“揭开母牛的面纱”：剖析其中的奥秘
《毒液篇》：知薇薇作品
“提示”：响应能力
每个家庭都有一个电表。 作为电能计量活动中的核心关键仪表，可以说每一度电的使用都离不开电表的工作； 无数从业者为电表倾注心血，电表与我们的日常生活息息相关。 你对它了解多少？ 每个家庭都一样吗？ 如果不是，分类差异是什么？ 这些类别是如何演变的？ 电表未来将如何继续发展变化？ 这些变化意味着什么样的机遇和挑战？
一、“解牛”：剖析其中的奥秘
了解电表，我们可以从两个层面入手，一是从宏观层面了解电表的发展历史，二是从微观层面对电表进行技术分析。
01. 发展简史
图1 电能表发展的历史里程碑[参考文献2]
02.技术分类
从微观技术层面，为了满足不同场景的电能计量需求，电能表有很多维度的分类，我们可以通过一张图来了解一下：
图2 电能表分类概览
总的来说，电能表的分类有很多。 除了根据接入电源的性质和用电条件自适应区分的“安装接线方式”、“电压规格”、“电流规格”、“精度等级”等基本分类外，目前在智能在手表一统天下的时候，智能手表更重要的区别就是“技术标准版”。 2009年国家电网首次制定《09版单相智能电能表》技术规范，2013年国家电网实施修订后的《13版单相智能电能表》技术规范。 与2009版相比，第13版在技术、类型、功能等方面对智能电表提出了更高的规范要求。 这也说明了电能表在智能化发展道路上“精益求精”的发展方向和特点。
03.分析总结
从宏观历史来看，以感应电能表为代表的“机械时代”电表，以“轻量化”为发展方向； 以普通电子式电能表为代表的“电子时代”呈现出“多功能”的发展方向；在以智能电表为代表的“智能时代”的今天，多功能、多费率、预付费、电能质量分析、电网运行状态监测、通信、自动抄表已成为标准配置，功能日益强大，技术含量显着提高，电表正向“高附加值产品”方向发展。
图 3 智能电表功能 [参考 2]
从微观技术来看，智能电表的出现让电表以“用途”和“寿命”的分类成为历史，而基于智能电表的发展特点，“技术标准”、“通信方法”和“负载开关”已经衍生出来。 新分类； 从这里可以看出，智能电表的发展一直围绕着“客户服务（远程抄表）”和“需求侧管理（远程控制）”展开。 那么，未来智能手表的发展是否会围绕这些继续走得更远呢？ 会出现新的技术方向吗？ 我们可以期待。
二、《毒液篇》：见微知著
01.双核与多核开发
目前国家电网使用的13版智能电表中，计量单元和管理单元集成在一个控制芯片上，因此对计量部分的精细化和稳定性影响较大； “双核”智能电表设计方案，此后相关单位和企业近年来重点研究，但新产品定型周期存在一定延迟。随着泛在电力物联网的快速发展2019年建设，新定义的电网系统在以往“双核”智能电表的基础上，进一步提出了泛在连接、与用户高级交互功能的要求。在IR46智能电表（“双核”智能电表） ），两个核心将分开运行，其中管理核心通过模块化设计可以满足多元化管理和远程升级的需求，而计量核心则侧重于测量的稳定性、可靠性[参考文献2]。
图4 当前智能电表的功能结构图[参考文献2]
02.模块化设计
模块化也是新一代“双核”智能电表的趋势和特点。 智能电表的功能设置必须支持可更新或可写的概念。 设计原则上以保证计量功能准确、可靠、稳定为前提。 为未来管理需求的发展预留了足够的空间，以提高电能表在现场的兼容性和可扩展性，同时满足新标准对电能冲击、干扰和测量性能的技术要求米。 在实际应用中，根据智能电网的运行情况，可以远程设置或修改智能电能表的功能和方案，要求所有功能都是独立的线程，互不干扰，以保证稳定性和安全性，并且无需更换整个仪表，消除了引进新技术的障碍[参考文献3]。
图5 “双核”智能电表功能图【参考文献2】
03.兼顾计量与非计量性能
