智能电表作为智能电网建设的关键终端产品之一,承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务,是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础,对于电网实现信息化、自动化、互动化具有重要支撑作用。随着国网新一代智能电表市场进入稳态渐进期,新的市场需求包括新能源并网计量点增多,智能物联电能表新功能推出,预计2022年国网最低需用新一代智能电表6000万只,智能电表仍有广泛市场。

新能源供电下,智能电表助力实现用电心中有“数”

智能电表是配电网络的基本组成部分。除了监测能耗外,智能电表还能收集有关供电质量的数据。例如,它能测量无功电能、总谐波失真、谐波成分、电压浪涌和瞬变是否存在以及频率的变化,所有这些都是电网状态的指标。从实际应用与普及情况来看,未来智能电表必然会遍布国内的能源系统,同时朝着三个方面不断发展:一是广泛支持分布式能源体系的接入;二是跟电力通信网络全面接轨;三是不断提高用户互动性,进一步发展双向通信功能。尤其是在峰谷电价政策广泛实施的背景下,智能电表也必然会被更多的企业所接受。

另一方面,5G网络的覆盖会进一步促进智能电表的发展,原本受制于信息数据传输效率的诸多功能,或依托于5G通信网络进一步完善,电力企业也可利用智能电表,充分结合大数据、云计算等高新技术方法,实现长期的、可靠的数据波动预测,并将预测结果用于支持电网建设、电力企业发展等重大决策。

然而,时至今日智能电表仍处于部署和使用的初级阶段,传统电表执行现场样本测试,仅依靠现场电表内部元器件仍保持在校准范围内来估计精度,但此方法存在风险。大数据背景下,亚德诺半导体(ADI)开发出mSure技术,可通过将已知基准信号注入传感器连续监控整个电表的响应。叠加后,传感器可同时检测基准信号和负载信号。结合大数据技术可实现对各类结构化、非结构化数据的有效分析,这也是未来一段时间内智能电表的主要发展趋势。

ADI mSure技术实现电表远程精度监测

下图显示了单相系统和三相系统电表的主要组成部分,在智能电表中,基本电力质量是从电压和电流测量获得的。这些测量结果由一个特殊的模拟前端(AFE)处理并提供给微控制器,微控制器显示结果或将其提供给通信节点以进行远程传输,完整结构还包括一个电源管理单元。

单相和三相智能电表框图

智能电表必须能够在相对较长的时间内(可能超过10年)准确执行其功能,良好的设计和硅电子器件的稳定性使其可以多年保持高精度水平。然而,闪电、电流尖峰或电压瞬变等环境事件会永久性地改变传感器的性能。如果没有先进的诊断系统,则很难检测到这种影响。作为ADI开发的一种新型电表诊断技术,mSure可以实时检查测量链的状态,防止传感器受到环境影响,同时不受环境影响,可以通过诊断检测有无人为操纵。

mSure技术的工作原理如下图所示。标准电表在没有反馈路径的情况下以开环方式工作,电流和电压由传感器转换,有一个处理链会增加增益,最后是模数转换,以便直接在数字域中提取数据。每个器件都对总误差有贡献,下线校准用于补偿初始误差,并确保电表精度保持在特定等级的规格范围内。

采用mSure技术的开环系统和闭环系统的比较

mSure是非侵入式的,可以在电表运行时激活。为确保读数准确,一个适当的模块会检测并扣除mSure器件对最终电能测量的贡献。因此,电表的精度取决于基准电压模块的精度。根据定义,基准电压模块的精度优于系统所用传感器的精度,自动校准功能也可以随时激活,校准数据由电流和电压测量链的增益组成。mSure技术可以高精度地提取这些数据,而无需求助于昂贵的校准工作台。

一旦将具备mSure技术的智能电表安装到现场,您就可以连续或以预定时间间隔检查电表的精度。如果电表存在精度漂移,可以校正校准数据,使电能计数准确。迄今为止,政府法规不允许在现场更改标准电表的校准数据。借助mSure技术,电力公司将能在需要时及时进行干预;如果干预时间较长,对电能差异将有一个准确估计。ADI公司的ADE电能计量IC针对下一代智能计量表架构挑战而设计,是以极高精度测量有功功率(kWh)、视在功率(kVA)、无功功率(kVAR)、有效值和电能质量的理想器件,适合单相和多相计费表、工业仪表以及电能监控应用。

ADE9153B 就是这样一款具有传感器监控和自校准功能的高精度单相电能计量 IC,使用 mSure 技术的传感器监控功能支持仪表健康监测和高级篡改检测。利用该监控功能,用户可以检查传感器和信号路径的总体精度,从而独自确定电流和电压通道上特定时间段内的精度漂移。同样,mSure 提供高级篡改检测功能,能够检测传感器上的异常变化。mSure 与计量测量并行运行,可在 ADE9153B 中实现不间断和不受影响的计量功能。在使用并联电阻器作为电流传感器的情况下,mSure 自校准功能允许计量器自动校准电流和电压通道,无需使用精确基准电压源计量器或精确电源。

具有传感器监控和自校准功能的电能计量芯片ADE9153B功能框图

本文小结

对于电表行业,电力公司需要定期检查现场工作的电表的精度。精度变化的原因在很大程度上受传感器影响,传感器很容易受到大电流和高电压以及恶劣环境的影响。因此,任何诊断功能必须监控整个电力测量信号链。ADI在智能电网方面一直走在世界前列,不仅在产品应用级别与客户积极合作,甚至在芯片的定义级别、软件的算法级别都有合作,创新的mSure技术能使电力公司既可以监控单个电表的精度,又可以通过先进的电表篡改检测更好地防止收入损失。