李衛(wèi)良,田 偉,王曉丹

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003；2.南京供電公司，江蘇南京210008)

圍繞電網(wǎng)智能化建設(shè)，各國政府部門、企業(yè)、研究和咨詢機構(gòu)積極開展了未來電網(wǎng)發(fā)展方向和趨勢的研究與實踐工作，提出了相應(yīng)的技術(shù)體系和標準。從智能電網(wǎng)的發(fā)展驅(qū)動力和內(nèi)涵來看，各國都集中于能源、環(huán)保、電網(wǎng)穩(wěn)定和服務(wù)質(zhì)量等方面，提出經(jīng)濟、高效、優(yōu)化、靈活、可靠和互動的發(fā)展目標。美國能源部（DOE）提出的電網(wǎng)智能化更多的把目標放在負荷側(cè)的智能管理上，通過在現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施中安裝遠程通信設(shè)備、傳感器和計算機裝置來改進電網(wǎng)的工程，減少電費開支，減輕電網(wǎng)負荷[1]；美國電力科學(xué)研究院（EPRI）提出將電力能源和信息技術(shù)領(lǐng)域深度融合在一起，增強電力體系構(gòu)架上層應(yīng)用的集成綜合[2]。歐洲把提高用戶滿意度、提高運營效率、降低電力價格、利用清潔能源、加強與客戶的互動作為歐洲電網(wǎng)建設(shè)的重點內(nèi)容[3]。我國在“2009特高壓輸電技術(shù)國際會議”上提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以信息通信為支撐，涵蓋電力生產(chǎn)全過程，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，以信息化、自動化、互動化為特征，具有堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動內(nèi)涵的堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標[4]。歐美由于電網(wǎng)網(wǎng)架比較成熟，傾向于分布式能源的利用和配用電領(lǐng)域，我國現(xiàn)階段重點發(fā)展特高壓建設(shè)，從源頭入手，但從電網(wǎng)建設(shè)的最終功效和配用電對整個電網(wǎng)的影響以及我國配用電領(lǐng)域相對發(fā)、輸、變比較薄弱等幾個方面來看，加強對配用電領(lǐng)域的技術(shù)研究是很必要的。

1 智能配用電技術(shù)體系

配用電環(huán)節(jié)作為電網(wǎng)能量鏈的末端，最終實現(xiàn)電能的不同應(yīng)用。特別是面對智能電網(wǎng)，各種分布式電源在配用電側(cè)大量接入、電網(wǎng)的應(yīng)急機制、用戶的各種需求等對配用電提出了挑戰(zhàn)，智能配用電技術(shù)對電網(wǎng)的穩(wěn)定和能源的使用影響更為關(guān)鍵。在配用電環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)堅強智能電網(wǎng)戰(zhàn)略發(fā)展目標成為智能電網(wǎng)配用電環(huán)節(jié)所關(guān)心的重要話題。目前，配用電環(huán)節(jié)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的能源分配和使用，大量的分布式電源、電動汽車充放電設(shè)施以及儲能裝置正在接入配用端，電網(wǎng)穩(wěn)定性正面臨分布式電源接入的挑戰(zhàn)，計量和用電也存在雙向計量、友好互動的壓力，以往的配用電技術(shù)體系正發(fā)生變革。以下就從智能電網(wǎng)的內(nèi)涵出發(fā)，分析實現(xiàn)智能電網(wǎng)目標的涵蓋配用電領(lǐng)域的能源利用、電網(wǎng)穩(wěn)定、消費計量和用電服務(wù)4個層次的技術(shù)體系架構(gòu)。

