基于SM/AMI的配電網(wǎng)監(jiān)控體系研究綜述

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基于SM/AMI的配電網(wǎng)監(jiān)控體系研究綜述

楊萌，艾欣

(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

A Review on Measurement and Monitoring System for Distribution Grid Based on SM/AMIYANG Meng, AI Xin

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy

Sources(North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

摘要：面對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的弊端和日益增長的電力需求，智能電網(wǎng)得到了廣泛重視與研究。而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的第一步就是構(gòu)建基于智能電表的高級(jí)量測體系(SM/AMI)。以SM/AMI為研究對(duì)象，分析了SM/AMI的結(jié)構(gòu)以及SM/AMI在電力用戶和電網(wǎng)公司中的作用；闡述了SM/AMI對(duì)于配電網(wǎng)運(yùn)行和管理方式、電力用戶消費(fèi)行為模式的影響；研究了基于SM/AMI的需求側(cè)資源調(diào)控策略，探討了基于SM/AMI的高級(jí)應(yīng)用，介紹了我國首個(gè)中新生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程, 希望能夠?qū)χ悄茈娋W(wǎng)和配電網(wǎng)的研究有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：SM/AMI；智能配電網(wǎng)；電力消費(fèi)行為模式；需求側(cè)資源

文章編號(hào)：1007-2322(2015)05-0027-08

中圖分類號(hào)：TM73

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2011 AA05A301)；國家自然科學(xué)

收稿日期：2014-09-29

作者簡介：

Abstract：As to the drawbacks of traditional power system and the increasing demand for electricity, smart grid has been paid more attention and widely researched. And the base for realizing smart grid is to build advanced metering infrastructure based on smart meters(SM/AMI). In this paper, the structure and the role of SM/AMI in the power consumers and power grid corp are analyzed, and the influence of SM/AMI on the operation and management of distribution network and the electric power consumption behavior mode are demonstrated. In addition, the resource regulation strategy at power demand side based on SM/AMI is studied, the advanced application of SM/AMI is discussed, and the first Sino-Singapore eco-city smart grid integrated demonstration project of our country is introduced, which will have some reference value and guiding significance to the research of smart grid and smart distribution grid.

Keywords：SM/AMI; distribution network; electric power consumption behavior model; power demand side resource

1SM/AMI的結(jié)構(gòu)與功能

1.1SM/AMI的結(jié)構(gòu)

SM/AMI主要由用戶側(cè)的智能電表SM、用戶戶內(nèi)網(wǎng)HAN、電力公司內(nèi)部的量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)MDMS和用于連接的通信網(wǎng)絡(luò)4部分組成[1]。SM/AMI體系的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　SM/AMI體系結(jié)構(gòu)

1.1.1智能電能表

智能電能表SM(Smart Meter)是智能電網(wǎng)的終端用戶計(jì)量設(shè)備，由測量和數(shù)據(jù)處理單元、存儲(chǔ)單元、通信及接口單元組成，具有電能量測量、信息存儲(chǔ)與處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)控制、信息交互等功能[2]。

在測量與計(jì)量方面，智能電能表可以測量總及各分相有功功率、無功功率、頻率以及功率因數(shù)等多種運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)用戶需要對(duì)規(guī)定時(shí)間內(nèi)的功率等參數(shù)進(jìn)行需量測量，還可以計(jì)量正向和反向兩類有功電能量，從而為具有分布式發(fā)電的用戶提供雙向測量。同時(shí)，智能電能表也支持用戶預(yù)先存儲(chǔ)電費(fèi)和不同時(shí)段具有不同費(fèi)率的費(fèi)控功能。在信息傳輸方面，智能電表具有雙向通信功能，電力公司與用戶可以實(shí)現(xiàn)信息的相互傳遞。一方面，電力公司可以及時(shí)讀取用戶的用電量，計(jì)算用戶電費(fèi)，并采集如：用戶一天內(nèi)的總用電量、用電效率、用電高峰期與低谷期等信息數(shù)據(jù)，繪制負(fù)荷特性曲線。另一方面，用戶也可以及時(shí)接收電力公司公布的電力信息，應(yīng)用智能電表支持的階梯電價(jià)功能，根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)調(diào)整用電計(jì)劃，還可以利用家庭的分布式發(fā)電和儲(chǔ)能裝置在電價(jià)較高和較低時(shí)進(jìn)行合理的發(fā)電和儲(chǔ)能，以減小用電成本，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)利益。在故障處理方面，當(dāng)系統(tǒng)處于可靠性受到威脅等緊急狀態(tài)時(shí)，電力公司可以在取得用戶許可的情況下通過遠(yuǎn)程操縱直接實(shí)現(xiàn)負(fù)載的接入與斷開，配合電網(wǎng)的需求側(cè)管理，從而保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，智能電能表支持電壓越界檢測和裝置干擾竊電檢測[3-5]。當(dāng)系統(tǒng)檢測到電壓超出指定標(biāo)準(zhǔn)或有竊電情況發(fā)生時(shí)，可以對(duì)智能電能表進(jìn)行遠(yuǎn)程開斷，待恢復(fù)正常后再進(jìn)行遠(yuǎn)程接通以繼續(xù)工作。此外，智能電能表還具有自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)檢測到失壓、失流、斷相、功率反向等故障時(shí)，會(huì)通過指示燈報(bào)警或聲報(bào)警提示故障信息，并當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行后自動(dòng)解除。

