1、智能配用电技术体系的研究-高级量测体系李卫良,田伟(国网电力科学研究院 ,江苏省南京市 210003)LI Weiliang,TIAN Wei(State Grid Electric Power Research Institute China,Nanjing 210003,China)摘要：在分析各国智能电网的内涵、目标的基础上，结合实际，提出涵盖配用电环节的四个技术体系；并对 AMI 在各国的应用情况进行分析总结，认为我国需要首先建设 AMI 体系，利用智能电表实现配电自动化和用电互动。关键词：智能电网；高级量测体系；分布式发电；配电自动化；微网；用电互动中图分类号: TM730 引言围绕
2、电网智能化建设，各国政府部门、企业、研究和咨询机构积极开展了未来电网发展方向和趋势的研究与实践工作，提出了相应的技术体系和标准。从智能电网的发展驱动力和内涵来看，各国都集中于能源安全、环境保护、电网稳定和服务质量等方面，提出经济、高效、优化、灵活、可靠和互动的发展目标。美国能源部提出的电网智能化更多的把目标放在负荷侧的智能管理上，通过向现有的电力基础设施中安装远程通信设备、传感器和计算机装置来改进电网的工程，减少电费开支，减轻电网负荷 1；美国电力科学研究院提出将电力能源领域和信息技术领域深度的融合在一起，增强电力体系构架上层应用的集成综合 2；欧洲把提高用户满意度、提高运营效率、降低电力价格
3、、利用清洁能源、加强与客户互动作为欧洲电网建设的重点内容 3；我国在“2009 特高压输电技术国际会议”上提出建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以信息通信为支撑，涵盖电力生产全过程，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，以信息化、自动化、互动化为特征，具有坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动内涵的坚强智能电网的战略发展目标 4。欧美由于电网网架比较成熟，倾向于分布式能源的利用和配用电领域，我国现阶段重点发展特高压建设，从源头入手，但从电网建设的最终功效和配用电对整个电网的影响以及我国配用电领域相对发、输、变来说比较薄弱等几个方面来看，加强对配用
4、电领域的技术研究是很必要的。因此，本文从实现智能配用电的角度，从智能电网的内涵、目标着手，重点对配用电领域的技术体系进行探讨，提出我国智能配用电的发展思路。1 智能配用电技术体系 配用电环节作为电网能量链的末端，最终实现电能的不同应用。特别面对智能电网，各种分布式电源在配用电侧大量接入、电网的应急机制、用户的各种需求等对配用电提出了挑战，智能配用电技术就成为一个关键技术，对电网的稳定、能源的使用影响更为深刻，更为关键。在配用电环节，如何实现智能电网的“电力流、信息流、业务流”的一体化融合和坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动，成为智能电网配用电环节所关心的重要话题。目前，配用电环节
5、已经不是传统意义上的能源分配、使用，大量的分布式电源、电动汽车充放电设施以及储能装置正在接入配用端，电网稳定性正面临分布式电源接入的挑战，计量和用电也存在双向计量、友好互动的压力，以往的配用电技术体系正发生变革。下面就从智能电网的内涵出发，分析实现智能电网目标的涵盖配用电领域的能源利用、电网稳定、消费计量和用电服务四个层次的技术体系架构。1.1 从能源利用的角度来看，需要分布式能源体系环境的恶化、资源的枯竭迫使人们思考新的替代能源，各种分布式能源，如太阳能、风能等正成为各国关注的话题。更多的分布式电源也就就近接入配电侧，另外，从用户侧来看，人们也希望通过分布式电源、储能装置、电动汽车来实现方便
6、使用、储能和回馈。事实上，欧美更多的注重在分布式能源的角度提倡智能电网 5，可以更大范围的消纳分布式电源、减少污染，这也是整个电力行业对社会的最大贡献之一。特别在城市，随着配网电压等级的提升，在城市电网的 220V、110V 侧都开始接入分布式电源，一方面利用太阳能、风能等可再生能源，另一方面，可以应对各种突如其来的自然、人为破坏，实现应急电源，稳定城市电网。这样，不但需要从电网的发电段，同时需要从配电端、用电端，考虑接入分布式电源 6；面对各式各样、不同特性的分布式电源，就要研究各种分布式能源发电、运行以及接入电网引起的影响。从能源利用的角度来看，需要构建分布式电源体系，包括不同分布式能源发
7、电、运行和控制，分布式电源的配置规划，储能以及微网的运行控制接入等。1.2 从电网的稳定性和减少停电时间来看，需要配电运行管理体系配电是实现电能分配的环节，如何使电能实现合理的分配、流动，需要对配电网架进行科学的规划，建立合理的配网架构和能源的分配，保证在链路上贯通；在链路贯通的基础上，通过配电自动化技术，实现配电网的运行、控制。由于配电面对的范围大，不像输电、变电，配电更多的面向不同应用层面，一个城市就有几千条负荷线和相应的配电终端，采集的信息复杂，面对的管理对象繁琐，因此需要建立相应的管理自动化体系和运行自动化体系，两者实现紧密结合，信息共享，形成调控一体化体系，实现配电自动化，对电网故障