随着国家电网对“双核”智能电表需求的进一步提升，新一代国家电网电表必须在法定计量功能和非计量功能方面保持相互独立。 其他系统软件升级、故障等可独立运行，确保测量精度、稳定性和数据溯源不受影响。 下一代智能电表的智能在线升级不会影响电表计量的准确性和稳定性，既保证了计量的公平性多用户集成电表，又实现了功能扩展。
04.现场边缘计算和智能数据处理能力
近年来，物联网发展迅速。 在电力系统方面，学者们对边缘计算在低压智能配电网、电力需求和特高压变电站等领域的应用进行了大量深入研究。 随着技术的不断升级，在不久的将来我们将看到新一代具有就地边缘计算和智能数据处理能力，能够满足M2M协作的智能电表。
图 6 下一代智能电表功能 [参考 2]
05.通讯及网络技术升级
13版智能电表在通信方面相对简单，难以满足当前坚强智能电网、泛在电力物联网迅速丰富的背景需求，以及功能多样化和更高要求智能电表的可靠性。 对上行/下行模块的要求 满足实际应用需求的新处理方案。 其中，上行模块将支持PRIMEPLC、G3-PLC、GPRS、微功耗无线、光纤和RS485等，可跨采集终端直接向主站传输数据； 下行模块将主要支持M-BUS、RF、蓝牙、Wifi和Zigbee通信方式等[参考文献2]。
06. 非侵入式负载感应
业界对非浸入式电力负荷监测的研究和关注由来已久。 早在2017年，江苏省电力公司就开始了这方面的探索和研究。 去年，在国网江苏省公司第三批物资招标采购中，设备制造商中标非侵入式负荷敏感智能电表项目。 这意味着，首批上市的负荷监控智能电表即将并网发电。
与传统智能电表仅测量电能不同，非侵入式负载传感功能可以监测用户房间内各类电器的启停时间、工作状态、能耗等信息。 其基本思路是监测电源入口处的电压、电流等用电信息，采用智能学习算法和用电设备特征模式识别构建技术，分析瞬态下的文件和负载特征量进行识别。电网末端用电量。 用电设备的用电状况。 非侵入式负荷监测的主要过程包括数据测量、处理、检测、特征提取、匹配特征库和负荷识别。 随着信号处理技术的发展，信号分解算法越来越丰富，负荷识别结果也将越来越准确。
图7 “非侵入式”电能表原理示意图
07. 终端整合与融合发展
2019年初，在南方电网深圳供电局功能计量应用场景交流会上，深圳供电局发布了智慧能源管理网关，引起了业界的广泛关注。 智能能源网是集电能计量、双向通信、能源管理、多表（水、热、气）集抄等功能为一体的新型智能电表； 它还具有电能表和计量自动化终端的功能，可以有效支持电力服务和综合能源服务等智能化高级应用[参考文献5]。
同样在2019年，为配合智慧物联网系统建设，北京智芯微电子科技有限公司发布了集配站区供用电信息采集、采集终端或电能表数据采集、设备状态监测和通信联网、现场集本地化分析决策、协同计算等功能为一体的智能融合终端。 在功能上，终端可替代原有站区集中器和电能表，实现现场终端的一体化管理。
总的来说，电能表的发展呈现向下功能模块细分，向上功能融合的发展趋势。
图8 智慧能源网关（图片来自网络）
3.“秘诀”：适应动力
技术创新升级往往会引发行业相关业务的变革，那么电能表技术的变革升级对行业有哪些启示呢？ 从信息服务行业的角度来看，电能表的模块化设计可能会改变传统的资产管理方式。 管理对象将在之前“电表”的基础上细化为“模块”，管理要求更加细化。 现场边缘计算和智能数据处理能力的革新，将对基于主站+前端处理器的传统采集系统产生巨大冲击，必然带来新的智能化应用场景； 通信网络技术的升级也将为大数据的大量应用场景提供充足的技术支撑和想象空间……
这些都是变化和机遇，我们如何抓住它们？
01.资产结构化管理