智能電表作為AMI的重要組成部分，在用戶側(cè)的使用對(duì)電力用戶和電網(wǎng)公司都產(chǎn)生了重要的影響。對(duì)于電力用戶，通過智能電表的使用可以更加方便快捷獲取能耗和賬務(wù)信息，實(shí)現(xiàn)電費(fèi)預(yù)繳，并且還可以根據(jù)電力公司發(fā)布的調(diào)控信息和實(shí)時(shí)電價(jià)，調(diào)整用電計(jì)劃，合理利用分布式發(fā)電設(shè)備，同時(shí)，電力公司會(huì)為不同的用戶提供相應(yīng)的能量管理服務(wù)和用電建議，幫助用戶指定合理的用電方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和用戶利益最大化的雙贏[6]。對(duì)于電網(wǎng)公司，通過智能電表的準(zhǔn)確計(jì)量和雙向通信等功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量、供電可靠性等系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)獲取故障和竊電等信息，減小事故損失；還可以通過智能電表進(jìn)行負(fù)荷的遠(yuǎn)程接入和開斷，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，電網(wǎng)公司根據(jù)智能電表提供的負(fù)荷信息，可以進(jìn)行較精確的負(fù)荷預(yù)測，從而制定合理的發(fā)電計(jì)劃和調(diào)度策略，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[7-8]。

1.1.2用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)

用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)HAN(Home area network)是智能電表和用戶戶內(nèi)可控家用電器之間的通信主干網(wǎng)，它通過網(wǎng)關(guān)或用戶入口將兩個(gè)體系結(jié)構(gòu)完全不同，并使用不同通信協(xié)議、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語言的系統(tǒng)連接了起來。用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)主要通過室內(nèi)顯示器和用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)共同構(gòu)成一個(gè)能量感知網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力公司需求側(cè)管理的積極響應(yīng)和家用電器的智能化控制。

室內(nèi)顯示器IHD是用戶戶內(nèi)網(wǎng)中的重要設(shè)備，通過與智能電表的連接，將電表的計(jì)量數(shù)據(jù)和電力公司的調(diào)控與服務(wù)信息直觀地呈現(xiàn)給用戶，使用戶方便快捷掌握自身用電信息，并根據(jù)接收的實(shí)時(shí)電價(jià)、系統(tǒng)運(yùn)行狀況與用電方案建議等服務(wù)信息及時(shí)調(diào)整用電計(jì)劃或固有用電模式，培養(yǎng)良好的用電習(xí)慣，制定合理的用電方案，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效用電、優(yōu)化自身利益。

用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)U-EMS，即根據(jù)戶內(nèi)顯示器的信息和改進(jìn)的用電方案對(duì)用戶側(cè)的負(fù)荷和自身配備的分布式電源及儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行實(shí)際調(diào)整的自動(dòng)化系統(tǒng)。特別是分布式電源與儲(chǔ)能設(shè)備可以在接收到系統(tǒng)斷電或由于運(yùn)行狀況不佳需要減少部分負(fù)荷接入的信息后，獨(dú)自維持負(fù)荷一定時(shí)間內(nèi)的正常用電，促進(jìn)用戶對(duì)需求側(cè)管理的積極響應(yīng)，減小用戶因負(fù)荷調(diào)整帶來的不利影響，同時(shí)，分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備也可以通過向電網(wǎng)合理輸送電能，配合電力公司共同維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

用戶戶內(nèi)網(wǎng)的用戶入口不僅可以位于智能電表上，還可以設(shè)置在相鄰的集中器、電力公司提供的獨(dú)立網(wǎng)關(guān)或用戶自身的Internet網(wǎng)關(guān)上面。目前，用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中從網(wǎng)關(guān)到室內(nèi)顯示器之間的通信技術(shù)主要有ZigBee和HomePlug，其中ZigBee的市場接受度最高，應(yīng)用最廣泛。

1.1.3通信網(wǎng)絡(luò)

