張娟
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：物聯(lián)網技術在未來的電力能源體系發(fā)展中，已經成為一種重要的趨勢，在現(xiàn)階段的發(fā)展，具備感知、廣泛連接、開放共享等特點。基于此，文中對電力物聯(lián)網的特性和基本概念進行了闡述，綜合智能化的特點，對智能電表提出了相關的技術需求，從滿足基本的計量功能定位逐漸向通信與數(shù)據(jù)采集、控制等多個方面合理發(fā)展，詳細分析了現(xiàn)階段新一代智能電表功能定位和設計需求的發(fā)展。在這些研究的基礎上，針對信息采集功能在電力物聯(lián)網建設中的運用，論述了其未來發(fā)展的前景以及趨勢。
關鍵詞：泛在物聯(lián)網 ；智能
電能表 ；功能定位 ；設計研究 ；應用
0引言
截至2019年國家電網有限公司提出了戰(zhàn)略性目標，以建設三型兩網電網作為發(fā)展的主要趨勢。在整個戰(zhàn)略目標中“兩網”就是堅強智能電網與泛在電力物聯(lián)網的結合。在建設能源互聯(lián)網的過程中建設兩網屬于重要的組成部分。和傳統(tǒng)的智能電網相比，泛在物聯(lián)網建設更加注重通信和信息傳遞，在信息傳遞上更重視信息的共享，不同設備之間數(shù)據(jù)互聯(lián)與信息共享已經成為其顯著的特點。除此之外，還具有計算、通信、遠程和自治等功能，泛在物聯(lián)網的建設注重把計算資源與物理資源協(xié)調聯(lián)系在一起合理運用，在市場上有非常廣泛的運用前景。
1關于泛在物聯(lián)網的發(fā)展
泛在物聯(lián)網建設過程中需要與眾多的平臺相結合，以電力網為對象，把客戶、電網企業(yè)等物體設備通過信息交互的方式，緊密聯(lián)系，打造信息數(shù)據(jù)鏈，形成資源共享平臺，這種方式符合現(xiàn)階段各個行業(yè)的復合型發(fā)展，可以為用戶和相關行業(yè)提供一定的增值業(yè)務。國家電網公司提倡的這種建設模式屬于一種新型的變革式技術命，**管理思維和提升管理理念，在電網的發(fā)展和運用中是重要的**途徑。泛在物聯(lián)網的整體構架由感知層、網絡層、平臺層和應用層等構成。感知層完成不同單位的數(shù)據(jù)信息采集之后，運用各種計算機技術提升終端智能化；網絡平臺運用大數(shù)據(jù)、云計算、移動終端、智能化等手段，確保每個環(huán)節(jié)都被合理覆蓋 ；被覆蓋之后的平臺利用物聯(lián)網管理對數(shù)據(jù)進行處理；應用層保證電網始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，在綜合的前提下建設綜合能源互聯(lián)網。
2新一代電能表設計
2.1 智能電能表設計思路
智能電能表連接電網和廣大電力用戶，其特征是數(shù)量大、分布廣，所以推廣發(fā)展的過程中具備很強的效率。對于新一代智能電能表在泛在互聯(lián)網中的定位是客戶側能源路由器，現(xiàn) 如今運行的智能電能表，并不能滿足泛在物聯(lián)網發(fā)展的要求。泛在物聯(lián)網感知，信息處理效率高，靈敏多變，國家電網公司在對新一代智能電能表的研究中提出了“多芯”與“模組化”等設計理念，在技術上滿足了 IR46中提出軟件升級的要求。除此之外，“多芯”與“模組化”的設計理念還滿足與用戶的交互，以及與智能設備的連接，因此新一代智能電能表充分符合現(xiàn)階段人們的需求。從基本的計量功能朝著功能多樣化轉變，成為集多種功能于一身的新型智能設備。
2.2 模塊設計
新一代智能電能表設計圖由多個模組與單元構成一個整體，模組與單元之間運用高速總線傳輸數(shù)據(jù)來完成數(shù)據(jù)的傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性等。計量芯模塊進行法制計量工作，主要功能是對數(shù)據(jù)信息進行采集、凍結；管理芯模塊的主要功能是對各項管理功能進行管理控制，如用戶繳費、顯示、藍牙交互等，管理調度和轉發(fā)以及擴展智能相關業(yè)務；上行通信交互進行主要是與新一代采集終端完成且支持 HPLC模式和雙模式通信。面對不同通信方式模塊都能夠任意轉換，在特殊情況下，如需要以載波方式通信，模塊還可以進行擴展載波通信功能。擴展模塊、管理芯模塊、計量芯模塊三個模塊之間的數(shù)據(jù)交互，也可以定義為非載波方式的下行通信模塊，相當于是滿足泛在物聯(lián)網應用的功能顯示，運用在實際中每一個模塊之間相互獨立，不存在干擾性。
2.3 智能電能表特點
