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第五章

智能电表

M. Rahman and Amanullah M. T. Oo

摘要 效用度量工具正在从简单的测量设备改为多维技术装置，并增加了新的增强信息和通信能力，如智能计量系统[1]。智能电表可实现消费者和公用事业公司之间的自动双向通信。与传统能源相比，仪表只显示了消耗的能量，但智能电表可以直接发送使用数据实用程序。电力消费的信息可以真实收集从智能仪表[2]获得准确的时间。现代流通企业是要求在其网络中采用智能电表来提高效率网络，并与智能电网环境保持一致。这一章里进行了严格的审查，概述了现有的分销网络，在配电网中部署智能电表，可能会遇到困难。本章的目的是为理解与智能相关的概念提供必要的背景知识，关于智能电表网以及在该领域进行的相关研究。智能电表在分销中的重要性的简要回顾网络，智能电表网络的带宽需求，带宽和延迟智能电表网络的障碍，以及智能电表的通信覆盖网络呈现。

M. Rahman (amp;)

Queensland University of Technology, Brisbane, Australia

e-mail: m2.rahman@qut.edu.au

A. M. T. Oo

Deakin University, Geelong, Australia

A. B. M. S. Ali (ed.), Smart Grids, Green Energy and Technology,

DOI: 10.1007/978-1-4471-5210-1_5, Springer-Verlag London 2013

5.1详细说明智能电表

智能电表被放置在交换信息的消费者场所中和控制中心之间。智能电表具有以下功能[3]：

bull;本地电力使用和电力的实时数据;

bull;提供读取本地和远程抄表的可能性;

bull;提供内部网络和设备之间的互连就像DG。

通常，智能电表被考虑用于电力使用的登记。仪表的智能化被纳入智能仪表。它有几个基本的功能，即远程测量所消耗或产生的电力切换客户并远程控制最大用电量如图5.1所示[3]。此外，智能电表的创建过程也是如此很多智能计量技术的机会[4]。智能电表是指信息在双向流动的系统。这些系统通过最新信息和创新产品为公用事业提供了广泛的机会。

新的信息和通信技术（ICT）可以改变将常规电表安装到智能电表中，以实现节能和能源安全目的[1]。新型计量技术的功能在这种智能计量系统中采用不同的封装。

直接能源消耗监测和提高能源效率是配电网智能测量的主要目的。智能电表鼓励消费者通过关闭电器来改变行为需求高峰期。这些影响是通过暴露消费者一般消费模式或财务激励。能源效率消费者可以根据自己的需求调节电力消耗，因此可以得到改善。由智能电表生成和传输的数据打开了一系列的运作包括监视和控制能源使用的改进。这个很详细网络信息改善了网络运营，方便了更多可再生能源发电和一体化。广泛的节能机会使智能电表成为分销网络的有吸引力的选择。智能电表在配电网中的好处，调查的要求分布式智能电表，智能电表技术配置，智能型电表监控程序，智能电表对配电系统的影响等在以下几小节讨论。

图5.1示意图 一个典型的智能电表配置[3]

5.1.1智能电表的优点

智能配电网络需要维护和提高能源安全。 在全球范围内，为保障能源供应的当地能源资源，受到了驱动新技术和可再生技术的开发和部署，推进智能电表输送能量的方式。执行 智能电表在配电系统中的应用可以促进电网中的阶梯式转换、双向能量被生产和消耗。具有高科技通讯功能的智能电表能够监控能源使用情况，并让消费者了解情况选择使用多少能量以及何时消耗能量[5]。

5.1.2智能电表在智能配电中的要求

网络智能电表使消费者能够更有效地使用电力并为公用事业提供更有效地操作的能力。通过智能配电网中的智能电表将加强电力传输系统包括发电、输电、配电和消耗。它允许的 DG使发电更接近消费者的可能性[5]。从发电到消费的距离使消费者成为他们的能源选择中的主动参与者。 而且，智能电表的重要性也因消除这个问题而上升需要更多的能源生产，降低了电网的需求扩大克服电力拥堵问题，这是可能实现的。

分布式发电和需求响应的手段[6]。能源消耗水平显著降低，峰值负荷的产生随着负荷的减轻而减少，从高峰转移到非高峰[7]。智能电表充当智能节点， 在智能配电网上从能源日益重视可看出可再生能源给目前的配电网络带来了进一步的压力，目前这只是“单向”，不能从微观上接受电力。从运营角度看，采用智能计量系统5智能电表111 可以改善对配电的管理和控制系统[8]。智能配电系统应该更加可靠，降低了消费者和企业停电的惊人成本。

