一、案例概況

（一）背景摘要

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是黨中央為保障我國能源安全 、落實雙碳戰(zhàn)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(tǒng)具備清潔低碳 、安全可控 、靈活高效、智能友好、開放互動等關(guān)鍵特征，進(jìn)而實現(xiàn)電源側(cè)高比例可再生能源廣泛接入、 電網(wǎng)側(cè)資源安全高效靈活配置 、負(fù)荷側(cè)多元負(fù)荷需求充分滿足 。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(yīng)用智能  電能表至今現(xiàn)場已安裝超過 6 億只智能電能表 ，覆蓋率達(dá)到 99% 以上 ，占國網(wǎng)系統(tǒng)接入終端設(shè)備總量的 80 ％ 。國網(wǎng)的智能電能表標(biāo)準(zhǔn)體系在這 10 年的時間里也經(jīng)歷了制定  和修訂的完善過程 ，依托智能電能表和用電信息采集系統(tǒng) ，國網(wǎng)實現(xiàn)了用電數(shù)據(jù)的自動采集 、自動化檢定等重大應(yīng)用工程，極大提高了營銷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 、客戶體驗提升 、服務(wù)國家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型升  級等方面提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

對標(biāo)新型電力系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展要求，立足設(shè)備角色定位，智能電能表在感知監(jiān)測靈活 度、開放性、可拓展性等方向上仍存在不足。面臨上述多樣的應(yīng)用場景及不斷更新的感知 交互需求，原有電能表的設(shè)計架構(gòu)暴露出功能固化、硬件無法拓展、軟件無法在線升級等 技術(shù)短板，需進(jìn)一步開展技術(shù)迭代、突破創(chuàng)新。

（二）案例簡介

隨著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級 ，智能電能表不僅承載著電能計量的基礎(chǔ)使命，作為客戶側(cè)發(fā)用電設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備樞紐 ，還承擔(dān)著設(shè)備控制 、信息交互 、互 聯(lián)互通的使命 。同時 ，國際法制計量組織新制定的《有功電能表》標(biāo)準(zhǔn)（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升級不影響計量部分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性 。因此 ，中心針對原有電能表功能固化 、硬件無法拓展 、軟件無法升級等一系列關(guān)鍵問題開展攻關(guān) ，設(shè)計研發(fā)了我國首款硬件可擴(kuò)展 、軟件可升級 、搭載操作系統(tǒng)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(biāo) ，形成可大規(guī)模推廣應(yīng)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(gòu) 。設(shè)計了表用輕量級操作系統(tǒng)，集成 HPLC、藍(lán)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?shù)臄?shù) 據(jù)交互和同步機(jī)制 ，整表具備寬范圍精準(zhǔn)計量 、分布式大容量存儲 、多元化高效通 信以及異常感知監(jiān)測等功能 ，實現(xiàn)了居民 家庭智慧用能 、電動汽車及分布式能源服 務(wù)等擴(kuò)展應(yīng)用 ，解決了電能表硬件固化 、 功能單一的難題 ，滿足不同業(yè)務(wù)場景的建設(shè)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(jiān)測靈活度、開放性 、 可拓展性等方面的不足 ，突破傳統(tǒng)的軟 、硬件架構(gòu)束縛 ，通過多種技術(shù)集成與融合創(chuàng) 新，研究模組化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和輕量級操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)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(nèi)主控芯片及計量芯片等核心器件 ，研究低 壓差線性穩(wěn)壓 、計量誤差自監(jiān)測等技術(shù) ，提升整表性能水平并實現(xiàn)了技術(shù)的全自主可 控；研究操作系統(tǒng)及驅(qū)動測試 、藍(lán)牙檢定等關(guān)鍵檢測技術(shù) ，填補(bǔ)該領(lǐng)域空白 ，實現(xiàn)新 設(shè)備功能與性能的全覆蓋測試 。最終全面實現(xiàn)智能物聯(lián)電能表及其檢測體系從方案設(shè) 計 、設(shè)備研制到產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用。

（1）電動汽車有序充電 。智能物聯(lián)電能表在電動汽車及分布式能源控制系統(tǒng)中定 位為能源路由器 ，以模塊化的形式增加電動汽車有序充放電功能 ，每個充電樁配置一 個唯一的智能物聯(lián)電能表 ，通過總線對充電樁的實際功率輸出進(jìn)行控制 。當(dāng)用戶通過 手機(jī) APP 掃碼與能源路由器建立連接后 ，藍(lán)牙及 4G 雙通道同時發(fā)送充電申請 。新型 集中器和主站作為雙大腦，按照實時邏輯安排充電計劃，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(jī)制執(zhí)行充電計劃 。在充電過程中 ，按照充電計劃實時控制充電樁的功率輸出 ，達(dá)到有序充電的目的 。有序充電業(yè)務(wù)的實施有利于引導(dǎo)用戶低谷用電 、高峰放電 ，提升電網(wǎng)設(shè)備利用率 ，滿足居家多元化充電需求。

