智能电表

智能电表
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智能化配电网数据采集的基本设备之一
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概念定义
早在20世纪90年代就出现了智能电表(smart meter)的概念。1993年静止式电表刚刚出现时，其价格是机电式电表的10~20倍，因此主要应用于大型用户。之后随着具有远程通信能力的电表数量的增加，亟需开发新的系统来实现抄表和数据管理。在这样的系统中，计量数据开始向配网自动化等系统开放，但这些系统还无法有效利用相关数据。同样地，预付费电表的实时能耗数据也很少被用于能量管理或节能措施等应用中。 
随着技术的进步，批量生产的静止式电表能以很低的成本获得强大的数据处理和存储能力，从而促使小型用户电表的智能化水平得到大幅提升，静止式电表也逐步取代了传统的机电式电表。 
对于“smart meter”的理解，国际上还没有统一的概念，也没有统一的国际标准。欧洲通常采用“smart meter”的概念，而“smart electric meter”则特指智能电表；美国则习惯采用“advanced meter”的概念，但其实质是相同的。虽然“smart meter”翻译为智能仪表或者智能表计，但主要是指智能电表。国际上不同的组织、研究机构和企业都结合相应的功能要求给出了“smart meter”的不同定义。 
ESMA
欧洲智能表计联盟(European Smart Metering Alliance，ESMA)通过描述电表特性来定义智能电表：
（1）对计量数据的自动处理、传输、管理和使用； 
（2）电表的自动化管理； 
（3） 电表之间的双向通信； 
（4） 为智能计量系统内的相关参与者(包括能源消费者)提供及时和有价值的能耗信息； 
（5）支持改善能源利用效率和能源管理系统(发电、输电、配电、用电)的服务。 
南非Eskom 电力公司
智能电表与传统电表相比能够提供更多的消费信息，并能随时将这些信息通过特定的网络传送到本地服务器中，以达到计量和计费管理的目的。此外还包括：
（1）融合了多种先进技术； 
（2）实时或者准实时的抄表； 
（3）详细的负荷特性； 
（4）电力断电记录； 
（5）电能质量监测。 
DRAM
美国需求响应和高级计量联盟(Demand Response and Advanced Metering Coalition，DRAM)认为智能电表应能实现以下功能：
（1）计量不同时间段内的能源使用数据，包括每小时的或者权威部门制定的时间段； 
（2）允许电力消费者、电力公司和服务机构以各种形式的电价进行电力交易； 
（3）提供其他数据和功能以提高电力服务质量及解决服务中的问题。 
国内
国内定义的智能仪表是以微处理器为核心的，可存储测量信息并能对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。它一般具有自动测量功能、强大的数据处理能力、进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有人机交互功能，配备有操作面板和显示器，具有一定的人工智能。通常将采用微处理器的电子式多功能电能表定义为智能电表，还将通信功能(载波、GPRS、ZigBee 等)、多用户计量、特定用户(如电力机车)计量等特征引入到智能电表的概念中。 
综合各种定义，可以认为：智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表，具有自动计量/测量、数据处理、双向通信和功能扩展等能力，能够实现双向计量、远程/本地通信、实时数据交互、多种电价计费、远程断供电、电能质量监测、水气热表抄读、与用户互动等功能。以智能电表为基础构建的智能计量系统，能够支持智能电网对负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场交易和减少排放等方面的要求。 
工作原理
智能电表是基于现代通信技术、计算机技术、测量技术，对电能信息数据开展采集、分析、管理的先进计量装置。智能电表的基本原理为：依托A/D转换器或者计量芯片对用户电流、电压开展实时采集，经由CPU开展分析处理，实现正反向、峰谷或者四象限电能的计算，进一步将电量等内容经由通信、显示等方式予以输出。 
