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智能抄表系统研究
摘要
本文主要关于智能电网（SG）和智能抄表系统（AMI）在智能电网中的作用，以及相关更全面研究的摘录。这项研究是在加拿大安大略省的一个城市创建Net-Zero社区的可行性研究的一部分。 智能电网不是一项技术；相反，它是一项工程，也是交流和管理不同领域的组合。本文介绍了智能抄表系统技术及其现状，作为智能电网的基础，智能电网负责收集来自负载和消费者的所有数据和信息。智能抄表系统还负责实施控制信号和命令以执行必要的控制行动以及需求侧管理（DSM）。本文介绍智能电网及其特点，建立智能电网与智能抄表系统的关系，解释智能抄表系统的三个主要子系统，并讨论相关的安全问题。
关键词：智能抄表系统；智能计量；智能电网
1.简介
随着21世纪能源市场面临的新挑战和问题，电气系统也迎来了很多变化。传统的发电，输电和配电方式的变化带来了新的挑战。电力行业面临的挑战包括（但不限于）：引入分布式能源（DER），提高交付电能质量，对传统和集中发电方法的环境问题，消费者信息隐私和系统安全性外部网络或物理攻击，电力系统经济学，从维护成本到设备改造和网络扩展，以及最后但并非最不重要的是需要更好的复杂系统控制方案。所开发的控制方案应能够解决由于负载分配和新能源集成以及将电力储存系统集成到电网中而导致的许多不确定性[1]。多年来，公用事业公司一直关注电力系统的电能质量和经济性：然而，由于采用了新技术，信息安全和隐私成为新出现的挑战。 DER作为可再生能源的利用在系统的可持续性中起着重要作用。尽管DER是解决方案的一部分，但它们不易于使用，因为它们增加了控制系统的复杂性。为了应对这些挑战，欧洲和北美将其能源发电和配电系统现代化，并转向智能电网（智能电网）。
虽然第一个电网可追溯到19世纪后期，但20世纪60年代是发达国家电网的黄金时代。在这个时代，配电网的渗透率和负荷输出能力高，交付电力的可靠性和质量令人满意，化石，水电和核电站的集中发电在技术和经济上都蓬勃发展。由于引入娱乐业等新消费者，并依赖电力作为热量和通风的主要来源，20世纪最后几十年的电力需求增加。后者是由于化石燃料价格的上涨。此外，能源消费率波动很大。随着高峰时段的需求增加，需要更多发电厂来避免电压下降和电能质量下降。但是，新工厂的成本很高。另一方面，夜间的消耗率较低，导致消耗不均衡，导致工厂的生产能力闲置。因此，为了促进更均匀的消费模式，电力行业试图通过改变其需求侧管理（DSM）方法，鼓励消费者通过提供激励来管理其消费。 21世纪伴随着不同行业的创新和进步，从而提升了智能电网概念。随着智能传感器的引入，信息技术和通信行业的改进消除了每个消费者对精确消费测量的限制，并允许适应性计费机制在财务上激励消费者将他们的消费转移到非高峰时间。风能，太阳能，潮汐能或地热等可再生能源的改进以及环境问题导致这些技术融入电力系统，形成分散式发电。电子存储系统也被开发来解决电源管理问题[2]。
智能电网通过使用信息技术从电力生产商到消费者获取网络组件的数据，并将其正确使用以最大限度地提高系统的效率和可靠性，实现了电网的传统概念和功能。对智能电网的智能没有明确的或完全同意的界限和定义，因为在设计这样的系统时涉及许多因素。然而，一致认为，为了在三个通信领域之间进行高效的智能电网设计交互，控制和优化是至关重要的。理想的智能电网设计应该解决可靠性，适应性和预测问题[1-3]。它还应该解决负载处理和需求调整，高级服务合并，灵活性和可持续性，端到端控制能力，市场支持，电力和服务质量，成本和资产优化，安全性，性能，自我修复和恢复等方面的挑战[1-3]。自从引入智能电网以来，已经进行了许多工业界和学术界的研究，试图将这一概念付诸实践。虽然成绩巨大，但仍有很大的提升空间。虽然智能电网已经解决了一些最初的挑战，但它已经引入了新的挑战。
本研究介绍智能抄表系统技术及其现状，作为智能电网的基础，智能电网负责收集来自负载和消费者的所有数据和信息。据我们所知，以前没有发表过任何有关智能抄表系统的文章，其构建模块以及与该技术相关的关键问题。作者的动机是引入智能抄表系统，并以简单易懂的语言将相关信息呈现在一个整合而简洁的作品中。希望本文为未来的研究人员，公用事业公司，技术人员和制造商提供有关智能抄表系统的基本信息。
2 智能抄表系统
2.1 概述
要实现智能电网，应实现一系列子系统。每个子系统的实体建立和功能对整体智能电网性能起着重要作用，因为每个层的输出都可用作下一层的源。图1描述了这种关系，并总结了每个子系统在网格开发中的作用[4]。