1.1 分布式能源體系有利于接納分布式電源

環(huán)境的惡化、資源的枯竭迫使人們思考新的替代能源，各種分布式能源，如太陽能、風(fēng)能等正成為各國關(guān)注的話題。更多的分布式電源就近接入配電側(cè)。從用戶側(cè)來看，人們也希望通過分布式電源、儲能裝置、電動汽車來實現(xiàn)方便使用、儲能和回饋。事實上，歐美更注重從分布式能源的角度提倡智能電網(wǎng)[5]，可以更大范圍地消納分布式電源、減少污染，這也是整個電力行業(yè)對社會的最大貢獻之一。特別是城市，隨著配網(wǎng)電壓等級的提升，在城市電網(wǎng)的220 V，110 V側(cè)都開始接入分布式電源，一方面利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，另一方面，可以應(yīng)對各種突如其來的自然、人為破壞，實現(xiàn)應(yīng)急電源，穩(wěn)定城市電網(wǎng)。這就不但需要從電網(wǎng)的發(fā)電段，而且需要從配電端、用電端考慮接入分布式電源[6]。而面對各式各樣、不同特性的分布式電源，必須研究各種分布式能源發(fā)電、運行以及接入電網(wǎng)引起的影響。從能源利用的角度來看，需要構(gòu)建分布式電源體系，包括不同分布式能源發(fā)電、運行和控制，分布式電源的配置規(guī)劃、儲能以及微網(wǎng)的運行控制接入等。

1.2 配電運行管理體系提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性

配電是實現(xiàn)電能分配的環(huán)節(jié)，如何使電能實現(xiàn)合理的分配、流動，需要對配電網(wǎng)架進行科學(xué)的規(guī)劃，建立合理的配網(wǎng)架構(gòu)和能源分配，保證在鏈路上貫通；在其基礎(chǔ)上，通過配電自動化技術(shù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)的運行、控制。由于配電面對的范圍大，面向不同應(yīng)用層面，1個城市就有幾千條負荷線和相應(yīng)的配電終端，采集的信息復(fù)雜，面對的管理對象繁瑣，因此需要建立相應(yīng)的管理自動化體系和運行自動化體系，兩者緊密結(jié)合，信息共享，形成調(diào)控一體化體系，實現(xiàn)配電自動化，對電網(wǎng)故障進行自我診斷、自我隔離和自我恢復(fù)，實現(xiàn)電網(wǎng)自愈，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，減少停電時間。同時面對分布式電源，需要考慮分布式電源接入的配網(wǎng)運行、控制和管理，配電運行管理系統(tǒng)包括配電主站、配電終端、饋線自動化和生產(chǎn)、設(shè)備管理系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)(GIS)。

1.3 高級計量體系（AMI）實現(xiàn)公正有效的消費計量

電力交易市場需要精確的計量，實現(xiàn)公正消費。電表作為電力計量工具，一直擔(dān)當消費計量的角色。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，分布式電源使電網(wǎng)潮流出現(xiàn)雙向流動，電表需要雙向計量、分時電價；同時，電力用戶參與電網(wǎng)的運行調(diào)節(jié)使得電表不但作為計量的工具，也作為信息交互的載體，在雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與電網(wǎng)互動。因此，在智能電網(wǎng)中，智能電表不只是傳統(tǒng)的計量電表，更大程度上已經(jīng)作為一個用戶網(wǎng)管，建立起電網(wǎng)與用戶交流的橋梁，借助于雙向通信技術(shù)，實現(xiàn)信息的上傳下達，即電網(wǎng)可以通過智能電表管理用電，用戶可以通過智能電表參與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)。在國外，AMI的前稱其實就是自動讀表（AMR），以電度表為核心，實現(xiàn)自動抄表功能；隨著智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，在AMR的基礎(chǔ)上，擴充了相應(yīng)的功能，增加了可控、雙向通信等，稱為AMI，滿足電網(wǎng)智能化需要。

AMI利用智能電表和通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶信息、電價的實時監(jiān)測、支持遠程設(shè)置、接通或斷離，保障用戶和供電公司之間能量和信息的實時雙向傳送，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。

AMI由通信網(wǎng)絡(luò)將以下4個基本組成部分聯(lián)接成為完整的系統(tǒng)：智能電表、室內(nèi)端口和顯示器、鄰近用戶數(shù)據(jù)采集、控制中心[7]。典型AMI系統(tǒng)的基本組成[8]如下所述：

（1）基于微處理器的用戶側(cè)電表，用于interval data(有功、無功功率等)和故障信息的記錄、匯報，每個電表都配備有標準的AMR設(shè)備，例如非易失性存儲器、篡改監(jiān)測(Tamper Detection)、遠程投/切能力、雙向通信裝置；

（2）低功率、窄帶寬雙向通信設(shè)備，用于聯(lián)接用戶側(cè)電表和數(shù)據(jù)采集器；

（3）數(shù)據(jù)采集器，用于管理大約集群電表，采集數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到測量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；

