智能计量:能源通信的新前沿

杂志,Inz。Indrajeet普拉萨德
硕士，电力工程控制，弗罗茨瓦夫理工大学，波兰

摘要

截至2008年底，欧洲智能电表的数量已超过4000万。这些设备远远超出了简单的能源计量，使公司能够通知客户，控制领先地位，并提高能源意识。本文论述了智能电表及其通信系统的发展现状。对智能电表系统和现有远程能源管理系统的部署进行了概述，并对其功能提出了建议。本文提出了较高的应用可能性，使这些仪表不仅对公用事业有用，而且对消费者有用，同时也促进了经济因素的节能。我们还讨论了消费数据的远程传输方式。

关键字

智能电表，智能电网，能源管理系统，远程传输，智能电表通信，SM部署。

介绍

智能电网是一种智能电力网络，它整合了所有连接到它的用户的行为，并利用先进的信息、控制和通信技术来节约能源，降低成本，提高可靠性和透明度。近年来，许多国家都开始大力研究和开发智能电网。例如，智能电网是奥巴马总统全面能源计划的重要组成部分:《美国复苏与投资法案》包括110亿美元的投资，以“启动向更大、更好、更智能的电网的转型”。

智能电表是公用事业公司使用的电子测量设备，用于为计费客户沟通信息并运行他们的电力系统。在超过15年的时间里，电子电表已经被公用事业公司有效地用于为至少一部分客户提供准确的计费数据。最初，该技术应用于商业和工业客户，因为需要更复杂的费率和更细粒度的计费数据需求。电表的使用开始向公用事业公司的最大客户提供服务，并随着时间的推移逐渐扩展到所有客户阶层。这种迁移是通过降低技术成本和所有客户级别[2]的高级账单需求而实现的。

智能电表是下一代电表或煤气表，与旧电表相比，它们能够传输和接收数据。智能电表是帮助客户了解用电情况并帮助他们节约能源的一种方法。通过快速的反馈和每月的账单，统计用电量，客户可以更好地了解自己的用电量[4]。

2003年6月，欧洲议会开始讨论电力市场法规和客户获得“适用价格和关税的透明信息”(2003/54/EC)的权利。但2005年的《电力供应安全指令》第一次提到了智能计量。指令2005/89/EC涉及“保障电力供应和基础设施投资安全的措施”，第5条规定，成员国应采取适当措施，保持电力需求和发电供应之间的平衡[4]。

由于成员国处于不同的发展阶段，将调查不同的欧盟国家如何实施智能计量。瑞典是第一个实现100%全面远程智能电表的国家。

2智能电表及其通信

智能电表替代了传统的法拉利轮、电子或数字电表。它具有双向通信能力，用于远程控制和基于资费的操作。客户有最新的价格，负荷和成本信息，有关煤气，水，热和电力消耗。智能电表也是智能电网的基本终端用户元素。

仪表可以有不同的通信工具[1]:

1) Zigbee网络是目前应用最广泛的通信工具之一ZigBee智能能源支持能源计量，如家庭显示器，恒温器的远程编程，照明和负载管理。

ii)家庭区域网络(HAN)也以无线和在线模式运行(例如电力线载波，或IEEE 802.15.4无线协议)。主设备与大楼内的所有仪表通信，网关与邻里区域网络(NAN)保持联系。雷竞技网页版

iii) WiMAX(全球互操作性微波接入)是基于802.11n标准的其他通信信道的可扩展带宽替代品。专门服务于英特尔和GE能源的智能设备。

3智能电表系统的优点

安装智能计量系统的好处是许多不同的利益相关者。下表提到了公用事业利益相关者[2]的一些主要好处。

四、智能电网和智能计量系统

智能电表系统是智能电网基础设施(见图2)中数据收集和通信的一个组成部分。智能电网本质上是电网传输和配电方面的现代化。在功能上，它是一个自动化电力系统，监测和控制电网活动，确保电力和信息在发电厂和消费者之间以及两者之间的所有点之间的有效和可靠的双向流动。智能电网通过智能电表监测电力输送和跟踪电力消耗，智能电表通过通信网络[2]将能源使用信息传输到公用事业公司。

