基于智能電網(wǎng)的AMI系統(tǒng)

劉連永，陳鋒，季振東

（1.江蘇丹陽(yáng)市供電公司，江蘇丹陽(yáng)212300；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

全球資源和環(huán)境壓力的增大、電力市場(chǎng)化進(jìn)程的推進(jìn)、用戶對(duì)電能質(zhì)量和用電可靠性要求的提升等因素使得電力行業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)，許多國(guó)家和組織不約而同地提出要建設(shè)具有靈活、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、友好等性能的智能電網(wǎng)，并將智能電網(wǎng)視為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向。智能電網(wǎng)是電力輸配系統(tǒng)綜合傳統(tǒng)和前沿的電力工程、復(fù)雜的感應(yīng)和監(jiān)控技術(shù)、信息技術(shù)和通信技術(shù)以提高電網(wǎng)運(yùn)行效率并支持客戶端廣泛的附加服務(wù)的新型電網(wǎng)[1-4]。智能電網(wǎng)主要由四部分構(gòu)成：高級(jí)計(jì)量構(gòu)架（AMI），高級(jí)配電運(yùn)行（ADO），高級(jí)輸電運(yùn)行（ATO），高級(jí)資產(chǎn)管理（AAM）。技術(shù)上智能電網(wǎng)是通過以上四部分之間的密切配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的[5，6]。發(fā)展智能電網(wǎng)的順序會(huì)影響成本和效益，一般來(lái)講AMI的實(shí)施是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的第一步，同時(shí)AMI能夠滿足智能電網(wǎng)的首要特征：用戶的積極參與[4，7-9]。在介紹AMI系統(tǒng)的概念、技術(shù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)AMI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的解釋并對(duì)AMI系統(tǒng)的意義進(jìn)行了總結(jié)。

1 AMI系統(tǒng)概述

1.1 AMI的概念

AMI系統(tǒng)是一個(gè)使用智能電表通過多種通信介質(zhì)，按需或以設(shè)定的方式測(cè)量、收集并分析用戶用電數(shù)據(jù)、提供開放式雙向通信的系統(tǒng)，是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)信息平臺(tái)。

AMI不是單一的技術(shù)應(yīng)用，而是綜合現(xiàn)有和新的電力技術(shù)的整體架構(gòu)，包括擁有自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)等室內(nèi)控制的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能計(jì)量、計(jì)量裝置與區(qū)域數(shù)據(jù)集中器之間的通信網(wǎng)絡(luò)、與數(shù)據(jù)中心的通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（MDMS）以及數(shù)據(jù)在軟件平臺(tái)中的應(yīng)用。

圖1描述了AMI技術(shù)及其接口。

圖1 AMI接口概觀（DOE/OEDER 2008c）

從用戶的角度看，智能電表提供消費(fèi)數(shù)據(jù)給用戶和供電服務(wù)方，用戶更加清楚自己的電能使用狀況，同時(shí)，基于預(yù)設(shè)的消費(fèi)參數(shù)，負(fù)荷控制設(shè)備根據(jù)電價(jià)信息協(xié)調(diào)電力需求。高級(jí)用戶還可根據(jù)這些電價(jià)信息展開分布式電能資源（DER）。

電力用戶可根據(jù)AMI數(shù)據(jù)制定電能消費(fèi)策略，甚至提供電能交互服務(wù)。

供電方使用后方系統(tǒng)來(lái)收集和分析AMI數(shù)據(jù)，以優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)性及服務(wù)水平。例如，AMI在用戶斷電和出現(xiàn)電能質(zhì)量問題時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋，使得供電方能夠快速地對(duì)電網(wǎng)的問題進(jìn)行定位[7]。

同時(shí)AMI的雙向通信使電網(wǎng)自動(dòng)化成為可能。AMI提供充足的系統(tǒng)信息可以實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的優(yōu)化管理，合理安排設(shè)備的維修、增添及替換。這些都能夠極大地提高電網(wǎng)的效率和可靠性。