（4）Back-Haul(回程)裝置，用于聯(lián)接數(shù)據(jù)采集器和測量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；

（5）測量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，管理周期數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢，將包括賬單、故障信息在內(nèi)的用戶側(cè)的數(shù)據(jù)分類發(fā)送給需要這些數(shù)據(jù)的管理部門。

在配用電領(lǐng)域，國外電力公司開展了大量的智能化實踐，包括智能表計量、用戶電壓控制、動態(tài)儲能等。例如：意大利電力公司和法國電力公司(EDF)通過安裝智能電表，使用戶跟蹤自己用電情況，并能進行遠程控制。加拿大安大略省政府已經(jīng)確立了到2010年為全省所有商業(yè)和家庭用戶安裝智能電表的目標。美國科羅拉多州的波爾得市是美國第1個“智能電網(wǎng)城市”[9]，Austin Energy公司為每戶家庭都安裝了智能電表、智能測量裝置、智能溫度調(diào)節(jié)器以及各種傳感器，人們可以直觀地了解當時的電價，從而把一些需要用電的事情，如洗衣服、熨衣服等安排在電價低的時間段。智能電表還可以幫助人們使用風(fēng)電和太陽能等清潔能源。同時，變電站可以收集到每家每戶的用電情況，一旦出現(xiàn)問題，可以重新配備電力。

1.4 用電互動體系提高用電滿意度和服務(wù)質(zhì)量

用電質(zhì)量的提高、用電意識的改進、用電方式的轉(zhuǎn)變促使用電側(cè)的技術(shù)發(fā)生變革。傳統(tǒng)的營銷方式一直是單向的，從智能電網(wǎng)的自動化、信息化、互動化的角度來看，需要在電力企業(yè)與用戶之間架起互動的服務(wù)體系，建立雙向互動的服務(wù)渠道，實現(xiàn)用戶能源的回饋，滿足不同用戶的用電需求，建立信息化、互動化、自動化的用電體系，建立完整的用電營銷信息體系、用電服務(wù)體系以及用電技術(shù)體系，完善電力用電服務(wù)意識，開展節(jié)能用電。世界各國都在用戶側(cè)投入了大量的財力、物力，一方面鼓勵家庭用戶側(cè)清潔能源的開發(fā)利用，另一方面提倡智能家電，通過智能電表作為交互網(wǎng)關(guān)，對家電實行監(jiān)控，不但節(jié)約能源，同時可以動態(tài)調(diào)節(jié)智能家電，參與電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[10]。

由此可見，在配用電領(lǐng)域，智能電網(wǎng)需要分布式電源體系、配電運行管理體系、高級量測體系和用電互動體系來實現(xiàn)電網(wǎng)能量流、信息流在電網(wǎng)的融合。智能配用電是從配用電領(lǐng)域來實現(xiàn)接入分布式電源(包括儲能及微網(wǎng)系統(tǒng))、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、減少停電時間、提高用電滿意度、實現(xiàn)與用戶互動等目的?；谶@樣的目標，在配用電領(lǐng)域，上述4個配用電技術(shù)體系能涵蓋配用電領(lǐng)域的技術(shù)范疇如圖1所示。其中，AMI體系貫穿了整個配用電環(huán)節(jié)，能實現(xiàn)從配電到用電的業(yè)務(wù)功能。

圖1 配用電環(huán)節(jié)的技術(shù)體系架構(gòu)