智能電能表具有以下特點 ：（1）具有很高的測量精度，可以利用微處理器快速執(zhí)行指令、A/D 轉換時間短等特點對被測量的點進行反復多次測量，求平均值，這樣可以減少很多干擾因素，還能夠降低偶然性的干擾和誤差。數(shù)字濾波能剔除較大誤差，提升測量的精度。（2）能夠進行間接測量，智能電能表能夠利用微處理器測量幾種容易測量的參數(shù)，間接測量出不容易被測量的參數(shù)。（3）具備自動校準的優(yōu)勢，在測量的過程中自動校準能夠提升測量的精度，減少測量中存在的誤差。（4）具備自動修復的能力、自動診斷的能力。當智能電能表出現(xiàn)故障之后，可以啟動自檢裝置，儀器本身還能協(xié)助診斷故障發(fā)生的原因。（5）能夠實現(xiàn)對復雜設備的控制，能夠靈活改變儀器的功能。
3新一代智能電能表功能探析
3.1 模塊設計多樣化
新一代智能電能表的設計核心為計量芯模塊，計量芯模塊保證模塊具備良好的計量性能，可以為法制計量數(shù)據(jù)提供追溯源頭。管理模塊的主要功能是統(tǒng)籌協(xié)調擴展替換，方便系統(tǒng)運行和維護。在設計中，引入人工智能設計，讓這三個模塊之間協(xié)同辦公，運用不同的控制策略引導客戶用電的準確性。新一代智能電能表可以定位需求，根據(jù)需求的不同實現(xiàn)不同的功能，為泛在物聯(lián)網的發(fā)展提供了強有力的支撐。
3.2 存儲大量化
新一代智能電能表存儲量大，具有非常好的數(shù)據(jù)存儲性能，具有存儲長達一年的分鐘內時標電能量，為營銷法制計量數(shù)據(jù)的溯源提供數(shù)據(jù)需要。在設計的過程中為實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的有效性，采用分布式存儲，每個模塊設計了相應的存儲區(qū)域，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的讀取。人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術等的合理運用，為泛在物聯(lián)網技術的發(fā)展提供了數(shù)據(jù)保證與支持。
3.3 通信的效率性
用電信息采集系統(tǒng)的末端系統(tǒng)具備多元化通信功能，電能表的通信方式和數(shù)據(jù)傳遞速度與主站數(shù)據(jù)的運用之間是直接影響的關系，因此通信的便捷是實現(xiàn)電網公司提供好的服務的重要保證。新一代智能電能表運用先進的技術，采用 HPLC 與 HPLC 微功率無線雙模的方式，雙功率實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這種上行通信的設計，功能強大，在下行通信的設計中擴展模塊接口，使下行通信模塊具備采集數(shù)據(jù)信息和相應的控制能力 ；基表中配置藍牙通信方式，能夠和手機終端、電能表之間的數(shù)據(jù)完成了交互運用。多元化的通信方式成為了泛在物聯(lián)網高速處理信息的支撐，滿足了物聯(lián)網發(fā)展中人機交互和萬物互聯(lián)的發(fā)展需求。
3.4 模塊的升級轉型
在傳統(tǒng)智能電能表的發(fā)展上，管理芯不斷升級，對電能表的傳統(tǒng)功能進行合理補充升級，讓其具備很強的覆蓋率。在后期的發(fā)展中，為升級擴展延伸預留了一定的空間，且支持在線軟件的升級。新一代智能電能表作為新的法制計量器具，計量芯的設定沒有現(xiàn)場升級，但只要其他模組在線升級，就可以充分引用在線升級功能。系統(tǒng)中某一項功能的修改與其他模組的運行之間不存在聯(lián)系，不影響別的模塊正常使用。升級流程采取智能跟蹤升級功能，如果在現(xiàn)場出現(xiàn)功能性的變動，國家電網會將驗證過的軟件下載到處于運行中的電能表上，啟動定時更新。這種方式的運用為未來不同軟件的更新奠定了堅實的基礎。
3.5 智能化
新一代智能電能表采用點陣式液晶顯示功能，功能齊全，可以自定義字體大小和顯示功能內容，還可以快速生成二維碼，方便運維人員與用戶使用和查詢信息，滿足了智能化的發(fā)展與人們的需求。為保證智能運用的可行性與可靠性，在確保外部尺寸不變的情況下對內部進行合理的升級設計。內部使用無軟線焊接設計理念強化功能，還計劃取消電能表弱電輔助端子，有效提升整個智能電能表的設計理念與等級，能夠為泛在電力物聯(lián)網的基礎建設提供有效合理的保證。
3.6 監(jiān)測功能與分析功能