智能电表还允许用户通过互联网或第三方计算机程序跟踪自己的能源使用情况。智能电表系统的双向特性允许发送命令来操作电网基础设施设备，如配电开关和再关闭器，以提供更可靠的能源输送系统。这被称为配电自动化(DA)[2]。

智能电表系统在技术和设计上各不相同，但通过一个简单的整体流程运行。智能电表在本地收集数据并通过局域网(LAN)传输到数据采集器。根据数据的使用情况，这种传播可以每15分钟发生一次，也可以不频繁地每天发生一次。收集器检索数据，并且可以或不可以执行数据的任何处理。数据通过广域网(WAN)传输到公用事业中心收集点，供业务应用程序处理和使用。由于通信路径是双向的，信号或命令可以直接发送到仪表、客户场所或配电设备。图3显示了智能电表系统操作[2]的基本架构。

五、智能电表系统部署

智能电表系统的部署从选择技术和规划安装、操作和维护开始。公用事业在部署过程中集成了管理、控制和遵从性的许多元素，以支持成功的项目实施[2]。

1.智能电表系统的选择

智能电表项目的选择过程有几个步骤。这些步骤对于项目的成功和涉众的接受是很重要的。

业务发展、财务和技术要求:

制定这些文件的目标非常重要，为未来的决策制定了基准，并确保尽职调查和合规重点包括在该过程中。目标是:

a)在公用事业公司、项目团队和供应商之间建立对智能电表系统必须满足的业务需求的共识。

b)在与系统必须满足的业务需求相关的所有项目干系人之间保持一套共同的期望，并为RFP选择过程提供基准。

项目RFP招标流程:

在需求被开发和批准之后，项目经历了一个招标过程，从发布请求建议书(RFP)开始。这个过程从组建竞标团队开始。团队起草RFP文档，设置时间表，并制定评估标准。然后将RFP发送给合格的智能电表系统供应商。对合格供应商的初步筛选可以在需求阶段进行假设。如果RFP不是交钥匙项目，则使用第二个类似的RFP流程来确定部署服务供应商。

RFP的评估:

RFP回复返回后，将使用规划中确定的标准对投标进行评估。投标是根据公用事业公司的业务、财务和技术需求来衡量的，然后打分。选择、批准供应商，并协商合同。智能电表系统项目随后过渡到部署规划和安装阶段。

2.客户服务及沟通

在电表开始部署之前，就与公用事业客户的智能电表项目进行沟通。这些通信应告知客户关于新的智能电表系统，好处，以及它将如何影响他们的能源交付和计费。

3.仪表和系统认证和验收

为采购和安装电表及其他系统组件提供认证的计划，对部署智能电表系统至关重要。由公用事业公司制定的技术要求将包括智能电表设备规格，以满足国家标准的准确性，合规性和功能性标准。

4.物流

在智能电表系统的成功部署中，最重要的流程之一是物流和仓储流程。材料占项目资本的80%，工艺管理是成功的关键。主要物流流程如下表所示:

5.智能电表安装:

智能电表的安装规划与实际安装本身同样重要。如果正确执行这部分流程，可以将错误、客户问题或安装延迟降至最低，从而实现平稳安装。安装的安全方面应符合:

Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½用于公用事业布线的国家电力安全代码(NESC)

Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½用于家庭布线的国家电气代码(NEC)

Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½ASNI C12.1 -电表代码

Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½当地建筑规范

智能电表安装后，通常已准备就绪，并自动注册到网络系统。如果客户不在场，安装无法完成，则会留下一个通知，详细说明将安装安排到以后的日期。

6.数据管理:

智能电表的安装和计费过程必须与客户无缝对接，以保持客户满意度。即使对客户的服务有短暂的中断，如果正确地通知客户安装，并且他们的账单及时正确，这种小中断应该是可以接受的。这需要在每月的适当时间安装电表，并在智能电表流程和遗留计费系统期间维护正确的数据流管理。