2 國外AMI體系的應(yīng)用實踐

美國EPRI提出智能電網(wǎng)的概念，提出建設(shè)智能電網(wǎng)的技術(shù)框架，第一步建設(shè)AMR，實現(xiàn)電力分時價格計量，然后實現(xiàn)停電管理、需求控制和遠距離設(shè)備自動恢復(fù)供電以及分布式能源接入；之后，美國DOE的NETL(National Energy Technology Laboratory)實驗室提出智能電網(wǎng)的4個階段，即AMI、高級配電運行(ADO)、高級輸電運行(ATO)和高級資產(chǎn)管理(AAM)[11]，認為AMI是智能電網(wǎng)的第一步，在AMI的基礎(chǔ)上實現(xiàn)ADO、ATO及AAM。2009年3月，美國DOE下屬的電力傳輸與能源可靠性辦公室又修訂為：用戶互動（CE），AMI、ADO、ATO、AAM；美國科學(xué)技術(shù)研究院（NIST）頒布的美國智能電網(wǎng)發(fā)展框架和路線圖中也提出智能電網(wǎng)應(yīng)用和需求的8個優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，其中就有AMI[12]。2009年1月25日，美國白宮發(fā)布《經(jīng)濟復(fù)興計劃進度報告》，宣布未來3年將為美國家庭安裝4 000萬個智能電表[13]。美國政府、科研機構(gòu)都把AMI作為建設(shè)智能電網(wǎng)的第一步，利用AMI體系實現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行、資產(chǎn)管理和分布式電源的接入，完善電網(wǎng)能源鏈供應(yīng)、消費，提高用電質(zhì)量和服務(wù)水平。在歐洲，意大利及瑞典已經(jīng)完成AMI的部署，將所有普通電表更換為智能電表，法國、西班牙、德國和英國預(yù)計在未來10年內(nèi)完成AMI的部署。

多年來，美國的能源企業(yè)一直把智能電表作為電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，利用智能電表實現(xiàn)電網(wǎng)各種應(yīng)用。文獻[14]中提到，AMR的目的雖然是用來實現(xiàn)計量和交易的，但是，很多公司如美國PECO能源公司在2003年就開始建立AMR-OMS的集成應(yīng)用，利用AMR信息實現(xiàn)停電管理，多年來節(jié)省了大量的費用，減少了停電時間，提高用電服務(wù)質(zhì)量。文獻[15]引用了美國聯(lián)邦能源管制委員會（FREC）的數(shù)據(jù)，佛羅里達智能電表的數(shù)量從2006年的不到1%發(fā)展為2008年的10.4%，2009年仍在持續(xù)增長。文獻[16-18]提出了利用通過AMI與OMS的集成，不但降低了電力公司的成本，還可以結(jié)合電話報修，準確定位故障，減少用戶停電時間。其中文獻[16]還提到PECO能源公司在2003年的伊莎貝爾颶風(fēng)中通過AMR系統(tǒng)有效地實現(xiàn)停電、恢復(fù)供電，也提到了停電管理系統(tǒng)需要處理大量的AMR、SCADA、電話報修和GIS數(shù)據(jù)；文獻[18]提出了AMI在清潔能源發(fā)電中的應(yīng)用。文獻[19-21]中提出了AMI在電網(wǎng)資產(chǎn)管理、需求側(cè)響應(yīng)和用電服務(wù)的應(yīng)用，其中文獻[21]還提到通過AMI實現(xiàn)電能質(zhì)量的集中監(jiān)視。

可見，無論從政府層面，還是從電力公司層面，國外都強調(diào)AMI建設(shè)，利用AMI實現(xiàn)電能交易市場、電網(wǎng)穩(wěn)定運行，最終實現(xiàn)電網(wǎng)資產(chǎn)管理，優(yōu)化運行。所以，在配用電技術(shù)體系中，本文認為AMI體系不但是電網(wǎng)智能化的根本，也是配用電管理的基礎(chǔ)體系，在AMI體系的基礎(chǔ)上，利用AMI體系的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)配電運行管理、用電互動和分布式能源的并網(wǎng)。

3 以AMI為核心的配用電一體化技術(shù)體系

AMI是隨著智能電網(wǎng)概念的出世而形成的，內(nèi)涵、實現(xiàn)方式出現(xiàn)了一定的擴充，國內(nèi)稱作電力用戶用電信息采集系統(tǒng)。國家電網(wǎng)公司在2008年就開始制定相應(yīng)的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的一系列標準，包括實現(xiàn)模式、接口協(xié)議和功能規(guī)范等，實現(xiàn)計量裝置在線監(jiān)測和用戶負荷、電量、電壓等重要信息的實時采集，及時、完整、準確地為“SG186”信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為企業(yè)經(jīng)營管理各環(huán)節(jié)的分析、決策提供支撐，提升企業(yè)集約化、精益化和標準化管理水平。因此，從企業(yè)經(jīng)營角度講，電力用戶用電信息采集更易獲得企業(yè)層的重視和投入。