现有计量资产管理体系中，管理内容主要基于生命周期管理理论（LCC）进行，对计量设备进行全业务过程管理； 管理粒度只覆盖测量设备本身。 虽然在精益管理思想的不断深入实施下，部分地区逐步将SIM卡、通讯模块等“辅助设备”纳入资产管理范围，但管理流程较为粗放，管理实施领域是有限的。 从技术演进的角度来看，不断提高电能表的模块化是必然趋势。 结合综合终端等综合设备的出现，设备结构变得层次化、复杂化是客观事实； 传统管理中，只有“设备”层面的管理模式已经不适应新形势下精益管理的要求。
在设备结构化管理的问题上，ERP（企业资源管理）中的物料清单（BOM，Bill of Material）可以给我们一定的参考。 BOM是产品结构的技术描述文件，它表明了产品组件、组件、零件、原材料之间的结构关系，以及每次装配所需的每个子组件的数量。 BOM信息在ERP中主要用于MRP（Material Requirements Planning）计算、成本计算、库存管理； 根据产品生命周期的不同阶段，还会生成EBOM（工程BOM）、PBOM（工艺BOM）、DBOM（设计BOM）。 、MBOM（生产BOM）、SBOM（销售BOM）、WBOM（维修BOM）等十多个概念。 当然，与工业企业相比，计量管理设备的种类相对单一，电表的模块化也是一个循序渐进的过程。 [参考文献6]的设计。
从具体业务场景来看，资产结构化管理带来的业务场景变化主要有以下三个方面：
1）在仓库管理方面：资产的存储和归档不再仅以单台设备的形式存在，而是以设备BOM的形式存在； 入库不再只是整体设备的现场，盘点物料和入库记录像“料”一样精细，提升库存管理精细化水平。
2）运维方面：操作设备的视图是分层的，运维边界延伸到设备内部。 万一失败，不再有“换表”的唯一选择。 非度量失败可以通过替换“模块”来解决； 日常运维工作增加备件BOM清单管理，通过细化管理粒度，提升精益运营管理水平，达到“降本增效”的目的。
3）需求管理：需求报告除了考虑项目具体需求外，还评估和考虑运维备件需求，综合评估物料需求，减少需求评估不准确造成的经济损失。
02. 基于边缘计算框架的IoT APP
现有采集系统中，主要骨干由前端主站、用电信息采集终端、计量设备（电能表）组成； 其中，主站是上层业务应用与现场采集终端通信的唯一接口。 一个“父母”角色，负责接收采集、负载控制、参数、状态等标准命令。被照顾的“宝宝”角色负责向“父母”汇报自己的健康状况（电数据）（主站）通过“保姆”（收款终端）； 关于云计算。
图9 采集系统逻辑连接图
随着具有就地边缘计算和智能数据处理功能的新型智能设备的出现，这将从根本上改变。 边缘计算模型在网络末端具有优势，能够更好地支撑物联网应用，主要体现在缓解网络带宽和数据中心的压力，提高服务的响应能力。 由于通信链路造成的数据拥塞和网络延迟会影响云计算模型的响应能力，边缘计算可以实现就近数据源进行数据处理，从而提高响应效率。 要实现这一愿景，除了硬件需求外，还必须在软件层面有相应的应用支持。 本应用是基于边缘计算框架的物联网APP。
在国家电网互联网部统筹的“云-管-边-端”架构的智能物联网系统中，物联网APP基于边缘计算框架，运行在“边”（指边缘物联网代理） ，在区域领域部署具有边缘计算能力的智能设备）实现数据采集、故障研判、感知终端管理、云边交互、安全防护等功能的应用[参考文献7]。
图 10 智能物联网架构
从物联网APP生态角度，国家电网统筹提供物联网APP柔性开发平台、测试环境、应用商店等运营支撑工具，面向各单位开放，提供各单位开展的物联网业务集合一经请求。 , 共享节点。 其中，IOT APP应用商店于2019年成立，按照“一级部署，全网使用”的模式启动建设工作。 目前，一期功能已全部开发实施完毕，二期功能开发正在进行中。 根据“省市企业享有独立权限，独立开展物联网APP运营”的定位，物联网APP是一片尚未开垦的沃土，是未来物联网舞台的中心，也是一个高战略竞争基地！