一个软件系统不是公用事业公司传统计量系统的一部分，但需要运行智能电表系统是电表数据管理系统(MDMS)。MDMS是智能电表部署和操作的主要组件，也是项目中最不为人所理解，有时甚至被遗忘的组件。该软件平台从一个或多个智能电表技术接收电表数据，验证和存储数据，并将数据子集交付到公用事业操作应用程序，如计费、停电管理等[2]。

六、消费数据的远程传输方式

有几种技术可以将电力消费数据从消费者远程传输到公用事业单位。技术的选择取决于几个因素，例如一个地区的电信网络覆盖范围，该地区的消费者数量，以及是否有互联网。

公司:

电力线通信(PLC)是一种利用现有和广泛的配电基础设施的技术，通过传输电力的同一电缆传输数据信号。使用电力线进行数据通信的想法并不新鲜;PLC的第一个应用可以追溯到100多年前[7]，[22]-[23]。PLC可分为三种不同的电压等级;低压< 1kv，中压1kv - 100kv，高压> 100kv。通信也分为许多频率级别，在欧洲由CENELEC标准EN 50 065-1决定，在北美由FCC决定。

PLC有两种变体;宽带和窄带，到目前为止窄带是最常用的AMR。在图4中可以看到低压PLC通信系统的轮廓。

2.乌龟:

该技术基于低频通信，即5-10赫兹，通过电力线，覆盖范围为100公里以上。Turtle采用超窄带宽，可通过中低压电网进行通信。由于频率较低，信号可以通过不同的转换电平，从而减少了集站的数量;它们可以到达很大的区域，并可以放置在网络高处的配电网中。从配电站现有的通信可以用来将数据传输到公用事业。

3.广播:

在使用无线电通信的仪表中，安装了无线电发送器，将数据发送到集中器/收集器。在瑞典，传输通常发生在由瑞典邮政和电信机构(PTS)决定的444 MHz频段上。在瑞典，这一频段是专门用于米的读数的。对于公用事业公司来说，无线电的优势在于他们拥有基础设施，独立于其他参与者，更容易计划成本。有几家供应商提供通过无线电通信的仪表，其中一家是Kamstrup，被一些瑞典公用事业公司使用。仪表配备了一个小型无线电发送器，将数据发送到集中器。仪表从不自己启动传输，而是在中央系统请求数据时应答。其余的时间，仪表是不活动的，没有数据传输。

网格技术:网格技术是一种网络结构，在这种结构中，信号本身找到通过节点的最佳方式，节点可以充当独立的路由器。该网络也不依赖电力工作，因为节点通过节能和廉价的无线电发射器进行通信。每个节点就像一个路由器，由于邻居的数量不是固定的，新的邻居可以很容易地连接和断开新节点。在自发网络中，这是自动发生的。网状网络也是自愈的，即如果一个节点工作不好，信号就会通过另一个节点。网状网络的结构如图5所示。

ZigBee:最初该系统是为军事用途而建造的，但当无线电技术变得更便宜时，单个无线电被开发出来，以允许每个测量节点有更多的无线电。ZigBee是一项免费技术，工作在2.4 GHz频段，覆盖范围可达100米。它基于IEEE 802.15.4，这是一个开放的标准，除了自动抄表，它提供了许多可能性;

•家庭区域网络(HAN)

•暖通空调控制

•加热控制

•家庭安全

•工业和建筑自动化

4.GSM:全球移动通信系统(GSM)是一种用于传输移动语音和数据业务的技术。这是一个蜂窝网络，这意味着移动电话通过搜索附近的蜂窝来连接到它。

5.GPRS:通用袖珍无线电服务，是欧洲电信标准协会(ETSI)制定的GSM系统袖珍数据标准。GPRS提供了空中接口传输，还允许多个用户共享相同的空中接口资源，并允许运营商根据传输的数据量而不是连接时间进行基本收费。在最初的时候，GPRS使用与GSM相同的模块。

