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国家电网新一代智能电表研制技术演进历程——《中国智能电表的起源、发展与展望（第三部分：中集）》

中国现代电网计量技术平台

张春晖

2019 年 6 月 19 日

2019年6月8日，本文作者发表系列稿件《中国智能电表的起源、发展与展望（三：上）》

4. 新一代国家电网智能电表开发技术演进过程

一、从国家电网“双核”智能电表的设计方案说起

（待续）

2019年6月19日发表（续）：本系列论文（第三部分：中集集团）

2、国家电网“双核”智能电表设计技术演进及整机两类设计方案

(1) 2016年，国家电网：在国内首次发布基于IR46概念的“双核”智能电表设计方案，提出“双核”智能电表架构设计模型：

1）“双核”智能电表的架构设计分为两部分：

—第一部分（计量核心），包括：电压、电流采样、计量芯片、计量MCU、存储器1、RTC、时钟电池、超级电容、通讯模块（RS485）等（计量核心）独立运作，合法认证, 并且不允许软件升级。

—第二部分（管理核心），包括管理MCU、掉电电池、卡/ESAM、显示器、内存2、负控、通讯（包括：红外、RS485、上下行模块）等（管理核心）软件允许升级。

- “双核”之间通过SPI接口进行数据交换，（管理核）故障不影响（计量核）运行。

2）基本功能划分

——（计量芯）作为基表，主要承担电能计量任务，同时具有瞬时计量、数据存储、脉冲指示、（失压、供电异常事件检测）等功能，故障报告等，并具有独立的RS485通讯接口，用于合法数据的溯源。

—（管理核心）承担整个电表的管理任务，主要包括：数据冻结、需量计算、电量结算、费控、显示、对外通讯、事件记录、负荷控制、软件在线升级等任务。

— 两个功能模块之间只有一个唯一的通信通道进行数据交换。

3）“双芯”电表功能划分总则

-（计量核心）功能需求在未来很长一段时间内保持不变，无需远程升级程序。

——（管理核心）功能 随着电力市场的开放，管理需求多样化，（管理核心）功能可以通过远程升级程序进行升级。

——（管理核心）充电相关的功能可以在（测量核心）的基础上通过冻结电能来验证。

-（计量芯）功能简单可靠。

(2) 第一种表计的设计方案（采用普通计量芯片）

浙江省电力公司研制的基于IR46概念的“双核”智能电表是国家电网公司科技项目“基于“双核”智能电表设计与检测技术研究”的重要组成部分。关于 IR46 概念”。 浙江电力主要承担“双核”智能电表优化设计技术、软硬件配置与实现方法、非计量部分模块化设计等关键技术的研发与调试。 “双核”智能电表的研发过程：

1）2017年8月25日，浙江电力科学研究院专家：《基于OIML R46国际建议的智能电能表设计》

这部分内容是文章的总结，经过编辑。

在国家电网：“双核”智能电表架构设计的指导下，本文提出了第一类“双核”智能电表设计的关键技术（采用普通计量芯片）：

——（计量芯）部分设计

计量方案设计：选择合适的A/D芯片和高精度采样单元，设计合理的软硬件方案，提高计量精度、量程范围、可靠性和一致性性能：

组合方式1、采用电流互感器+计量芯片，最大电流一般可过载12倍，如5（60）A

组合方式2，采用线性补偿变压器+计量芯片，最大电流可达到基本电流的20倍甚至100倍； 如果用锰铜分流器，电流范围可以做的很宽，而且不受磁场影响，但是误差跳变大，精度比较低

时钟设计：为保证时钟的准确性，时钟供电由主电源、时钟电池、超级电容三重保证； 同样采用硬时钟和软时钟同步执行方式

参数保护设计：合法的计量芯片，通过设置可靠的计量芯片访问权限和安全校验机制，确保计量芯片的关键数据“只读”； 合法计量相关参数（如电压、电流规格、脉冲常数等），只能在产品生产模式下通过内部串口设置（该接口不对外开放）。在运行模式下，法律部分只有“只读”权限