图 11 IoT APP 生态系统
从电能表计量管理的角度来看，物联网APP可以使用的场景包括：
1）模块化升级：电能表作为合法的计量器具，其计量模块软件不允许现场升级。 为了在不影响其他功能正常使用的情况下实现对一项功能的修改，当现场发生功能变更时，经验证将软件下载到正在运行的电能表中，并定期启动程序进行更新。
2）环境监测：在电能表中安装温度、磁场等传感器，实现环境温度实时监测、接线端子高温预警、超高温切换等功能，确保用电安全. 同时实现对磁场环境的监控，在遇到强磁场时实现自动保护，同时记录磁干扰事件，防止不法分子利用特殊手段干扰电能表。
3）在线误差监测：在边缘实时在线监测电能表误差，满足自动误差诊断、日常用电巡检、准确更换设备等需求。
03.客户端智能功耗管理
现有用电管理工作主要在电网侧开展； 但是，无论是从安全用电还是负载均衡的角度，用户侧的用电管理场景都具有很大的潜力。 仅受限于产权边界和技术条件，无法将管理延伸到用户家中。
非侵入式负载敏感电能表的出现，从技术角度为用户侧用电管理提供了基础。 不同于传统的用户负荷监测分析需要安装专用终端和采集传感器，“非侵入式”智能电能表可以“足不出户”，实现对住宅用电设备和用电量的精准识别。时间。
图12“非侵入式”电能表安装示意图
在实现方式上，非侵入式负载监控有两种实现方式：一是在基于边缘计算的表端进行，二是在基于云计算的主站进行。 第一种方式对表计算、存储资源、算法要求比较高； 第二种方式由于电网数量多、通信数据量大，对通信链路带宽要求较高。 随着就地边缘计算和智能数据处理的电能表的出现，以及通信网络技术的升级，相信这两种方式的实现效果会越来越理想。
“非侵入式”负荷传感技术为客户端智能用电管理带来的应用场景包括：
1）节能：通过识别负载类型、数量、启停时间，检测隐性功耗； 设置耗电时间段； 电能消耗统计排名、同比、环比、差异比较及节能建议； 自定义峰谷电价和节电时间段，策略控制； 电能质量分析等手段，帮助用户深度节能。
2) 安全用电：通过禁用设备管理，当用电设备接近安全容量时报警，报警发生后切断区域内电源，私接公用电源用电报警、安全用电时间段设置等，实现客户端智能安全用电。
3）用户服务：基于用户侧负荷感知数据，分析用户用电行为习惯，为用户提供详细的用电账单服务、节能服务推送、电价及激励政策推送、酒店客户习惯个性化服务， ETC。; 并利用数据分析算法识别独居老人、敏感人群、违约用电、异常用电等情况，提升用户服务满意度。
【结论】
从电表的发展历程可以看出，技术的革新和应用的变革关系到人们的衣食住行等衣食住行。 因此，技术是产业发展的基础，技术升级对上层应用带来的变化往往会超出人们的想象，而这些想象的实现需要行业人的共同努力和投入，需要验证和探索的时间。 本文旨在抛砖引玉，与大家一起展望未来！
【参考】
[1] 百度文库． 电能表发展史[J/OL].
[2] 产业网。 2019年我国智能电表行业发展趋势、市场发展前景及市场集中度分析[J/OL].
[3]机电之家． 智能电表应用现状及发展趋势分析[J/OL].
[4] 王大伟，崔国玉，庞振江，石光远多用户集成电表，周继臣． 边缘计算在多核模块化电能表中的应用研究[J/OL]. 道客巴巴，2019/5/21。
[5]温克焕． 解密可替代智能电能表的“智慧能源网关”？ ！ [J/OL]. 通用计量。 行进。
[6] 维基百科。 BOM 物料清单 [EB/L]。 2020/9/7。
[7] 国家电网互联网部． 物联网APP操作系统及应用商店介绍[Z]. 2020 年 8 月。