1.2 AMI在智能電網(wǎng)中的地位

智能電網(wǎng)的4個(gè)部分之間是密切相關(guān)[6]的，表現(xiàn)在以下方面。

（1）AMI同用戶建立通信聯(lián)系，提供帶時(shí)標(biāo)的系統(tǒng)信息。

（2）ADO使用AMI的通信收集配電信息，改善配電運(yùn)行。

（3）ATO使用ADO信息改善輸電系統(tǒng)運(yùn)行和管理輸電阻塞，使用AMI讓用戶能夠訪問市場(chǎng)。

（4）AAM使用AMI，ADO和ATO的信息與控制，改善運(yùn)行效率和資產(chǎn)使用。

AMI是為了智能電網(wǎng)建立可靠的通信和IT基礎(chǔ)設(shè)施。AMI連接用戶并提供了系統(tǒng)范圍內(nèi)的能觀性。

由此可見順序是有價(jià)值，因此一般把AMI視為是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的第一步，智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)順序如圖2所示。

圖2 智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)順序

由于AMI可在負(fù)荷響應(yīng)和節(jié)能減排方面取得巨大效益，許多政府機(jī)構(gòu)已頒布立法條例來(lái)推動(dòng)AMI技術(shù)的實(shí)施。實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的效益-成本曲線如圖3所示。

圖3 實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的效益-成本曲線

1.3 AMI的技術(shù)內(nèi)容

AMI主要功能是授權(quán)給用戶，使系統(tǒng)同負(fù)荷建立起聯(lián)系，使用戶能夠支持電網(wǎng)的運(yùn)行。AMI是許多技術(shù)和應(yīng)用集成的解決方案，其技術(shù)組成和功能主要包括以下方面。

1.3.1 智能電表

傳統(tǒng)的電磁式電表只能簡(jiǎn)單的記錄一段時(shí)間的整體電能，智能電表是可編程設(shè)備，包括以下功能：雙向計(jì)費(fèi)功能（支持分布式發(fā)電的用戶）、分時(shí)電價(jià)、為用戶和電網(wǎng)提供消費(fèi)數(shù)據(jù)、停電及恢復(fù)供電通告、遙控開關(guān)操作、限制供電（未按要求付費(fèi)或需求響應(yīng)目的）、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、供電堵塞及竊電的監(jiān)測(cè)、與家中其他智能設(shè)備通信。

1.3.2 廣域的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

AMI通信架構(gòu)支持供電系統(tǒng)、用戶和可控負(fù)荷之間的連續(xù)通信。AMI使用開放的雙向通信標(biāo)準(zhǔn)，并具有較高的安全性，能夠?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)的其他眾多功能服務(wù)。有很多的通信體系可供選擇，目前可利用的方式有：電力線路載波（PLC）、電力線路寬頻通信（BPL）、集中或分散式無(wú)線通信、互聯(lián)網(wǎng)通信等。

1.3.3 MDMS

MDMS是一個(gè)帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，它通過與AMI自動(dòng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（ADCS）的配合使用，處理并儲(chǔ)存電表的計(jì)量值[10]。如圖4所示，MDMS通過企業(yè)服務(wù)總線（ESB）[8]，能夠與以下信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：

（1）用戶信息系統(tǒng)（CIS）；

（2）能量管理系統(tǒng)（EMS）；

（3）斷電管理系統(tǒng)（OMS）；

（4）行動(dòng)工作者管理系統(tǒng)（MWM）；

（5）企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）；

（6）地理信息系統(tǒng)（GIS）；

（7）變壓器負(fù)載管理（TLM）；

（8）其他運(yùn)行方面的應(yīng)用系統(tǒng)。

圖4 MDMS與其他管理系統(tǒng)的關(guān)系

MDMS的基本功能之一就是確認(rèn)、編輯和評(píng)估AMI數(shù)據(jù)，以確保在通信中斷的情況下流向以上系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

1.3.4 HAN

HAN通過網(wǎng)關(guān)或用戶入口把智能電表和用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置連接起來(lái)，并且具有能量管理功能，例如：用電情況及電價(jià)的室內(nèi)顯示；根據(jù)消費(fèi)者輸入的參數(shù)對(duì)電價(jià)信號(hào)做出響應(yīng)；設(shè)置參數(shù)以限制供電公司或局域控制系統(tǒng)對(duì)用戶特殊設(shè)備的操作；不包含連續(xù)型供電負(fù)載進(jìn)行控制。

