智能電錶

早在20世紀90年代就出現了智能電錶(smart meter)的概念。1993年靜止式電錶剛剛出現時，其價格是機電式電錶的10~20倍，因此主要應用於大型用户。之後隨着具有遠程通信能力的電錶數量的增加，亟需開發新的系統來實現抄表和數據管理。在這樣的系統中，計量數據開始向配網自動化等系統開放，但這些系統還無法有效利用相關數據。同樣地，預付費電錶的實時能耗數據也很少被用於能量管理或節能措施等應用中。 ^[1] 

隨着技術的進步，批量生產的靜止式電錶能以很低的成本獲得強大的數據處理和存儲能力，從而促使小型用户電錶的智能化水平得到大幅提升，靜止式電錶也逐步取代了傳統的機電式電錶。 ^[1] 

對於“smart meter”的理解，國際上還沒有統一的概念，也沒有統一的國際標準。歐洲通常採用“smart meter”的概念，而“smart electric meter”則特指智能電錶；美國則習慣採用“advanced meter”的概念，但其實質是相同的。雖然“smart meter”翻譯為智能儀表或者智能表計，但主要是指智能電錶。國際上不同的組織、研究機構和企業都結合相應的功能要求給出了“smart meter”的不同定義。 ^[1] 

歐洲智能表計聯盟(European Smart Metering Alliance，ESMA)通過描述電錶特性來定義智能電錶：

（1）對計量數據的自動處理、傳輸、管理和使用； ^[1] 

（2）電錶的自動化管理； ^[1] 

（3） 電錶之間的雙向通信； ^[1] 

（4） 為智能計量系統內的相關參與者(包括能源消費者)提供及時和有價值的能耗信息； ^[1] 

（5）支持改善能源利用效率和能源管理系統(發電、輸電、配電、用電)的服務。 ^[1] 

智能電錶與傳統電錶相比能夠提供更多的消費信息，並能隨時將這些信息通過特定的網絡傳送到本地服務器中，以達到計量和計費管理的目的。此外還包括：

（1）融合了多種先進技術； ^[1] 

（2）實時或者準實時的抄表； ^[1] 

（3）詳細的負荷特性； ^[1] 

（4）電力斷電記錄； ^[1] 

（5）電能質量監測。 ^[1] 

美國需求響應和高級計量聯盟(Demand Response and Advanced Metering Coalition，DRAM)認為智能電錶應能實現以下功能：

（1）計量不同時間段內的能源使用數據，包括每小時的或者權威部門制定的時間段； ^[1] 

（2）允許電力消費者、電力公司和服務機構以各種形式的電價進行電力交易； ^[1] 

（3）提供其他數據和功能以提高電力服務質量及解決服務中的問題。 ^[1] 

國內定義的智能儀表是以微處理器為核心的，可存儲測量信息並能對測量結果進行實時分析、綜合和做出各種判斷能力的儀器。它一般具有自動測量功能、強大的數據處理能力、進行自動調零和單位換算功能，能進行簡單的故障提示，具有人機交互功能，配備有操作面板和顯示器，具有一定的人工智能。通常將採用微處理器的電子式多功能電能表定義為智能電錶，還將通信功能(載波、GPRS、ZigBee 等)、多用户計量、特定用户(如電力機車)計量等特徵引入到智能電錶的概念中。 ^[1] 

綜合各種定義，可以認為：智能電錶是以微處理器應用和網絡通信技術為核心的智能化儀表，具有自動計量/測量、數據處理、雙向通信和功能擴展等能力，能夠實現雙向計量、遠程/本地通信、實時數據交互、多種電價計費、遠程斷供電、電能質量監測、水氣熱表抄讀、與用户互動等功能。以智能電錶為基礎構建的智能計量系統，能夠支持智能電網對負荷管理、分佈式電源接入、能源效率、電網調度、電力市場交易和減少排放等方面的要求。 ^[1] 

智能電錶是基於現代通信技術、計算機技術、測量技術，對電能信息數據開展采集、分析、管理的先進計量裝置。智能電錶的基本原理為：依託A/D轉換器或者計量芯片對用户電流、電壓開展實時採集，經由CPU開展分析處理，實現正反向、峯谷或者四象限電能的計算，進一步將電量等內容經由通信、顯示等方式予以輸出。 ^[2] 

電子式智能電錶的構成、工作原理與傳統的感應式電能表有着很大的差別。 ^[3] 

感應式電錶主要是由鋁盤、電流電壓線圈、永磁鐵等元件構成其工作原理主要是通過電流線圈與可動鉛盤中感應的渦流相互作用進行計量的。而電子式智能電錶主要是由電子元器件構成，其工作原理是先通過對用户供電電壓和電流的實時採樣，再採用專用的電能表集成電路，對採樣電壓和電流信號進行處理，並轉換成與電能成正比的脈衝輸出，最後通過單片機進行處理、控制把脈衝顯示為用電量並輸出。 ^[3] 