8、进行自我诊断、自我隔离和自我恢复，实现电网自愈。同时面对分布式电源的接入，需要考虑分布式电源接入的配网运行、控制和管理，配电运行管理系统包括配电主站、配电终端、馈线自动化和生产、设备管理系统以及地理信息系统(GIS)。1.3 从能量消费计量的角度来看，需要高级计量体系(AMI)电力交易市场需要精确的计量，实现公正消费。电表作为电力计量工具，一直担当消费计量的角色。随着智能电网的建设，分布式电源使电网潮流出现双向流动，电表需要双向计量、分时电价；同时，电力用户参与电网的运行调节使得电表不但作为计量的工具，也作为信息交互的载体，在双向通信网络的基础上，实现与电网互动。因此，在智能电网中，智能电表已
9、经不单单是传统的计量电表了，更大程度上已经作为一个用户网管，建立电网与用户的纽带的桥梁，借助于双向的通信技术，实现信息的上传下达，电网可以通过智能电表管理用电，用户可以通过智能电表参与电网的调节。高级计量体系(AMI)利用智能电表和通信网络实现用户信息、电价的实时监测、支持远程设置、接通或断离，保障用户和供电公司之间能量和信息的实时双向传送，是实现智能电网的关键。AMI 由通信网络将以下四个基本组成部分联接成为完整的系统：智能电表、室内端口和显示器、邻近用户数据采集、控制中心 7。典型 AMI 系统的基本组成 8：1)基于微处理器的用户侧电表，用于 interval data(有功、无功功率等
10、)和故障信息的记录、汇报；每个电表都配备有标准的 AMR 设备，例如非易失性存储器、篡改监测(Tamper Detection)、远程投/切能力、双向通信装置。2)低功率、窄带宽双向通信设备，用于联接用户侧电表和数据采集器；3)数据采集器，用于管理大约集群电表，采集数据，并将其发送到测量数据管理系统；4)Back-Haul(回程)装置，用于联接数据采集器和测量数据管理系统；5)测量数据管理系统，管理周期数据、数据查询，将包括账单、故障信息在内的用户侧的数据分类发送给需要这些数据的管理部门。在配用电领域，国外电力公司开展了大量的智能化实践，包括智能表计、用户电压控制、动态储能等。例如：意大利电力
11、公司和法国电力公司(EDF)通过安装“智能电表” ，使用户跟踪自己用电情况，并能进行远程控制；加拿大安大略省政府已经确立了到 2010 年为安大略省所有商业和家庭用户安装智能电表的目标。美国科罗拉多州的波尔得市是美国第一个“智能电网城市” 9， Austin Energy 公司为每户家庭都安装了智能电表、智能测量装置、智能温度调节器、以及各种传感器，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些需要用电的事情，比如洗衣服、熨衣服等，安排在电价低的时间段。智能电表还可以帮助人们使用风电和太阳能等清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况，一旦有问题出现，可以重新配备电力。1.4 从用电的满意
12、度来看，需要用电互动体系用电质量的提高、用电意识的改进、用电方式的转变促使用电侧的技术发生变革。传统的营销方式一直是单向的，从智能电网的自动化、信息化、互动化的角度来看，需要在电力企业与用户之间架起互动的服务体系，建立双向互动的服务渠道，实现用户能源的回馈，满足不同用户的用电需求，建立信息化、互动化、自动化的用电体系，建立完整的用电营销信息体系、用电服务体系以及用电技术体系，完善电力用电服务意识，开展节能用电。世界各国都在用户侧投入了大量的财力、物力，一方面鼓励家庭用户侧清洁能源的开发利用，另一方面提倡智能家电，通过智能电表作为交互网关，对家电实行监控，不但节约能源，同时可以动态调节智能家电，
13、参与电网的稳定运行 10。由此可见，在配用电领域，智能电网需要分布式电源体系、配电运行管理体系、高级量测体系和用电互动体系来实现电网能量流、信息流在电网的融合。智能配用电是从配用电领域来实现接入分布式电源(包括储能及微网系统)、提高电网稳定性、减少停电时间、提高用电满意度、实现与用户互动等目的；基于这样的目标，在配用电领域，上述四个配用电技术体系能涵盖配用电领域的技术范畴，见图 1。分布式电源智能电表智能家电分布式电源用电互动变电环节配用电环节电力流 电力流电力流电力流储能装置储能装置配电运行管理电动汽车充放电设施信息流信息流电力流信息流信息流信息流图 1 配用电环节的技术体系架构Fig.1
14、The framework of technology system for distribution and customer 2 AMI 体系的应用实践美国 EPRI 提出智能电网 (IntelliGrid)的概念，提出建设智能电网的技术框架，第一步建设 AMR，实现电力分时价格计量，然后实现停电管理、需求控制和远距离设备自动恢复供电以及分布式能源接入；之后，美国 DOE 的 NETL(National Energy Technology Laboratory)实验室提出智能电网的四个阶段，先进计量体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)和高级资产管理(AAM) 11