SM/AMI體系中的通信網(wǎng)絡(luò)具有雙向通信的特點(diǎn)，是智能電表與電網(wǎng)公司之間的信息傳輸通道，是構(gòu)建電網(wǎng)公司、電力用戶和受控電力設(shè)備之間的信息交互網(wǎng)絡(luò)。其中，通信信息基于“雙向”的特點(diǎn)，可以分為上行信息和下行信息。上行信息是用戶向電網(wǎng)公司方向傳輸?shù)男畔?，包括每天按時(shí)、多次讀取的智能電表計(jì)量值，用電設(shè)備的用電狀況，對(duì)需求側(cè)管理的響應(yīng)情況，還有裝置干擾報(bào)警、故障報(bào)警等警告信息。下行信息是配電市場向用戶側(cè)方向傳輸?shù)男畔?，包括用戶的用電量和繳費(fèi)信息、實(shí)時(shí)電價(jià)和用電方案建議，以及系統(tǒng)運(yùn)行狀況和需求響應(yīng)的調(diào)控信息等。

通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常包括分層系統(tǒng)、網(wǎng)狀和星狀網(wǎng)。在分層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，智能電表與電力公司的數(shù)據(jù)中心之間設(shè)置有數(shù)據(jù)集中器，一般安裝在桿塔上、變電站里或其他設(shè)施上。智能電表與數(shù)據(jù)集中器之間由局域網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)中心之間由廣域網(wǎng)連接[9-10]。

通信系統(tǒng)的通信媒介常采用電力線載波PLC、電力光纖通信、McWill無線通信技術(shù)、GPRS公用通信、和無線射頻通信。常用通信媒介的特點(diǎn)及應(yīng)用如附錄A所示。

在SM/AMI體系的通信網(wǎng)絡(luò)中，電能計(jì)量點(diǎn)的數(shù)量龐大、分布廣泛，計(jì)量數(shù)據(jù)采集密度高，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性具有一定要求，并且通信線路的布線和現(xiàn)場環(huán)境都較為復(fù)雜。因此，基于SM/AMI通信網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)和對(duì)幾種通信技術(shù)的綜合比較，應(yīng)合理選擇符合實(shí)際環(huán)境和要求的通信技術(shù)，并通過多種通信方式的相互配合及補(bǔ)充，達(dá)到智能電表與電網(wǎng)公司之間的通信要求。

1.1.4量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)MDMS是一個(gè)具有分析功能的數(shù)據(jù)庫，它通過與SM/AMI體系中的自動(dòng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)ADCS協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶側(cè)計(jì)量信息和事件的分析、管理和長期存儲(chǔ)[11]。MDMS是SM/AMI體系的主要組成部分之一。

ADCS可以將智能電表的計(jì)量信息或故障報(bào)警等其他信息依照提前設(shè)定的時(shí)間收集并準(zhǔn)確傳送到數(shù)據(jù)管理中心，再通過企業(yè)服務(wù)總線ESB與其他系統(tǒng)分享。MDMS從ESB獲取數(shù)據(jù)后，一些需要及時(shí)處理的信息能夠直接傳送到相關(guān)系統(tǒng)，如行動(dòng)工作者管理系統(tǒng)MWM、能量管理系統(tǒng)EMS、停電管理系統(tǒng)OMS、調(diào)度管理系統(tǒng)DMS；對(duì)于另外一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)，如企業(yè)資源規(guī)劃ERP、變壓器負(fù)荷管理TLM、用戶信息系統(tǒng)CIS、電能質(zhì)量管理、負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，MDMS會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后再按其要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

MDMS最基本、最重要的功能是對(duì)采集的SM/AMI數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)、編輯、評(píng)估，以保證在有意外故障發(fā)生時(shí)傳送到其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也是完整和準(zhǔn)確的。此外，MDMS還能夠存儲(chǔ)和維護(hù)使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫，為企業(yè)服務(wù)消費(fèi)者提供基于標(biāo)準(zhǔn)的接口，支持SM/AMI操作與服務(wù)水平管理的復(fù)合視圖和可審計(jì)的服務(wù)歷史，通過與地理信息系統(tǒng)GIS的結(jié)合獲取系統(tǒng)各部分的電壓頻率特性和負(fù)載狀況，通過不同的SM/AMI系統(tǒng)功能模塊規(guī)范化和自動(dòng)化業(yè)務(wù)流程，以及完善現(xiàn)有系統(tǒng)功能并提升商業(yè)效益。對(duì)于電力用戶來說，MDMS系統(tǒng)可以存儲(chǔ)其每天按時(shí)更新的包括報(bào)警信息在內(nèi)的多種詳細(xì)表計(jì)信息，然后進(jìn)行處理、分析和數(shù)據(jù)分享，通常在第二天早晨將各用戶前一天的詳細(xì)用電信息和用電費(fèi)用等發(fā)布在電網(wǎng)公司的官方網(wǎng)站上，以供用戶隨時(shí)查看。

1.2SM/AMI的功能

SM/AMI體系的構(gòu)建對(duì)電力用戶和電網(wǎng)公司都產(chǎn)生了重要影響[12-13]。 對(duì)于電力用戶，它的功能和意義主要表現(xiàn)在：