7基于智能电表的能源管理系统

能源管理系统监控和/或控制负载，消耗设备。它告诉用户电价，能源消耗行为。ENERGYHUB是一个完整的智能系统，可以感知、控制和影响网络。EnergyHub可以处理不同的时间和程序来切换照明、加热和洗涤。Web门户网站提供了许多关于如何节省精力的提示和建议。AGILEWAVES是由NASA工程师使用建筑优化系统(BOS)方法开发的。该基于web的系统与不同的传感器合作，监测HVAC设备(采暖、通风、空调)，进一步监测水和灌溉系统、燃气管道、降水、湿度、温度等。它支持可再生资源，如太阳能集热器，光伏，地热供暖。谷歌POWERMETER与通用电气或卷须设备合作。基于开源网络的平台，可以接受外部功能开发，并带有图形表示。 This functionality is also available on handheld mobile tools [1].

能源消费的实践:市政、公共机构和居民消费没有能源意识。能源管理属于非技术部门，能源成本占比很高。市政府工作经历:

•最大的损失是实现在远程加热

•需要有能源意识

•需要持续监测

•很多不同的负荷(学校、医院、博物馆、图书馆、档案馆、养老院)

•很多景点(一个博物馆有18米)

•不同的关税[基本负载(正常和纹波控制)，公共，电力依赖等。

•低电压电平

•低消耗(小屋、车库等)

•不可预测和不可控制

•站点停止运行

•特定的仪表、租户

•缺乏专家

•低负载系数

•缺少公用事业合同

•公共采购程序的责任

提出的功能:远程能源管理系统的新基本概念是，没有特定能源知识的公众用户可以处理和监控拥有更多站点的分布式机构的能源消耗。它以智能电表收集的数据为基础工作。这些信息可以帮助业主减少使用的能源，从而降低能源成本[1]。

以下功能是建议所有类型的能源，如气，水，热和电:

•每日、每周、每月消费金额的检查和评估(正常、低、异常等)

•每日、每周、每月的具体数值

•限超报警

•计划和趋势监控

•建议更好的日程安排

•成本预测

•节约潜力计算

•季节性影响

x的结论

本文介绍了智能计量的一些特点和技术现状。本文讨论了智能电表系统的体系结构以及智能电表系统的部署。本文提出了良好的应用可能性，使这些仪表不仅对公用事业有用，而且对消费者也有用，并在经济因素上鼓励节能。我们还讨论了消费数据的远程传输方式。本文提出了智能电网和智能电表系统是通信研究的一个新领域。它带来了许多独特的挑战和机遇，即互操作性、/可伸缩性、安全性和数据管理。未来智能电网的成功取决于电网的通信基础设施、设备和使能服务。

因此，我们设想，智能电网和智能电表将是一个现有的研究领域，为通信研究者在未来的许多年。

参考文献

Péter Kádár博士，匈牙利奥布达大学电力系统系“基于智能电表的能源管理系统”。
EEI-AEIC-UTC白皮书“智能电表和智能电表系统:计量行业视角”，2011年3月美国。
Zhong Fan, Georgios Calogiridis, Costas Efthiamiou, Mahesh Sooryabandara, Joy McGeehan，“通信研究的新前沿:智能电网和智能计量”，东芝欧洲研究有限公司，布里斯托尔，2010。
Thereson Adersen，“智能计量远程数据传输方式的技术和经济方面”Chalmers技术大学项目，2009年1月。
叶燕，易倩，Hamid Sharif，“智能电网通信基础设施:动机、要求和挑战”，IEEE通信调查与教程，2012
李方兴，张培，Navin Bhatt，“未来控制中心的下一代监测和控制”www.ieeecss.org。(eds), 2011年。
董子博，“基于需求侧管理工具的智能电表系统开发”，2010年4月。
K.S.K. Waranga, DP Chndima, SP Kumarwada，“新一代能源效率和节能的智能计量”，IEEE PES ASIA, 2012。