新一代智能電能表設計中，采用了用電負荷監(jiān)測功能，諧波在42次以下的分量都能夠測量，這種方式為國家電網企業(yè)負責動態(tài)負荷調整的工作人員提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐，還可以實現(xiàn)居民用電負荷的感知，增加對用戶用電行為的預測，運用這種技術可以指導用戶科學合理用電。新一代智能電能表在設計上采用多芯模組化的設計理念和單元設計，融合計量單元與管理單元，形成新一代電能表的基礎部分。兩者在物理層相互獨立互不干擾，但是配備上行通信模塊、下行通信模塊、各類業(yè)務運用模塊之后，非計量模塊能夠獨立升級，不同業(yè)務運用模塊都能夠靈活配置靈活轉換和運用。各類業(yè)務的應用模塊的運用確保計量功能準確可靠，而且為未來擴展所需預留了充足的空間，兼容性和可擴展性也得到了大大的提升。預計在未來的發(fā)展中，新一代智能電能表能夠發(fā)揮出巨大的潛力。
4 新一代智能電能表的發(fā)展趨勢
電動汽車有序充電、對居民用電負荷特征進行智能分析、多表合一的信息采集業(yè)務，目前在典型業(yè)務場景中的應用，智能電能表已經發(fā)揮了強大的功能。以電動汽車有序充電為例，電動汽車有序充電業(yè)務是支撐建筑泛在物聯(lián)網的方向與趨勢，有利于實現(xiàn)削峰填谷的作用，提升電網設備的利用率，滿足用戶居家出行多元化用電的需求。借助大數(shù)據(jù)信息資源，結合的數(shù)據(jù)挖掘分析技術、通信技術，引導用戶合理用電，提升電網設備用電的利用率和整體的質量，滿足時代的多元化需求。新一代智能電能表在2019年6月份完成研發(fā)，計劃在2020年底發(fā)布企業(yè)標準，為國家電網的泛在物聯(lián)網建設提供強有力的技術標準支持。泛在物聯(lián)網的出現(xiàn)，為新一代智能電能表的改良換代創(chuàng)造了新的發(fā)展途徑，也為電力物聯(lián)網 的發(fā)展提供了技術支撐。在未來的發(fā)展中，會朝著用戶體驗升級方面發(fā)展，實現(xiàn)雙向互動服務。電網企業(yè)在未來的發(fā)展中需要做好智能表的設計，當智能表處于不同物理環(huán)境下都能穩(wěn)定運行，在信息模塊和功能擴展升級上還需要加強設計，實現(xiàn)簡易操作。
5安科瑞為國家電網2021泛在電力物聯(lián)網建設提供解決方案
安科瑞電氣深耕用戶側能效管理多年，逐漸完善了從電力物聯(lián)網云平臺到終端傳感器的生態(tài)體系，在“源（電源）-網（電網）-荷（負荷）-儲（儲能）”各個環(huán)節(jié)加大研發(fā)投入，已經形成“云（云平臺）-管（有線/無線物聯(lián)）-邊（邊緣計算）-端（終端設備）”的生態(tài)系統(tǒng)，參與泛在電力物聯(lián)網建設，為國家電網建設“三型兩網”提供解決方案，使用戶在任何時間、地點、人、物之間實現(xiàn)信息連接和交互，產生共享數(shù)據(jù)，從而為電網、發(fā)電、供應商、用戶服務。
5.1云平臺
安科瑞電氣近年來已經陸續(xù)推出
變電所運維云平臺、能源管理云平臺、智慧用電云平臺、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺、充電樁（電動汽車/自行車）運營管理云平臺、預付費管理云平臺等云平臺解決方案等解決方案，并已經廣泛應用在多地國網公司用戶端業(yè)務、環(huán)保部門、安監(jiān)部門、住建部門等。
5.1.1變電所運維云平臺
據(jù)統(tǒng)計國內高供高計的工商業(yè)用戶數(shù)量達到200多萬戶，規(guī)模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳統(tǒng)，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時間長、風險預防薄弱等問題。國網公司和眾多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場，這是一個千億級別的市場。
AcrelCloud-1000電力運維云平臺采用多功能電力儀表、無線通信、邊緣計算網關及大數(shù)據(jù)分析技術，通過智能網關采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并存儲在本地，再定時向云平臺推送數(shù)據(jù)。平臺可同時接入數(shù)以千計的用戶變電站數(shù)據(jù)。平臺采集的數(shù)據(jù)包括變電所電氣參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括電流電壓功率、開關狀態(tài)、變壓器溫度、環(huán)境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發(fā)生10S內通過短信和APP發(fā)出告警信號。平臺通過手機APP下發(fā)運維任務到指定人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執(zhí)行過程進行閉環(huán)，提高運維效率，即時發(fā)現(xiàn)運行缺陷并做消缺處理。
