概述
智能电表是智能电网(特别是智能配电网)数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础。在智能电表基础上构建的高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)、自动抄表(automatic meter reading，AMR)系统能为用户提供更加详细的用电信息，使用户可以更好地管理他们的用电量，以达到节省电费和减少温室气体排放的目标；电力零售商可以根据用户的需求灵活地制定分时电价，推动电力市场价格体系的改革；配电公司能够更加迅速地检测故障，并及时响应强化电力网络控制和管理。
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。
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。
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。
技术原理
（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：
目前，配网侧的潮流分布信息通常很不准确，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。
国内发展和应用现状
国内智能电表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式智能电表是在原机械式电能表的基础上附加一定的部件，不仅能使其完成所需功能。又可以降低造价且方便安装。一般而若乓设计方案在不破坏现行电能表的原有物理结构、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，使电子计数与机械计数同步，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。全电子式智能电表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，从而取消了电能表上长期使用的机械部件。与机电一体化智能电表相比。具有体积小、可靠性高、更精确、耗电少等特点．并且生产工艺大大改善．不局限在专业电能表厂生产。预计，全电子式智能电表最终会取代带有机械部件的电能表。
按抄表方式来分，智能电表又分为分时复费率式、预付费(1c卡)式和集中远传自动抄表式3种。抄表方式的不同体现了电能表智能化程度的高低。
1)分时复费率式。分时复费率电能表具有多个时段、多个电价分时计费功能，但仍然靠人工抄表。它比传统的机械式及单纯的电子式电能表有了很大的改进，在计费精度及时间段上体现f智能化。
2)预付费(Ic卡)式。Ic卡电能表的整个收费系统包括主机、Ic卡电能表和Ic卡气部分。系统功能包括预收费功能、报警功能、断电功能、显示功能和加密功能。IC卡电能表收费系统的成本较低、可靠性高、使用寿命长。Ic卡是用硅片(EEPROM)来存储信息的，l张Ic卡至少可以使用10年以上。Ic卡电能表收费系统安全性高、不易仿制、收费准确、不易出错，且具有很强的加密性。采用Ic卡电能表收费系统可提高居民用电收费的管理水平，确保电力部门能及时收到电费。所以，Ic卡收费系统在我国得到了一定程度的推广。
3)集中远传自动抄表系统。集中远传自动抄表系统是指由主站通过传输媒体(无线、有线、电力线，电力载波等信道或Ic卡等介质)将多个电能表电能量的记录值(窗口值)的信息集中抄读的系统。该系统实现用电数据的自动抄收，可杜绝人工操作的一切弊端。用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统。用电管理人员可随时监视用电情况，发现问题(如故障、窃电等)及时处理。随着形势的发展。居民可在银行开设个人账户，通过营业计算机管理系统与银行的联网，完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全套操作，可真正实现用电管理的自动化。
