浅谈智能电表的应用及发展

王志勇，张铁壁，侯锡铭

(1.河北工程技术高等专科学校 电力工程系，河北 沧州 061001；2.河北工程技术高等专科学校 学生处，河北 沧州 061001)

随着电网智能化程度的提高，传统的机械式电表已不适合应用，智能电表应运而生。作为一个智能终端，它成了联系电网和用户的中转站，其作用已经远远超出了单一的计量功能，在电能的合理分配和综合管理中发挥着重要作用。

1 智能电表的概述

智能电表(smart meter)的概念出现于20世纪90年代，当时的产品称为静止式电表，其价格是机械式电表的10到20倍，只用于高端用户。2000年前后，在一些大中城市用电子式电表来取代了机械电表，但还不是智能电表。所谓智能电表就是应用计算机技术、通信技术等，通过加装智能芯片，使其具有电能计量、计费、与上位机通信和用电管理等功能的仪表。因为它拥有功能较强的微控制器，所以就是一台小型电脑，其自动化和智能化的功能更强大。[1]

1.1 目前智能电表的种类[2]

目前投入使用的智能电表主要有分时复费率式电能表、预付费式但能表、集中远传式电能表。

(1)分时复费率式电能表只是按照峰、平、谷时段分别计费，还不能做到在线检测和在线收费，其智能化还很低，只是初级的智能电表。

(2)预付费式电能表采用先交费后用电的模式，这样虽然减轻了抄表员的工作量，但是没有办法对电表进行自动检测和控制，所以只能是电表智能化过程中的过渡产品。

(3)集中远传式电能表，通过传输网络把用户的用电信息在线抄读，存入用电管理中心的计算机，管理人员可以随时监视用电状况，发现问题及时处理。此系统虽然实现了传输、监控和管理的功能，但是不具备控制功能，只能算是智能电表系统的雏形。

1.2 国内外智能电表的应用状况

2008年中国国家电网公司开始建立用户用电信息系统，组织编写了国网智能电表企业标准，2009年10月份开始对系统内部和电表制造企业进行贯彻执行。2009年底，国家电网进行了智能电表的首次招标，2010年，累计招标2 700万只，北京、上海等一线城市已经开始使用智能电表。2011年，全国进入了智能电表更换高峰期。[3]

2011年6月25日，山西公司用电信息采集系统在全省范围内实现了1.4万智能电表用户的远程费控功能。费控功能的实现使居民用电更加智能化、供电服务更加人性化。

2011年8月17日起智能远程费控系统在威海供电公司已经全面上线运行，智能电表是系统的主要部件之一。

2011年10月12日，安徽滁州供电公司单相智能电表成功实现远程费控跳闸，催费及欠费停复电用户单个控制或分批次控制功能具备应用条件。

同时，在其他一些大中城市，随着智能电网的建设，智能电表也在推广和使用。

2009年美国总统奥巴马为抵御金融危机、振兴美国经济，提出了新能源战略，智能电网的建设处于首位，同年1月奥巴马宣布为4 000万美国家庭安装智能电表。[4]

英国也宣布从2011到2020年对现有的4700万只电表和气表进行升级。

法国计划将正在使用的3 500万只电能表更换为智能电表。

意大利已经于2001到2004年间安装和改造了3 000万只智能电能表，实现了全国95%电力用户的用电信息的自动采集，构建了智能化电网。

欧盟计划到2020年把80%的普通电表更换为智能电能表，大约有1.45亿只。

2 智能电表的原理

智能电表由测量单元、数据处理单元等组成，具有电能量计量、信息存储和处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。相对以往的普通电能表，除具备基本的计量功能外，智能电能表是全电子式电能表，带有硬件时钟和完备的通信接口，支持双向计量、自动采集、阶梯电价、分时电价、冻结、控制、监测等功能，具有高可靠性、高安全等级以及大存储容量等特点，可以为实现分布式电源计量、双向互动服务、智能家居、智能小区等奠定基础。

智能电表的原理如图 1所示，由M CU、通信芯片、预付费卡、带温补的高精度实时时钟、液晶驱动、计量芯片、数据存储、继电器驱动和电源等。[4]

图1 智能电表原理图

2.1 智能电表的采样方式

智能电表采集用电量信息的采样方式主要有两种形式。

一种是通过用互感器采样，即利用电压互感器和电流互感器分别来采集用户的电压信号和电流信号，以确定用电量。

另一种是直接采样，就是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压信号，用电阻温度系数非常小的锰铜片进行电流直接采样，从而确定用电量。[5]

在起动电流、线性、功耗和精确度等方面，互感器采样都不如直接采样好，小电流时更为突出。例如：对额定电流为20A的电路，互感器采样的启动电流在40 mA左右，而直接采样的启动电流仅为20 mA左右。又如：采用电流互感器采样，由于激磁存在，若不采取补偿措施，互感器本身误差就可能超过5%。而采用专用的锰铜片进行直接电流采样的智能电表误差可调整到+0.5%。当然利用互感器采样也有优点，那就是抗干扰性较强，线路简单，成本低。

2.2 智能电表的通信方式[6]

智能电表和控制中心之间的通信方式有以下几种形式：

(1)采用专线，如有线的 RS-485总线或现场总线布线，系统独立性好，但是容易受到自然条件的限制，人为因素的影响较大，维护工作量大。

(2)采用电力线载波通信，不用重新布线，系统组建方便，但是由于非线性负荷的大量使用，对电力线载波特别是扩频电力线载波信号产生负面影响，使其数据传输稳定性下降。[7]

