智能电网信息与量测技术

1、第三章第三章智能电网信息与量测技术智能电网信息与量测技术主要内容高级量测体系高级量测体系 (AMI) 简介简介 背景 驱动力主要组成部分主要组成部分 智能电表 通讯网络 计量数据管理系统 (MDMS) 用户户内网络(HAN)AMI论证论证 成本 收益 例证AMI和智能电网和智能电网信息物理系统信息物理系统高级量测体系量测系统的演变1985 19951996 20052006AMRAMMAMI运行效益数据管理用户通讯AMI 连接用户并加强了资源和资产优化管理AMM 提高了信息质量AMR 提高了运行效益智能和控制功能智能和控制功能AMI相对于AMR AMR:自动抄表方案 从远程读一个累积的计量值

2、单向通讯 以月为计量周期 AMI: 高级量测体系 完整的体系可远程读取多个间隔计量值 双向通讯 提供详细的数据以能支持分时电价（TOU pricing） 远程系统或软件升级 支持用户户内网络 和很多其它功能AMI实施的驱动力世界范世界范围围内内电电力公司力公司实实施施变变革和革和产业产业升升级级的的动动力力供求关系和供求关系和电电网的制网的制约约 电网可靠性 / 停电的制约 / 供电不足 日益增加的分布式电源 多向潮流竞竞争激烈的争激烈的电电力市力市场场 电力公司降低成本和增加收入的目标 日益增多的复杂计费方式 用户服务的要求技技术术的的进进步步 、电子和通讯技术的进步 成本降低而同时功能提高

3、 用于数据管理的信息系统日益完善环环境保境保护护和政治和政治压压力力 立法的要求 (如, EPACT 2005) 对能效的追求 为应对温室效应而寻求矿物燃料的替代品 公众对邻近电力设施的抵触AMI效益节能和能效节能和能效运行效率运行效率用户服务用户服务用户利益用户利益促成智能电网所需的技术和应用的实现促成智能电网所需的技术和应用的实现 电网运行和优化电网运行和优化: 电压和无功优化, 运行, 规划，等电表更换电表更换现金流现金流 读表读表: 自动, 频繁, 准确 呼叫中心呼叫中心: 减少费用估计, 提高询问应答 故障管理故障管理: 即时, 定位, 检测 收费收费: 各种计费选择 表计准确度表计

4、准确度: 提高 负荷研究负荷研究; 提高数据质量 窃电检测窃电检测:提高检测率 DSM: 电价, 需求响应, 用户信息智能电表双向间隔量测数据智能电表 每一个用户处 记录双向间隔消费信息小时、 30 分钟、 15 分钟 或 5 分钟等KWh、 KVARh、 V、 KW,等 其它功能如远程断开和重接、 即时读表、 断电报警、 表计干扰检测、 远程设定和软件升级变压器表计 记录双向间隔消费信息和电压信息 数据可用于变压器负荷管理和负荷研究馈线表计 记录双向间隔消费信息和电压信息15分钟、 5分钟、 或更短 支持系统实时运行、电压优化、系统分析和规划、负荷研究和预测等多层次的通讯网络广域通讯网络(W

5、AN) IP 网络：开放式的、安全的 专用的或公众的网络 有些使用通讯公司的托管服务 WiMAX, 数字无线通信 2.5G, 3G, 3G+, MPLS 问题: 公共网络生命周期短，难于满足AMI 的期望 很多地方很难有一个公共网络覆盖整个电力公司的服务范围 通常是混合网络(电力公司专用网 + 第三方网络)局域通讯网络(LAN) 大部分是私网协议 电力线载波 (PLC，DLC) 基于高塔的点对多点的无线射频系统 无线射频网状系统（Mesh） 电力线宽带 (BPL) 趋势是缓慢移向开放式标准 TCP/IP, ANSI C12.22 主要考量是低成本发展趋势：集成的通讯网络数据采集流程自动数据采集

6、系统 (ADCS) 按照预定时间收集电表测量值（通常是午夜之后）或即时读取 把数据传回网络运行中心 (NOC) 把数据放在企业服务总线 (ESB) 上ESB 原始数据转送站 把数据分送给 计量数据管理系统（MDMS）和其它信息系统MDMS 处理数据并把数据传给其它信息系统, 如: 计费系统 用户网站 (以便用户在每天 早晨6点查看前一天的用电)计量数据管理系统(MDMS)一个用于获取、处理和存储计费表计测量值，并具有分析工具以便和其它信息系统交互使用的数据库系统 AMI系统表计管理 (增加修改消除） AMI表计控制 接通断开 重新设定 日程管理 计费之外的数据转发 表计和网络设备的资产管理 接