如今，可以利用先进的信息技术来改进实时监测和控制分配系统的工具。先进的信息技术配电系统中智能电表的部署可以管理这些日益复杂的网络。一个综合的信息技术（IT）能力，配电系统是需要改进的配电系统的可靠性，但是由于变量的原因，将可再生能源电力的百分比提高到我们的能源结构中是非常关键的。很多这些资源的性质通过引入大量的IED（如 智能监视器和控制点），智能分布式网络可以实现更精确的管理，从而提高效率、容量[8]。

5.1.3智能电表技术配置

信息和通信技术的迅速变化极大地改变了公用事业电表的潜力。测量能耗的新系统被称为“智能电表”。作为其增加的功能和交流能力的反映，比较“简单”的前辈，主要是通过手工阅读来衡量能量消耗[1]。电表制造商和信息、通信提供商一直在竞争提供新的公用事业智能计量系统。目前的分销网络比较陈旧，并不是为了应对未来而设计的电力需求。智能电表也是提供先进功能的关键要素。利用家用电器和终端使用技术，以提高效率[8]。从操作的角度来看，使用智能计量系统是可以改善对配电系统的管理和控制的。而且，未来的需求分配网络可以通过使用智能提供计量，有利于进一步的电网规划。

电表制造商和通信供应商一直在竞争，为公用事业提供新的智能计量系统。西门子有限公司之一智能电表供应商组织和他们的设备都是高性能的电力监控设备[3]。这些设备用于检测功率值、电馈线或个人消费者。此外，这些设备提供评估系统状态和电能质量的重要测量值。 该设备提供准确的知识，系统的特点和优点。表5.1列出了50多个电能质量的基本数值。

表5.1智能电表参数设置[4]

5.1.4智能电表监控程序

智能电表是一种双向信息通信系统。图5.2显示了一个智能电表监控程序。它包括智能仪表，通信手段和电能质量数据仓库。该通信手段可能包括固定双绞线电缆，电话线，手机，电力线载波，收音机，光纤，或这些的组合[9]。

所选仪表必须能够记录参数。数据仓库必须是一个有效而安全的方法来存储来自所有仪表的数据监测期。存储的数据量将取决于传输的数据[9]。目前捕捉电力质量数据的智能电表具有集中发送所有的数据，如10分钟的电压，电流，功率因数以及其他数据。数据必须首先从智能发送电表到电能质量数据仓库。更明智和现实的选择是为每个智能电表实时或使用电能质量进行例外报告，报告每个网站的索引。但是，在智能配电网中面临几个挑战以及智能电表的采用将在下面的小节中描述。

图5.2智能电表监控程序[9]

5.1.5智能电表对配电系统的影响

尽管智能计量的广泛应用带来了诸多好处，这项新技术的采用面临技术挑战。

智能电表网络面临着可能面临风险的新挑战和压力，能够可靠地提供电力。挑战包括以下几点：

通信网络挑战：智能电表提供更好的接口技术。由于智能电表能够实现客户与公用事业公司之间的双向通信，因此这些设备可以访问更多的信息传统仪表。智能电表之间的可靠通信设备和集中控制系统，高带宽的通信通道需要允许数字数据有效地在整个网络中移动。

标准通信协议：缺乏智能计量的标准化技术意味着大量的不同类型的智能电表已经被使用部署用于收集和发送数据和指令，在不同的通信协议下[10]转换数据、指令数据和存储数据。如果相同通信协议被使用，问题可能被最小化。

除此以外，涵盖自动计量表数据交换的国际标准也可以克服这个技术障碍[11]。上面列出的策略为我们提供了一个桥梁实施未来的智能技术，实时数据将是最好的练习网络。它们将为实施智能电表网络提供基础在配电系统中提供一系列的安全性，质量和可靠性。

5.2配电网中的智能电表

配电网智能电表涵盖配电系统的现代化。这个系统针对几个不同的目标，包括促进供应商之间的竞争，实现可变能源的大规模使用来源，建立自动化和分配监测能力系统[10]。智能电表网络是用来描述集成的用信息基础设施连接到电网的元件提供为电力供应商和消费者带来诸多好处。它是一个智能未来电力系统需要双向信息系统通过智能通信系统构成智能配电网的技术，设备和系统在配电系统中将会有所不同，就像现有的电气三网络根据地理，气候，所有权和业务参数。

