一種基于ir46理念的智能電能表設(shè)計(jì)方案研究

1、第44卷第504期電測(cè)與儀表Vol.44No.5042007年第12期ElectricalMeasurement&InstrumentationDec.20071基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目：由國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目支撐（JLB17201600149）一種基于一種基于IR46理念的智能電能表設(shè)計(jì)方案研究理念的智能電能表設(shè)計(jì)方案研究郜波（中國(guó)電力科學(xué)研究院計(jì)量研究所，北京100192）摘要：文中從準(zhǔn)確度等級(jí)、試驗(yàn)要求以及軟件防護(hù)等方面比對(duì)了IR46與

2、我國(guó)現(xiàn)行電能表標(biāo)準(zhǔn)的差異，分析現(xiàn)有智能電能表對(duì)IR46的適用性，結(jié)合現(xiàn)有智能電能表技術(shù)水平，提出了一種滿足IR46要求的雙芯電能表技術(shù)方案，滿足了IR46對(duì)于電能表計(jì)量防護(hù)及升級(jí)方面的要求，為今后IR46在我國(guó)的落地實(shí)施提供了一種合理的解決思路。關(guān)鍵詞：IR46；智能電能表；計(jì)量防護(hù)；雙芯電能表中圖分類(lèi)號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：10011390（2017）17000000Researchofsmartmeterdesigns

3、chemebasedonIR46GaoBo(MetrologyInstitute，ChinaElectricPowerResearchInstituteBeijing100192China)Abstract：:ThisarticlepapercomparesthedifferencesbetweentheInternationalRecommendation46(IR46fsht)thecurrentnationalstardsabou

4、telectricenergymeterfwhichfromtheaccuracyclassestestingrequirementsmethodssoftwareprotectionrequirementssoon.ThenationalmeteradaptabilityofIR46isanalyzedatechnicalproposalofsmartmeterwith‘doublechips’isadvancedwhichcould

5、matchthetestingsoftwareprotectionrequirementsfIR46itprovidesareasonablesolutionideafthefutureIR46implementationinourcountry.Keywds：:InternationalRecommendationIR46smartmeterprotectofmetrologyprotection‘doublechips’smartm

6、eter0引言引言InternationalRecommendation46(以下簡(jiǎn)稱(chēng)IR46)《有功電能表》[1]是由國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML）最新修訂完成的電能表國(guó)際建議，其內(nèi)容涵蓋電能表的計(jì)量要求、技術(shù)要求和法制管理要求。IR46是針對(duì)電能表的強(qiáng)制性技術(shù)法規(guī)，一經(jīng)發(fā)布，包括我國(guó)在內(nèi)的所有OIML成員國(guó)必須采納并執(zhí)行。因此，我國(guó)相關(guān)的型式評(píng)價(jià)大綱、檢定規(guī)程等法制內(nèi)容在未來(lái)也將進(jìn)行同步修訂。本次IR46的修訂對(duì)電能表計(jì)量防護(hù)、軟件升

7、級(jí)及技術(shù)指標(biāo)方面提出了更高的要求，然而我國(guó)現(xiàn)有的智能電能表軟硬件設(shè)計(jì)較為固化，不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，智能電能表長(zhǎng)期的運(yùn)行中也暴露出硬件設(shè)計(jì)趨于完善，軟件設(shè)計(jì)仍存在漏洞、時(shí)鐘電池欠壓?jiǎn)栴}頻繁發(fā)生、擴(kuò)展功能局限、未能契合大數(shù)據(jù)時(shí)代的需要等問(wèn)題。因此需要提出一種新的智能電能表設(shè)計(jì)方案，來(lái)滿足未來(lái)IR46在我國(guó)落地實(shí)施的需求，并進(jìn)一步完善智能電能表的功能。1現(xiàn)行智能電能表技術(shù)適應(yīng)性分析現(xiàn)行智能電能表技術(shù)適應(yīng)性分析目前，國(guó)內(nèi)采用的智能電能表

8、依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而成，具備雙向計(jì)量、信息存儲(chǔ)與處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、先進(jìn)費(fèi)控、安全加密等功能，滿足現(xiàn)階段國(guó)家電價(jià)政策、信息安全、用電可靠性等用電要求。然而，隨著IR46的發(fā)布，我國(guó)電能表相關(guān)的型式評(píng)價(jià)大綱、檢定規(guī)程等法制內(nèi)容也將與IR46同步。現(xiàn)行智能電能表能否滿足未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)要求有待進(jìn)一步分析與驗(yàn)證。因此，本文將IR46與我國(guó)現(xiàn)行的電能表型評(píng)大綱JJF12452010[2]進(jìn)行了比對(duì)，針對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)劃分、試驗(yàn)要求以及計(jì)量性能防護(hù)等主要差異點(diǎn)做了

9、適用性分析。1.1準(zhǔn)確度等級(jí)及要求IR46將電能表等級(jí)劃分為：A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，對(duì)比誤差限設(shè)置情況，可分別對(duì)應(yīng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)、1級(jí)、0.5s級(jí)以及0.2s級(jí)。不同于JJF12452010中負(fù)載電流特征點(diǎn)InIb、Imax的表述第44卷第504期電測(cè)與儀表Vol.44No.5042007年第12期ElectricalMeasurement&InstrumentationDec.20073基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目：由國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目支撐