现在国内的远传抄表系统主要有RS485总线和电力载波抄表两种形式。电力载波抄表系统是利用专用芯片对用电数据进行调制解调。通过电力线进行通讯以实现集中抄表；RS485总线抄表方式的数据传输可靠性高．且造价较低，缺点是需布线、安装较复杂、拉线易被人为破坏，特另Ⅱ是现在许多小区不允许拉明线，使这种总线方式难于施工。当然，根据小区的不同情况，也可以采取RS485总线与电力载波抄表配合使用的方案。
现在采用比较多的方案是用户终端列数据集中器采用电力线电力载波通讯，数据集中器到上位机用专用电话线。采用这种抄表方式的产品有很多，如：江两南昌地区的几个智能小区均采用这种方式。
2010年-2014年，中国将进入智能电表更换高峰期。根据国家电网公司5年685亿元的投资，业内人士估计国家电网将采购1.7亿台左右的AMR/AMI电表。其中75%是单相智能电表，25%是三相智能电表。
目前，中国国家电网公司不仅对单相智能电表和三相智能电表的规格提出具体要求，还对智能电表的现实、外观结构和安装尺寸、材料及工艺等形式提出了细致要求。
国外发展和应用现状
Enel公司是意大利国内最大的电力公司，拥有3000 多万客户。该公司的“Telegestore”系统应用于2001 年，到目前为止已安装了3 000 多万只智能电表。该项目是以市场需求为驱动的，主要目标在于减少商业欺诈和坏账，改进数据采集功能以便更好地管理。Enel 预计整个项目投资21 亿欧元，从2006 年起能够带来5 亿欧元的节约。巨大的投资大大降低了智能电表的研发和制造成本。
瑞典国内有150个供应商与3个市场领导者占有大于50%的表计市场份额。2003年，政府规定从2009年7月1日开始引进月账单制度，以加强消费者的反馈和提高账单的精确性。迄今大约有400 万户家庭安装了智能电表，其中兰吉尔占40%多的市场份额，Echelon 占20%多，Kamstrup 公司占10%多。每块智能电表的成本约2 000 多元人民币。
西班牙的3 个电力公用事业公司几乎垄断了整个电力市场份额(Endesa 占40%多，Iberdrola 占30%多，Union Fenosa 占10%多，其他约占4%)，拥有2000 多万的客户。西班牙政府在2007 年8 月出台了相关法律，要求截止到2014 年，所有经销商需要有高级表计管理(advanced meter management，AMM)操作系统，截止到2018 年，所有机械式电表都要换成智能电表，要能实现有功/无功计量、最大需量测量、用电负荷特性采集、电源管理、分时计费、远程抄表、远程断/供电、远程编程等功能。Endesa 和Iberdrola 公司有自己的智能电表解决方案，其中Endesa 已有1 万只表计用于试点，而Iberdrola 正准备联合兰吉尔公司提供智能电表解决方案。
供应商信息
恩智浦公司
ADI公司
Itron公司
NEC电子公司
飞思卡尔公司
经典案例
住宅中的选用
目前住宅中电能的计量在全国大部分地区都还采用感应式电能表,但感应式电表存在一些明显的不足。以高层住宅为例,目前往往是一梯多户型的。而有些地方供电局对于单相电表箱大小做了限制,如最多不能超过16表。这样对于一个一梯8户的住宅单元,如果采用感应式电表则必须每两层设一个表箱,如果是26层的高层住宅来说就得设13个表箱。这对于以后的抄表、维护都显得费时、费力,与现在提出的电网现代化管理的要求更是极不相适应。对于一些多层住宅来说,表箱可以集中放置在一楼门厅或楼梯口,但过大的表箱往往要与各种弱电箱挤占空间,结果往往是一面墙上挂满了各种箱体,这不但会影响美观,而且有时在设计上会出现满足不了规范要求(如强弱电间距、箱体安装高度)等问题。如果采用集中式智能电表,由于体积小,功能多,不仅能在一定程度上解决传统电表占用空间的问题,还能更好地实现用电的现代化管理。
首先,集中式智能电表整个表箱体积小,目前一些产品在一个壁挂式表箱内可容纳多达39个用户,而箱体大小仅为930 ×610 ×160。而对于这样一个同样大小的箱体,如果采用应式电表,则最多只能装10个表左右。可见,采用集中式智能电表能大大减小空间的占用。其次,集中式的智能电表利用RS485总线,通过集中器,通讯机与管理中心计算机进行连网,计算机通过相应的智能电表管理软件可对电表中的信息进行计算,统计,打印、参数设定及断送电等功能控制。这样通过网络,小区物业或供电部门便可足不出户对用户进行抄表、断送电操作等,实现高效率、现代化的用电管理,见图2。
