一、案例概況

（一）背景摘要

構建新型電力系統是黨中央為保障我國能源安全 、落實(shí)雙碳戰略作出的重大決策部署 。作為新型能源體系的重要載體 ，新型電力系統具備清潔低碳 、安全可控 、靈活高效、智能友好、開(kāi)放互動(dòng)等關(guān)鍵特征，進(jìn)而實(shí)現電源側高比例可再生能源廣泛接入、 電網(wǎng)側資源安全高效靈活配置 、負荷側多元負荷需求充分滿(mǎn)足 。智能電能表既是國家法制計量器具 ，又是智能電網(wǎng)末端的重要組成部分 。國網(wǎng)公司自 2009 年推廣應用智能  電能表至今現場(chǎng)已安裝超過(guò) 6 億只智能電能表 ，覆蓋率達到 99% 以上 ，占國網(wǎng)系統接入終端設備總量的 80 ％ 。國網(wǎng)的智能電能表標準體系在這 10 年的時(shí)間里也經(jīng)歷了制定  和修訂的完善過(guò)程 ，依托智能電能表和用電信息采集系統 ，國網(wǎng)實(shí)現了用電數據的自動(dòng)采集 、自動(dòng)化檢定等重大應用工程，極大提高了營(yíng)銷(xiāo)管理水平和工作效率 。目前，智能電能表的非計量功能已在配網(wǎng)運維管理 、客戶(hù)體驗提升 、服務(wù)國家能源戰略轉型升  級等方面提供了強有力的數據支撐。

對標新型電力系統建設發(fā)展要求，立足設備角色定位，智能電能表在感知監測靈活 度、開(kāi)放性、可拓展性等方向上仍存在不足。面臨上述多樣的應用場(chǎng)景及不斷更新的感知 交互需求，原有電能表的設計架構暴露出功能固化、硬件無(wú)法拓展、軟件無(wú)法在線(xiàn)升級等 技術(shù)短板，需進(jìn)一步開(kāi)展技術(shù)迭代、突破創(chuàng )新。

（二）案例簡(jiǎn)介

隨著(zhù)傳統電力系統向新型電力系統轉型升級 ，智能電能表不僅承載著(zhù)電能計量的基礎使命，作為客戶(hù)側發(fā)用電設備的關(guān)鍵設備樞紐 ，還承擔著(zhù)設備控制 、信息交互 、互 聯(lián)互通的使命 。同時(shí) ，國際法制計量組織新制定的《有功電能表》標準（International Recommendation 46 ，IR46）要求電能表的計量功能與其他功能相互獨立 ，非計量部分軟件在線(xiàn)升級不影響計量部分的準確性和穩定性 。因此 ，中心針對原有電能表功能固化 、硬件無(wú)法拓展 、軟件無(wú)法升級等一系列關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展攻關(guān) ，設計研發(fā)了我國首款硬件可擴展 、軟件可升級 、搭載操作系統的新一代智能電能表——智能物聯(lián)電能表。

智能物聯(lián)電能表的研制歷經(jīng) 8 年 ，以智能電能表創(chuàng )新技術(shù)及其檢測體系為研究對象 ，以提升智能電能表行業(yè)水平 、提高國際競爭力為目標 ，形成可大規模推廣應用的自主研究成果 。智能物聯(lián)電能表首次提出了計量模組 、管理模組 、拓展模組相互獨立 的電能表架構 。設計了表用輕量級操作系統，集成 HPLC、藍牙等多種通信方案，并發(fā)明了分布式存儲策略以及高頻傳輸的數 據交互和同步機制 ，整表具備寬范圍精準計量 、分布式大容量存儲 、多元化高效通 信以及異常感知監測等功能 ，實(shí)現了居民 家庭智慧用能 、電動(dòng)汽車(chē)及分布式能源服 務(wù)等擴展應用 ，解決了電能表硬件固化 、 功能單一的難題 ，滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的建設需求。

