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(guó)能源安全 、落實(shí)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(kāi)放互動(dòng)等關(guān)鍵特征，進(jìn)而實(shí)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(mǎn)足 。智能電能表既是國(guó)家法制計(jì)量器具 ，又是智能電網(wǎng)末端的重要組成部分 。國(guó)網(wǎng)公司自 2009 年推廣應(yīng)用智能  電能表至今現(xiàn)場(chǎng)已安裝超過(guò) 6 億只智能電能表 ，覆蓋率達(dá)到 99% 以上 ，占國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)接入終端設(shè)備總量的 80 ％ 。國(guó)網(wǎng)的智能電能表標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng) ，國(guó)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了用電數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集 、自動(dòng)化檢定等重大應(yīng)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(jì)量功能已在配網(wǎng)運(yùn)維管理 、客戶(hù)體驗(yàn)提升 、服務(wù)國(guó)家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型升  級(jí)等方面提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)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(cè)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(yīng)用場(chǎng)景及不斷更新的感知 交互需求，原有電能表的設(shè)計(jì)架構(gòu)暴露出功能固化、硬件無(wú)法拓展、軟件無(wú)法在線(xiàn)升級(jí)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

隨著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí) ，智能電能表不僅承載著電能計(jì)量的基礎(chǔ)使命，作為客戶(hù)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(shí) ，國(guó)際法制計(jì)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(jì)量功能與其他功能相互獨(dú)立 ，非計(jì)量部分軟件在線(xiàn)升級(jí)不影響計(jì)量部分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性 。因此 ，中心針對(duì)原有電能表功能固化 、硬件無(wú)法拓展 、軟件無(wú)法升級(jí)等一系列關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展攻關(guān) ，設(shè)計(jì)研發(fā)了我國(guó)首款硬件可擴(kuò)展 、軟件可升級(jí) 、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(cè)體系為研究對(duì)象 ，以提升智能電能表行業(yè)水平 、提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(jì)量模組 、管理模組 、拓展模組相互獨(dú)立 的電能表架構(gòu) 。設(shè)計(jì)了表用輕量級(jí)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(chǔ)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(jì)量 、分布式大容量存儲(chǔ) 、多元化高效通 信以及異常感知監(jiān)測(cè)等功能 ，實(shí)現(xiàn)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(kuò)展應(yīng)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(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(duì)智能電能表在感知監(jiān)測(cè)靈活度、開(kāi)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(guò)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(jì)方案和輕量級(jí)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了硬件可插拔 、軟 件可升級(jí)的智能物聯(lián)電能表；針對(duì)電能表內(nèi)主控芯片及計(jì)量芯片等核心器件 ，研究低 壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓 、計(jì)量誤差自監(jiān)測(cè)等技術(shù) ，提升整表性能水平并實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的全自主可 控；研究操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)測(cè)試 、藍(lán)牙檢定等關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù) ，填補(bǔ)該領(lǐng)域空白 ，實(shí)現(xiàn)新 設(shè)備功能與性能的全覆蓋測(cè)試 。最終全面實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)電能表及其檢測(cè)體系從方案設(shè) 計(jì) 、設(shè)備研制到產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用。

（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(tǒng)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(duì)充電樁的實(shí)際功率輸出進(jìn)行控制 。當(dāng)用戶(hù)通過(guò) 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(shí)發(fā)送充電申請(qǐng) 。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(jì)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(jì)劃 。在充電過(guò)程中 ，按照充電計(jì)劃實(shí)時(shí)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(shí)施有利于引導(dǎo)用戶(hù)低谷用電 、高峰放電 ，提升電網(wǎng)設(shè)備利用率 ，滿(mǎn)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(shí)算法為核心的大數(shù)據(jù)分析技術(shù) ，開(kāi)展居民用電負(fù)荷特征智能分 析及應(yīng)用 ，實(shí)現(xiàn)居民用戶(hù)家庭電器組成和能耗全時(shí)段精確辨識(shí) ，并通過(guò)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(hù)提供了精準(zhǔn)的用能數(shù)據(jù)服 務(wù) ，指導(dǎo)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(shè)備入網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)控 。分布式光伏并入電網(wǎng)后 ，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)模組 ，實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)光伏并入電網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)的諧波 、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題 ，實(shí)現(xiàn)“低成本 ”電能質(zhì)量監(jiān) 測(cè) 。同時(shí) ，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(shí) ，會(huì)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(zhuān)用斷路器 ”方案 ，并搭配 光伏協(xié)議轉(zhuǎn)換單元 ，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 孤島運(yùn)行時(shí)斷路器運(yùn)行狀態(tài)和光 伏輸出情況 ，并實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏逆變 器的控制 ，保證光伏并網(wǎng)狀態(tài)的可觀(guān)可測(cè)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(wàn) 用戶(hù) ，為配電網(wǎng)精準(zhǔn)搶修 、電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易等各類(lèi)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(dòng)車(chē)入戶(hù)充電監(jiān)測(cè)等新型電力系統(tǒng)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(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(guó)智 能電能表的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力 。智能物聯(lián)電能表近 3 年累計(jì)新增銷(xiāo)售收入約 5044 萬(wàn)元 ，新增 利潤(rùn)約 542 萬(wàn)元。