（计量核心）故障自检：其故障信息需要通过（管理核心）通讯接口上报

——（管理核心）部分设计

在硬件设计上，“双核”之间需要有防火墙，即（管理核心）电源接地故障后，（计量核心）仍然正常工作

·模块化设计：通过主程序、子程序、子流程等框架描述软件的主要结构和流程，定义和调试各框架之间的输入输出链接关系，以功能模块为导向推导算法单位说明； 并提出“双核”智能电表的显示、通信、负荷曲线、成本控制、事件等功能相互独立、支持模块化软件升级的设计方案

·软件远程升级：远程下载时对下载数据进行缓存，缓存区独立设计。 下载阶段完成后，必须经过检查验证后才能进行升级。如果升级失败，需要恢复原软件； 为满足软件在线升级的需要，需要对通信协议进行相应的扩展

通信设计：采用DL/T698.45---2017面向对象数据交换协议； 通信模块可分为3层：数据收发层、协议解析层、帧解析层

ESAM保护设计：通过外部通讯接口（包括红外、RS485、载波等）对内部数据的调整需要经过ESAM加解密处理。

·（管理核心）故障自检：通过（管理核心）通信接口上报其故障自检信息和（计量核心）故障自检信息。

-（管理核）和（测量核）之间采用SPI通信。 （管理核心）作为主SPI，（测量核心）作为从SPI，传输帧格式采用DL/T698.45---2017通信协议，“双核”接口连接图：（略）

2）补充：2017年9月10日，中国电力科学研究院专家：《一种基于IR46概念的智能电能表设计方案》。 在此，总结一下：

本文介绍的“双核”智能电表通信设计和电源设计方案比较充实。

—通信设计方案

·上行通讯设计：

窄带（低速）电力线载波通信的通信速率已经难以满足时效控费业务、高频数据采集、双向交互、远程通信等智能用电的新需求。软件升级;

“双核”智能电表在原有通信通道的基础上，应配备针对实时业务需求的高速/快速通信方式，如OFDM窄带（快速）电力线载波通信、国家电网宽带电力线载波通信、IP等通信技术。

·下行通信设计：“双核”智能电表配备下行标准化通信接口，下行通信模块可兼容M---BUS、ZigBee、蓝牙或WiFi模块，实现实时双向交互与用户，也能满足“多表采集”业务

·（计量核心）及其与（管理核心）的通信设计

一、（管理核心）定时采集（测量核心）测量数据：（测量核心）与（管理核心）采用SPI通信方式，并制定独立的通信协议，采用主从结构进行通信。 其中，（管理核心）为主站，（计量核心）为从站。通信链路的建立和释放由（管理核心）控制

二、（测量核心）部分引出独立的RS485接口，为本地通讯，无需联网，用于合法测量数据溯源

三、系统主站远程计量：当主站需要远程调用和测量（计量核心）基础用电量数据时，可以通过读取（管理核心）逻辑设备来读取（计量核心）基础计量数据。

—电源设计方案

供电部分的设计要实现“双核”两部分的隔离

·“双核”智能电表工作时主电源由电网提供。 电压经过三个稳压模块变换后脉冲电子电表怎么偷电，转换为各功能模块所需的电能。 稳压模块相互隔离，使“双核”两部分供电独立，互不干扰。

同时，为了保证掉电后时钟的准确性，时钟电池和超级电容配置为掉电时为RTC供电，并增加了一个二极管防止时钟电池被损坏。主电源上电后反向充电。

3）补充：2017年9月25日，西南交通大学、四川省电力计量中心专家：《新一代智能电能表发展探讨》

这部分内容是文章的总结，经过编辑。

本文提出新一代智能电表开发项目与上述论文的不同之处在于新增设计特点：

—外观与结构设计

使结构件简单，底壳尺寸基本不变，适配高度可改，与原装表盒兼容

·具有多通讯模块热插拔功能。

——（管理核心）沟通设计

通信模块功耗要求：上行通信模块负载能力为6W； 下行模块为2.4W

·智能电表自带GPRS功能，可直接向主站传输数据，方便电力、水、气、热等企业获取相关数据。

目前，一些厂商已经开发出通过单张SIM卡切换频道的技术，以寻找不同运营商的信号

·“四表集”：与RS---485总线相比，使用M---BUS有更多优势：采用无极性双绞线，布线拓扑种类更多； 由于调制方式不同，负载能力也不同； 可为从机供电，提高从机自身电池的使用寿命