7、通断开的过程管理 干扰检测 故障及故障恢复数据管理 数据分析和自动现场工作票的生成和处理MDMS功能 自助帐单分析 支持客户服务人员 需求响应 批发市场Wholesale 大 C&I用户 分时电价 特殊计费 规划 运行 GIS & OMS 集成 供应聚合 未计能量的分配预测数据验证、估计和编辑（数据验证、估计和编辑（VEE）和数据存储）和数据存储负荷研究和定价收入保护Revenue Protection结算Settlement配电效率复杂的计费用户服务 负荷曲线 市场分类 服务成本 高峰期电价 短期 中期 长期 未计量的收入 窃电检测 非正常电表检测数据分类和负荷建模Segmentation

8、and Load Modeling费用计算Configurable Calculation Logic & Billing多维聚合Multi-Dimensional Aggregation用户费用分析Customer Bill Integration & Analytics系统应用系统应用MDMS和其它系统的集成计量数据管理系统计量数据管理系统负荷研究预测管理故障管理配网运行客户服务帐户管理CIS,计费复杂计费SCADA数据等间隔数据采集系统AMI采集系统手持移动采集系统资产分析收入保护客户支持企业服务总线企业服务总线运行系统运行系统采集系采集系统统其它应用其它应用系统范围的系统能观性“虚拟表

9、计” 可提供系统任何一点的以小时计的历史的和预测的负荷信息减少设备过负荷和损坏 提高固定资产投资时机和针对性 提高相间平衡和线路利用率 改善电压调节，提高电容器安放选择提高资产容量选择和一致性识别异常线损和窃电有选择地对用户实施负荷控制用户信息网站把用户帐单和用电信息集成在一起 可读到前一天的用电为用户提供详细用电曲线和费用信息 分析TOU 或 CPP 对帐单的影响 推荐策略以助其减少费用减少用户服务成本 网上自助服务减少高额帐单抱怨电话 呼叫中心的显示有助于一次解答用户的疑问00.10.20.30.4$0.51814182024Critical priceTOU Peak PriceStan

10、dard RatePeak price w/ CPP企业范围内的信息系统集成输电系统控制系统管理MWMOMSGIS 资产管理资产管理维护系统规划馈线自动化 资源管理规划&预测 工作安排结算交易&合约资源调度SCADADMS系统运行用户服务MDMSCIS计费呼叫中心发电控制 变电站自动化 EMS用户户内网络(HAN) 配合用户门户网站、连接智能电表和户内可控的设备 室内显示器 (IHD) 可编程通讯温控器 (PCT) 混合动力电动汽车 (PHEV) 、电动汽车 (EV）或其它储电装置 其它智能家用电器, 等 主要技术和标准 通讯：WiFi, RF, 电力线载波, 光纤等 标准：ZigBee, H

11、omePlug, 6LowPAN等，处于快速整合阶段HAN的效益 使得用户更好地管理用电 被动的: 理解用电 IHDs 提供了详细的用电信息和计费信息 主动的: 参与需求响应或允许电力公司直接负荷控制 使得电力公司提高用户服务 对用户发送信息 用户可以直接查看用电信息 实施需求响应以消除峰荷 每年最高峰的 100 个小时终端用户直接参与电力市场用电信息直接负荷控制电价响应需求响应和节电能量管理kW0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0Noon2:307:30Critical Peak RateParticipation Incentive Control Group

12、MidnightCPP Event集成分布式电源混合动力汽车混合动力汽车 (PHEV)或电力汽或电力汽车车集成分布式发电并提集成分布式发电并提供双向量测供双向量测 储能装置储能装置 Source: SCE200720082009201020112012200120022003200420052006200720082009201020112012200720082009201020112012200720082009201020112012200120022003200420052006200120022003200420052006200120022003200420052006EnelEn

13、elFortumPPLPECOPECOPuget SoundPuget SoundRem ote disconnect/ load lim itingUniversal interval data collectionRem ote firm ware upgradeRem ote register m eter readsOne-way com m unicationsBetter power quality infoHAN enablem entG reater standards baseTwo-way com m unicationsBilling from hourly readsT

14、echnology ProgressionNESANESAColorado SpringsGoteborg EnergyE.ON SverigeT&TECAm erenUEO ther Sm aller Pre-2001 Deploym entsKansas City Power & LightDuquesne Light Com panyIndianapolis Power & LightW isconsin Public ServiceW e EnergiesUnited Illum inatingPREPAATCOJEAXcelXcelBC HydroBC HydroUtility/Ar