① 多參數(shù)、精確地計(jì)量。能夠精準(zhǔn)地測量和存儲(chǔ)用戶側(cè)用電信息的多項(xiàng)參數(shù)值，如電能量、雙向有功和無功功率、功率因數(shù)、頻率等。

② 支持雙向通信功能。用戶可以及時(shí)掌握自身用電信息，并讀取電費(fèi)清單。

③ 支持分時(shí)電價(jià)，并為用戶提供大量系統(tǒng)狀態(tài)信息和用電建議，幫助用戶改善原有的用電模式，制定合理、經(jīng)濟(jì)的用電方案。

④ 支持雙向計(jì)量和用戶側(cè)分布式發(fā)電的接入。用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及電價(jià)信息，合理接入分布式發(fā)電裝置和儲(chǔ)能裝置，減小用電成本，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)利益。

⑤ 支持竊電檢測和自動(dòng)報(bào)警等功能。電力公司可通過遠(yuǎn)程監(jiān)測及時(shí)處理竊電、故障等意外狀況，減少用戶的損失。

對(duì)于電網(wǎng)公司，它的功能和意義主要表現(xiàn)在：

① 支持預(yù)付費(fèi)功能。為電力公司帶來了經(jīng)濟(jì)利益。

② 支持自動(dòng)讀表功能。電力公司無需進(jìn)行人工讀表，減少了運(yùn)用成本和讀表錯(cuò)誤率。

③ 支持用戶側(cè)負(fù)荷和用電信息的全面測量和快速傳輸。電力公司可以及時(shí)掌握系統(tǒng)的負(fù)荷及用電狀況，并進(jìn)行較為準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測，從而制定合理的發(fā)電計(jì)劃和調(diào)度策略。

④ 支持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和負(fù)荷的遠(yuǎn)程通斷功能。電網(wǎng)公司可以監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)竊電、報(bào)警等信息以及快速定位和解決故障。同時(shí)，電網(wǎng)公司也可以在取得用戶側(cè)許可的情況下遠(yuǎn)程接通或開斷部分負(fù)荷，以提高電能質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

⑤ 支持分時(shí)電價(jià)，用戶側(cè)分布式發(fā)電的接入和需求側(cè)響應(yīng)，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)南鞣逄罟龋庥秒?，減少電力系統(tǒng)在發(fā)、輸、配過程中的資產(chǎn)投入，減少網(wǎng)損和能源浪費(fèi)，提高資產(chǎn)利用率，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略的實(shí)施。

⑥ 是構(gòu)建智能電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)智能用電的基礎(chǔ)。

2SM/AMI對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行和管理方式的影響

在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)直接接觸用戶，著眼于與用戶進(jìn)行互動(dòng)和需求響應(yīng)的管理，是向用戶提供優(yōu)質(zhì)電力的最直接保證。然而配電網(wǎng)也是眾多故障的多發(fā)地，是造成電能質(zhì)量惡化的元兇，受分布式電源接入的影響極大，尤其是大量新能源及可再生能源的使用與并網(wǎng)引入了配電網(wǎng)雙向潮流流動(dòng)的新問題[14]。并且隨著數(shù)字化在通訊信息等諸多行業(yè)的深入，對(duì)電網(wǎng)適應(yīng)數(shù)字化社會(huì)的要求也日益強(qiáng)烈。基于智能電表的高級(jí)量測體系SM/AMI作為構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)體系正是針對(duì)配電網(wǎng)側(cè)，通過運(yùn)用先進(jìn)的測量傳感技術(shù)和控制決策方法，有效保障電力用戶的電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)的管理水平，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的優(yōu)化管理和電力市場的有效運(yùn)行。

在電力供應(yīng)充足的傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中，電能質(zhì)量低劣，網(wǎng)絡(luò)可靠性差等問題的主要原因多由運(yùn)行調(diào)節(jié)不及時(shí)、調(diào)度管理不善、規(guī)劃和生產(chǎn)運(yùn)行脫節(jié)、電網(wǎng)設(shè)備陳舊以及技術(shù)落后等原因造成。從運(yùn)行方面來看，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，SM/AMI體系的應(yīng)用能夠完善配電網(wǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的監(jiān)測、調(diào)節(jié)、控制、優(yōu)化等功能和非正常運(yùn)行狀態(tài)下的故障修復(fù)、檢修維護(hù)等功能[15-16]。在正常狀態(tài)下，SM/AMI體系可以通過安裝在用戶端的智能電表獲得各節(jié)點(diǎn)用戶實(shí)時(shí)精確的用電信息，包括電壓和電流相量、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等多種電氣信息量，還包括分布式電源運(yùn)行信息、電動(dòng)汽車充放電信息等非電氣量信息；進(jìn)而SM/AMI體系再通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至電力公司，電力公司內(nèi)部的MDMS將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和共享，并和其他系統(tǒng)共同分析處理，從而全面掌握配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確把握用戶側(cè)的負(fù)荷特點(diǎn)和用電行為，進(jìn)行精準(zhǔn)的負(fù)荷預(yù)測，制定合理的發(fā)電與調(diào)度計(jì)劃、以及對(duì)于不同用戶的針對(duì)性需求響應(yīng)策略等。當(dāng)系統(tǒng)因出現(xiàn)某些故障而處于非正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電力公司能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)及時(shí)獲得系統(tǒng)和用戶側(cè)的故障信息，進(jìn)而做出快捷的故障處理操作，縮短故障時(shí)間，減小電力用戶和電力公司的經(jīng)濟(jì)損失[17-19]。