（2）居民用電負(fù)荷特征智能分析及應(yīng)用 。在居民家庭用能控制系統(tǒng)中 ，智能電能 表應(yīng)用以用電負(fù)荷辨識算法為核心的大數(shù)據(jù)分析技術(shù) ，開展居民用電負(fù)荷特征智能分 析及應(yīng)用 ，實現(xiàn)居民用戶家庭電器組成和能耗全時段精確辨識 ，并通過手機(jī) APP 推送 精細(xì)化 、多元化的全方位用能信息及衍生業(yè)務(wù)數(shù)據(jù) ，為用戶提供了精準(zhǔn)的用能數(shù)據(jù)服 務(wù) ，指導(dǎo)居民用戶科學(xué)合理用電提供技術(shù)支撐 ，促進(jìn)居民用戶與電網(wǎng)的友好互動。

（3）光伏設(shè)備入網(wǎng)實時調(diào)控 。分布式光伏并入電網(wǎng)后 ，電能質(zhì)量監(jiān)測成為新型電 力系統(tǒng)下保證電網(wǎng)穩(wěn)定的重要因素 ，智能物聯(lián)電能表可搭配電能質(zhì)量監(jiān)測模組 ，實時 監(jiān)測光伏并入電網(wǎng)時出現(xiàn)的諧波 、閃變等電能質(zhì)量問題 ，實現(xiàn)“低成本 ”電能質(zhì)量監(jiān) 測 。同時 ，分布式光伏設(shè)備出現(xiàn)孤島情況或光伏發(fā)電能量達(dá)不到電網(wǎng)要求時 ，會造成電網(wǎng)系統(tǒng) 、設(shè)備的損害 ，甚至?xí)?危及維修人員的安全 。采用“新 型集中器 + 智能物聯(lián)電能表 + 光伏專用斷路器 ”方案 ，并搭配 光伏協(xié)議轉(zhuǎn)換單元 ，可實時監(jiān)測 孤島運行時斷路器運行狀態(tài)和光 伏輸出情況 ，并實現(xiàn)對光伏逆變 器的控制 ，保證光伏并網(wǎng)狀態(tài)的可觀可測可控。

（三）具體成效

1. 智能物聯(lián)電能表推廣和應(yīng)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 用戶 ，為配電網(wǎng)精準(zhǔn)搶修 、電力現(xiàn)貨市場交易等各類業(yè)務(wù)提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐 ，為 光伏并網(wǎng) 、負(fù)荷感知 ，電動車入戶充電監(jiān)測等新型電力系統(tǒng)下的多場景功能需求提供保障 ，全面提升了新型電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集 、傳輸和大數(shù)據(jù)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 年累計新增銷售收入約 5044 萬元 ，新增 利潤約 542 萬元。

2. 軟硬件解耦架構(gòu)的電能表輕量級操作系統(tǒng)推廣應(yīng)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(gòu)的電能表輕量級操作系 統(tǒng) ，實現(xiàn)了“軟件 APP 化”，應(yīng)用內(nèi)存分配最大節(jié)省 87.5% ，解決了電能表元器件自 主選型 、高效在線升級的問題 ，構(gòu)建了靈活開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(tǒng)，可有效提升現(xiàn)場設(shè)備的可用性，提前發(fā)現(xiàn)潛在軟件問題 ， 有效減少現(xiàn)場運維人員的工作量 ，降低后期的運維成本 。同時 ，該操作系統(tǒng)具備廣泛 的通用價值 ，能夠在多種設(shè)備硬件平臺上高效運行 ，后續(xù)可向通信模塊 、量測開關(guān)等設(shè)備推廣應(yīng)用 ，構(gòu)建一個高效 、可靠的配電網(wǎng)邊端物聯(lián)設(shè)備 ，從而實現(xiàn)邊端設(shè)備互聯(lián) 互通 、高效管理 。通過智能物聯(lián)電能表的推廣 ，未來 5 年平均每年可降低國網(wǎng)公司 10% 的運維成本。

3. 藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模組成果轉(zhuǎn)化 ，促進(jìn)新質(zhì)生產(chǎn)力

智能物聯(lián)電能表的軟硬件設(shè)計均發(fā)生了顛覆性變革 ，尤其是為增強(qiáng)表計可靠性和 耐壓性能 ，取消了輔助端子 ，使自動化檢定無法再使用電脈沖輸出端子 。為實現(xiàn)電能 表藍(lán)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)明專利 ，使其在檢測過程中 ，通過軟件控制藍(lán)牙 / 脈沖轉(zhuǎn)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 ，實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化約 307 萬元。

4. 構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn) 2 項 、型式評價大綱 3 項、制定國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 6 項，為智能物聯(lián)電能表的推廣應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)支撐，有 效保證了設(shè)備及系統(tǒng)建設(shè)的一致性 ，引導(dǎo) 、推動了產(chǎn)業(yè)化 、規(guī)?；a(chǎn) ，促進(jìn)了整個 行業(yè)的技術(shù)發(fā)展 ，同時也帶動了儀器儀表 、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(jì)的增長。