HAN為用戶提供了一個(gè)接入電力市場(chǎng)的智能接口，并能為用戶提供安全監(jiān)測(cè)等附加服務(wù)。HAN能以多種方式實(shí)現(xiàn)，用戶端口可安裝在智能電表、附近的數(shù)據(jù)集中器、電力公司提供的關(guān)口，甚至用戶提供的設(shè)備上，也可以把這部分的通信歸于AMI的局域網(wǎng)中。

1.3.5 可使用的網(wǎng)絡(luò)接口

AMI利用MDMS與系統(tǒng)側(cè)的應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)以支持ADO，ATO，AAM。例如，ADO所包含的使用高級(jí)傳感器的配電管理系統(tǒng)需要用到AMI所提供的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)；ADO所包含的高級(jí)斷電管理系統(tǒng)需要用到AMI的實(shí)時(shí)斷電信息。

2 AMI系統(tǒng)組成

2.1 AMI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5展示了AMI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。包括3個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)集中器、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理中心。

圖5 AMI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器通常安裝在塔桿上、變電站里和其他一些設(shè)施上。它連接了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，是智能電表和數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。數(shù)據(jù)集中器可以通過LAN收集智能電表的數(shù)據(jù)并提供給數(shù)據(jù)中心，而且還能中繼數(shù)據(jù)處理中心給電表和用戶發(fā)送命令和信息。

2.3 數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理中心通過WAN接受數(shù)據(jù)集中器傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)。它也能夠發(fā)送配置數(shù)據(jù)到智能電表。處理中心計(jì)算機(jī)安裝了軟件系統(tǒng)來(lái)處理接收的數(shù)據(jù)并且發(fā)送配置參數(shù)。這個(gè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)后，還能夠給其他系統(tǒng)（GIS，OMS，TLM等）使用。處理中心的計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。數(shù)據(jù)從AMI數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸?shù)狡渌芾砘蛘呖刂葡到y(tǒng)是通過LAN實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

供電商和消費(fèi)者也可以通過數(shù)據(jù)處理中心提供的Web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)。現(xiàn)在國(guó)外常用的做法是MDMS在每天午夜至凌晨3：00之間將前一天的數(shù)據(jù)收集過來(lái)。經(jīng)過分析和處理后存入共享數(shù)據(jù)庫(kù)，其他相關(guān)的運(yùn)行和管理系統(tǒng)可以讀取。電力公司在清晨6：00前將用電和電費(fèi)信息數(shù)據(jù)放到Web服務(wù)器上，以方便用戶通過門戶網(wǎng)站讀取[9]。

2.4 通信網(wǎng)絡(luò)

AMI系統(tǒng)采用固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，一般使用分級(jí)的通信構(gòu)架。如圖5所示，整個(gè)AMI系統(tǒng)有2個(gè)等級(jí)的通信：第一級(jí)是智能電表與數(shù)據(jù)集中器的LAN通信；第二級(jí)的通信是數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)處理中心之間的WAN通信。

2.4.1 第一級(jí)通信

這一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)是區(qū)域范圍內(nèi)的LAN，通常對(duì)通信的速率要求不高，因而它最主要的考慮是以最低成本連接到用戶。網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要依賴于智能電表提供的通信接口，目前使用較多的通信方式有：BPL、無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）、PLC。

2.4.2 第二級(jí)通信

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，許多通信技術(shù)能夠應(yīng)用于這一級(jí)的通信，如：PLC、BPL、光纖、無(wú)線射頻、因特網(wǎng)等。基于安全性和快速性的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)施，光纖和無(wú)線射頻中GSM及GPRS能夠廣泛地用于此數(shù)據(jù)通信。

GSM是第二代的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠提供短消息服務(wù)（SMS）和數(shù)據(jù)（DATA）服務(wù)。SMS適合于少量的數(shù)據(jù)交換，而GSM的DATA功能能夠進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，可根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)集中器的數(shù)目來(lái)選擇服務(wù)種類。