隨著電力用戶對(duì)供電質(zhì)量的要求日益提升，配電網(wǎng)的管理成為了制約配電網(wǎng)完善的較大因素。我國幅員遼闊，自然環(huán)境復(fù)雜多樣，各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)發(fā)展水平存在較大差異，這就導(dǎo)致了各地區(qū)供電公司的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)形式不一，為配電網(wǎng)信息的匯總、統(tǒng)計(jì)和管理帶來了很大的不便。并且我國目前的配電網(wǎng)自動(dòng)化水平較低，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集不夠全面和及時(shí)，針對(duì)配網(wǎng)規(guī)劃調(diào)度和歷史數(shù)據(jù)的管理能力較差，電力公司內(nèi)部的各系統(tǒng)和部門之間缺乏信息交流和共享，對(duì)于大多數(shù)開關(guān)分合、故障定位等措施仍采用手動(dòng)操作，大大降低了事件管理與處理的時(shí)效性和準(zhǔn)確性[20-22]?？偟膩碚f，我國對(duì)于配電網(wǎng)的管理技術(shù)水平落后，管理方法不成熟，缺少智能化的管理平臺(tái)。SM/AMI體系的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)，對(duì)配電網(wǎng)管理水平的提升有一定的積極作用。首先SM/AMI體系對(duì)于配電網(wǎng)中各用戶側(cè)負(fù)荷和信息傳輸中重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取準(zhǔn)確、完整、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，并及時(shí)傳送至電力公司內(nèi)部進(jìn)行記錄和處理，為配電網(wǎng)各方面的管理構(gòu)建了良好的基礎(chǔ)[23-24]。并且位于電力公司內(nèi)部的MDMS在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄處理的同時(shí)也會(huì)和其他系統(tǒng)進(jìn)行信息分享，如能量管理系統(tǒng)EMS、停電管理系統(tǒng)OMS、調(diào)度管理系統(tǒng)DMS、企業(yè)資源規(guī)劃ERP、用戶信息系統(tǒng)CIS、電能質(zhì)量管理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都是構(gòu)成配電網(wǎng)管理平臺(tái)的基礎(chǔ)部分，它們?cè)趯?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)間信息的整合和共享，并共同構(gòu)成了一個(gè)綜合信息平臺(tái)，綜合信息平臺(tái)的建立為電力公司的電能生產(chǎn)規(guī)劃、調(diào)度方案和決策管理的制定提供了數(shù)據(jù)支持，提升了配電網(wǎng)在信息管理方面的水平。

3SM/AMI對(duì)電力用戶電力消費(fèi)行為模式的影響

SM/AMI體系簡單來說是一個(gè)用來測量、儲(chǔ)存、傳輸、分析用戶用電信息和系統(tǒng)運(yùn)行狀況的完整網(wǎng)絡(luò)，基于雙向通信等特點(diǎn)，SM/AMI體系能夠改變電能信息單方向流動(dòng)的現(xiàn)狀，為電力用戶和電網(wǎng)公司的全方位互動(dòng)提供技術(shù)支撐，是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)側(cè)互動(dòng)化的基礎(chǔ)。

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中，電力用戶和電網(wǎng)公司之間缺乏信息交流，電力用戶無法及時(shí)獲取詳細(xì)全面的自身用電信息，也就無法針對(duì)自身用電情況和系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀做出相應(yīng)的調(diào)整，只能被動(dòng)接受電網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)措施，因而用戶側(cè)的電力消費(fèi)行為模式中基本沒有柔性行為，只存在剛性行為。這不僅會(huì)對(duì)電力用戶的經(jīng)濟(jì)上帶來損失，也會(huì)大大降低需求響應(yīng)的作用效果，不利于維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量的可靠性。