二、案例具體做法

（一）案例詳情

智能物聯(lián)電能表總體研究思路如下：針對智能電能表在感知監測靈活度、開(kāi)放性 、 可拓展性等方面的不足 ，突破傳統的軟 、硬件架構束縛 ，通過(guò)多種技術(shù)集成與融合創(chuàng ) 新，研究模組化結構設計方案和輕量級操作系統關(guān)鍵技術(shù)，設計研發(fā)了硬件可插拔 、軟 件可升級的智能物聯(lián)電能表；針對電能表內主控芯片及計量芯片等核心器件 ，研究低 壓差線(xiàn)性穩壓 、計量誤差自監測等技術(shù) ，提升整表性能水平并實(shí)現了技術(shù)的全自主可 控；研究操作系統及驅動(dòng)測試 、藍牙檢定等關(guān)鍵檢測技術(shù) ，填補該領(lǐng)域空白 ，實(shí)現新 設備功能與性能的全覆蓋測試 。最終全面實(shí)現智能物聯(lián)電能表及其檢測體系從方案設 計 、設備研制到產(chǎn)品規?；瘧?/span>。

（1）電動(dòng)汽車(chē)有序充電 。智能物聯(lián)電能表在電動(dòng)汽車(chē)及分布式能源控制系統中定 位為能源路由器 ，以模塊化的形式增加電動(dòng)汽車(chē)有序充放電功能 ，每個(gè)充電樁配置一 個(gè)唯一的智能物聯(lián)電能表 ，通過(guò)總線(xiàn)對充電樁的實(shí)際功率輸出進(jìn)行控制 。當用戶(hù)通過(guò) 手機 APP 掃碼與能源路由器建立連接后 ，藍牙及 4G 雙通道同時(shí)發(fā)送充電申請 。新型 集中器和主站作為雙大腦，按照實(shí)時(shí)邏輯安排充電計劃，并下發(fā)至智能物聯(lián)電能表。智能物聯(lián)電能表按照“先到先處理 ，后到忽略 ”的沖突處理機制執行充電計劃 。在充電過(guò)程中 ，按照充電計劃實(shí)時(shí)控制充電樁的功率輸出 ，達到有序充電的目的 。有序充電業(yè)務(wù)的實(shí)施有利于引導用戶(hù)低谷用電 、高峰放電 ，提升電網(wǎng)設備利用率 ，滿(mǎn)足居家多元化充電需求。

（2）居民用電負荷特征智能分析及應用 。在居民家庭用能控制系統中 ，智能電能 表應用以用電負荷辨識算法為核心的大數據分析技術(shù) ，開(kāi)展居民用電負荷特征智能分 析及應用 ，實(shí)現居民用戶(hù)家庭電器組成和能耗全時(shí)段精確辨識 ，并通過(guò)手機 APP 推送 精細化 、多元化的全方位用能信息及衍生業(yè)務(wù)數據 ，為用戶(hù)提供了精準的用能數據服 務(wù) ，指導居民用戶(hù)科學(xué)合理用電提供技術(shù)支撐 ，促進(jìn)居民用戶(hù)與電網(wǎng)的友好互動(dòng)。

（3）光伏設備入網(wǎng)實(shí)時(shí)調控 。分布式光伏并入電網(wǎng)后 ，電能質(zhì)量監測成為新型電 力系統下保證電網(wǎng)穩定的重要因素 ，智能物聯(lián)電能表可搭配電能質(zhì)量監測模組 ，實(shí)時(shí) 監測光伏并入電網(wǎng)時(shí)出現的諧波 、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題 ，實(shí)現“低成本 ”電能質(zhì)量監 測 。同時(shí) ，分布式光伏設備出現孤島情況或光伏發(fā)電能量達不到電網(wǎng)要求時(shí) ，會(huì )造成電網(wǎng)系統 、設備的損害 ，甚至會(huì ) 危及維修人員的安全 。采用“新 型集中器 + 智能物聯(lián)電能表 + 光伏專(zhuān)用斷路器 ”方案 ，并搭配 光伏協(xié)議轉換單元 ，可實(shí)時(shí)監測 孤島運行時(shí)斷路器運行狀態(tài)和光 伏輸出情況 ，并實(shí)現對光伏逆變 器的控制 ，保證光伏并網(wǎng)狀態(tài)的可觀(guān)可測可控。

（三）具體成效

1. 智能物聯(lián)電能表推廣和應用

自 2021 年起 ，智能物聯(lián)電能表方案已向 80 多家電能表制造商推廣 ，覆蓋 12.61 萬(wàn) 用戶(hù) ，為配電網(wǎng)精準搶修 、電力現貨市場(chǎng)交易等各類(lèi)業(yè)務(wù)提供了技術(shù)和數據支撐 ，為 光伏并網(wǎng) 、負荷感知 ，電動(dòng)車(chē)入戶(hù)充電監測等新型電力系統下的多場(chǎng)景功能需求提供保障 ，全面提升了新型電力系統的數據采集 、傳輸和大數據分析能力 ，提高了我國智 能電能表的國際競爭力 。智能物聯(lián)電能表近 3 年累計新增銷(xiāo)售收入約 5044 萬(wàn)元 ，新增 利潤約 542 萬(wàn)元。