10、（JLB17201600149）能需求，如沒(méi)有成熟可靠的軟件在線更新機(jī)制，每一次的功能更新或者注入新的費(fèi)率政策均需要重新更換電能表將會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，大量增加了運(yùn)維的成本。綜上，現(xiàn)行的智能電能表雖然能夠滿足IR46中準(zhǔn)確度以及各類(lèi)影響量試驗(yàn)的技術(shù)要求，但不具備計(jì)量性能防護(hù)與軟件升級(jí)功能，為適應(yīng)IR46標(biāo)準(zhǔn)的落地要求，本文在原有技術(shù)水平基礎(chǔ)上，創(chuàng)新的提出了一種雙芯智能電能表的設(shè)計(jì)思路，計(jì)量部分與管理部分相互獨(dú)立，可保障計(jì)量的準(zhǔn)確性與軟

11、件的可升級(jí)可擴(kuò)展要求，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)計(jì)的同時(shí)也考慮到了智能電能表多年運(yùn)行以來(lái)，其自身技術(shù)條件已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的功能需求，如時(shí)鐘電池問(wèn)題[4]、用戶(hù)交互問(wèn)題以及“多表集抄”問(wèn)題。雙芯智能電能表應(yīng)在滿足IR46要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足未來(lái)電價(jià)政策、用戶(hù)需求擴(kuò)展以及新能源政策的開(kāi)展實(shí)施[57]。2基于基于IR46要求的雙芯智能電能表設(shè)計(jì)方案要求的雙芯智能電能表設(shè)計(jì)方案2.1總體框架雙芯智能電能表的總體設(shè)計(jì)思路是將電能表的計(jì)量部分（計(jì)量MCU

12、）與管理部分（管理MCU）進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，在智能電表中劃分出隔離的區(qū)域，通過(guò)獨(dú)立的MCU進(jìn)行計(jì)量功能的實(shí)現(xiàn)，其余管理相關(guān)的擴(kuò)展功能通過(guò)另外的MCU實(shí)現(xiàn)?？梢灶?lèi)比于傳統(tǒng)電能表的運(yùn)行模式，計(jì)量部分簡(jiǎn)單、可靠，由計(jì)量芯實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械表的計(jì)量功能；非計(jì)量部分靈活、可擴(kuò)展升級(jí)，由管理芯實(shí)現(xiàn)，類(lèi)似于傳統(tǒng)的抄表工人。計(jì)量部分作為基表，主要承擔(dān)電能計(jì)量任務(wù)，存儲(chǔ)每分鐘的電量并加上時(shí)標(biāo)，同時(shí)具備時(shí)間源、脈沖指示、全失壓、電源異常事件檢測(cè)等功能。管理部分

13、承擔(dān)整表的管理任務(wù)，負(fù)責(zé)收集計(jì)量芯記錄的電量信息，并進(jìn)行計(jì)費(fèi)，還包括費(fèi)控顯示、對(duì)外通信、事件記錄、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負(fù)荷控制等任務(wù)。兩部分之間只有唯一通信通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。雙芯智能電能表的設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。計(jì)量部分管理部分電電壓流采采樣樣計(jì)量芯片數(shù)據(jù)總線計(jì)量MCU存儲(chǔ)器1RTC管理MCU存儲(chǔ)器2停抄電池雙芯智能表框圖紅外系統(tǒng)電源超級(jí)電容時(shí)鐘電池RS485費(fèi)控通信RS485卡ESAM圖1雙芯智能電能表原理框圖Fig.1Schematicdiagra

14、mof‘doublechips’smartmeter雙芯智能電能表的劃分原則是，計(jì)量芯部分所實(shí)現(xiàn)的功能簡(jiǎn)單可靠，負(fù)責(zé)電壓電流采樣，并記錄最原始的帶時(shí)標(biāo)的電能量數(shù)據(jù)，該部分功能長(zhǎng)期沒(méi)有修改的需求。管理芯負(fù)責(zé)諸如計(jì)費(fèi)、通信、費(fèi)控等功能，所需要的原始數(shù)據(jù)均從計(jì)量芯讀取，該部分功能可以通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行受控的升級(jí)，并在升級(jí)或者正常運(yùn)行過(guò)程中不影響計(jì)量芯的工作。2.2電源方案雙芯智能電能表不僅要在功能上實(shí)現(xiàn)隔離，其物理接口，尤其是電源部分也應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)隔離

15、，以確保在管理部分受到干擾的情況下，電源部分能夠正常工作。雙芯智能電能表在工作時(shí)的主電源由電網(wǎng)提供，經(jīng)由3個(gè)穩(wěn)壓模塊進(jìn)行電壓變換后轉(zhuǎn)換為各模塊所需要的電源，穩(wěn)壓模塊之間相互隔離，使得計(jì)量模塊與管理模塊的電源獨(dú)立，互不干擾。同時(shí)，為了保證智能電能表停電后時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，設(shè)置時(shí)鐘電池與超級(jí)電容在停電時(shí)為RTC供電，并加入二極管，防止主電源上電后由于電壓的升高向時(shí)鐘電池反向充電。具體電源部分的設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于不僅解決了現(xiàn)行智能電

16、能表時(shí)鐘電池欠壓的問(wèn)題，還確保了在管理部分電源出現(xiàn)故障時(shí)不影響計(jì)量部分電源，保障計(jì)量部分的正常運(yùn)行。時(shí)鐘電池停抄電池主電源變壓器穩(wěn)壓模塊2超級(jí)電容穩(wěn)壓模塊1RTCMCU存儲(chǔ)器計(jì)量芯片計(jì)量模塊計(jì)量單元MCU存儲(chǔ)器通信單元管理模塊管理單元紅外背光蜂鳴器穩(wěn)壓模塊3圖2雙芯智能電能表電源設(shè)計(jì)框圖Fig.2Designblockdiagramof‘doublechips’SsmartMetermeterpowersupplierpart2.3通信