电子式智能电表的构成、工作原理与传统的感应式电能表有着很大的差别。 
感应式电表主要是由铝盘、电流电压线圈、永磁铁等元件构成其工作原理主要是通过电流线圈与可动铅盘中感应的涡流相互作用进行计量的。而电子式智能电表主要是由电子元器件构成，其工作原理是先通过对用户供电电压和电流的实时采样，再采用专用的电能表集成电路，对采样电压和电流信号进行处理，并转换成与电能成正比的脉冲输出，最后通过单片机进行处理、控制把脉冲显示为用电量并输出。 
通常我们把智能电表计量一度电时A/D转换器所发出的脉冲个数称之为脉冲常数，对于智能电表来说，这是一个比较重要的常数，因为A/D转换器在单位时间内所发出脉冲数个的多少将直接决定着该表计量的准确度。 
分类
智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。 
机电一体式
机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件使其既完成所需功能，又降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构、不改变其国家计量标准的基础上，加装传感装置变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表，使电子记数与机械记数同步，其计量精度一般不低于机械计度式计量表。这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术，多用于老表改造。 
全电子式
全电子式则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件从而取消了电表上长期使用的机械部件与机电一体化电度表相比具有电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电减少，并且生产工艺大大改善，不必只在原有意义上的专业电度表厂生产等优越性，最终会取代带有机械部件的计量表。 
功能特点
（1）可靠性
精度长时间不变，无须轮校、无安装及运输影响等。 
（2）准确度
宽量程、宽功率因数、启动灵敏等。 
（3）功能
可实行集中抄表、多费率、预付费、防窃电、满足互联网接入服务要求等功能。 
（4）性价比
性价比高、可预留扩展功能，受原材料涨价影响小等。 
（5）报警提示当剩余电量小于报警电量时，电表常显剩余电量提醒用户购电；当表中剩余电量等于报警电量时，跳闸断电一次，用户需插入IC卡，可恢复供电，用户此时应及时购电。 
（6）数据保护
数据保护采用全固态集成电路技术，断电后数据可保持10年以上。 
（7）自动断电
当电能表中剩余电量为零时，电能表自动跳闸，中断供电，用户此时应及时购电。 
（8）回写功能
电能卡可将用户的累计用电量、剩余电量、过零电量回写到售电系统中便于管理部门的统计管理。 
（9）用户抽检功能
售电软件可提供数据抽检用电量并根据要求提供优先抽检的用户序列。 
（10）电量查询
插入IC卡依次显示总购电量、购电次数、上次购电量、累计用电量、剩余电量。 
（11）过压保护
当实际用电负荷超过设定值时，电表自动断电，插入用户卡，恢复供电。 
主要应用
（1）结算和帐务
通过智能电表能够实现准确、实时的费用结算信息处理，简化了过去帐务处理上的复杂流程。在电力市场环境下，调度人员能更及时、便捷地转换能源零售商，未来甚至能实现全自动切换。同时用户也能获得更加准确、及时的能耗信息和帐务信息。 
（2）配网状态估计
配网侧的潮流分布信息不准确，主要是因为该信息是根据网络模型、负载估计值以及变电站高压侧的测量信息综合处理得到的。通过在用户侧增加测量节点，将获得更加准确的负载和网损信息，从而避免电力设备过负载和电能质量恶化。通过将大量测量数据进行整合，可实现未知状态的预估和测量数据准确性的校核。 
（3）电能质量和供电可靠性监控
采用智能电表能实时监测电能质量和供电状况，从而及时、准确地响应用户投诉，并提前采取措施预防电能质量问题的发生。传统的电能质量分析方式在实时性和有效性上都存在差距。 
（4）负荷分析、建模和预测
智能电表采集的水、气、热能耗数据可以用来进行负荷分析和预测，通过将上述信息与负荷特性、时间变化等进行综合分析，可估算和预测出总的能耗和峰值需求。这些信息将为用户、能源零售商和配网调度人员提供便利，促进合理用电、节能降耗以及优化电网规划和调度等。 