15、eaStart of deploymentEnd of deploymentNum ber of electric m etersYearsPredeployment1246 millionASM Brescia DTEDTEOncorOncorPowercorPowercorPowercorSCESCESCEEDFPG&EPG&EIncreasing functionalityIncreasing opennessAEPAEPSource: IBMAlliantESBESBO ther Large Deploym ents Actively Under Consideration1South

16、ern CoDuke EnergyFlorida Power & LightEnergy East (RG&E & NYSEG )Oklahom a Gas & ElectricConsum ers EnergyCenterPoint EnergyAllegheny PowerPSEGHawaii ElectricAEM MilanoCollectively in UKCollectively in NSWCollectively in New ZealandAustriaLahore Electric (Pakistan)ELRO Net (Denm ark)Meralco (Philipp

17、ines)Singapore PowerAnd others1 Evidenced by pilots, regulatory filings, and/or governm ent consultationsOntarioOntarioOntarioACEAACEAACEABGEBGESP Ausnet/AlintaSP Ausnet/AlintaSP Ausnet/AlintaTorinoTorinoVattenfallVattenfallPortlandPortlandENMAXStart of smaller projectFortis AlbertaSalt River Projec

18、tInclusion criteria: Fixed-network, advanced m etering deploym ents of over 500,000 electric m eters that are com plete, ongoing, publicly declared or centrally m andated.Syd EnergiBangor Hydro UnitilAustin EnergyAMI全球项目AMI在北美AMI成本来源：Capgemini法国捷凯公司成本（每表）成本（每表）AMI20年全部拥有成本包括智能电表，双向通讯，遥控开关，用户户内网络平均收益

19、*没包括负荷控制，需求响应，和智能电网功能成本和成本回收年限AMI 厂商厂商成本回收期成本回收期 (年年)123456789 10020050150全部安装后的成本全部安装后的成本 (电表和通讯电表和通讯)510$181$119$163$124$133$78$120$111$16310.16.59.37.47.78.27.88.39.39.9%15.3%10.8%13.5%13.0%12.2%12.8%12.0%10.8%(净收益占净投资的百分比净收益占净投资的百分比) 意大利ENEL的AMI项目 3千万电表 2002年-2005年 21亿欧元成本，每年节省费用亿欧元 3000MW 高峰期负荷

20、削减能力 (5%) 成本回收期为5年 基于运行费用的节省AMI和智能电网用户故障检用户故障检测测需求响需求响应应窃电检窃电检测测远程接通断远程接通断开开远程电表设远程电表设定定负荷控负荷控制制为用户提供电价信号为用户提供电价信号灵活电灵活电价价AMR自动抄自动抄表表AMR 功能功能+AMI智能电网智能电网AMI 功能功能+远程检测远程检测集中和分布式分析集中和分布式分析 系统故障恢复系统故障恢复优化系统资产管理优化系统资产管理 配电自动化配电自动化利用非运行数据利用非运行数据自愈自愈按小时读按小时读取数据取数据用户电压管用户电压管理理负荷曲负荷曲线线AMI 为智能电网建立通讯和为智能电网建立通

21、讯和 IT 基础设施基础设施AMI连接用户提供系统范围的能观性每一个智能电表都是智能电网的一个量测点和传感器智能电表 + SCADA测量 = 系统范围的能观性CommercialGenerating StationStep-upTransformerDistributionSubstationTransmission StationResidentialIndustrialDistribution TransformerDistribution TransformerDistribution TransformerDistributionSubstationDistributionSubsta

22、tionCyber Physical Systems CPSCPS就是一个在环境感知的基础上，深度融合就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。CPSCPS的最的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融

23、合，构建一个可终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的控、可信、可扩展并且安全高效的CPSCPS网络，并最终从根本上网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式改变人类构建工程物理系统的方式定义定义嵌入式(Embedded System)系统是软件和硬件的综合体，在某些情况下，还可以包括机械装置。传统的物理设备通过嵌入式系统来扩展或增加新的功能，其形成的系统基本上是封闭的系统，在一些工控网络中，有可能采用工业控制总线进行通讯，但其通信功能较弱，网络内部难以通过开放总线或者互联网进行互联。物联网(The Internet of Things) 指通

24、过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，在物联网中，用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。传感网(Sensor Network)节点是传感器，通过自组织的方式构成无线网络，感知的对象是诸如温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物理属性，实现特定区域的监测。CPS简单的说，就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能，其核心是3C融合、自主适应物理环境