通常我們把智能電錶計量一度電時A/D轉換器所發出的脈衝個數稱之為脈衝常數，對於智能電錶來説，這是一個比較重要的常數，因為A/D轉換器在單位時間內所發出脈衝數個的多少將直接決定着該表計量的準確度。 ^[3] 

智能電度表從結構上大致可分為機電一體式和全電子式兩大類。 ^[3] 

機電一體式，即在原機械式電度表上附加一定的部件使其既完成所需功能，又降低造價且易於安裝，一般而言其設計方案是在不破壞現行計量表原有物理結構、不改變其國家計量標準的基礎上，加裝傳感裝置變成在機械計度的同時亦有電脈衝輸出的智能表，使電子記數與機械記數同步，其計量精度一般不低於機械計度式計量表。這種設計方案採用原有感應式表的成熟技術，多用於老表改造。 ^[3] 

全電子式則從計量到數據處理都採用以集成電路為核心的電子器件從而取消了電錶上長期使用的機械部件與機電一體化電度表相比具有電錶體積減小，可靠性增加，更加精確，耗電減少，並且生產工藝大大改善，不必只在原有意義上的專業電度表廠生產等優越性，最終會取代帶有機械部件的計量表。 ^[3] 

（1）可靠性

精度長時間不變，無須輪校、無安裝及運輸影響等。 ^[4] 

（2）準確度

寬量程、寬功率因數、啓動靈敏等。 ^[4] 

（3）功能

可實行集中抄表、多費率、預付費、防竊電、滿足互聯網接入服務要求等功能。 ^[4] 

（4）性價比

性價比高、可預留擴展功能，受原材料漲價影響小等。 ^[4] 

（5）報警提示當剩餘電量小於報警電量時，電錶常顯剩餘電量提醒用户購電；當表中剩餘電量等於報警電量時，跳閘斷電一次，用户需插入IC卡，可恢復供電，用户此時應及時購電。 ^[4] 

（6）數據保護

數據保護採用全固態集成電路技術，斷電後數據可保持10年以上。 ^[4] 

（7）自動斷電

當電能表中剩餘電量為零時，電能表自動跳閘，中斷供電，用户此時應及時購電。 ^[4] 

（8）回寫功能

電能卡可將用户的累計用電量、剩餘電量、過零電量回寫到售電系統中便於管理部門的統計管理。 ^[5] 

（9）用户抽檢功能

售電軟件可提供數據抽檢用電量並根據要求提供優先抽檢的用户序列。 ^[5] 

（10）電量查詢

插入IC卡依次顯示總購電量、購電次數、上次購電量、累計用電量、剩餘電量。 ^[5] 

（11）過壓保護

當實際用電負荷超過設定值時，電錶自動斷電，插入用户卡，恢復供電。 ^[5] 

（1）結算和帳務

通過智能電錶能夠實現準確、實時的費用結算信息處理，簡化了過去帳務處理上的複雜流程。在電力市場環境下，調度人員能更及時、便捷地轉換能源零售商，未來甚至能實現全自動切換。同時用户也能獲得更加準確、及時的能耗信息和帳務信息。 ^[1] 

（2）配網狀態估計

配網側的潮流分佈信息不準確，主要是因為該信息是根據網絡模型、負載估計值以及變電站高壓側的測量信息綜合處理得到的。通過在用户側增加測量節點，將獲得更加準確的負載和網損信息，從而避免電力設備過負載和電能質量惡化。通過將大量測量數據進行整合，可實現未知狀態的預估和測量數據準確性的校核。 ^[1] 

（3）電能質量和供電可靠性監控

採用智能電錶能實時監測電能質量和供電狀況，從而及時、準確地響應用户投訴，並提前採取措施預防電能質量問題的發生。傳統的電能質量分析方式在實時性和有效性上都存在差距。 ^[1] 

（4）負荷分析、建模和預測

智能電錶採集的水、氣、熱能耗數據可以用來進行負荷分析和預測，通過將上述信息與負荷特性、時間變化等進行綜合分析，可估算和預測出總的能耗和峯值需求。這些信息將為用户、能源零售商和配網調度人員提供便利，促進合理用電、節能降耗以及優化電網規劃和調度等。 ^[1] 

（5）電力需求側響應

需求側響應意味着通過電價來控制用户的負荷及分佈式發電。它包括價格控制和負荷直接控制。價格控制大體上包括分時電價、實時電價和緊急峯值電價，來分別滿足常規用電、短期用電和高峯時期用電的需求。直接負荷控制則通常由網絡調度員根據網絡狀況通過遠程命令來實現負載的接入和斷開。 ^[1] 