電力用戶用電信息采集系統(tǒng)是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能，同時通過統(tǒng)一的接口規(guī)范和接口技術(shù)，實現(xiàn)與營銷管理業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)連接，接收采集任務(wù)、控制任務(wù)及裝拆任務(wù)等信息，為抄表管理、有序用電管理、電費收繳、用電檢查管理等營銷業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支持和后臺保障；還可與其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。主站、通信和采集層的系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2所示[22]，系統(tǒng)主站的功能及實現(xiàn)架構(gòu)如圖3所示[23]，系統(tǒng)主站與其他應(yīng)用系統(tǒng)的交互接口如圖4所示[23]。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

在配電領(lǐng)域，由于20世紀90年代末期走了一段彎路，配電自動化一直沒有獲得重視，投入相對偏少，配電自動化水平低下，同時，配電自動化需要投入大量的硬件成本改造一次設(shè)備，使得配電自動化的成本明顯變得龐大。配電自動化系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示[24]。智能電網(wǎng)配電自動化的試點基本以圖5的方式開展建設(shè)，主要對城市的部分區(qū)域進行試點。從幾個試點情況來看，對一次設(shè)備的改造成本較大。

圖3 主站邏輯架構(gòu)

圖4 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)主站與其他應(yīng)用系統(tǒng)接口

配電自動化和用電信息采集系統(tǒng)貫穿了整個配用電領(lǐng)域，涉及配電自動化、用電信息采集和用電營銷等，這2個系統(tǒng)實現(xiàn)了不同范圍內(nèi)的應(yīng)用，但需要從底層終端采集信息，配電自動化需要從配電終端上，如配電變壓器終端設(shè)備（TTU）、開閉鎖終端設(shè)備（DTU）、饋線終端設(shè)備（FTU）等，獲取不同的配電信息，用電信息采集需要在不同的用電端口設(shè)置電能采集裝置。筆者認為這是一種巨大的浪費，2個不同的應(yīng)用體系可以合二為一或者可以建立互通的技術(shù)體系實現(xiàn)信息共享?；谀壳肮P者對配電自動化的認識，認為不能單純從改造一次設(shè)備、增加投入的角度來理解，應(yīng)該融合各個環(huán)節(jié)的技術(shù)優(yōu)勢，充分利用現(xiàn)有資源，在電力信息化的時代，完全可以實現(xiàn)電力信息共享、資源互用，更有效提高供電可靠性，減少停電時間。

圖5 配電自動化系統(tǒng)構(gòu)成

從圖1來看，智能電表處于幾個技術(shù)體系的中間環(huán)節(jié)，也適合我國的電網(wǎng)管理體系和電網(wǎng)現(xiàn)狀，可以有效地消除我國目前配電和用電2種孤獨的應(yīng)用帶來的弊端，建立以AMI為核心的配用電一體化技術(shù)體系，充分利用AMI和95598呼叫中心資源，實現(xiàn)停電故障定位、故障隔離，提高配電自動化水平?；ネ?、融合配電和用電信息是建設(shè)電網(wǎng)智能化的技術(shù)需求和必須，也符合我國智能電網(wǎng)建設(shè)。

4 結(jié)束語

AMI體系在智能電網(wǎng)建設(shè)中正在發(fā)生基礎(chǔ)性的作用，應(yīng)用正在不斷推廣，AMI體系中的通信設(shè)施也在不斷完善升級。我國在智能電網(wǎng)建設(shè)中，配用電環(huán)節(jié)的各項試點正在不斷推進，如用電信息采集系統(tǒng)、營銷信息管理系統(tǒng)、95598大呼叫中心、配電自動化以及智能家居等，同樣，智能電表作為用電信息采集系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在智能計量以及用戶互動方面正逐步完善。目前，我國配用電停電管理主要基于SCADA和95598呼叫中心，借鑒國外的AMI成熟的應(yīng)用經(jīng)歷，我國可以結(jié)合用電信息采集，發(fā)揮智能電表的作用，利用智能電表和雙向通信，結(jié)合95598呼叫中心，實現(xiàn)配網(wǎng)的停電管理，增加故障定位的可靠性和準確性，降低停電時間，提高用戶用電滿意度。

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