一、案例概况

（一）背景摘要

构建新型电力系统是党中央为保障我国能源安全 、落实双碳战略作出的重大决策部署 。作为新型能源体系的重要载体 ，新型电力系统具备清洁低碳 、安全可控 、灵活高效、智能友好、开放互动等关键特征，进而实现电源侧高比例可再生能源广泛接入、 电网侧资源安全高效灵活配置 、负荷侧多元负荷需求充分满足 。智能电能表既是国家法制计量器具 ，又是智能电网末端的重要组成部分 。国网公司自 2009 年推广应用智能  电能表至今现场已安装超过 6 亿只智能电能表 ，覆盖率达到 99% 以上 ，占国网系统接入终端设备总量的 80 ％ 。国网的智能电能表标准体系在这 10 年的时间里也经历了制定  和修订的完善过程 ，依托智能电能表和用电信息采集系统 ，国网实现了用电数据的自动采集 、自动化检定等重大应用工程，极大提高了营销管理水平和工作效率 。目前，智能电能表的非计量功能已在配网运维管理 、客户体验提升 、服务国家能源战略转型升  级等方面提供了强有力的数据支撑。

对标新型电力系统建设发展要求，立足设备角色定位，智能电能表在感知监测灵活 度、开放性、可拓展性等方向上仍存在不足。面临上述多样的应用场景及不断更新的感知 交互需求，原有电能表的设计架构暴露出功能固化、硬件无法拓展、软件无法在线升级等 技术短板，需进一步开展技术迭代、突破创新。

（二）案例简介

随着传统电力系统向新型电力系统转型升级 ，智能电能表不仅承载着电能计量的基础使命，作为客户侧发用电设备的关键设备枢纽 ，还承担着设备控制 、信息交互 、互 联互通的使命 。同时 ，国际法制计量组织新制定的《有功电能表》标准（International Recommendation 46 ，IR46）要求电能表的计量功能与其他功能相互独立 ，非计量部分软件在线升级不影响计量部分的准确性和稳定性 。因此 ，中心针对原有电能表功能固化 、硬件无法拓展 、软件无法升级等一系列关键问题开展攻关 ，设计研发了我国首款硬件可扩展 、软件可升级 、搭载操作系统的新一代智能电能表——智能物联电能表。

智能物联电能表的研制历经 8 年 ，以智能电能表创新技术及其检测体系为研究对象 ，以提升智能电能表行业水平 、提高国际竞争力为目标 ，形成可大规模推广应用的自主研究成果 。智能物联电能表首次提出了计量模组 、管理模组 、拓展模组相互独立 的电能表架构 。设计了表用轻量级操作系统，集成 HPLC、蓝牙等多种通信方案，并发明了分布式存储策略以及高频传输的数 据交互和同步机制 ，整表具备宽范围精准计量 、分布式大容量存储 、多元化高效通 信以及异常感知监测等功能 ，实现了居民 家庭智慧用能 、电动汽车及分布式能源服 务等扩展应用 ，解决了电能表硬件固化 、 功能单一的难题 ，满足不同业务场景的建设需求。

二、案例具体做法

（一）案例详情

智能物联电能表总体研究思路如下：针对智能电能表在感知监测灵活度、开放性 、 可拓展性等方面的不足 ，突破传统的软 、硬件架构束缚 ，通过多种技术集成与融合创 新，研究模组化结构设计方案和轻量级操作系统关键技术，设计研发了硬件可插拔 、软 件可升级的智能物联电能表；针对电能表内主控芯片及计量芯片等核心器件 ，研究低 压差线性稳压 、计量误差自监测等技术 ，提升整表性能水平并实现了技术的全自主可 控；研究操作系统及驱动测试 、蓝牙检定等关键检测技术 ，填补该领域空白 ，实现新 设备功能与性能的全覆盖测试 。最终全面实现智能物联电能表及其检测体系从方案设 计 、设备研制到产品规模化应用。

（1）电动汽车有序充电 。智能物联电能表在电动汽车及分布式能源控制系统中定 位为能源路由器 ，以模块化的形式增加电动汽车有序充放电功能 ，每个充电桩配置一 个唯一的智能物联电能表 ，通过总线对充电桩的实际功率输出进行控制 。当用户通过 手机 APP 扫码与能源路由器建立连接后 ，蓝牙及 4G 双通道同时发送充电申请 。新型 集中器和主站作为双大脑，按照实时逻辑安排充电计划，并下发至智能物联电能表。智能物联电能表按照“先到先处理 ，后到忽略 ”的冲突处理机制执行充电计划 。在充电过程中 ，按照充电计划实时控制充电桩的功率输出 ，达到有序充电的目的 。有序充电业务的实施有利于引导用户低谷用电 、高峰放电 ，提升电网设备利用率 ，满足居家多元化充电需求。

