全球化趋势加速智能电表技术突破

王莹　王金旺

摘要：随着“中国制造”的影响力不断提升。无论是加工工艺还是生产成本。中国市场成了全球智能电表竞争、生产的第一战场。相当一部分国内顶尖表厂纷纷走出国门。商业的全球化势必也会带来技术的统一。同时也进一步推动着电表技术的不断进步和突破。

关键词：全球化；电表；监测评估

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.005智能电表市场发展

从国内市场来看，过去几年在国网对于智能电表与用电信息采集系统建设的推动下，国内智能电表市场需求量不断走高，并于2015年达到峰值。而随着该项目逐渐进入收尾阶段，全国智能电表的总需求量将迎来低谷，预计到2017年年底，用电信息采集系统将实现全覆盖，届时全国智能电表的市场供过于求的现象将愈发明显。

但是，国际法制计量组织颁布的电能表国际建议IR46新的修订工作正在进行，该项工作将对我国智能电表产品的未来发展路线产生较大影响，再加上我国早期上网运行的智能电表将迎来分批次的产品更新换代，201 8年之后我国智能电表市场将有望迎来回暧，而新一代智能电表在智能化、模块化等方面的不断升级，也将进一步推动产品更新的进程。

技术发展趋势

随着国网对于“双芯”智能电表需求的进一步加大，新一代国网表在法制计量功能与非计量功能上要保持相互独立，其中计量芯需要通过法治认证，保证在非计量功能和其他系统软件升级、故障等情况下能够独立运行，并确保不影响计量准确度、稳定性和数据可追溯。而双芯将直接通过spi接口进行数据交换，利用表内搭载的可升级管理芯，帮助政府、用电企业、节能公司、平台运营商、售电公司等行业组成部分获取优质用电数据，解决智能电表在实际使用过程中的问题，并推进我国电能使用的进一步优化管理。

相关公司的发展

在国内电表公司中，杭州海兴电力科技股份有限公司在2016年呈現黑马之势。该公司在2016年国网第二轮电表采购招标中以13219.7461万元的中标金额力压威胜集团、林祥能源、华立科技等知名企业位列第二名，仅次于宁波三星医疗电气股份有限公司。相较2015年排名第十七位，公司于2016年首次招标中跃居第五位，本次招标更是高居第二位，进步幅度惊人，与此同时，该公司于2016年11月正式挂牌上市上海证券交易所A股主板，主动借力资本市场，募集资金总额超过20亿元。资本市场与下游需求的双向助力，将使海兴电力在市场整体疲软的大背景下保持较为良好的发展势头。

全球化趋势加速智能电表技术发展

电能表是用来测量电能的仪表，又称电度表，指测量各种电学量的仪表。近10年来，中国本土的智能电表进行了大规模的安装，这十年也是质量提高、技术积累、不断创新的十年。

但不得不提的是随着“中国制造”的影响力不断提升，无论是加工工艺，还是生产成本，中国市场成了全球智能电表竞争、生产的第一战场，相当一部分国内顶尖表厂纷纷走出国门。

商业的全球化势必也会带来技术的统一。在未来的10年里，智能电表技术可能会朝着以下几个主要方面发展：

1.高集成度的芯片，通常我们所说的电能计量SoC（片上系统）如果既能降低成本，又使设计简洁，就是一个很好的平台。它集成了丰富的外设，比如高精度实时时钟、高精度功率计量、优化的电源管理模块等；