25、的变化，其中网络的功能主要是为了实现控制的目的，和一般意义上的网络有区别。物联网、传感网所擅长的是基于无线连接，主要实现的是感知，这对于CPS来说太过简单，CPS需要实现的是感控，也就是说，CPS不仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。发展发展技术特点技术特点研究热点（一）研究热点（一）拥有众多复杂功能的拥有众多复杂功能的CPSCPS系统是多学科交叉的前沿系统是多学科交叉的前沿研究领域，其中的研究热点包括网络融合、节点接入与管理、研究领域，其中的研究热点包括网络融合、节点接入与管理、系统安全等系统安全等一、网络融合一、网络融合 现有的网络，如

26、公共电话网、蜂窝移动通信网、现有的网络，如公共电话网、蜂窝移动通信网、Ad hoc网络、网络、wi-Fi、WiMAX、无线传感网等，因为每种网络的规、无线传感网等，因为每种网络的规模都很大，且结构与通信方式皆不同，所以几乎不存在使用模都很大，且结构与通信方式皆不同，所以几乎不存在使用一种网络将其他网络替代的可能，以达到互联互通的目的。一种网络将其他网络替代的可能，以达到互联互通的目的。因此，因此，如何使各种网络通过一种统一的方式连接起来，实现如何使各种网络通过一种统一的方式连接起来，实现互联互通，是互联互通，是CPS系统的一个难点，也是当前的研究热点。系统的一个难点，也是当前的研究热点。研究热

27、点（二）研究热点（二）二、节点接入与管理二、节点接入与管理 CPSCPS网络本身就是一个开放式的网络，允许各种网络、网络本身就是一个开放式的网络，允许各种网络、各种节点自由接人、退出网络，对于其他网络，各种节点自由接人、退出网络，对于其他网络，CPSCPS网络的网络的规模更大，所以如何定位节点、如何快速得到节点的拓扑、规模更大，所以如何定位节点、如何快速得到节点的拓扑、如何快速路由是如何快速路由是CPSCPS网络通信的难题。而且，当前对节点的网络通信的难题。而且，当前对节点的接人与管理也只是局限于同构网络中，对于异构网络的节点接人与管理也只是局限于同构网络中，对于异构网络的节点管理的研究还很少

28、，所以这也是一个亟待解决的问题。管理的研究还很少，所以这也是一个亟待解决的问题。研究热点（三）研究热点（三）一、一、安全性问题安全性问题 与互联网类似，与互联网类似，CPSCPS网络也面临传统的网络威胁，因此网络也面临传统的网络威胁，因此安全与隐私问题也是目前的研究热点。像现有的拒绝服务攻安全与隐私问题也是目前的研究热点。像现有的拒绝服务攻击、僵尸网络、身份欺骗、信息窃取等网络攻击手段，都是击、僵尸网络、身份欺骗、信息窃取等网络攻击手段，都是CPSCPS可能遇到的问题，且由于可能遇到的问题，且由于CPSCPS网络涉及各种物理节点网络涉及各种物理节点( (如如传感器等传感器等) )，攻击者也可以

29、针对物理节点进行攻击，使系统，攻击者也可以针对物理节点进行攻击，使系统接收到虚假信息，这些安全问题都是接收到虚假信息，这些安全问题都是CPSCPS网络需要解决的问网络需要解决的问题。题。基本功能单元基本功能单元系统架构系统架构 CPSCPS系统是由众多异构元素构成的复杂系统是由众多异构元素构成的复杂系统，对于不同行业的特定应用通常需要构建特定系统，对于不同行业的特定应用通常需要构建特定的系统结构。的系统结构。但是从技术实现的角度分析，一般可但是从技术实现的角度分析，一般可以将其分为物理层以将其分为物理层(PL)(PL)、网络层、网络层(NL)(NL)和应用层和应用层(AL)(AL)。这样的结构

30、仅反映了实现技术的层次关系，实践中这样的结构仅反映了实现技术的层次关系，实践中要包含的组成元素可能千差万别，层间的联系与信要包含的组成元素可能千差万别，层间的联系与信息传递关系也可能相当复杂。息传递关系也可能相当复杂。系统架构系统架构系统架构系统架构 物理层物理层物理层是物理层是CPSCPS系统的基础，是联系物理世界与系统的基础，是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带。虚拟信息世界的纽带。它是直接与物理世界交互的部分，它是直接与物理世界交互的部分，CPSCPS通过物理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环通过物理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环境改变环境。境改变环境。物理层由地理上分布的各种物理层由地理上分布的各种CPSCPS单元组成，这里的单元组成，这里的CPSCPS单元单元可以