而针对住宅中的应用,智能电表还可配置更多的功能模块。所以目前的智能电表不仅能对用户实现远传抄表、自动断送电功能,而且还有如下功能:
(1)复费率功能:通过对管理软件的设定实现不同时段收费或不同用电量段的不同收费,并能实现公摊部分用电的平均分配或按比例分配;
(2)查询功能:可以随时随地地查询任一户、任单元,或整个小区住户的用电量;
(3)数据存储、备份功能:目前智能电表都有采用专用的存储芯片,即使在断电后数据仍可保存数年之久,有的产品为了更高的可靠性,采用了多处数据存放的措施,这样万一一处数据出错或丢失,可由其它处进行纠错、还原;
(4)防作弊功能:采用授权密码操作,并设有运行日记,可以详细记录操作的操作过程,防止恶意的操作或作弊。
集体宿舍楼中的选用
以学生宿舍楼为例,以往学生宿舍的用电管理都是把每间宿舍的电表集中在楼栋管理员处,由管理员按学校作息制度,人工地对楼栋的宿舍和公共部分进行断送电控制。这样的管理方法显然是落后了,而且对于目前学生公寓楼存在的如电炉,电热毯,电热棒等涉及用电安全的电器的使用,没办法做到有效的杜绝。目前专门针对学生宿舍用电开发的智能电表,则能做到自动控制断送电和安全用电管理。
①定时断送电
针对学生宿舍用电特点,智能电表可以通过对用电管理软件的设定,实现对智能电表内模拟开关的控制 ,从而达到定时断送电的功能。而且通过管理软件不仅能实现定时控制功能,管理员还可实时地对某间宿舍进行断送电控制,这就实现了更加灵活的用电管理。
②双回路控制
每回路电源通过智能电表控制单元后,可分为两个支路:一支路接宿舍内照明和插座(卫生间照明除外) ,该支路根据学校作息制度实现自动的定时断送电;另一支路接宿舍内卫生间照明、空调回路,该回路为24小时常开回路,仅在宿舍被断电后才断开。这样实现了宿舍更加人性化的用电管理,系统设计详见图3。
③恶性负载识别
目前学生宿舍普遍存在使用大功率用电器及一些影响电网质量和用电安全的用电设备,如电炉、电热棒,电热毯等(被称之为恶性负荷) 。针对这些负荷智能电表可以实现自动识别,并警报、断电,在当此类负荷去掉后,才自动送电的功能,这样就能有效杜绝了这些恶性负载的使用,达到宿舍安全用电管理的要求。
商场、店面、办公楼等场所的选用
与前面所述住宅和宿舍用电相比,商业场所在用电性质有较大不同。首先商业用户都是以租赁的方式使用,因此用户流动性大,这样一方面在电费收取上显得尤为不便,另一方面,碰上一些恶意欠费的用户,这样会给出租方带来一定的损失。其次,有些商业场所用电计量表就装设在用户一侧,甚至为了方便用户的用电管理,表箱都未上锁。而传统感应式电表由于采用接线端子外露设计,一些用户就私自改动接线等非法手段进行窃电,据统计我国每年因窃电造成的经济损失就有好几个亿元。
针对上述商业场所用电收费难、窃电等现象,目前的智能电表就相应地开发出预付费、反窃电功能的电能表。
①预付费功能
预付费用电有磁卡式、电卡式、直接购电等方式,目前普遍采用的是直接购电式的预付费方式。所谓直接购电预付费就是用户到供电部门或物业管理部门去买电,而供电部门或物业管理部门则采用远控或手持售电机将电量直接注入用户电表内。这样当用户表内用电量减少到设定值时,可通过声光报警等手段提示用户购电,而当电量用完时,就可以通过管理软件上预先的设定,实现断电或其它控制手段,这样就能有效地避免了欠费用电现象的出现。
②窃电功能
与传统的感应式电表外形设计相比,目前的智能电表上都采用了接线端子内置的设置方法,即把接线端子封在整个表壳内,并加强了外壳结构,使电表难以被打开,或打开表后有明显痕迹,并有永久性记录。同时,采用屏蔽和抗干扰性强的电子元件,并具有异常接线检测能力。所以目前智能电表具有反反向窃电、火线短路窃电、强磁场窃电等多种反窃电功能,这就在一定程度上杜绝了偷电、漏电的现象。总结前面所述,可以看出,与传统感应式电表相比,智能电表不仅有高可靠性、高准确度等优点,而且还有适应现代在多样化用电要求的各种功能。同时由于采用软硬件结合的操作方式,这就使得智能电表在控制和使用上更加灵活,同时还可以通过软件的进一步开发适应不断变化的市场需求。相信在未来的几年里,随着产品进一步的应用推广和技术上的更成熟完善,这种现代化的电能计量产品,将更多地被用户(包括电业职能部门)认可和选用。
参考文献
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