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。