5. 搭建自動化檢測平臺 ，提升檢測效率

研制的智能物聯(lián)電能表全性能自動化檢測平臺 ，增加了操作系統(tǒng)功能 、性能檢測 和驅(qū)動程序兼容性 、可靠性等軟件檢測 ，確保操作系統(tǒng)內(nèi)核以及軟件驅(qū)動程序的缺陷 在早期階段被發(fā)現(xiàn) ，填補(bǔ)了電能表操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序檢測技術(shù)空白 ，實現(xiàn)了功能與 性能全覆蓋測試（覆蓋率 100%），保障了產(chǎn)品的穩(wěn)定 、可靠。

三、案例創(chuàng)新點

（一）案例實施的創(chuàng)新點

1. 多芯模組化設(shè)計

設(shè)計了計量部分與管理部分相互獨立的電能表架構(gòu) 。明確了計量模組提供電能表 的電源和基礎(chǔ)數(shù)據(jù) ，管理模組負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分發(fā)和整表功能管理 ，擴(kuò)展模組實現(xiàn)上下行通 信以及各類功能的靈活擴(kuò)展 ，設(shè)計了模組間的標(biāo)準(zhǔn)化接口 ，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件積木拼接式 的熱插拔更換 ，以滿足不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

2. 管理部分軟件可升級

將操作系統(tǒng)引入電能表 ，通過研發(fā)輕量級操作系統(tǒng) ，在傳統(tǒng)電能表 MCU 基礎(chǔ)上實 現(xiàn) OS 流暢運行 ，并以 APP 的方式實現(xiàn)電能表各功能劃分 ，進(jìn)而實現(xiàn)非計量部分軟件 的升級 ，在保障計量部分穩(wěn)定 、可靠的基礎(chǔ)上，應(yīng)對不同業(yè)務(wù)場景需求及軟件迭代。通過驅(qū)動接口標(biāo)準(zhǔn)化 ，實現(xiàn)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 和微功率無線雙模，提升信息采集成功率；同時具備藍(lán)牙通信功能，并 支持兩主三從的工作模式，可與多個設(shè)備交互并支持藍(lán)牙脈沖檢表，支持藍(lán)牙鎖具 、藍(lán)牙斷路器等設(shè)備接入 ，提升末端計量節(jié)點的信息采集與設(shè)備調(diào)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(qū)域；并采用首創(chuàng) 的秒脈沖獲取技術(shù)實現(xiàn)計量模組與管理模組的毫秒級同步 ，借此實現(xiàn)電量 、時鐘等數(shù) 據(jù)模組間實時同步 ，確保了電能表數(shù)據(jù)的可靠性及可追溯性。

（二）推廣價值

1. 減少電能表更替數(shù)量 ，助力電力系統(tǒng)發(fā)展

智能物聯(lián)電能表采用模組化設(shè)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(jié)合不同業(yè)務(wù)場景進(jìn)行針對性適配的需求 ，可以通過對非法制計量部分的遠(yuǎn)程升級實現(xiàn)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(tǒng)發(fā)展。

2. 支撐光伏設(shè)備并網(wǎng) ，監(jiān)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(zhǔn)負(fù)荷感知 、電動車入戶實時監(jiān)測等新型業(yè)務(wù)場景得到進(jìn)一步推廣 ，新能源大量接入有效地降低了電力系統(tǒng)的負(fù)荷壓力 ，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分配 ，提升了用戶用電體驗；電動車入戶充電 24 小時監(jiān)控 ，異常情況實時報警 ，杜絕因違約用電引發(fā)火災(zāi)或其他故障 ，節(jié)省了大量的人力物力 ，得到了政府有關(guān)部門認(rèn)可。

3. 促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè) ，推動相關(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(biāo)準(zhǔn) ，有效保證了設(shè)備及系統(tǒng)建設(shè)的一致性 ，引導(dǎo) 、推動了產(chǎn)業(yè)化 、規(guī)?；a(chǎn) ，促進(jìn)了整個行業(yè)的技術(shù)發(fā)展 ，同時也帶動了儀器儀表 、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(jì) 的增長。

（三）體會感受

智能物聯(lián)電能表前景廣闊 ，其設(shè)計研發(fā)的輕量級嵌入式操作系統(tǒng)和國產(chǎn)芯片可推 廣應(yīng)用于其他工業(yè)控制 、機(jī)械設(shè)計等國內(nèi)外儀器儀表領(lǐng)域 ，實現(xiàn)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)社會民生 、服務(wù)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。

未來 ，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(jiān)測   技術(shù) ，從用電安全 、負(fù)荷管理 、碳管理等方面拓展應(yīng)用 ，實現(xiàn)電力安全保供要求下的   負(fù)荷精準(zhǔn)控制和用戶常態(tài)化 、精細(xì)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(qū)動發(fā)展 ，產(chǎn)品出口中東 、西亞等地區(qū) ，支持中國“一帶一路 ”建設(shè)。