2.多通道通讯，通讯是电表“智能”的保障，各种数据交换、购电、抄表都依赖于通讯，只有满足且支持多路通讯，才能使电能表处在一个稳定、高效的工作状态；

3.越来越高的数据处理能力，但要求越来越低的能耗，绿色环保是永恒的追求；

4.更好的人机互动，随着网络时代的来临，尤其是物联网的到来，我们相信电表将从传统的被动电能计量装置转变为能更多参与用电控制的家庭网关：

5.全球化的趋势，针对各个地区的不同环境，智能电表在负载特性、绝缘要求、机械特性、使用环境、气候等方面设计及测试也要进行重新考虑。

智能电表作为瑞萨全球的重点应用，目前推出了一款高集成度的电能计量SoC——RL78/I1，其具备以下特点：

1.基于DSAD技术的4通道计量；

2.高精度带温补的RTC；

3.优秀的电源管理模块，备有三套独立的供电系统：VCC、VBAT和VRTC；

4.支持极度苛刻的EMC要求：

5.可实现三相电能计量功能；

6.系列化的产品，从64-100pin，64-256K满足客户的选型需求。

解决智能电表的实时监测评估问题

智能电表实时监测评估

随着智能电表在全球范围内日益广泛的应用，越来越多的智能电表将会在现场安装运行。在现有的智能电表架构下，由于技术上缺乏对由器件参数变化、环境变化、人为篡改等各种原因造成的误差性能变化进行实时监测的有效手段，因而只能依靠在电能表日常运维方式上采用抽检、轮换等方式来确保电能表的现场性能。一方面，电能表的抽检涉及到安装、拆除、检测等多个环节，造成了大量的管理维护成本，且覆盖面有限、实施周期长；另一方面，电能表的定期轮换策略无法针对电能表当前的实际性能进行区别对待，既增加了资产成本，又造成了一定程度的资源浪费。因此，如何从技术上对智能电表在全生命周期内的性能进行实时监测评估，从而为智能电表的生产、安装、运行、维护等各个环节提供数据支撑和指导意见，成为电能表行业普遍关注的问题之一。

CT作为最为常用的电流传感器类型之一，由于具备线性度好、功耗低、隔离等优点，在电能表，特别是三相表中被广泛采用。但随着现场使用环境及负载类型的日益复杂，特别是外部强磁干扰、直流分量、冲击负荷等影响的存在，对电能表的设计提出了新的挑战，因此寻找特定情况下更为适合的电流传感器替代方案也成为业内厂家共同探索的焦点。

ADE9153系列计量芯片

ADI公司新近推出了基于mSure^TM专利技术的电能计量芯片ADE9153系列，旨在解决电能表现场运行时的实时误差监测功能。在不影响计量性能的前提下，芯片内置的误差监测功能模块可以对整表的误差参数进行实时监测。结合智能电表已有的通信功能，误差数据可以主动上报（通信协议支持的情况下）或者定期查询，主站系统可以基于单表数据或者海量电表误差数据进行进一步地分析和诊断。

与此同时，ADI结合专利的磁隔离iCoupler和isoPower技术，提供了多种用于替代电流互感器的三相电能表方案，其中包括已经批量生产的ADE7978+ADE7932系列产品及正在研发中的后续产品。

国家电网第三阶段智能电表的相关技术完善

国家电网从2009年开始建设“统一智能坚强”电网以来，已经经历了规划试点的第一阶段和全面建设的第二阶段，通过技术规范的指定、试点和特高压，配电网的建设初步形成了智能电网的运行控制和互动系统。2016-2020年属于引领提升的第三阶段，此时需要完善电网的资源配置能力、安全水平和运行效率，并进一步提高电网和能源与用户之间的互动以实现电网的信息化、自动化和互动化。

智能电表作为其主要基础设备，将在以下三方面有重大变化。首先，针对目前现场运行电表中存在的时钟及运行异常问题，将当前单相智能电表更改为电池可更换智能电表：其次，将通信协议从DL/T 645改为DL/T 698，以提高通讯效率和数据扩展性；最后，智能电表为对应国际法制计量组织的IR46标准将会把计量模块和其他模块分开。

ROHM的智能电表相关应用

目前以蓝碧石半导体（LAPIS Semiconductor，ROHM集团旗下公司）专利产品晶振内置的ML610Q496为主控芯片，配上周边的LCD驱动BU9792、电源的BU9677、EEPROM及二三极管等分立器件的方案取得了南方電网60%，国家电网30%份额的不俗表现。ML610Q496以其高精度高可靠性和易用性减轻了客户开发和生产补偿时间在客户端以及现场运行端均表现出色，获得了客户一致好评。

面对单相三相以及海外不同的市场需求，蓝碧石半导体继承晶振内置特色技术上，加入了电源分离功能，升级了内核，变成了全新的ML630Q8xx系列。全系列采用Codex-M0+内核，FALSH从2S6K到512K，RAM从24K到64K可选，可实现RTC独立供电，且系统能够直接进行硬件补偿，无需软件干预，大大减轻了客户系统设计时的负担，同一内核产品线也方便客户在不同项目之间进行移植。另外，考虑到国内电表厂商在几轮整合下综合实力不断提升后也逐步加快了海外市场的开拓，因此，在新系列当中也增加了GCM-AES加密功能。