2. 軟硬件解耦架構(gòu)的電能表輕量級(jí)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(jí)操作系 統(tǒng) ，實(shí)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(xiàn)升級(jí)的問(wèn)題 ，構(gòu)建了靈活開(kāi)放的表計(jì)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(chǎng)設(shè)備的可用性，提前發(fā)現(xiàn)潛在軟件問(wèn)題 ， 有效減少現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的工作量 ，降低后期的運(yùn)維成本 。同時(shí) ，該操作系統(tǒng)具備廣泛 的通用價(jià)值 ，能夠在多種設(shè)備硬件平臺(tái)上高效運(yùn)行 ，后續(xù)可向通信模塊 、量測(cè)開(kāi)關(guān)等設(shè)備推廣應(yīng)用 ，構(gòu)建一個(gè)高效 、可靠的配電網(wǎng)邊端物聯(lián)設(shè)備 ，從而實(shí)現(xiàn)邊端設(shè)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(guó)網(wǎng)公司 10% 的運(yùn)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(jì)均發(fā)生了顛覆性變革 ，尤其是為增強(qiáng)表計(jì)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(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(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利 ，使其在檢測(cè)過(guò)程中 ，通過(guò)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(cè)可靠性 ，實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化約 307 萬(wàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 2 項(xiàng) 、型式評(píng)價(jià)大綱 3 項(xiàng)、制定國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 6 項(xiàng)，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(dòng)了產(chǎn)業(yè)化 、規(guī)?；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(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。

5. 搭建自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái) ，提升檢測(cè)效率

研制的智能物聯(lián)電能表全性能自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái) ，增加了操作系統(tǒng)功能 、性能檢測(cè) 和驅(qū)動(dòng)程序兼容性 、可靠性等軟件檢測(cè) ，確保操作系統(tǒng)內(nèi)核以及軟件驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序檢測(cè)技術(shù)空白 ，實(shí)現(xiàn)了功能與 性能全覆蓋測(cè)試（覆蓋率 100%），保障了產(chǎn)品的穩(wěn)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了計(jì)量部分與管理部分相互獨(dú)立的電能表架構(gòu) 。明確了計(jì)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(shí)現(xiàn)上下行通 信以及各類(lèi)功能的靈活擴(kuò)展 ，設(shè)計(jì)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(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

2. 管理部分軟件可升級(jí)

將操作系統(tǒng)引入電能表 ，通過(guò)研發(fā)輕量級(jí)操作系統(tǒng) ，在傳統(tǒng)電能表 MCU 基礎(chǔ)上實(shí) 現(xiàn) OS 流暢運(yùn)行 ，并以 APP 的方式實(shí)現(xiàn)電能表各功能劃分 ，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非計(jì)量部分軟件 的升級(jí) ，在保障計(jì)量部分穩(wěn)定 、可靠的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求及軟件迭代。通過(guò)驅(qū)動(dòng)接口標(biāo)準(zhǔn)化 ，實(shí)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(wú)線(xiàn)雙模，提升信息采集成功率；同時(shí)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(gè)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(jì)量節(jié)點(diǎn)的信息采集與設(shè)備調(diào)控能力。

4. 分布式存儲(chǔ)

智能物聯(lián)電能表采用分布式存儲(chǔ)的方案 ，各模組具備獨(dú)立存儲(chǔ)區(qū)域；并采用首創(chuàng) 的秒脈沖獲取技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)量模組與管理模組的毫秒級(jí)同步 ，借此實(shí)現(xiàn)電量 、時(shí)鐘等數(shù) 據(jù)模組間實(shí)時(shí)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(jià)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(jì)方案 ，有效解決了電能表硬件固化 、功能單一的難題 。針對(duì)需要結(jié)合不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性適配的需求 ，可以通過(guò)對(duì)非法制計(jì)量部分的遠(yuǎn)程升級(jí)實(shí)現(xiàn)功能適配 ，減少了由硬件約束或功能升級(jí)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(cè)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(dòng)車(chē)入戶(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(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(hù)用電體驗(yàn)；電動(dòng)車(chē)入戶(hù)充電 24 小時(shí)監(jiān)控 ，異常情況實(shí)時(shí)報(bào)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(mén)認(rèn)可。

3. 促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè) ，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(xiàng)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(dòng)了產(chǎn)業(yè)化 、規(guī)?；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(guó)民經(jīng)濟(jì) 的增長(zhǎng)。

（三）體會(huì)感受

智能物聯(lián)電能表前景廣闊 ，其設(shè)計(jì)研發(fā)的輕量級(jí)嵌入式操作系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)芯片可推 廣應(yīng)用于其他工業(yè)控制 、機(jī)械設(shè)計(jì)等國(guó)內(nèi)外儀器儀表領(lǐng)域 ，實(shí)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(jí) ，服務(wù)社會(huì)民生 、服務(wù)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)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(shì) ，探索碳排放計(jì)量 、電弧故障監(jiān)測(cè)   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(shí)現(xiàn)電力安全保供要求下的   負(fù)荷精準(zhǔn)控制和用戶(hù)常態(tài)化 、精細(xì)化的用能管理 。助力“ 中國(guó)制造 ”向“ 中國(guó)創(chuàng)造 ” 和“ 中國(guó)引領(lǐng) ”發(fā)展 ，助力首都創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展 ，產(chǎn)品出口中東 、西亞等地區(qū) ，支持中國(guó)“一帶一路 ”建設(shè)。