15、，认为 AMI 是智能电网的第一步，在 AMI 的基础上实现 ADO、ATO 及 AAM。2009 年三月，美国能源部下属的电力传输与能源可靠性办公室(office of electricity delivery and energy reliability)又把 AMI、ADO、ATO、AAM 四个阶段修订为：用户互动 CE(Consumer Enablement)，AMI、高级配电运行 ADO(Advanced Distribution Operations)、高级输电运行 ATO(Advanced Transmission Operations)、高级资产管理 AAM(Advanced
16、Asset Management)12；美国 NIST 颁布的美国智能电网发展框架和路线图中也提出智能电网应用和需求的八个优先发展领域,其中就有 AMI(Advanced metering infrastructure)13 。2009 年 1 月 25 日，美国白宫发布经济复兴计划进度报告 ，宣布未来 3 年来将为美国家庭安装 4000 万个智能电表 14。美国政府、科研机构都把 AMI 作为建设智能电网的第一步，利用 AMI 体系实现电网的稳定运行、资产管理和分布式电源的接入，完善电网能源链供应、消费，提高用电质量和服务水平。在欧洲，意大利及瑞典已经完成高级计量体系(AMI)的部署，将所有
17、普通电表更换为智能电表，法国、西班牙、德国和英国预计在未来 10 年内完成高级计量体系的部署。多年来，美国的能源企业一直把智能电表作为电网的基础设施建设，利用智能电表实现电网各种应用。文章 15中提到，AMR 的目的虽然是用来实现计量和交易的，但是，很多公司如美国 PECO 能源公司在2003 年就开始建立 AMR-OMS 的集成应用，利用 AMR 的信息实现停电管理，多年来，节省了大量的费用，减少了停电时间，提高用电服务质量。文章 16也引用了美国联邦能源管制委员会(FREC)的数据，佛罗里达的智能电表的数量从 2006 年的不到 1%到 2008 年的 10.4%，2009 年仍在持续的增
18、长。文章17-21提出了利用通过 AMI 和 OMS 的集成，不但降低了电力公司的成本，还可以结合电话报修，准确定位故障，减少用户停电时间,其中文章 18还提到 PECO 能源公司在 2003 年的伊莎贝尔飓风中通过 AMR 系统有效的实现停电、恢复供电，也提到了停电管理系统需要处理大量的 AMR、SCADA、电话报修和 GIS 数据，其中文章21提出了 AMI 在清洁能源发电中的应用。文章22-24 中提出了 AMI 在电网资产管理、需求侧相应和用电服务的应用,其中文章24还提到通过 AMI 实现电能质量的集中监视。从上面可以看出，无论从政府层面，还是从电力公司层面，国外都强调 AMI 建设
19、，利用 AMI 实现电能交易市场、电网稳定运行，最终实现电网资产管理，优化运行。所以，在配用电技术体系中，本文认为 AMI 体系不但是电网智能化的根本，也是配用电管理的基础体系，在 AMI 体系的基础上，利用 AMI 体系的双向通信网络，实现配电运行管理、用电互动和分布式能源的并网。3 总结与展望AMI 体系在智能电网建设中正在发生基础性的作用，应用正在不断推广，AMI 体系中的通信设施也在不断完善升级。我国在智能电网建设中，配用电环节的各项试点正在不断的推进，如用电信息采集系统、营销信息管理系统、95598 大呼叫中心、配电自动化以及智能家居等，同样，智能电表作为用电信息采集系统的关键设备，
20、在智能计量以及用户互动方面正逐步完善。目前，我国的配电自动化的停电管理系统主要基于 SCADA 和 95598 呼叫中心，借鉴国外的 AMI 成熟的应用经历，我国可以结合用电信息采集，发挥智能电表的作用，利用智能电表和双向通信，实现配网的停电管理，增加故障定位的可靠性和准确性，降低停电时间，提高用户用电满意度。参考文献1 U. S. Department of Energy , National Energy Technology Laboratory. Modern grid initiative : a vision for modern grid EB/ OL . 2008210210 . http :/ / www. netl . doe. gov/moderngrid/ docs.2 EPRI. Profiling and mapping of intelligent grid R Advanced metering infrastructure; Distributed generation; Distribution Automation; Micro grid; Customer Interaction with grid