5.2.1分布式智能电表网络的组成系统

智能电表网络组件包括[11]：

bull;集成通信基础设施，实现近乎实时的双向通信交流信息和权力;

bull;更智能的测量设备（包括高级计量基础设施）记录和交流有关能源使用的更详细信息;

bull;整个网络中的传感器和监测系统都会对此进行检查系统中的能量流动和网络资产的性能;

bull;自动控制，检测和修复网络问题并提供自我修复解决方案;

bull;改进网络性能的高级交换机和电缆;

bull;集成了应用程序和数据分析的IT系统。

图5.3描述了通过智能分配启用的新网络，而不是智能网络的组成部分。有一个范围

通常与其相关的其他技术，设备和应用程序配电网中的智能电表，如客户的能源管理系统，可再生能源供应和能源储存技术[11]。

图5.3智能电表网络组件和机会[11]

5.2.2配电网智能电表的特点

以下提供了智能配送网络的其他属性特点[11-13]：

bull;通过双向提供消费者的积极参与通信和信息，使消费者有能力消费并提供能源;

bull;实现自我修复（即自动故障响应），设备的集成而具有安全通信网络的传感器将自动恢复

不受影响的网络部分，并隔离需要修复的元素。端到端的网络安全是抵制安全攻击的原因

通过智能网络安全协议在网络中强制执行;

bull;通过以下方式在宏观和微观层面启用生成和存储选项建立在网络各级的参与式网络，允许个人和工业客户;

bull;优化资产和高效运营，减少运营和维护成本，利用传感和监测设备提供的信息和自动切换功能;

bull;使分销网络能够灵活应对自然灾害，恢复迅速能力。

因此，它清楚地表明，智能配电网是一个至关重要的需求。今天为未来的可持续，安全的电力系统。然而，智能电表网络的发展带来了潜在的困难，包括下一节讨论的通信网络挑战。

5.3通信协议或标准的作用

在智能电表网络中通信协议或标准是具有交换规则的系统节点或站点之间的信息。在智能电表网络中，这种通信方便了智能电表与中央服务器之间的通信。反之亦然。通信系统使用交换消息的定义格式，并且每条消息都具有确切的意义，意在挑起一个明确的回应收件人。

智能电表的监控，控制和通讯架构在分销网络，在过去的30年取得了许多进展。特别是计算机，网络和电信领域[10]。它一直观察到智能电表的发展速度和广泛采用网络将取决于相同的通信协议或国家标准适用于多个主要领域[11,14]，具体如下：

智能电表网络的端到端网络安全性：为智能网络应用部署的广泛通信基础设施可能会增加电网上潜在的攻击点数量增加了风险来自网络安全的能源供应。端到端网络安全保护的重要性已经确立，以解决智能安全问题网络。为智能网络部署的技术选择将非常重要取决于网络安全政策的设置。

能源连接的互连和互操作性标准：预计将扩大广泛的微型解决方案的连接智能网络的采用显着。这些新能源是主要关注可再生能源技术和低碳排放替代燃料来源。虽然已经有了现有的标准连接新的负载，建议这些标准需要审查和以适应设备到网络的互连，并且应该开发这种互用性标准以用于澳大利亚任何地区的更广泛的智能电表网络工作。应用级数据通信标准要求在分发系统中建立应用级数据通信标准实现互联互通和技术进步，促进国家智能化联网。这些标准将需要使现场设备可以使用可互操作的通用协议与后台系统进行通话。建议这些标准应该从现有的地方作为国际通信标准。

5.3.1通信协议

信息已成为高效运作和扩张的一个重要因素改革电力行业。与冗余的有效沟通是在节点或站点之间传递信息的任何网络中的关键问题[15]。为了高效和有效的电力系统通讯，TCP / IP，DNP3数据传输协议被广泛使用。这些协议起着重要作用可靠地将数据从不同的IED传输到主控制中心服务器。一些与智能仪表直接相关的最常见的协议网络将在下面的章节中讨论。

TCP / IP Internet协议套件

TCP / IP提供了来自许多供应商的设备之间的连接各种各样的网络技术。它由一组明确定义的通信协议和几个标准化的应用程序支持。TCP / IP通信协议最初是为该部门开发的国防部（DoD）高级研究项目机构网络（ARPANET），在七十年代初在二十世纪八十年代早期，TCP /

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