（5）电力需求侧响应
需求侧响应意味着通过电价来控制用户的负荷及分布式发电。它包括价格控制和负荷直接控制。价格控制大体上包括分时电价、实时电价和紧急峰值电价，来分别满足常规用电、短期用电和高峰时期用电的需求。直接负荷控制则通常由网络调度员根据网络状况通过远程命令来实现负载的接入和断开。 
（6）能效监控和管理
通过将智能电表提供的能耗信息反馈给用户，能促使用户减少能源消耗或者转换能源利用方式。对于装有分布式发电设备的家庭，还能为用户提供合理的发电和用电方案，实现用户利益的最大化。 
（7）用户能量管理
通过智能电表提供的信息，可以在其上构建用户能量管理系统，从而为不同用户(居民用户、商业用户、工业用户等)提供能量管理的服务，在满足室内环境控制(温度、湿度、照明等)的同时，尽可能减少能源消耗，实现减少排放的目标。 
（8）节能
为用户提供实时能耗数据，促进用户调节用电习惯，并及时发现由设备故障等产生的能源消耗异常情况。在智能电表所提供的技术基础上，电力公司、设备供应商及其他市场参与者可以为用户提供新的产品和服务，例如不同类型的分时网络电价、带回购的电力合同、现货价格电力合同等。 
（9）智能家庭
智能家庭是指将家庭中不同装置、机器和其他耗能设备联接在一个网络中，并根据居民的需求和行为、户外的温度以及其他参数来进行控制。它可以实现供热、报警、照明、通风等系统的互联，从而实现家庭自动化和家电等设备的远程控制等。 
（10）预防维护和故障分析
智能电表的测量功能有助于实现配网元器件、电能表以及用户设备的预防维护，例如检测出电力电子设备故障、接地故障等导致的电压波形畸变、谐波、不平衡等现象。测量数据还能帮助电网和用户分析电网元件故障和网损等。 
（11）预付费
相对于传统的预付费方式，智能电表能提供成本更低，更加灵活和友好的预付费方式。 
（12）电表管理
表计管理包括：安装表计的资产管理；表计信息数据库的维护；对表计的定期访问；确保表计的正常安装和运行；确认表计存储的位置和用户信息的正确性等。 
（13）负荷远程控制
通过智能电表可实现负荷的整体联接和断开，也可以对部分用户进行控制，从而配合调度部门实现功率控制；同时用户也可以通过可控开关实现特定负荷的远程控制。 
（14）非法用电检测
智能电表能检测出表箱开启、接线的变动、表计软件的更新等事件，从而及时发现窃电现象。对于窃电高发区，通过将总表的数据和其下所有表计数据进行比对，也可以及时发现潜在的窃电行为。 
（15）其他
智能电表能为用户提供电网故障、停电、电能质量、能耗、能效信息和推荐用电方案等增值服务，提高了能源市场竞争和效率，并为频率、电压和无功功率控制等应用提供了技术条件。 
带来收益
（1）能源用户的收益
智能电表能为用户提供更加准确及时的账务信息；利用准确的用电记录使用户更好地参与到电力市场中，并通过弹性的用电需求而获益；对用户能耗信息的反馈以及能量自动化系统；通过更好的电能质量和故障管理来增强人身和设备安全性等。 
（2）电力公司的收益
建立在智能电表基础之上的智能计量系统能够为计量、结算、用户服务、状态估计、故障管理、电能质量等商业应用提供简单、高效的解决方案。从配网的电能质量、潮流和故障监控以及负荷管理等方面都能获益。通过该系统能够及时发现并解决存在的问题，提高停电管理和用户服务的效率，避免临时性过负载造成低压配变的损坏，以及为EMS等系统提供能耗数据等。 
（3）电力市场的收益
通过采用可控的分布式能源将为电力市场提供新的零售产品，增加了市场价格快速变化的灵活性，从而增强了电力市场的竞争性和功能应用的可靠性。由于提高了对价格峰值的反应能力和降低了极高价格峰值，减少了电力供应商的市场风险。基于智能计量数据和用户数据等数据库的数据挖掘技术可以帮助电力零售商更好地理解客户需求，从而提供更有针对性的产品。负荷可预测性的提高也进一步减少了零售商的成本和风险。 
（4）社会和环境方面的收益
智能计量系统具有提高能源供应商和最终用户能源效率的潜力。及时准确的能耗数据反馈将使用户、家庭自动化系统和供应商能作出快速反应并将精力集中在最高效的措施上。除了直接的节能效果之外，大量的小型可控能源的接入也促进了可再生能源和热电联产等高效发电方式的推广。 
（5）水、汽、热等方面应用的收益
通过智能电表可以为水、汽、热等计量表计的通信提供电力供应，并共享远程通信信道从而降低通信成本。将各种能源形式的测量数据汇总后也有助于分析和提高整体的能源利用效率。