2.5 系統(tǒng)工作過程

AMI系統(tǒng)可以工作在輪詢和定時(shí)數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。在輪詢狀態(tài)，數(shù)據(jù)處理中心通過發(fā)出命令的方式讓數(shù)據(jù)集中器來(lái)收集數(shù)據(jù)；在定時(shí)數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)集中器在特定時(shí)間收集并發(fā)出數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)種類和間隔時(shí)間可以由數(shù)據(jù)處理中心的MDMS設(shè)置。

具體的工作步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)收集器從相應(yīng)的智能儀表收集要求的數(shù)據(jù)，例如三相電壓、電流、功率。

（2）數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸。由于是雙向通信的構(gòu)架，數(shù)據(jù)可以由電力公司來(lái)定制。

（3）在數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)分析管理軟件幫助操作員計(jì)算必要的靜態(tài)量并且創(chuàng)建報(bào)表。當(dāng)偵測(cè)到電力系統(tǒng)或智能電表的非正常運(yùn)行狀況，例如儀表故障或者不正常的電力消費(fèi)，警報(bào)數(shù)據(jù)將迅速上傳到數(shù)據(jù)中心。

通過計(jì)算和分析，收集的數(shù)據(jù)用來(lái)分析負(fù)荷的消費(fèi)特性、電壓分布等。并將數(shù)據(jù)通過公用數(shù)據(jù)庫(kù)提供給其他管理系統(tǒng)使用。此外，通過雙向通信消費(fèi)者能夠得到自身的運(yùn)行信息，例如電價(jià)、賬單、預(yù)付款、警告等。

3 AMI系統(tǒng)的意義

AMI系統(tǒng)的構(gòu)建將會(huì)給用戶、電力公司及社會(huì)帶來(lái)諸多好處，因而具有非常重要的意義[10]。

（1）對(duì)用戶來(lái)講，AMI意味著更多的電力價(jià)格和服務(wù)的選擇、較少的干擾、獲得更多的信息以便管理消費(fèi)以及制定其他策略。同時(shí)，AMI能夠給用戶提供高可靠性、高質(zhì)量電能以及更準(zhǔn)確的繳費(fèi)清單。另外，AMI能夠幫助用戶有效地減小用電成本。作為社會(huì)的一員，用戶也可以獲取AMI帶給社會(huì)的整體利益。

（2）對(duì)電力公司來(lái)講，AMI減少了人工讀表等工作給電力公司帶來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用，提供準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的消費(fèi)清單，提高運(yùn)行效率和系統(tǒng)可靠性，提供更好的客戶服務(wù)。

（3）從運(yùn)行方面來(lái)講，AMI能夠幫助電力公司及時(shí)地發(fā)現(xiàn)停電事故的時(shí)間及地點(diǎn)，以便及時(shí)的派遣員工進(jìn)行搶修，因此縮短了斷電恢復(fù)時(shí)間，并可提前通知用戶恢復(fù)供電的可能時(shí)間。采用AMI技術(shù)，電力公司可以高效地管理用戶，可以遠(yuǎn)程控制連接和中斷供電。利用遠(yuǎn)程診斷技術(shù)可以快速管理設(shè)備維修和用戶服務(wù)問題，AMI同樣支持分布式發(fā)電和電費(fèi)預(yù)付等問題。

（4）對(duì)社會(huì)而言，AMI提高了能量的傳輸和使用效率，節(jié)省了能源，營(yíng)造了一個(gè)很好的環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)

AMI系統(tǒng)是連接用戶和電力系統(tǒng)的橋梁，它通過網(wǎng)絡(luò)將電網(wǎng)、用戶、發(fā)電及能量?jī)?chǔ)存等各部分有效地連接成一個(gè)整體。在使用戶直接參與電力市場(chǎng)的同時(shí)，它也將大大提升電力公司的資產(chǎn)管理水平和運(yùn)行機(jī)制。

作為智能電網(wǎng)構(gòu)建的第一步，它將為智能電網(wǎng)的構(gòu)建打下基礎(chǔ)，但AMI系統(tǒng)觸及到電力系統(tǒng)的各個(gè)層面而且投資較大，因而在構(gòu)建時(shí)需要在利用現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上做出周詳?shù)囊?guī)劃和論證，以取得預(yù)期的目的。

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