（2）居民用电负荷特征智能分析及应用 。在居民家庭用能控制系统中 ，智能电能 表应用以用电负荷辨识算法为核心的大数据分析技术 ，开展居民用电负荷特征智能分 析及应用 ，实现居民用户家庭电器组成和能耗全时段精确辨识 ，并通过手机 APP 推送 精细化 、多元化的全方位用能信息及衍生业务数据 ，为用户提供了精准的用能数据服 务 ，指导居民用户科学合理用电提供技术支撑 ，促进居民用户与电网的友好互动。

（3）光伏设备入网实时调控 。分布式光伏并入电网后 ，电能质量监测成为新型电 力系统下保证电网稳定的重要因素 ，智能物联电能表可搭配电能质量监测模组 ，实时 监测光伏并入电网时出现的谐波 、闪变等电能质量问题 ，实现“低成本 ”电能质量监 测 。同时 ，分布式光伏设备出现孤岛情况或光伏发电能量达不到电网要求时 ，会造成电网系统 、设备的损害 ，甚至会 危及维修人员的安全 。采用“新 型集中器 + 智能物联电能表 + 光伏专用断路器 ”方案 ，并搭配 光伏协议转换单元 ，可实时监测 孤岛运行时断路器运行状态和光 伏输出情况 ，并实现对光伏逆变 器的控制 ，保证光伏并网状态的可观可测可控。

（三）具体成效

1. 智能物联电能表推广和应用

自 2021 年起 ，智能物联电能表方案已向 80 多家电能表制造商推广 ，覆盖 12.61 万 用户 ，为配电网精准抢修 、电力现货市场交易等各类业务提供了技术和数据支撑 ，为 光伏并网 、负荷感知 ，电动车入户充电监测等新型电力系统下的多场景功能需求提供保障 ，全面提升了新型电力系统的数据采集 、传输和大数据分析能力 ，提高了我国智 能电能表的国际竞争力 。智能物联电能表近 3 年累计新增销售收入约 5044 万元 ，新增 利润约 542 万元。

2. 软硬件解耦架构的电能表轻量级操作系统推广应用

依托智能物联电能表 ，研发了首款基于软硬件解耦架构的电能表轻量级操作系 统 ，实现了“软件 APP 化”，应用内存分配最大节省 87.5% ，解决了电能表元器件自 主选型 、高效在线升级的问题 ，构建了灵活开放的表计软硬件生态环境 。智能物联电 能表研发的嵌入式操作系统，可有效提升现场设备的可用性，提前发现潜在软件问题 ， 有效减少现场运维人员的工作量 ，降低后期的运维成本 。同时 ，该操作系统具备广泛 的通用价值 ，能够在多种设备硬件平台上高效运行 ，后续可向通信模块 、量测开关等设备推广应用 ，构建一个高效 、可靠的配电网边端物联设备 ，从而实现边端设备互联 互通 、高效管理 。通过智能物联电能表的推广 ，未来 5 年平均每年可降低国网公司 10% 的运维成本。

3. 蓝牙转换模组成果转化 ，促进新质生产力

智能物联电能表的软硬件设计均发生了颠覆性变革 ，尤其是为增强表计可靠性和 耐压性能 ，取消了辅助端子 ，使自动化检定无法再使用电脉冲输出端子 。为实现电能 表蓝牙技术的互联互通及检定 ，基于智能物联电能表研究发布了 2 项发明专利 ，使其在检测过程中 ，通过软件控制蓝牙 / 脉冲转换器功能切换 ，建立与电能表的通信和脉冲 检定并行工作模式，从而降低改造难度 ，提高检测可靠性 ，实现成果转化约 307 万元。

4. 构建标准体系 ，促进电能表行业发展

基于智能物联电能表的研制 ，牵头 / 参与修订电能表国家标准 2 项 、型式评价大纲 3 项、制定国家电网公司企业标准 6 项，为智能物联电能表的推广应用提供标准支撑，有 效保证了设备及系统建设的一致性 ，引导 、推动了产业化 、规模化生产 ，促进了整个 行业的技术发展 ，同时也带动了仪器仪表 、电子器件 、集成电路等相关产业的创新发 展 ，促进了技术进步和国民经济的增长。