2. 軟硬件解耦架構的電能表輕量級操作系統推廣應用

依托智能物聯(lián)電能表 ，研發(fā)了首款基于軟硬件解耦架構的電能表輕量級操作系 統 ，實(shí)現了“軟件 APP 化”，應用內存分配最大節省 87.5% ，解決了電能表元器件自 主選型 、高效在線(xiàn)升級的問(wèn)題 ，構建了靈活開(kāi)放的表計軟硬件生態(tài)環(huán)境 。智能物聯(lián)電 能表研發(fā)的嵌入式操作系統，可有效提升現場(chǎng)設備的可用性，提前發(fā)現潛在軟件問(wèn)題 ， 有效減少現場(chǎng)運維人員的工作量 ，降低后期的運維成本 。同時(shí) ，該操作系統具備廣泛 的通用價(jià)值 ，能夠在多種設備硬件平臺上高效運行 ，后續可向通信模塊 、量測開(kāi)關(guān)等設備推廣應用 ，構建一個(gè)高效 、可靠的配電網(wǎng)邊端物聯(lián)設備 ，從而實(shí)現邊端設備互聯(lián) 互通 、高效管理 。通過(guò)智能物聯(lián)電能表的推廣 ，未來(lái) 5 年平均每年可降低國網(wǎng)公司 10% 的運維成本。

3. 藍牙轉換模組成果轉化 ，促進(jìn)新質(zhì)生產(chǎn)力

智能物聯(lián)電能表的軟硬件設計均發(fā)生了顛覆性變革 ，尤其是為增強表計可靠性和 耐壓性能 ，取消了輔助端子 ，使自動(dòng)化檢定無(wú)法再使用電脈沖輸出端子 。為實(shí)現電能 表藍牙技術(shù)的互聯(lián)互通及檢定 ，基于智能物聯(lián)電能表研究發(fā)布了 2 項發(fā)明專(zhuān)利 ，使其在檢測過(guò)程中 ，通過(guò)軟件控制藍牙 / 脈沖轉換器功能切換 ，建立與電能表的通信和脈沖 檢定并行工作模式，從而降低改造難度 ，提高檢測可靠性 ，實(shí)現成果轉化約 307 萬(wàn)元。

4. 構建標準體系 ，促進(jìn)電能表行業(yè)發(fā)展

基于智能物聯(lián)電能表的研制 ，牽頭 / 參與修訂電能表國家標準 2 項 、型式評價(jià)大綱 3 項、制定國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準 6 項，為智能物聯(lián)電能表的推廣應用提供標準支撐，有 效保證了設備及系統建設的一致性 ，引導 、推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)化 、規?；a(chǎn) ，促進(jìn)了整個(gè) 行業(yè)的技術(shù)發(fā)展 ，同時(shí)也帶動(dòng)了儀器儀表 、電子器件 、集成電路等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng )新發(fā) 展 ，促進(jìn)了技術(shù)進(jìn)步和國民經(jīng)濟的增長(cháng)。

5. 搭建自動(dòng)化檢測平臺 ，提升檢測效率

研制的智能物聯(lián)電能表全性能自動(dòng)化檢測平臺 ，增加了操作系統功能 、性能檢測 和驅動(dòng)程序兼容性 、可靠性等軟件檢測 ，確保操作系統內核以及軟件驅動(dòng)程序的缺陷 在早期階段被發(fā)現 ，填補了電能表操作系統和驅動(dòng)程序檢測技術(shù)空白 ，實(shí)現了功能與 性能全覆蓋測試（覆蓋率 100%），保障了產(chǎn)品的穩定 、可靠。

三、案例創(chuàng )新點(diǎn)

（一）案例實(shí)施的創(chuàng )新點(diǎn)

1. 多芯模組化設計

設計了計量部分與管理部分相互獨立的電能表架構 。明確了計量模組提供電能表 的電源和基礎數據 ，管理模組負責數據分發(fā)和整表功能管理 ，擴展模組實(shí)現上下行通 信以及各類(lèi)功能的靈活擴展 ，設計了模組間的標準化接口 ，能夠實(shí)現硬件積木拼接式 的熱插拔更換 ，以滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的應用需求。