智能抄表系统不是一项单一技术；相反，它是一个配置好的基础架构，它集成了许多技术来实现其目标。基础架构包括智能仪表，基础架构层次不同层次的通信网络，仪表数据管理系统（MDMS）以及将收集的数据集成到软件应用平台和接口的方法。如图2所示，客户配备了先进的固态电子仪表，可收集基于时间的数据。这些仪表可以通过普遍可用的固定网络（例如电力线宽带（BPL），电力线通信，固定无线电频率以及诸如陆线，蜂窝和寻呼等公共网络）传输收集的数据。计量消耗数据由智能抄表系统主机系统接收。随后，它被发送到管理数据存储和分析的MDMS，并以有用的形式向公用事业服务提供商提供信息。
智能抄表系统支持双向通信；因此，从公用设施到仪表或负载控制设备的通信或发布命令或价格信号也是可能的[5]。
图1 智能电网子系统序列概述
图2 AMI的示意图
2.2 智能抄表系统的子系统
智能抄表系统不限于配电；它也涵盖了天然气和水网络。虽然计量不同形式能源的基础设施在几个方面非常相似，但它们在某些特征上仍然存在差异。电表通常由他们正在监测的相同电馈送馈电。气体和水表不是这种情况。流量计通常由存储的能量供电，即电池；因此，具有使用限制。这些约束在通信中更明显，因为需要发送和接收信号的功率。仪表还具有嵌入式控制器来管理计量传感器，显示单元和通常为无线收发器的通信模块。 智能抄表系统的技术方面广泛而广泛；因此，在本文中，我们只涉及与智能电网中智能抄表系统使用有关的问题。
2.2.1 智能设备
最终用户设备由最先进的电子硬件和软件组成，能够在所需的时间间隔和时间戳中进行数据收集或测量。这些设备与远程数据中心建立了通信，并且能够在由系统管理员设置的所需时隙中将这些信息传输给各方。与自动抄表（AMR）不同，智能抄表系统中的通信是双向的；因此，智能设备或负载控制设备可以接受命令信号并相应地采取行动。在消费者层面，智能设备是一种将消费数据传达给用户和服务提供商的仪表。家庭显示器（IHD）向消费者展示智能设备的数据；使他们意识到他们的能源使用情况。由服务提供商提供的公用事业（电力，燃气，水）定价信息使负载控制设备（例如智能恒温器）能够根据预先设定的用户标准和指令来调节消耗。在分布式能源（DER）或存储设备可用的情况下，系统可以根据每个来源在满足需求方面的份额而提出优化解决方案。
从测量的现象角度来看，智能电表在最广泛的视野中有三个不同的类别：电气，流体和热能。还有一些传感器或设备可以测量诸如湿度，温度和光线等影响公用设施消耗量的因素。考虑到成本和功能，传感器可以根据用户或系统设计人员的需求和需求进行扩展。家庭自动化系统处理家庭场所内各种传感器的正确选择，布置和使用。智能电表有两个功能：测量和通信，因此每个电表都有两个子系统：计量和通信。度量部分取决于许多因素，包括区域，测量现象，所需精度，数据安全级别，应用程序。还有多种因素，包括安全和加密，这些因素定义了合适的通信方法。无论测量的类型或数量如何，仪表应具有许多基本功能。这些功能包括[6]：
bull;定量测量：仪表应能够使用不同的物理原理，拓扑和方法准确测量介质的数量。
bull;控制和校准：虽然根据型号不同，但一般来说，仪表应能够补偿系统中的微小变化。
bull;通信：发送存储的数据并接收操作命令以及接收固件升级的能力。
bull;电源管理：如果主要能源消耗下降，系统应该能够保持其功能。
bull;显示：客户应该能够查看电表信息，因为这些信息是计费的基础。如果没有客户对实时消费的了解，客户端的需求管理将不可能实现。
bull;同步：时间同步对于可靠地将数据传输到中央集线器或其他收集器系统进行数据分析和计费至关重要。在无线通信的情况下，定时同步更为重要。
基于上述说法，智能电表的主要特点可归纳如下：
bull;基于时间的定价。
bull;为消费者和公用事业提供消费数据。
bull;净测量。
bull;失败和中断通知。
bull;远程命令（打开/关闭）操作。
bull;需求响应目的的负载限制。
bull;电能质量监测包括：相位，电压和电流，有功和无功功率，功率因数。
bull;能源盗窃检测。
bull;与其他智能设备通信。
bull;通过高效耗电减少排放来改善环境条件。
2.2.2 通讯
智能电表应能够将采集到的信息发送到分析计算机，并接收来自操作中心的操作命令。因此，标准交流是智能抄表系统的重要组成部分。考虑到每个中心的用户数量和智能电表数量，传输大量数据需要高度可靠的通信网络。设计和选择合适的通信网络是一个细致的过程，需要仔细考虑以下关键因素[7]：