在SM/AMI體系中，更多的用戶主動(dòng)參與到需求響應(yīng)中，他們的電力消費(fèi)行為模式一般分為剛性行為和柔性行為[25]。剛性行為指電力用戶側(cè)不參與需求響應(yīng)的某些重要負(fù)荷每天必須產(chǎn)生電力消費(fèi)的行為。柔性行為指電力用戶側(cè)能夠參與需求響應(yīng)的柔性負(fù)荷響應(yīng)電力調(diào)度，產(chǎn)生電力消費(fèi)的行為。柔性行為又可被分為削峰類型、移峰類型和可控類型。削峰類型是指用戶在用電高峰期停止使用部分柔性負(fù)荷。移峰類型是指用戶將用電高峰時(shí)段投入的部分柔性負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段再使用?？煽仡愋褪侵鸽娏就ㄟ^遠(yuǎn)程控制對(duì)用戶側(cè)的可控負(fù)荷進(jìn)行需求調(diào)節(jié)，從而完全掌控電力用戶這部分的電力消費(fèi)行為。對(duì)于削峰類型和移峰類型的柔性行為來說，不僅可以有效減少用電尖峰的持續(xù)時(shí)間，減輕備用容量的壓力，降低因負(fù)荷高峰而必須的基礎(chǔ)發(fā)電設(shè)施的投資；還可以使用戶錯(cuò)開電價(jià)較高的用電高峰期、節(jié)省用電成本，獲得參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的額外補(bǔ)貼，總體上提高了用戶自身的經(jīng)濟(jì)效益和用電可靠性。但是移峰行為存在一定的缺點(diǎn)，如果較多用戶集中將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至用電低谷時(shí)段使用，可能會(huì)造成新的用電高峰期。對(duì)于可控類型的柔性行為來說，電網(wǎng)公司可以通過遠(yuǎn)程操作直接控制重要負(fù)荷的接通與開斷，對(duì)用戶的需求響應(yīng)自主權(quán)進(jìn)行一定的限制，從而電網(wǎng)側(cè)某些緊急或重要的需求響應(yīng)項(xiàng)目就可以強(qiáng)制用戶側(cè)重要負(fù)荷參與調(diào)節(jié)，對(duì)維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了雙保險(xiǎn)的作用[26]。

近年來，新能源及可再生能源技術(shù)的研究在不斷深入，并有望在日后的智能電網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用，尤其是在配電網(wǎng)側(cè)，因而在SM/AMI體系中能源結(jié)構(gòu)將會(huì)更加多元化。一方面是以煤炭發(fā)電為主的傳統(tǒng)能源發(fā)電，由于原材料價(jià)格較為穩(wěn)定，發(fā)電技術(shù)較為成熟，所產(chǎn)生的電能質(zhì)量也就比較優(yōu)質(zhì)和穩(wěn)定，但是造成的環(huán)境污染十分很嚴(yán)重，并不符合減排環(huán)保的電力發(fā)展理念和趨勢。相對(duì)傳統(tǒng)能源的就是新能源及可再生能源發(fā)電，例如太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電，這些發(fā)電形式的原材料成本很低甚至為零，發(fā)電成本的降低也就直接導(dǎo)致了電價(jià)的降低，但是受到自然因素和技術(shù)不成熟的影響，這部分電能的質(zhì)量通常不太穩(wěn)定。面對(duì)各有優(yōu)劣的兩種電能選擇，用戶的電力消費(fèi)行為也會(huì)產(chǎn)生一定的改變。例如，重要負(fù)荷選擇采用質(zhì)量較高的電能，一些非重要的負(fù)荷可以選擇價(jià)格較低的新能源發(fā)電電能。用戶具體的消費(fèi)行為需要根據(jù)自身的用電習(xí)慣和要求而定。

4基于SM/AMI的需求側(cè)資源調(diào)控策略

電力資源一般分為供應(yīng)側(cè)資源和需求側(cè)資源。需求側(cè)資源簡單來說就是存在于用戶側(cè)終端用電設(shè)備的潛在節(jié)電資源，一般包括需求側(cè)能效資源(Energy Efficiency)和需求側(cè)響應(yīng)資源(Demand Response)兩類。需求側(cè)能效資源是指在不影響供電質(zhì)量和電能服務(wù)的前提下，為實(shí)現(xiàn)長期節(jié)電減耗而采取的各項(xiàng)技術(shù)措施。需求側(cè)響應(yīng)資源是指為鼓勵(lì)用戶主動(dòng)改變自身的用電模式、減少用電高峰時(shí)期的負(fù)荷投入、實(shí)現(xiàn)特定時(shí)段內(nèi)的節(jié)電目標(biāo)而采取的激勵(lì)措施[27-28]。

面對(duì)電力需求的持續(xù)增長和電力供應(yīng)側(cè)擴(kuò)容的重重困難，人們將研究的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了需求側(cè)資源。需求側(cè)資源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是指需求側(cè)可以降低電力消耗，緩解用電緊張的能力作為一種資源參與到系統(tǒng)的規(guī)劃中來，并通過分析供電和節(jié)電策略的成本效益，制定出既滿足用戶的電力需求和經(jīng)濟(jì)利益，又有助于降低系統(tǒng)運(yùn)行成本、緩解能源壓力、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的綜合電力資源規(guī)劃方案。而在智能電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行中應(yīng)用需求側(cè)資源可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等效果的同時(shí)，智能電網(wǎng)所擁有的先進(jìn)的測量傳感技術(shù)、控制決策方法，以及管理技術(shù)也為需求側(cè)資源的實(shí)施提供了更好的條件。