2. 管理部分軟件可升級

將操作系統引入電能表 ，通過(guò)研發(fā)輕量級操作系統 ，在傳統電能表 MCU 基礎上實(shí) 現 OS 流暢運行 ，并以 APP 的方式實(shí)現電能表各功能劃分 ，進(jìn)而實(shí)現非計量部分軟件 的升級 ，在保障計量部分穩定 、可靠的基礎上，應對不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求及軟件迭代。通過(guò)驅動(dòng)接口標準化 ，實(shí)現軟硬件解耦 ，能適配不同制造商的硬件選型。

3. 多元化通信

采用 HPLC 和微功率無(wú)線(xiàn)雙模，提升信息采集成功率；同時(shí)具備藍牙通信功能，并 支持兩主三從的工作模式，可與多個(gè)設備交互并支持藍牙脈沖檢表，支持藍牙鎖具 、藍牙斷路器等設備接入 ，提升末端計量節點(diǎn)的信息采集與設備調控能力。

4. 分布式存儲

智能物聯(lián)電能表采用分布式存儲的方案 ，各模組具備獨立存儲區域；并采用首創(chuàng ) 的秒脈沖獲取技術(shù)實(shí)現計量模組與管理模組的毫秒級同步 ，借此實(shí)現電量 、時(shí)鐘等數 據模組間實(shí)時(shí)同步 ，確保了電能表數據的可靠性及可追溯性。

（二）推廣價(jià)值

1. 減少電能表更替數量 ，助力電力系統發(fā)展

智能物聯(lián)電能表采用模組化設計方案 ，有效解決了電能表硬件固化 、功能單一的難題 。針對需要結合不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行針對性適配的需求 ，可以通過(guò)對非法制計量部分的遠程升級實(shí)現功能適配 ，減少了由硬件約束或功能升級產(chǎn)生的電能表更換量 ，助 力新型電力系統發(fā)展。

2. 支撐光伏設備并網(wǎng) ，監測用電安全隱患

依托智能物聯(lián)電能表硬件拓展功能 ，分布式光伏并網(wǎng) 、精準負荷感知 、電動(dòng)車(chē)入戶(hù)實(shí)時(shí)監測等新型業(yè)務(wù)場(chǎng)景得到進(jìn)一步推廣 ，新能源大量接入有效地降低了電力系統的負荷壓力 ，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò )負荷分配 ，提升了用戶(hù)用電體驗；電動(dòng)車(chē)入戶(hù)充電 24 小時(shí)監控 ，異常情況實(shí)時(shí)報警 ，杜絕因違約用電引發(fā)火災或其他故障 ，節省了大量的人力物力 ，得到了政府有關(guān)部門(mén)認可。

3. 促進(jìn)標準化建設 ，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

基于智能物聯(lián)電能表制定了多項技術(shù)標準 ，有效保證了設備及系統建設的一致性 ，引導 、推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)化 、規?；a(chǎn) ，促進(jìn)了整個(gè)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展 ，同時(shí)也帶動(dòng)了儀器儀表 、電子器件 、集成電路等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng )新發(fā)展 ，促進(jìn)了技術(shù)進(jìn)步和國民經(jīng)濟 的增長(cháng)。

（三）體會(huì )感受

智能物聯(lián)電能表前景廣闊 ，其設計研發(fā)的輕量級嵌入式操作系統和國產(chǎn)芯片可推 廣應用于其他工業(yè)控制 、機械設計等國內外儀器儀表領(lǐng)域 ，實(shí)現共性技術(shù)上的進(jìn)步和 突破 ，引領(lǐng)智能制造業(yè)升級 ，服務(wù)社會(huì )民生 、服務(wù)制造強國戰略。

未來(lái) ，智能物聯(lián)電能表還將發(fā)揮技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢 ，探索碳排放計量 、電弧故障監測   技術(shù) ，從用電安全 、負荷管理 、碳管理等方面拓展應用 ，實(shí)現電力安全保供要求下的   負荷精準控制和用戶(hù)常態(tài)化 、精細化的用能管理 。助力“ 中國制造 ”向“ 中國創(chuàng )造 ” 和“ 中國引領(lǐng) ”發(fā)展 ，助力首都創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展 ，產(chǎn)品出口中東 、西亞等地區 ，支持中國“一帶一路 ”建設。