bull;大量的数据传输。
bull;访问数据的限制。
bull;敏感数据的机密性。
bull;代表客户消费的完整信息。
bull;显示网格的状态。
bull;与目标设备通信的数据的真实性和精确度。
bull;成本效益。
bull;能够承载超出智能抄表系统要求的现代功能。
bull;支持未来的扩展。
各种拓扑和体系结构可用于智能电网中的通信。最常用的体系结构是从本地数据集中器中的多组计量表中收集数据，然后使用回程信道将数据传输到服务器，数据存储和处理设施以及管理和计费应用程序驻留的中央命令[4] 。由于不同类型的体系结构和网络可用于实现智能抄表系统，因此也有各种媒体和通信技术用于此目的。例子是：
bull;电力线载波（PLC）。
bull;电力线宽带（BPL）。
bull;铜线或光纤。
bull;蜂窝。
bull;WiMax技术。
bull;蓝牙。
bull;通用分组无线业务（GPRS）。
bull;互联网。
bull;卫星。
bull;点对点。
bull;Zigbee。
在智能抄表系统层面，房屋内的设备以及公用事业网络通过智能电表进行通信。总之，这个网络可以称为家庭网络。在上层，家庭区域网络（HAN）与公用事业提供商通信，形成另一个可称为公用事业网络的网络。
HAN将智能电表，家庭内的智能设备，能源存储和发电（太阳能，风能等），电动汽车以及IHD和控制器连接在一起。由于它们的数据流是瞬时而不是连续的，因此根据任务的不同，HAN需要的带宽从10到100 Kbps不等。但是，随着设备数量或数据速率可能增加以覆盖办公楼或大型房屋，网络应该可以扩展。计算的可靠性和可接受的延迟也基于负载和使用不重要的考虑。考虑到上述要求，并考虑到节点之间的短距离可实现低功率传输，无线技术是HAN的主要解决方案。这些技术包括2.4 GHz WiFi，802.11无线网络协议，ZigBee和HomePlug [8]。 Zigbee基于无线IEEE 802.15.4标准，在技术上类似于蓝牙。另一方面，家庭插头通过家中现有的电线传输数据。市场上的室内通信还没有独特的标准或做法；然而，Zigbee以及Home Plug和ZWave在较小程度上是主要的解决方案。 Zigbee的优势包括提供无线通信，低功耗，灵活性和经济效益。 Zigbee的主要缺点是带宽低。在商业建筑中，名为BACnet的有线技术是着名的通信协议。最近，无线版本的BACnet已经可以使用Zigbee等短距离无线网络。
如图3所示，公用事业网络有四个级别：核心骨干，回程分配，接入点和HAN。智能电表通常充当接入点。 HANs将连接到其上层的接入点。信息将通过回程分配从接入点到聚合点。虽然汇总点通常是本地变电站，但它们也可能是通信塔。该网络的要求与HAN相同；然而，网络拓扑在这方面很重要。如果要将每台设备的数据传输到汇聚点，则需要更高的带宽。智能电表不需要备用电源，因为它们并不重要。然而，在汇总点需要备用电源。目前，PLC解决了家用系统与聚合点之间的通信需求。如果聚合点处的通信意图分配给家中的每个或大部分智能设备而不是仪表，则PLC将无法提供更高的传输速率和更大的带宽。 PLC的优势在于其低廉的成本以及在电力供应商领域的扩张和渗透。然而，它们的缺点包括高达20Kbps的低带宽以及变压器周围的数据失真，这需要使用其他技术绕开变压器点。由于上述优势，PLC或多或少是当前市场上的突出实践，也是因为该电网已经投入运行，最大限度地降低了部署成本。
PLC在节点（消费者）数量较少且无线（蜂窝，GPRS）覆盖范围可用的偏远地区具有特别的价值。当节点数量增加或计量间隔减少时，则需要更高的带宽来实现更高的数据分辨率以满足控制或需求响应（DR）原因。前面提到的以及城市地区可靠的无线技术的可用性导致了Mesh网络的使用。在Mesh网络中，为了将信息传播到终点，每个节点负责收集自己的数据，以及通过网络中的其他节点中继信息。无线网状网络主要由公用事业公司拥有和经营。这些网络能够通过无执照无线电频谱支持高达900 MHz的频率。随着带宽需求的增加，诸如IEEE 802.16e，移动WiMAX和宽带PLC等宽带技术将在新装置中发挥关键作用。今天，无线技术的长期演进（LTE）标准被认为能够满足市场的需求。 LTE可实现具有良好服务质量（Q
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