智能電表作為智能電網建設的關鍵終端產品之一,承擔著原始電能數據采集、計量和傳輸的任務,是實現信息集成、分析優(yōu)化和信息展現的基礎,對于電網實現信息化、自動化、互動化具有重要支撐作用。隨著國網新一代智能電表市場進入穩(wěn)態(tài)漸進期,新的市場需求包括新能源并網計量點增多,智能物聯電能表新功能推出,預計2022年國網最低需用新一代智能電表6000萬只,智能電表仍有廣泛市場。

新能源供電下,智能電表助力實現用電心中有“數”

智能電表是配電網絡的基本組成部分。除了監(jiān)測能耗外,智能電表還能收集有關供電質量的數據。例如,它能測量無功電能、總諧波失真、諧波成分、電壓浪涌和瞬變是否存在以及頻率的變化,所有這些都是電網狀態(tài)的指標。從實際應用與普及情況來看,未來智能電表必然會遍布國內的能源系統,同時朝著三個方面不斷發(fā)展:一是廣泛支持分布式能源體系的接入;二是跟電力通信網絡全面接軌;三是不斷提高用戶互動性,進一步發(fā)展雙向通信功能。尤其是在峰谷電價政策廣泛實施的背景下,智能電表也必然會被更多的企業(yè)所接受。

另一方面,5G網絡的覆蓋會進一步促進智能電表的發(fā)展,原本受制于信息數據傳輸效率的諸多功能,或依托于5G通信網絡進一步完善,電力企業(yè)也可利用智能電表,充分結合大數據、云計算等高新技術方法,實現長期的、可靠的數據波動預測,并將預測結果用于支持電網建設、電力企業(yè)發(fā)展等重大決策。

然而,時至今日智能電表仍處于部署和使用的初級階段,傳統電表執(zhí)行現場樣本測試,僅依靠現場電表內部元器件仍保持在校準范圍內來估計精度,但此方法存在風險。大數據背景下,亞德諾半導體(ADI)開發(fā)出mSure技術,可通過將已知基準信號注入傳感器連續(xù)監(jiān)控整個電表的響應。疊加后,傳感器可同時檢測基準信號和負載信號。結合大數據技術可實現對各類結構化、非結構化數據的有效分析,這也是未來一段時間內智能電表的主要發(fā)展趨勢。

ADI mSure技術實現電表遠程精度監(jiān)測

下圖顯示了單相系統和三相系統電表的主要組成部分,在智能電表中,基本電力質量是從電壓和電流測量獲得的。這些測量結果由一個特殊的模擬前端(AFE)處理并提供給微控制器,微控制器顯示結果或將其提供給通信節(jié)點以進行遠程傳輸,完整結構還包括一個電源管理單元。

單相和三相智能電表框圖

智能電表必須能夠在相對較長的時間內(可能超過10年)準確執(zhí)行其功能,良好的設計和硅電子器件的穩(wěn)定性使其可以多年保持高精度水平。然而,閃電、電流尖峰或電壓瞬變等環(huán)境事件會永久性地改變傳感器的性能。如果沒有先進的診斷系統,則很難檢測到這種影響。作為ADI開發(fā)的一種新型電表診斷技術,mSure可以實時檢查測量鏈的狀態(tài),防止傳感器受到環(huán)境影響,同時不受環(huán)境影響,可以通過診斷檢測有無人為操縱。

mSure技術的工作原理如下圖所示。標準電表在沒有反饋路徑的情況下以開環(huán)方式工作,電流和電壓由傳感器轉換,有一個處理鏈會增加增益,最后是模數轉換,以便直接在數字域中提取數據。每個器件都對總誤差有貢獻,下線校準用于補償初始誤差,并確保電表精度保持在特定等級的規(guī)格范圍內。

采用mSure技術的開環(huán)系統和閉環(huán)系統的比較

mSure是非侵入式的,可以在電表運行時激活。為確保讀數準確,一個適當的模塊會檢測并扣除mSure器件對最終電能測量的貢獻。因此,電表的精度取決于基準電壓模塊的精度。根據定義,基準電壓模塊的精度優(yōu)于系統所用傳感器的精度,自動校準功能也可以隨時激活,校準數據由電流和電壓測量鏈的增益組成。mSure技術可以高精度地提取這些數據,而無需求助于昂貴的校準工作臺。

一旦將具備mSure技術的智能電表安裝到現場,您就可以連續(xù)或以預定時間間隔檢查電表的精度。如果電表存在精度漂移,可以校正校準數據,使電能計數準確。迄今為止,政府法規(guī)不允許在現場更改標準電表的校準數據。借助mSure技術,電力公司將能在需要時及時進行干預;如果干預時間較長,對電能差異將有一個準確估計。ADI公司的ADE電能計量IC針對下一代智能計量表架構挑戰(zhàn)而設計,是以極高精度測量有功功率(kWh)、視在功率(kVA)、無功功率(kVAR)、有效值和電能質量的理想器件,適合單相和多相計費表、工業(yè)儀表以及電能監(jiān)控應用。

ADE9153B 就是這樣一款具有傳感器監(jiān)控和自校準功能的高精度單相電能計量 IC,使用 mSure 技術的傳感器監(jiān)控功能支持儀表健康監(jiān)測和高級篡改檢測。利用該監(jiān)控功能,用戶可以檢查傳感器和信號路徑的總體精度,從而獨自確定電流和電壓通道上特定時間段內的精度漂移。同樣,mSure 提供高級篡改檢測功能,能夠檢測傳感器上的異常變化。mSure 與計量測量并行運行,可在 ADE9153B 中實現不間斷和不受影響的計量功能。在使用并聯電阻器作為電流傳感器的情況下,mSure 自校準功能允許計量器自動校準電流和電壓通道,無需使用精確基準電壓源計量器或精確電源。

具有傳感器監(jiān)控和自校準功能的電能計量芯片ADE9153B功能框圖

本文小結

對于電表行業(yè),電力公司需要定期檢查現場工作的電表的精度。精度變化的原因在很大程度上受傳感器影響,傳感器很容易受到大電流和高電壓以及惡劣環(huán)境的影響。因此,任何診斷功能必須監(jiān)控整個電力測量信號鏈。ADI在智能電網方面一直走在世界前列,不僅在產品應用級別與客戶積極合作,甚至在芯片的定義級別、軟件的算法級別都有合作,創(chuàng)新的mSure技術能使電力公司既可以監(jiān)控單個電表的精度,又可以通過先進的電表篡改檢測更好地防止收入損失。