（6）能效監控和管理

通過將智能電錶提供的能耗信息反饋給用户，能促使用户減少能源消耗或者轉換能源利用方式。對於裝有分佈式發電設備的家庭，還能為用户提供合理的發電和用電方案，實現用户利益的最大化。 ^[1] 

（7）用户能量管理

通過智能電錶提供的信息，可以在其上構建用户能量管理系統，從而為不同用户(居民用户、商業用户、工業用户等)提供能量管理的服務，在滿足室內環境控制(温度、濕度、照明等)的同時，儘可能減少能源消耗，實現減少排放的目標。 ^[1] 

（8）節能

為用户提供實時能耗數據，促進用户調節用電習慣，並及時發現由設備故障等產生的能源消耗異常情況。在智能電錶所提供的技術基礎上，電力公司、設備供應商及其他市場參與者可以為用户提供新的產品和服務，例如不同類型的分時網絡電價、帶回購的電力合同、現貨價格電力合同等。 ^[1] 

（9）智能家庭

智能家庭是指將家庭中不同裝置、機器和其他耗能設備聯接在一個網絡中，並根據居民的需求和行為、户外的温度以及其他參數來進行控制。它可以實現供熱、報警、照明、通風等系統的互聯，從而實現家庭自動化和家電等設備的遠程控制等。 ^[1] 

（10）預防維護和故障分析

智能電錶的測量功能有助於實現配網元器件、電能表以及用户設備的預防維護，例如檢測出電力電子設備故障、接地故障等導致的電壓波形畸變、諧波、不平衡等現象。測量數據還能幫助電網和用户分析電網元件故障和網損等。 ^[1] 

（11）預付費

相對於傳統的預付費方式，智能電錶能提供成本更低，更加靈活和友好的預付費方式。 ^[1] 

（12）電錶管理

表計管理包括：安裝表計的資產管理；表計信息數據庫的維護；對錶計的定期訪問；確保表計的正常安裝和運行；確認表計存儲的位置和用户信息的正確性等。 ^[1] 

（13）負荷遠程控制

通過智能電錶可實現負荷的整體聯接和斷開，也可以對部分用户進行控制，從而配合調度部門實現功率控制；同時用户也可以通過可控開關實現特定負荷的遠程控制。 ^[1] 

（14）非法用電檢測

智能電錶能檢測出表箱開啓、接線的變動、表計軟件的更新等事件，從而及時發現竊電現象。對於竊電高發區，通過將總表的數據和其下所有表計數據進行比對，也可以及時發現潛在的竊電行為。 ^[1] 

（15）其他

智能電錶能為用户提供電網故障、停電、電能質量、能耗、能效信息和推薦用電方案等增值服務，提高了能源市場競爭和效率，併為頻率、電壓和無功功率控制等應用提供了技術條件。 ^[6] 

（1）能源用户的收益

智能電錶能為用户提供更加準確及時的賬務信息；利用準確的用電記錄使用户更好地參與到電力市場中，並通過彈性的用電需求而獲益；對用户能耗信息的反饋以及能量自動化系統；通過更好的電能質量和故障管理來增強人身和設備安全性等。 ^[1] 

（2）電力公司的收益

建立在智能電錶基礎之上的智能計量系統能夠為計量、結算、用户服務、狀態估計、故障管理、電能質量等商業應用提供簡單、高效的解決方案。從配網的電能質量、潮流和故障監控以及負荷管理等方面都能獲益。通過該系統能夠及時發現並解決存在的問題，提高停電管理和用户服務的效率，避免臨時性過負載造成低壓配變的損壞，以及為EMS等系統提供能耗數據等。 ^[1] 

（3）電力市場的收益

通過採用可控的分佈式能源將為電力市場提供新的零售產品，增加了市場價格快速變化的靈活性，從而增強了電力市場的競爭性和功能應用的可靠性。由於提高了對價格峯值的反應能力和降低了極高價格峯值，減少了電力供應商的市場風險。基於智能計量數據和用户數據等數據庫的數據挖掘技術可以幫助電力零售商更好地理解客户需求，從而提供更有針對性的產品。負荷可預測性的提高也進一步減少了零售商的成本和風險。 ^[1] 

（4）社會和環境方面的收益

智能計量系統具有提高能源供應商和最終用户能源效率的潛力。及時準確的能耗數據反饋將使用户、家庭自動化系統和供應商能作出快速反應並將精力集中在最高效的措施上。除了直接的節能效果之外，大量的小型可控能源的接入也促進了可再生能源和熱電聯產等高效發電方式的推廣。 ^[1] 

（5）水、汽、熱等方面應用的收益

通過智能電錶可以為水、汽、熱等計量表計的通信提供電力供應，並共享遠程通信信道從而降低通信成本。將各種能源形式的測量數據彙總後也有助於分析和提高整體的能源利用效率。 ^[1]