在智能電網(wǎng)的配電側(cè)，SM/AMI體系對(duì)終端負(fù)荷的測量、管理及服務(wù)較傳統(tǒng)電網(wǎng)有了顯著的提高。各類的需求側(cè)資源對(duì)于用戶側(cè)負(fù)荷及用電方案的影響程度可以通過智能電表的記錄數(shù)據(jù)、用戶的反饋信息等多方面較為及時(shí)、精確地反映至電網(wǎng)公司。SM/AMI體系尤其對(duì)于需求側(cè)響應(yīng)資源的應(yīng)用有著較大的影響。智能電表不僅能夠采集用戶的用電量等電氣量信息，還能夠采集分布式電源運(yùn)行信息、電動(dòng)汽車充放電信息等非電氣量信息，并且數(shù)據(jù)采集的周期短、精確度高。電網(wǎng)公司對(duì)這些記錄了用戶側(cè)負(fù)荷情況的多方面信息分析處理后，可以制定出更為全面有效的需求側(cè)響應(yīng)策略和對(duì)用戶更有針對(duì)性的用電建議，并發(fā)布實(shí)時(shí)的用電價(jià)格。用戶根據(jù)自身的負(fù)荷情況可以調(diào)整用電方案，減少用電成本，同時(shí)也可以通過合理使用分布式電源及儲(chǔ)能設(shè)備、響應(yīng)需求側(cè)項(xiàng)目獲得額外的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼。用戶和電網(wǎng)公司的這種雙向配合不僅優(yōu)化了用戶的經(jīng)濟(jì)利益，也緩解了系統(tǒng)運(yùn)行的壓力，并且調(diào)節(jié)過程較短，作用效果較顯著，特別是對(duì)于特定時(shí)段內(nèi)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)，節(jié)能降耗有很好的效果[29]。這正體現(xiàn)了需求側(cè)響應(yīng)資源的應(yīng)用。

在電網(wǎng)的規(guī)劃中，需求側(cè)資源也可用于負(fù)荷預(yù)測領(lǐng)域，基于SM/AMI的需求側(cè)資源信息化水平和管理水平更高，可控制和規(guī)劃的需求側(cè)資源也更易應(yīng)用于負(fù)荷預(yù)測。

5基于SM/AMI的高級(jí)應(yīng)用[30]

5.1故障診斷和定位

現(xiàn)如今，大多數(shù)電力用戶在發(fā)生停電故障時(shí)都會(huì)通過電話向故障服務(wù)中心進(jìn)行報(bào)修，但由于饋電線較長，維修人員一般需要較長時(shí)間才能確定出現(xiàn)故障的具體位置。然而在SM/AMI中，通過安裝在配電線路的斷路器，就能夠及時(shí)知道停電事故的發(fā)生地。當(dāng)某個(gè)斷路器的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)告知維修人員，這樣不僅提高了工作效率，縮短了工作時(shí)間，更大大減少了由停電事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失。因此，AMI的使用增強(qiáng)了配電網(wǎng)停電管理系統(tǒng)的功能，提高了故障診斷的能力，也為故障修復(fù)提供了更好地支持。

在實(shí)際應(yīng)用中帶GPRS的饋線終端裝置FTU一般安裝在電線桿上，它們收集開關(guān)的操作信息，如電壓，電流以及它們的狀態(tài)。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，斷路器開關(guān)會(huì)立即閉合，F(xiàn)TU會(huì)將當(dāng)前的電流信息發(fā)送到信息管理中心。在信息管理中心，會(huì)對(duì)每條饋電線上饋線終端收集到的電流信息進(jìn)行分析，從而能夠通過故障電流確定故障的發(fā)生位置。如果故障是瞬時(shí)性的，斷路器將會(huì)在幾秒后進(jìn)行自動(dòng)重合閘，如果不是瞬時(shí)故障，斷路器會(huì)在重合閘后自動(dòng)斷開。開關(guān)的每次動(dòng)作都可以被管理中心的軟件詳細(xì)記錄下來，從而改變相關(guān)開關(guān)的狀態(tài)，隔離故障，并重構(gòu)配電饋線以將損失降到最低。

5.2輔助高級(jí)配電運(yùn)行系統(tǒng)