·“双核”智能电表操作系统采用更有效的任务切换调度方式。

——电表检测要求：在四川，地理、气候等多种因素导致现有智能电表故障率高。 新一代智能电表的检测技术，除了要符合国家电网规范外，还需要充分考虑电表的使用环境，针对外部条件进行一定的补充测试。

4）2018年11月14日，网上报道：“双核”智能电表在浙江电网运行

报道解释：中国浙江省电力公司研制的国家电网首台新一代智能电表的设计和运行。 所列技术设计项目与上述稿件的不同之处在于新增的设计特点：

——并网运行的电表经国际认证的电能表检测实验室检测：是符合IR46标准的“双核”智能电表。

——浙江电力：自建虚拟主站，考核“双核”智能电表的计量性能、数据采集上传等传统功能。

（3）第二类（采用自主研发的专用计量芯片）整机设计方案

2019年4月25日，江阴昌仪集团有限公司、上海贝岭股份有限公司：《符合IR46标准的电能表设计研究》

这部分内容是文章的总结，经过编辑。

本文在国家电网：“双核”智能电表架构设计的指导下，提出了基于自研专用计量芯片的“双核”智能电表第二类设计方案。 其设计特点：采用专用计量芯片，具有数据隔离、传输等多项新技术设计。

1）专用计量芯片：增加隔离电路，是本设计方案的核心技术。 其数据信号的隔离和传输过程：

—电隔离设计：在数据输入和数据输出之间连接一个SiO2或SiC的高耐压隔离电容，信号可以通过，电流不能通过，起到电隔离的作用。

— 调制解调过程

·输入信号包括速率为2M bps的数据信号或速率为3M bps的时钟信号

加密选择过程：首先将要传输的数据存入数据缓冲电路，同时激活随机数产生电路。 生成的随机数对应加密算法在加密存储算法内存中的标号。密钥解调电路，确定解调后的加密存储算法内存也采用了m号demodulate的加密算法

重新调整通信频率：由于隔离电容对于某些频率的信号传输可靠性最高，经过加密选择过程后，还需要对信号进行进一步调频，即振荡电路产生一个振荡频率f ，并通过PLL锁相环锁定此频率，并通过时钟选择电路将此振荡频率f再次倍频或分频给f1

数据调制：数据缓冲器中的信号经过调制电路按照f1频率进行调制，调制后按照序号为随机数m的加密算法进行加密，然后通过隔离电容传输到解调端

·数据解调：解调过程与调制过程相反，即选择约定的m加密算法和频率f1进行解调。 至此，数据信号的隔离和传输过程就完成了。

可见，在隔离电路中加入了加解密机制，从原理上提高了电表的防盗窃能力。

2）专用计量芯片：是时候进入常用计量芯片中供电电路的设计了，其设计要点：

专用计量芯片内封装了一个两路小型直流变压器，即交流电进入专用计量芯片后脉冲电子电表怎么偷电，通过高频逆变电路和电感的作用，高频变压器输出两路，每个通道都经过高频滤波电路。 输出直流电压V1和V2。 V1用作专用计量芯片，V2用作计量MCU的电源输出。

3）专用计量芯片：配置高速通信接口，扩展电表附加功能设计

—电压、电流采样的波形信号可高速传输至计量MCU：仪表中采样电阻、变压器等采样元件采集的电压、电流波形信号，通过高电平由参考源进行比较校正- 专用计量芯片中的精密ADC最后将这些速率为2Mbps的完整数据信号通过隔离电路和高速通信接口传输到计量MCU。

——这些采样的高速数据信号，根据需要选择算法后，由计量MCU计算：

电能表需要的数据；

扩展附加功能。 如果需要进行非侵入式电能质量检测，则无需外加相应的检测模块。 附加功能可由计量MCU通过计算实现。

— 同时外接晶振：其中一路时钟信号给专用计量芯片使用，另一路（3M bps速率）通过高速高速时钟作为计量MCU的外部时钟源通信接口。

4）这里需要说明一下：目前，专用计量芯片正进入双晶圆封装技术的可靠性测试阶段。 由于增加了高压隔离电容，需要特殊工艺处理。 前段采用了集成电路封装技术，即测量芯片和隔离电容采用双晶圆封装，对其隔离性能和通信性能进行了验证。 但对于集成电路双晶圆封装技术的批次可靠性和批次间的差异性测试，实验过程还比较紧密。 预计随着IR46标准的落地，验证工作将基本完成。