周边器件方面，LCD驱动BU9792最高时占有市场70%以上份额，目前的COG方案也已实现量产并进入到客户评估阶段。

今后IR46需要点阵的话ROHM集团也有充分的技术储备来及时对应。小无线通信方面，蓝碧石半导体也在积极开发适合中国市场的产品。

ROHM集团还对整个生产线进行了升级，产能大大进行了提升，今后也将持续稳定地为客户提供高品质的产品。

智能电表要求高性能、高集成度

智能电表技术趋势

智能电表作为智能电网的重要组成部分，正在全球范围内大量部署。一方面，高级表计架构（AMI）、大数据、物联网、新能源等对智能电表提出越来越复杂的功能和安全性需求；另一方面，巨量的基础设施建设对部署及运维成本、质量提出了挑战。

ST智能电网项目市场应用经理李晓先称，我们认为技术发展趋势大致有：

1.高性能的载波、无线通信技术：电表需要高速度、高可靠性网络来支撑智能业务及系统自维护性需求，同时需要标准化、全面互操作性降低部署成本。以G3、PRIME、Meters&More为代表的电力线载波（PLC）国际标准，经过长期发展和批量使用，正被全球市场越来越多地采用。

2.资源丰富的能源管理平台：智能电表将实现更复杂的能源管理协议，具备更多可靠性、自维护性功能，并在未来适应光伏并网、汽车充电、智能家庭等更多应用场景。这需要电表平台既具有强大的计算/存储能力，又具备广泛的开发资源支持。

3.高集成度、SoC化：组件方面将更倾向SoC技术满足功能和成本的要求，减少BOM数量，提升产品质量。相应的产品可以更紧凑简洁，降低安装成本和复杂度。

ST智能电表芯片及平台

ST为智能电表提供从工程师熟悉的STM32/STM8系列微控制器、ST7Sxx系列载波调制解调器、SPIRIT1无线调制解调器、STPM系列计量芯片、VIPER/Altair系列电源管理器、EEPROM存储器，到时钟管理、接口驱动、系统保护、数据安全等全系列芯片支持。其中，在电力线通信方面，其ST7Sxx电力线Modem在单芯片上完成全部高性能调制解调、网络管理和功率驱动，被大量使用在全球智能电表及光伏、路灯等工业场景。针对市场对性能、成本与可靠性的要求，sT推出高集成度的STCOMET SoC平台，单片包含Cortex-M4内核、多协议全功能PLC调制解调，1：5000范围内误差小于0.1%的多通道计量，以及丰富的引脚、外设和加密硬件。其强大的软调制使厂商可以在同一电表硬件上切换不同的通信协议类型与版本。STCOMET支持全部主流国际载波标准，为多市场、多类型智能电表提供单一解决方案。ST同时提供只包含载波部分的STCOM芯片，支持不同开发模式及应用场景。

智能电表的体系化、模块化和一体化

智能电能表的产业体系化

智能电网已经成为当今世界电力系统发展变革的最新动力。智能电能表作为智能电网建设的重要基础设备，加快其发展对于电网实现信息化、自动化、互动化具有重要支撑作用。智能电能表结构和功能的设计，智能电能表的专业化制造，智能电能表产业化的推广，智能电能表的售后维护，新技术的开发等，这些生产环节必须要进行合理化的管理，要结合其他产业的相关经验进行经营管理。

智能电能表的功能模块化

当前电能表方案普遍采用功能一体化设计。电能表计量模块的性能容易受到其他部分软硬件设计的影响；而其他功能的损坏或失效容易累及电能表的计量部分。因此，电能表一旦出现故障，只能进行整表更换，以保障电力计量工作的顺利进行。这势必增加了智能电能表的维护成本，也造成了严重的资源浪费。如果实现智能电能表的模块化设计，就可以根据故障点，只对相应的故障模块进行更换。这将大大降低地市电力公司的日常维护成本。

