文｜李先志  季建峰  张路红  邵明堃

关键词：志翔科技；智能电能表；电能计量在线监测与评价；电能计量数字化转型

   针对智能电能表计量性能无法实时精准监测、电动汽车充电桩运维成本高、光伏能效监测手段不能适应新要求、信息壁垒导致电能计量数据得不到及时处理等痛点问题，北京志翔科技股份有限公司（简称志翔科技）融合应用大数据、云计算、人工智能、物联网等技术，构建电能计量数字孪生在线状态监测与评价系统，为电力发、配、用等环节的电能计量状态监测提供“云边协同”“末端支撑”的智能化分析工具和技术支持，赋能电网企业电能计量数字化转型，助力新型电力系统建设，入选工业和信息化部工业大数据实验室“2022数据要素驱动企业数字化转型优秀案例”。

电能计量状态监测评价四大痛点

   《“十四五”现代能源体系规划》明确了新型电力系统建设的路径，作为电网最小组成单元的智能电能表，其运行状态的实时、精准监测与评价是新型电力体系建设的必然要求。然而，电能计量在线监测与评价领域存在的若干痛点问题，制约着电能计量数字化转型，如何对规模庞大的电能计量资产实行数智化精益管理，成为电网企业亟待解决的问题。

痛点一：电能表计量性能无法实时精准监测

  截至2022年年底，我国已有超过6亿只智能电能表安装在运行。但传统的人工巡检监测方式，无法实现对规模庞大的智能电能表运行状态及计量性能的精准、实时监测，并且存在一定的质量监管风险；技术进步和制造工艺水平的提高，使电能表实际运行寿命普遍达到10~15年，对电能表采取“一刀切”式的8年到期轮换政策已经明显不合理；而换表带来的旧表拆卸处理、新表购置安装等工作过程会造成巨大的资源浪费和环保压力。

  痛点二：电动汽车充电桩运维成本高

   2020年10月起，国家市场监督管理总局将电动汽车充电桩列入强制管理的计量器具管理目录，实行定期检定。我国电动汽车充电桩数量庞大，并且呈快速增长态势，由于缺乏对故障误差实时监测和快速维修的技术手段，周期性强检难以保证充电桩在 检定周期内处于良好运行状态；由于充电桩运营商技术手段和效能管理水平参差不齐，大部分充电站电能综合损耗超过15%，且实际损耗难以精准定位监测；人工检测和网络监控无法解决充电桩运维难题，不仅造成资源浪费，也给企业带来经营成本压力。

  痛点三：光伏能效监测手段不能适应新要求

  为加强光伏电站运维管理，提升光伏发电“可观、可测、可调”水平，电力行业对分布式光伏电源采集数据的完整性和准确性提出新要求。但由于低压分布式光伏电力发、配、用各环节设备的传感采集装置数量多、采集数据量大，容易出现计量装置故障或采集数据溢出导致的数据异常问题，进而影响电网对分布式光伏能效的监测分析和宏观调控。此外，低压分布式光伏发电分布广而分散，且大部分都安装在屋顶，对各类传感采集装置异常情况的排查和处置工作十分艰巨。

痛点四：信息壁垒导致电能计量数据得不到及时处理

  随着新型电力系统建设深入推进，电网终端产生的数据量大幅增长。靠近用户负荷侧的数据资源日益多元且分散，传至云端的网络链条长，“统一收集、统一处理”的数据管理模式导致数据生产、传输、处理各环节分离而形成更大的信息壁垒，导致电能计量运行状态的海量信息数据得不到及时处理，存在低压线路异常原因难以快速定位、配电网监测存在盲区等问题，从而导致能源浪费、环境污染及企业运营成本增加。因此，电网末端精准感知和“云边协同”的电能计量数字化转型势在必行。

构建电能计量数字孪生在线监测与评价系统

   志翔科技2016年开始承接国家电网智能电能表在线运行状态监测研发项目，经过两年的研发攻关，2018年全面开展智能电能表在线监测与评价平台的部署和推广应用，并衍生出电力物联网智能终端产品，形成软硬件协同的体系化解决方案，构建起“云边协同、末端支撑”闭环运行的电能计量数字孪生在线监测与评价系统（以下简称系统），帮助电网企业解决痛点问题。

1.“大数据分析+边缘智能终端”实现电能计量大数据分析闭环

  系统由智能电能表运行状态监测与评价平台（以下简称平台）和分布式配电网运行状态监测与评价物联网智能终端（以下简称智能终端）组成，通过“大数据分析+边缘智能终端”，实现电能计量大数据分析闭环，具有“云边协同”和“末端支撑”的突出特点，促进“网荷”精准感知和柔性互联（如图1所示）。

  平台通过对用电信息采集（简称用采）智能终端和电力物联网大数据进行建模分析，对智能电能表运行状态实时跟踪监测。智能终端通过末端精准感知和边缘计算，提升电能计量状态监测能力。

  平台与智能终端技术同源，应用互联。智能终端具有边缘计算能力，可对边缘数据进行采集调度，为在云端进行大数据分析的平台提供基础数据支持，同时将云端的大量计算功能合理分配到边缘端，从而降低云端的数据计算压力。

  平台与智能终端实现了“云边协同、末端支撑”，提升了系统算法和分析模型的实时响应能力，从而提升了电能计量状态监测评价的及时性和准确性。

2. 创新电能表运行质量监管技术

  平台运用大数据分析技术，创新智能电能表运行质量监管技术手段，形成包含智能电能表运行误差分析与数据准备、远程估计模型、误差分析模型性能评估与场景适配验证三个递进层级的技术路线（如下页图2所示）：通过对海量用电数据进行挖掘分析，构建基于能量守恒的智能电能表运行误差分析估计模型，可在不停电状态下实时远程监控智能电能表的运行计量误差，及时发现并预警误差及异常变化情况，实现对智能电能表的在线监测、状态评价、故障隐患精准研判及失准更换。