(4) 参考资料：智能电能表可靠性设计

2011年浙江正泰仪表有限公司专家：《DDZY666智能电能表可靠性设计》。 在此，摘要供参考。

1）智能电表的早期故障及预防

- 设计上的早期故障

- 制造引起的早期故障

- 材料导致的早期故障

2）智能电表可靠性设计应注意的问题

—降额设计：使电能表的关键元器件或硬件在运行中适应低于其规定额定值的工作应力，以降低故障率。

—热设计：减少发热，降低热阻，提高电性能稳定性和可靠性，延长寿命。

— 容差设计：EMC设计是最典型的容差设计。 电能表的电磁兼容性是指电表内部、元器件之间、电表与其他装置之间相互连接的信号的电气特性。 可以在一定的误差范围内“互相容忍”，保证功能的正常实现。

3）DDZY666系列智能电表可靠性预测

—国际/国内电子设备可靠性预测标准，给出了参考条件下的故障率及其环境应力

—军用标准GJB/Z 299C，国内普遍使用，但电能表的可靠性预测有很多不合适的地方

— IEC62059---41是目前专门针对电能表可靠性预测的国际标准。压力数据来源来自西门子SN29500系列标准

IEC62059---41的缺点是没有考虑湿度的影响。

— 成熟因子

- 特殊部件的预期寿命

4）智能电表可靠性测试

加速寿命试验：大多数国际标准认可。 可以在较短的时间内进行可靠性和寿命的评估和认证：

— 加速寿命试验模型的选择

——以智能电表为例，如果要分别验证10年、15年、20年的可用时间，需要保证加速测试的累计时间。 累计时间表：（略）

(5) 对本文的评论

1）历经3年研发，推出“双核”智能电表两种设计方案，是电表行业率先在国内实现IR46标准的重大事件。 其中，针对计量性能的保护、合法计量数据与非法计量部分隔离的要求，提出了实用的“双核”解决方案，颠覆了传统的智能电表一体化设计方法。

特别是浙江省电力科学研究院承担了国家电网“双核”智能电表的研发项目，探索了计量产品设计发展的飞跃。

2）IR46标准提出计量性能保护，“双核”智能电表的两类设计方案各有解决方案。

— 第一种表计机设计方案主要通过计量芯片的访问权限和安全校验机制保证“只读”； 法定计量的相关参数只有“只读”权限； ESAM模块经过加解密处理。

——第二种整表设计方案，采用自主研发的专用计量芯片，增加数据隔离电路和调制解调方案； 通过高频逆变器和电感，通过高频滤波电路输出直流工作电压，应该说：这些计量数据隔离和直流电源隔离技术是创新设计。

此外，专用计量芯片配备高速通信接口，可以扩展仪表附加功能的设计，减少晶体数量，具有很大的应用前景。

3）现有的两类整表设计方案总体上并不完善，主要是没有对法定计量部分的设计进行说明：整表的电路结构，包括计量单元、数据处理单元、存储单元、显示模块、通讯模块、电源模块等的设计； 软件设计，包括功能界面设计、电能表软件设计（主程序流程图、中断处理数据流程图等）、软件功能模块设计（初始化模块、运算模块、数字滤波模块、误差补偿模块、FFT模块） 、自动校准模块等）。

4）两类整表设计方案均未提及“双核”智能电表的可靠性设计，是国内智能电表设计的一大难点。 国内电表多年来的发展表明，它将影响智能电表的高品质和海外市场。

5）回过头来看，前文指出，“双核”智能电表是国家电网新一代智能电表的起步项目，有可能成为新一代智能电表的过渡产品。 通过对《国网“双核”智能电表设计技术演进与整机两类设计方案》的总结分析，预计即将推出的下一代智能电表整机设计方案接下来将是技术领先的完整设计。 机器技术文本。

（待续二）