为了防止电能表程序遭到篡改，保证电能表计量功能的安全可靠，国家电网公司不允许电能表进行软件的在线升级。随着智能电能表在我国的全面铺开，很多问题和需求涌现出来。为了解决旧问题，满足新需求，国网公司只能通过修改标准的方式进行重新招标。各地市公司只能将所有已铺设的电能表进行拆除，更换成新的电能表。这种更新换代方式不但周期长、成本高，还造成了大量的资源浪费，给国网公司带来了极大的成本压力和施工压力。如果实现智能电能表的模块化设计，就可以将电能表的计量部分和非计量部分设计成独立的功能模块。对非计量部分的功能模块进行软硬件的升级，并不会对核心的计量部分造成影响。这不仅保证了电能表计量功能的安全可靠，还满足了居民用电过程中不断变化的功能需求。

智能电能表的接口一体化

电能表从老式的机械表到智能电能表演变过程涵盖了电能表接口一体化的过程。目前智能电能表仅国家电网范围内每年招标六千万只左右，数目是庞大的，涉及上百家表厂、芯片提供商、端口提供商，从研发设计到生产调试，再到现场安装使用，如果没有统一的标准将耗费巨大物力和人力，对于电力公司将增加巨大检测成本，管理成本。对电力用户来说种类繁多的接口也势必影响使用体验度和应用安全性。具有一体化接口的智能电能表实现了研发设计的标准化、生产检定的自动化、库房管理的标准化、实施安装的统一化、抄读付费的信息化。另外随着水、电、气、热四表集抄方案的推进，及物联网技术的应用，接口一体化的智能电能表是适应信息时代的产物，符合智能硬件的智能化和信息化的特点，符合万物互联的市场需求。

智芯微电子助力电力芯片国产化

北京智芯微电子科技有限公司定位于以芯片技术为核心支撑的整体解决方案提供商，主导电力专用芯片设计，重点支撑智能电网发、输、变、配、用、调度等各个环节，稳步拓展环保排污、轨道交通、石油石化、汽车电子、钢铁冶金等工业领域应用需求；通过开展技术创新、应用创新、人才团队建设，有力推动了电力芯片国产化进程。

满足智能电表高要求的电表双模通信方案

双模通信方案将得以应用

东软载波的资料显示，国内的智能电网建设已迈入了第7个年头，国网公司的“全覆盖、全采集、全费控”的建设目标正在逐步实现，同时国网公司还在积极推进双向互动、四表（水电气热）合一等新业务的应用，这也促进了集抄通信技术的进一步发展和更新换代，因为传统的电力线窄带载波通信技术虽然能满足一般电量采集的功能要求，但是在远程费控、多表合一采集等方面，由于其对通讯实时性和大数据量采集的功能要求较高，因而显得有点力不从心。所以近几年双模通信方案、宽带载波通信方案得到了越来越多的应用。

国外智能电网建设进展不尽相同，大部分国家仍处在机械表向智能表改造这一阶段。国内电表及方案厂家在我国智能电网改造中积累了大量经验，也有很多成熟先進的产品，这是我们走出去的机会。

目前低压集抄的通信方案仍以电力线窄带载波为主，载波通信效果受电网环境影响较大，不同国家在电网建设、电器设备的接入和使用等有较大差异，从而导致了电网环境的千差万别。对于电网环境中电力线噪声大、信号衰减严重等情况，单一的窄带低速载波难以解决问题，通信效果难以达到应用要求，使得现场维护工作难度大大增加。针对这一问题，东软载波推出了载波和无线技术结合的双通道通信方案，解决了载波衰减、信号孤岛等单一载波方案难以解决的问题，真正做到了免现场维护。

东软载波相关技术

东软载波有国内完整的先进产品线，有窄带低速载波、窄带高速载波、微功率无线、双模、宽带载波等各种通信方案，可以针对不同客户不同的应用需求提供完善的解决方案。包括窄带低速1643系统、窄带高速1653系统、微功率无线1645系统、双通道53-61系统及宽带低速1663系统等。其中，宽带低速1663系统采用宽带低速载波芯片SSC1663，OFDM调制方式，频率范围为1.95～11.96MHz，通信速率为100～25Mbps。

SSC1663芯片突破性应用

2017年春晚上的哈尔滨分会场冰雪灯光照明系统中选择了电力线载波控制技术，也同时使用了SSC1663芯片的控制模块。春晚的冰雪舞台也是首次突破了纬度高、气温低、需耐受零下40℃应用环境的“高寒禁区”，单一主题公园领域灯具控制数量最多的世界纪录，仅灯具数量就达到3万余盏，而灯具种类更是高达上百种。