5.1.2能源管理云平臺
Acrelcloud-5000能耗管理云平臺可適用于各個行業(yè)，如政府辦公建筑、工廠、教育建筑、醫(yī)療建筑、商業(yè)綜合體等，可通過局域網、互聯(lián)網或者4G網絡采集不同區(qū)域多個建筑或單位的用能數(shù)據(jù)。
平臺采集建筑電、水、氣、冷熱量等能源消耗數(shù)據(jù)和光伏、風力、儲能等新能源數(shù)據(jù)，對用能數(shù)據(jù)進行分析，按照區(qū)域、部門、用電設備類型進行細分，提供同比、環(huán)比分析比較和用能數(shù)據(jù)追溯，同時可以提供尖峰平谷各時段用能數(shù)據(jù)和報表，幫助用戶梳理能源賬單明細和制定能源績效考核。
5.1.3環(huán)保用電監(jiān)管云平臺
近年來我們的環(huán)境質量有了很大的改善，這都歸功于國家層面對環(huán)保的重視和環(huán)保部門的有力監(jiān)察執(zhí)法。安科瑞針對環(huán)保監(jiān)察的痛點研發(fā)了環(huán)保用電監(jiān)管系統(tǒng)解決方案，助力環(huán)保部門堅決打贏藍天碧水保衛(wèi)戰(zhàn)。
Acrelcloud-3000環(huán)保用電監(jiān)管平臺主要為環(huán)保監(jiān)察部門和產污排污企業(yè)服務，為環(huán)保部門提供在線監(jiān)管和執(zhí)法依據(jù)，為生產企業(yè)提供設備運行監(jiān)控和產污排污數(shù)據(jù)記錄。
平臺采集生產企業(yè)總用電量、生產用電和治污設備用電量，進行關聯(lián)分析，及時給出環(huán)保設備異常運行信號或企業(yè)異常生產信號，實現(xiàn)全過程防控。前端設備采用不停電免接線方案采集用電數(shù)據(jù)，經LORA無線上傳到環(huán)保數(shù)據(jù)網關，再通過4G上傳平臺服務器或縣、市、省級環(huán)保平臺。各地環(huán)保部門通過污染防治設施用電實時監(jiān)控，實現(xiàn)對排污企業(yè)生產運行無死角、全流程監(jiān)控，達到變人防為信息化技防，從事后處罰到介入式執(zhí)法，扭轉傳統(tǒng)依靠人力、經驗進行現(xiàn)場核查的狀態(tài)，為環(huán)保監(jiān)管開辟更加切實、有效的監(jiān)管方式，形成長效機制。
5.1.4智慧用電云平臺
據(jù)應急管理部網站數(shù)據(jù)，2016~2018年期間因為電氣原因導致的火災占總數(shù)的百分之三十到百分之三十四左右，其中2018年國內共接報火災23.7萬起，因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災占總數(shù)的百分之三十四，較大和重大火災事故中，電氣火災的比例更高。國務院、公安部消防局以及各省市自治區(qū)直轄市紛紛出臺文件推廣智慧用電，從源頭上預防電氣火災的發(fā)生，現(xiàn)用電管理平臺已在九小場所、三合一場所、養(yǎng)老福利院、醫(yī)療場所、學校、金融網點等人員密集場所廣泛開展。
安科瑞Acrelcloud-6000用電管理云平臺對電氣引發(fā)火災的主要因素（線纜溫度、漏電電流、負荷電流、電壓）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，通過2G/NB-IOT/4G方式采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設備存在的隱患（如：線纜溫度異常、過載、過壓、欠壓及漏電等）并通過短信、APP推送、自動語音呼叫等方式及時預警，有效防止電氣火災的
發(fā)生。系統(tǒng)可以顯示所有監(jiān)測點位的漏電電流等電氣參數(shù)和線纜溫度，并支持巡檢記錄和派單操作，提供隱患分析報告，實時評估企業(yè)用電狀態(tài)。
5.1.5電動汽車/電瓶車充電樁運營管理云平臺