平台具有计量功能异常监测、计量误差异常监测、批量寿命评价预测三大功能，保障智能电能表计量准确，防止电能表潜在故障批量发生，可有效保障安装在运行的智能电能表运行质量。

3.“云边协同”提升电能计量状态监测能力和配电网智能运维水平

   系统的智能终端包括台区智能管理单元和非介入式负荷辨识终端。台区拓扑自动识别和电力负荷辨识是配电网“网荷”互动和“末端精准感知”的重要基础，可提高系统算法与模型的实时响应能力，提升电能计量状态监测评价的准确性和精度。

多场景应用，提升运营管理能力

  系统可提供基于大数据分析的智能电能表、互感器、充电桩、关口表等电力计量设备的智能监测服务，并可根据用户负荷感知业务场景需求，应用不同形态和功能的负荷感知设备，实现对用户侧用电设备类型、状态和用电情况的准确辨识分析，以及为用户提供远程智能运维、智能配网等服务。

1. 智能电能表状态评价与更换

  系统面向国家电网、南方电网约6亿只智能电能表开展运行状态监测与评价，有效解决电网企业“一刀切”到期换表难题，实现智能电能表由到期轮换变为状态更换、由定期检定变为全程监控、由被动式现场检测变为主动式远程诊断。

2. 关口表运行状态在线监测

  系统采集关口表等计量设备运行数据，实时掌控发电上网及变电站关口计量装置运行状况，及时发现计量设备运行中存在的误差和异常情况，推动关口计量点由人工定期检测向全程在线监测转变,实现对异常计量点的高效排查和精准运维，大幅减少人工现场巡查工作量。

3. 电动汽车充电桩计量点运行状态在线监测

  系统以电动汽车充电站为分析单元，建立充电站供电量与站内各充电桩的电量计量关系，构建计量误差分析模型、交直流电转化效率模型及充电桩计量点状态评价和监测机制，对充电站内线路损耗、交直流电转化效率、计量误差及异常用电等情况进行诊断和量化分析，继而对站内能耗进行分析诊断，判定站内能耗主要原因并进行量化估算。

4. 低压配电台区智能管理

  低压配电台区智能管理是电能计量状态监测能力提升的重要手段。系统致力于成为疑难公变台区治理的智能管家，通过低压配电网拓扑自动识别技术和“云边协同”模式，提升配电网的全息感知能力和智能调控能力，实现低压配电台区工作场景全流程“可观、可测、可控”，满足台区拓扑自动识别、台区户变关系自动分析、台区线损异常诊断与治理、台区专变用户异常用电分析等应用需求。一方面，推动传统的低压配电台区建设和运维向更安全、智能、高效、开放、低碳的方向发展；另一方面，为电能计量状态监测大数据分析提供丰富的数据积累，同时大幅降低云端的计算压力。

5. 负荷智能感知

  负荷智能感知促进电能计量状态监测能力提升。系统通过在用户电力总进线处的端侧（如用户电能表或表箱）安装负荷智能感知终端，获取监测范围内所有用电设备的混叠电流指纹，运用边缘计算和机器学习等技术开发负荷辨识算法，对不同类别用电设备特征与混叠电流指纹进行辨识和分解，得到监测范围内用电设备的实时运行状态和用电能耗。一方面，可满足能耗订单、安全用电监测、环保用电监测等应用需求；另一方面，可依托系统的边缘计算功能，提升电能计量状态监测效率和精度。

6. 光伏能效监测

  系统通过建立光伏板能效模型，整合环境气象、地理位置等信息数据资源，对光伏电站的发电量进行仿真建模及预测，实时比对电站采集数据及环境监测数据，对集中式光伏能效异常因素和功率进行精准识别和预测；对分布式光伏电站进行窃电、骗补等情况的识别分析，进而实现对光伏电站运营管理全流程的“可观、可测、可控”。同时，系统可通过大数据分析，测算光伏电站的经济效益并给出最优运维策略，为其提供提升发电效率和投资效益、降低运维成本、防范安全隐患等专业、高效的增值服务。

系统应用社会效益和经济效益显著

         2019年以来，系统相继在国家电网全网统一推广应用，在南方电网的部分省份网络部署运行；智能终端已经在国家电网20多个省份网络开展试点应用，并在陕西、山东等地的24000多个台区实现规模化应用。

   系统面向国家电网、南方电网的6亿多只智能电能表推广应用，创建了“企业自控、客户监督、政府监管”的智能电能表监管机制，实现了社会资源集约化高效利用和百姓、企业、国家的三方共赢，为新型电力系统建设做出了积极贡献。

  截至2023年上半年，系统帮助国家电网实现数千万只到期电能表延期使用，节约电能表更换资金近百亿元，节省运维成本数亿元；监测发现10万多只计量异常的用电装置；监测发现数万个窃电、骗补用户，追补电量数千万千瓦时，追补电费数亿元；通过对异常电能表的及时处置，使异常电能表所在台区的线损率平均下降2个百分点；每年减少因到期更换、销毁电能表产生的电子垃圾约1.2万吨，同时也减少了生产新电能表而产生的能源消耗和碳排放。

   此外，系统还支持国家电网和南方电网所属的26个省份网络编制出台智能电能表在线运行状态监测计量检定规程（JJG）或校准技术规范（JJF）。■

作者单位

李先志 季建峰 张路红 北京志翔科技股份有限公司

邵明堃 国家工业信息安全发展研究中心