5. 搭建自动化检测平台 ，提升检测效率

研制的智能物联电能表全性能自动化检测平台 ，增加了操作系统功能 、性能检测 和驱动程序兼容性 、可靠性等软件检测 ，确保操作系统内核以及软件驱动程序的缺陷 在早期阶段被发现 ，填补了电能表操作系统和驱动程序检测技术空白 ，实现了功能与 性能全覆盖测试（覆盖率 100%），保障了产品的稳定 、可靠。

三、案例创新点

（一）案例实施的创新点

1. 多芯模组化设计

设计了计量部分与管理部分相互独立的电能表架构 。明确了计量模组提供电能表 的电源和基础数据 ，管理模组负责数据分发和整表功能管理 ，扩展模组实现上下行通 信以及各类功能的灵活扩展 ，设计了模组间的标准化接口 ，能够实现硬件积木拼接式 的热插拔更换 ，以满足不同业务的应用需求。

2. 管理部分软件可升级

将操作系统引入电能表 ，通过研发轻量级操作系统 ，在传统电能表 MCU 基础上实 现 OS 流畅运行 ，并以 APP 的方式实现电能表各功能划分 ，进而实现非计量部分软件 的升级 ，在保障计量部分稳定 、可靠的基础上，应对不同业务场景需求及软件迭代。通过驱动接口标准化 ，实现软硬件解耦 ，能适配不同制造商的硬件选型。

3. 多元化通信

采用 HPLC 和微功率无线双模，提升信息采集成功率；同时具备蓝牙通信功能，并 支持两主三从的工作模式，可与多个设备交互并支持蓝牙脉冲检表，支持蓝牙锁具 、蓝牙断路器等设备接入 ，提升末端计量节点的信息采集与设备调控能力。

4. 分布式存储

智能物联电能表采用分布式存储的方案 ，各模组具备独立存储区域；并采用首创 的秒脉冲获取技术实现计量模组与管理模组的毫秒级同步 ，借此实现电量 、时钟等数 据模组间实时同步 ，确保了电能表数据的可靠性及可追溯性。

（二）推广价值

1. 减少电能表更替数量 ，助力电力系统发展

智能物联电能表采用模组化设计方案 ，有效解决了电能表硬件固化 、功能单一的难题 。针对需要结合不同业务场景进行针对性适配的需求 ，可以通过对非法制计量部分的远程升级实现功能适配 ，减少了由硬件约束或功能升级产生的电能表更换量 ，助 力新型电力系统发展。

2. 支撑光伏设备并网 ，监测用电安全隐患

依托智能物联电能表硬件拓展功能 ，分布式光伏并网 、精准负荷感知 、电动车入户实时监测等新型业务场景得到进一步推广 ，新能源大量接入有效地降低了电力系统的负荷压力 ，优化了网络负荷分配 ，提升了用户用电体验；电动车入户充电 24 小时监控 ，异常情况实时报警 ，杜绝因违约用电引发火灾或其他故障 ，节省了大量的人力物力 ，得到了政府有关部门认可。

3. 促进标准化建设 ，推动相关产业发展

基于智能物联电能表制定了多项技术标准 ，有效保证了设备及系统建设的一致性 ，引导 、推动了产业化 、规模化生产 ，促进了整个行业的技术发展 ，同时也带动了仪器仪表 、电子器件 、集成电路等相关产业的创新发展 ，促进了技术进步和国民经济 的增长。

（三）体会感受

智能物联电能表前景广阔 ，其设计研发的轻量级嵌入式操作系统和国产芯片可推 广应用于其他工业控制 、机械设计等国内外仪器仪表领域 ，实现共性技术上的进步和 突破 ，引领智能制造业升级 ，服务社会民生 、服务制造强国战略。

未来 ，智能物联电能表还将发挥技术领先优势 ，探索碳排放计量 、电弧故障监测   技术 ，从用电安全 、负荷管理 、碳管理等方面拓展应用 ，实现电力安全保供要求下的   负荷精准控制和用户常态化 、精细化的用能管理 。助力“ 中国制造 ”向“ 中国创造 ” 和“ 中国引领 ”发展 ，助力首都创新驱动发展 ，产品出口中东 、西亚等地区 ，支持中国“一带一路 ”建设。