基于SM/AMI的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于高級(jí)配電運(yùn)行系統(tǒng)有輔助運(yùn)行的作用。首先，饋線終端能夠采集饋電線上不同點(diǎn)的電氣信息量，有助于對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行快速分析和提高。第二，量測數(shù)據(jù)管理中心的地理信息系統(tǒng)GIS可以對(duì)饋電線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)顯示故障發(fā)生的地理位置。第三，在狀態(tài)估計(jì)中發(fā)揮重要作用。通常配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)測量僅限于變電站中，對(duì)配電線路中的潮流分布情況并不清楚，在SM/AMI體系中，配電饋線在始末端的信息均可得到，從而能夠根據(jù)負(fù)荷模型進(jìn)行較為準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測。

6智能電網(wǎng)示范工程

從2009年開始，我國先后開展建設(shè)了21類287項(xiàng)智能電網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目工程。2011年我國首個(gè)中新生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程在天津正式投入運(yùn)行，該示范工程的建設(shè)內(nèi)容主要包括分布式能源接入、儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能變電站、智能電網(wǎng)設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測、配電自動(dòng)化及調(diào)控一體化、電能質(zhì)量監(jiān)測與控制、用電信息采集系統(tǒng)、智能小區(qū)/樓宇、電動(dòng)汽車充放電設(shè)施、通信信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和電網(wǎng)智能運(yùn)行可視化平臺(tái)[31]。其中在基于SM/AMI的配電網(wǎng)側(cè)主要涉及用電信息采集系統(tǒng)中的信息采集系統(tǒng)主站、高級(jí)量測和通信裝置布點(diǎn)，智能樓宇中的智能交互終端、智能電表、用電管理平臺(tái)，電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與控制裝置，電網(wǎng)設(shè)備綜合監(jiān)測系統(tǒng)等。在試運(yùn)行階段，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)已成功監(jiān)測到110kV智能變電站運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及智能小區(qū)電能質(zhì)量指標(biāo)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，為生態(tài)城智能電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)。同時(shí)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)利用AMI的先進(jìn)技術(shù)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式的優(yōu)化和供電質(zhì)量的改善。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生異常故障時(shí)能夠及時(shí)檢查出故障區(qū)段，在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常供電。作為我國首個(gè)實(shí)質(zhì)性建設(shè)的智能電網(wǎng)綜合示范工程，中新生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程對(duì)落實(shí)我國智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的意義。

7結(jié)論

本文針對(duì)SM/AMI體系的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和相關(guān)成果，總結(jié)了SM/AMI體系的結(jié)構(gòu)和功能?；赟M/AMI體系結(jié)構(gòu)和功能的特點(diǎn)，研究并得出了以下結(jié)論：

① 對(duì)于配電網(wǎng)的運(yùn)行和管理方面，SM/AMI體系能夠完善配電網(wǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、調(diào)節(jié)、控制、優(yōu)化等功能和非正常運(yùn)行狀態(tài)下的故障修復(fù)、檢修維護(hù)等功能，并且能夠作為綜合信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的整合和共享，提高配電網(wǎng)的管理水平。

② 對(duì)于用戶的電力消費(fèi)行為模式方面，SM/AMI體系增加了用戶的柔性行為，增強(qiáng)了用戶參與需求響應(yīng)的主動(dòng)性，并有利于維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

③ 對(duì)于需求側(cè)資源方面，SM/AMI體系先進(jìn)的測量傳感技術(shù)和管理技術(shù)為需求側(cè)資源參與電網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)施提供了良好條件。

總之，智能電網(wǎng)作為電網(wǎng)的智能化，應(yīng)用了先進(jìn)的測量、傳感技術(shù)和控制決策方法，具有可抵御攻擊的安全性、可快速恢復(fù)的自愈性、可包含多種類電源的兼容性等特征，是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向和用戶的良好選擇。而智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，SM/AMI又是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的第一步，本文介紹的基于SM/AMI的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過SM可以獲得多種電氣量信息，以及分布式電源運(yùn)行信息、電動(dòng)汽車充放電信息等非電氣量信息，進(jìn)而利用先進(jìn)的通信媒體如：光纖，GPRS等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)傳輸和分析，從而全面掌握配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確把握用戶側(cè)的負(fù)荷特點(diǎn)和用電行為，及時(shí)獲得系統(tǒng)和用戶側(cè)的故障信息，進(jìn)而做出快捷的故障處理操作，更加精確的負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電與調(diào)度計(jì)劃、以及針對(duì)不同用戶的相應(yīng)需求響應(yīng)策略等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)的全面信息采集和監(jiān)控，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)EMS和WAMS系統(tǒng)的不足，因而SM/AMI體系適應(yīng)新時(shí)期智能配電網(wǎng)的特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。

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楊萌(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，電力系統(tǒng)分析、運(yùn)行與控制，E-mail:yangmeng1406@163.com；

艾欣(1964—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)分析、運(yùn)行與控制。

(責(zé)任編輯：林海文)

附錄A

表A1　常用通信媒介的特點(diǎn)及應(yīng)用