(3)采用430M Hz无线传输，系统组建容易，但其稳定性和可靠性无法保障。

(4)借助公用电话网通信。网络容易组建，但是技术复杂，还需要部门之间的协调。

目前通信网络是制约智能电表发展和推广的重要因素。将来的三网合一，会给智能电表的发展带来更大的方便。

3 智能电表的功能

智能电表是智能电网中的一个重要部分，它除了具备普通电表的计量功能之外，还有更多的智能功能。

(1)双向计量

在倡导环保和节能的今天，许多分布式新能源在用户端得到了利用，如太阳能发电等，当这些电能有剩余时，就可以通过智能电表反馈给电网，这就需要智能电表具有双向传输和计量的功能。这样既节约了能源又保障了用户的利益。

(2)分时段和分类计费

智能电表可以对用户在用电高峰和低谷时的费用分别计算，还可以对不同功率因数的负载的用电分别计费。供电公司把分时电费情况发送的用户的智能电表上，供用户调节自己用电做参考，用户还可以通过智能电表查收账单和停电通知。供电公司可以通过智能电表实时采集用电信息和负荷分布情况来优化电网。这样可以更好地鼓励用户选择节能电器和实现错峰避峰用电，提高电网的运行效率。

(3)双向通信[1]

双向通信也是电表智能化的一个体现，控制中心除了接收智能电表发出的用电信息以外，还可以向智能电表发出调控指令，实现遥测和遥控。

图2 智能电表控制家用电器的原理图

(4)控制功能

智能电表的微控制器M CU(Micro Controller Unit)的 I/O 接口可以连接许多外部设备，如：照明灯具、空调、洗衣机、电饭煲、电控窗帘、防盗器等家用电器，通过远程计算机对其进行遥测和遥控，还可以实现异地报警，从而实现智能住宅。其原理如图2所示。

(5)自诊断和自我恢复功能

智能电表的硬件和软件及其所处的系统都比普通电表更复杂，所有它的故障率相应增加，这就需要智能电表具有故障自诊断和自我恢复的功能。在没有人为干预的情况下，故障发生时，智能电表应能够及时发现、分析和判断，并作出隔离、重装和起动等一系列动作，完成自诊断和自我恢复功能。

(6)保护功能

智能电表应该有检测电源质量和自动断电的功能，如当检测到电网电压达到报警值时，应上传信息，并同时发出报警和信息显示，需要时能给负载断电，以保护用户的电气设备。

4 智能电表发展中的制约问题[2]

智能电表发展中的制约问题有以下几个。

(1)成本高。智能电表功能多，采用了许多新技术，所以其成本和售价过高，普通用户不愿承受或难以承受。这也影响了厂家的积极性，制约了智能电表的发展。但是随着科技的发展和社会的进步，及国家政策的支持，智能电表的价格会逐渐降低。

(2)安全保障难度大。智能电表就是一个小型计算机，其存储和传输的数据量相当大，其高效、低廉和可靠的安全系统的建立是一个巨大的挑战，不同通信方式的加密方法需要解决，应付日益增多的网络黑客攻击也是一个不容忽视的问题。

(3)智能化程度的提高难度大。智能电表应该和人一样具有智能，也就是在没有人工参与的条件下，具有感知、分析、判断和作出反应的能力，但是所有这一切都是在程序的控制下进行的，一旦出现新的问题，没有程序指导，电表就无能为力了，也就是说没有独立思考的能力，这是智能化程度提高进程中的一个巨大挑战。

5 我国智能电表发展前景[8]

2011 年，国际市场研究机构派克咨询公司(Pike Research)发布了一份名为《智能电表市场预测》的报告，报告中指出随着各国政府不遗余力地扩大智能电表的部署工作，市场将经历一波高潮。派克认为，中国这个大市场对该产业的发展添色不少。随着智能电表在中国国内的快速部署，进一步确保了它在该市场的稳定地位，预计未来10年都会维持这一增长态势。

国家电网公司计划2012年到2015年之间的三年内，新安装智能电表约2.4亿块，将成为全球最大智能电表消费市场。到2016年中国的智能电表的安装数量将占到亚太地区所有智能电表安装数量的3/4以上。中国政府已经建立在2011～2020年安装6.82亿～7.82亿个智能电表的目标。2020年智能电表的覆盖率将达到100%。可以相信，随着我国智能电网建设的不断推进，智能电表的应用也将会很快进入千家万户。

6 结语

节能和环保是当今世界的主题，智能电网的建设也在为之做着积极的贡献，作为电网智能终端的智能电能表是一种绿色表计，各国对其需求量日益增加，我国更是需求大户，国内厂商正在把一些新材料、新技术和新工艺投入到智能电能表的生产上，提高质量和降低成本。政府从政策上对智能电能表的生产和使用予以扶持，同时大力宣传，让老百姓接受这种新事物。相信未来10年，智能电表会逐渐普及，我们会拥有一个绿色、高效、可靠的智能电网。

[1]李保玮.智能电表简介[J].装备机械，2010(3)：70-73.

[2]曹敏，黄玫，王媛.智能电能表的发展与难点问题探讨[J].陕西电力，2011(12)：88-90.

[3]张高龙.智能电表技术及市场[J].电器工业，2010(12)：56-60.

[4]韩明，费宇航.智能电表系统实现方案及其发展趋势[J].集成电路应用，2010(10)：29-30.

[5]马瑞，陈晨.基于DSP控制的智能电表设计[J].机电信息，2011(21)：151-152.

[6]曹舒.采用智能电表的居民用户无线自动抄表系统[J].电气技术，2010(8)：112-116.

[7]聂王旬.对智能电网中智能电表技术的展望[J].湖北电力，2010(6)：47-48.

[8]王思彤，周晖，袁瑞铭，易忠林.智能电表的概念及应用[J].电网技术，2010(4)：22-23.