-2006 中通过起动电流(Ist)，最大电流(Imax)，基本电流(Ib)，额定电流( In) 定义计量电流，GB/T 17215.211-2021 采纳了IR46 的规定，删除了基本电流(Ib)、额定电流(In)、参比电压(Un), 参比频率(fn)的定义，增加了最小电流(Imin)、转折电流(Itr)、标称电压(Unom)、标称频率(fnom)，修改了起动电流(Ist)、最大电流(Imax)的参量的定义，对误差等级划分也进行了新的修改。GB/T 17215.321-2021 将电能表分为A, B, C, D, E 五个等级，其中 A, B, C, D 前四者计量等级与 IR46 相同，但是 B 的误差要求比 IR46 更高，E 是我国国标中新加入的精度要求最高的电能表等级，在各种试验点的条件下最大百分数误差极限在±0.25%以内。

　　可以得出 GB/T 17215 对电能表准确度做了更严格的标准。此外，准确度等级的划分中新旧标准也有一定的对应关系，其中Itr=0.1Ib/0.05In。对于直接接入式电能表，Imin=0.05Ib, 对 于 经 互 感 器 接 入 的 电 能 表Imin=0.02In(2 级或 1 级)或 Imin=0.01In(0.5S级或 0.2S 级)。综合来讲，在计量特性的准确度要求中 A，B，C，D，E 五个等级对应的最大允许误差和温度系数极限在三段不同电流区间([Ist, Imin], [Imin, Itr], [Itr, Imax])以百分数形式做出了规定，误差偏移极限则是细分后分别在三段区间以及最大电流(Imax)，10 倍转折电流(10Itr)等额定值下给出规定[3]。

　　对于计量性能保护，IR46 规定了软件识别和参数保护，对窃电行为做出了一定的预防，要求通过机械、电子或密码等方式进行适当的密封，以防未授权人员的干预。如果系统参数允许被用户修改，电能表需配备自动记录且不可擦除设备记录修改事件和参数[3]。对于电子设备的子组件分离和软件分离，法制计量部分的关键部分不应受到设备其他部分的影响，且要求在型式试验时，应验证电能表功能与存储不被非授权者外部指令影响。电能表的非计量部分可以进行软件更新，且更新期间不会影响法制计量部分的正常功能运行[3]。

　　综上，我国 GB/T 17215.211-2021，在以往 IEC 系列标准的基础上，较为广泛的采纳了 OIML 制定的 IR46 新标。从整体结构的设计、准确度等级的划分、计量性能的要求，型式评价的新试验要求、对计量性能的保护、耐久性都有了较大的改变。重要的是提出了法制计量部分与非法制计量部分的分离[12]，与我国现有的智能表差异较大，对我国电能表市场和企业是一次冲击，随着智能电能表更新周期的到来，投入大量研发资金，把握好 IR46 标准电能表关键技术和提供成套的解决方案的支持者会占据市场的先机。

　　3硬件结构与关键技术分析

　　3.1 硬件结构

　　对复符合 IR46 的标准的智能电能表的结构，国内外学者做出了如下几类探索，大致可分为单芯系统、双芯系统、多芯系统，并分别在各自系统中介绍了其隔离措施。

　　3.1.1 单芯系统

　　Fabio Clarizia 等人[13]将多个单芯电能表，通信设备和微型处理器组成分布式测量系统，形成了一种实时能源管理的架构，其中单芯电能表主要只承担了计量功能，通讯和计算由系统中其他设备负责。

　　Gouri R.Barai 等人[14]介绍了一种将主要功能集成在一块单芯系统中的电能表架构。张秋雁等人[15]根据 IR46 标准研究了基于单芯系统的智能电能表，应用操作系统控制 MPU 进行分层分块处理，使管理模块独立于计量模块配置及在线升级，因采用操作系统，故开放性、交互性更强。侯兴哲等人[10]也从实时嵌入式操作系统应用角度探讨了新一代智能电能表的发展方向，提出非法制计量功能应具有软件模块化特性，面向更多潜在使用场景，可靠与可协作性的平台，嵌入式操作系统因具有以上优点愈发收到研究与工程人员的关注。