電動汽車現(xiàn)已成為廣泛使用的綠色能源交通工具，Acrelcloud-9000充電樁運營管理云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網技術對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進行直連。
電動自行車數(shù)量越來越多，解決了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關的和火災事故新聞也屢見不鮮，有逐年增長的趨勢，給社會帶來了很大的損失，成為人民生命和財產的一個隱患。基于電動自行車火災的危害和特點，各級政府部門發(fā)文對電動自行車火災的整治都放在規(guī)范停放和充電行為上。安科瑞Acrelcloud-9500充電樁運營管理云平臺，針對電動自行車火災治理提供充電管理、資產管理和交易管理的一攬子解決方案，解決充電難、管理難和收費難的問題，可應用于商業(yè)樓宇、小區(qū)、學校、醫(yī)院等場所設置的電動自行車充電場所的運營管理。
5.1.6物業(yè)小區(qū)預付費管理云平臺
安科瑞遠程
預付費系統(tǒng)可以針對各商業(yè)綜合體、小區(qū)、寫字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業(yè)，學校、工廠宿舍的后勤管理部門以及連鎖超市、大型物業(yè)分布式財務操作，在線支付，總部財務扎口等。
目前Acrelcloud-3000預付費管理系統(tǒng)已經成功在上述各場景得到廣泛的應用并已經穩(wěn)定運行多年，適用于物業(yè)公司對小區(qū)、辦公和商鋪租戶的水電預付費管理，或者學校對學生宿舍的用電預付費和用電管控系統(tǒng)。
5.2有線/無線物聯(lián)
安科瑞根據(jù)多年來的項目經驗，結合用戶實際需求，開發(fā)了各類有線、區(qū)域無線、廣域無線通訊產品，包括網關和終端設備。支持RS485、以太網、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多種通訊方式，隨著5G建設步伐的加快，未來將會有越來越多的通訊方式融入產品，服務于泛在電力物聯(lián)網建設。
5.3邊緣計算
安科瑞針對物聯(lián)網應用開發(fā)了多款智能網關，采用嵌入式系統(tǒng)和邊緣計算技術，現(xiàn)場采集和存儲終端設備數(shù)據(jù)，并根據(jù)云平臺的需要，采用不同的協(xié)議和云平臺對接。所有數(shù)據(jù)采集、計算、異常報警觸發(fā)邏輯均在網關就地設置，網絡故障時數(shù)據(jù)存儲在本地，網絡恢復后補傳數(shù)據(jù)，斷點續(xù)傳，提高數(shù)據(jù)可靠性。
5.4終端設備
針對泛在電力物聯(lián)網的建設，安科瑞陸續(xù)推出多款物聯(lián)網儀表，應用在不同場合以滿足不同需求，2019年全年各類終端儀表出貨量超過185萬臺。
5.5安科瑞產品在泛在電力物聯(lián)網的應用
近兩年來，安科瑞已經陸續(xù)參與江蘇省部分縣市電力公司的用戶端能源管理平臺、云南省網綜合能源服務平臺、上海嘉定區(qū)147所學校電力運維平臺等相關平臺的建設，提供了包括云平臺、智能網關、終端設備等產品，各類用戶端云平臺在國內各地運行案例700多套，并且根據(jù)用戶需求不斷完善產品功能，這些項目就是未來泛在電力物聯(lián)網的一部分。
“能源互聯(lián)網的春天到了，因其所能，它必將成為充滿活力的新型能源業(yè)態(tài)。”盡管針對泛在電力物聯(lián)網還有一些不同的聲音，但是泛在電力物聯(lián)網已經悄無聲息的鋪開來，融入能源互聯(lián)網基礎建設的方方面面。
5結語
綜上所述，電力物聯(lián)網在目前得到了很好的發(fā)展，為智能電能表的發(fā)展提供了強有力的支撐，也滿足了新一代智能電能表的功能定位和設計新思路。新一代智能電能表的設計，以路由器的形式與管理功能相互獨立。對于泛在物聯(lián)網的發(fā)展，結合新一代智能電能表的技術支持，將有非常廣闊的市場。
參考文獻
[1] 郭笑含.新一代智能電能表支撐泛在電力物聯(lián)網技術研究
[2] 彭楚寧，羅冉冉，王曉東 . 新一代智能電能表支撐泛在電力物聯(lián)網技術研究 [J]. 電測與儀表，2019（15）：21.
[3] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介
張娟，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能照明的研發(fā)與應用