　　使用单芯的智能电能表时，为了实现法制计量部分与管理部分的隔离，通常采用虚拟化隔离，常用的虚拟化隔离分为主机级虚拟化和基于容器级虚拟化，分别对应虚拟机和容器，二者的主要区别为容器隔离技术抽离了虚拟机中的客户操作系统内核。容器隔离的优点是既简化了内核层，又提供了隔离空间，使得用户运行进程不受其他进程干扰。常见的有基于 Docker 的隔离技术。因此，对于智能电能表而言，轻量级的嵌入式系统加上容器级虚拟化隔离，可以达到计量部分与管理部分的隔离。段晓萌等人[16]设计了一个基于电能表嵌入式平台的虚拟机，可以以虚拟机的运行方式消除电能表不同硬件平台的影响。

　　3.2 关键技术

　　3.2.1 电能计量

　　电能表按原理通常分为机械式，机电式，全电子式。主流智能电能表采用全电子方案。在电压采样方面有电阻(电容)分压和电压互感器接入式，随着对电能表准确度的要求变高，分压电阻从普通贴片电阻向高精度的电阻如金属薄膜电阻发展。电流采样方面有锰铜分流器接入，电流互感器接入，罗氏线圈，霍尔传感器等方式，锰铜分流器分流时产生和电流成正比的电压信号，抗干扰能力强，电流互感器损耗低，动态范围宽，但是当电网中存在直流分量时容易饱和产生信号畸变。

　　罗氏线圈可测大范围的电流，霍尔元件测量精度高，但这两者易受磁场干扰，对电能表电磁兼容性要求高。采样后送入乘法器进行功率的计量。乘法器从原理上分为模拟乘法器和数字乘法器，从结构上分为分离式和专用集成芯片式(SOC)。模拟式有热电变换乘法器，霍尔效应乘法器，时分割乘法器等，热电变换乘法器精度较低，已经较少使用;霍尔效应乘法器频率响应宽，但是工艺复杂;时分割乘法器电路易于实现，但是频率响应范围窄，不适合畸变波形下的电能计量。

　　4展望

　　目前我国所投入使用的智能电能表大多是是满足旧标准的具有远程数据抄读、预付费等功能的电能表，在法制计量部分与非计量部分并没有隔离措施，且管理模块所具有的功能不足以满足未来的需求。因此，模块化的设计是智能电能表未来的发展趋势。但由于中国电能表市场厂家繁多，各厂家所采用的 MCU 和外围电路都会存在区别，给基于 IR46 的下一代智能电能表批量化升级管理带来了巨大的难度。一种解决方法是统一电能表的硬件和软件方案，不允许差异化，但这种方法难实现。第二种方法则采用跨硬件平台的操作系统虚拟化技术，电能表软件在虚拟化层面开发，编译，管理，升级。因此，从硬件成本而言，基于嵌入式操作系统的智能电能表具有很大的发展潜力，其中轻量级嵌入式操作系统和低资源开销的系统虚拟化与隔离技术成为了研究的关键。

　　5结束语

　　文章首先从电网实际运行，电力市场交易，电能表自身功能等方面分析了嵌入式电能表的需求。作为新型电力系统建设的关键终端产品，未来智能电能表的应用领域和覆盖率会进一步增加，市场规模也会不断扩大。然后对比了我国的电能表 GB/T 17215 标准与国际标准，在计量特性，电能表准确度等级，试验项目方面有了新的变化：我国 GB/T17215 从 IEC 系列向 IR46 靠拢，表明相关法律法规积极调整向消费者利益靠拢。分析了电能表硬件结构与关键技术。最后对智能电能表未来的发展趋势作出展望。

　　参 考 文 献：

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　　作者：望黄瑞 1,2，肖宇 1,2，曾伟杰 1,2，胡红利 3，叶志 1,2，段羽洁 3