以AMI为核心的智能配用电技术体系研究

李卫良,田 伟,王晓丹

(1.国网电力科学研究院，江苏南京210003；2.南京供电公司，江苏南京210008)

围绕电网智能化建设，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、环保、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（DOE）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，通过在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（EPRI）提出将电力能源和信息技术领域深度融合在一起，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、利用清洁能源、加强与客户的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”上提出了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、变比较薄弱等几个方面来看，加强对配用电领域的技术研究是很必要的。

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。特别是面对智能电网，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，智能配用电技术对电网的稳定和能源的使用影响更为关键。在配用电环节，如何实现坚强智能电网战略发展目标成为智能电网配用电环节所关心的重要话题。目前，配用电环节已经不是传统意义上的能源分配和使用，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。以下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4个层次的技术体系架构。

1.1 分布式能源体系有利于接纳分布式电源

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。更多的分布式电源就近接入配电侧。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使用、储能和回馈。事实上，欧美更注重从分布式能源的角度提倡智能电网[5]，可以更大范围地消纳分布式电源、减少污染，这也是整个电力行业对社会的最大贡献之一。特别是城市，随着配网电压等级的提升，在城市电网的220 V，110 V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。这就不但需要从电网的发电段，而且需要从配电端、用电端考虑接入分布式电源[6]。而面对各式各样、不同特性的分布式电源，必须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 配电运行管理体系提高电网的稳定性

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分配，保证在链路上贯通；在其基础上，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，面向不同应用层面，1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，对电网故障进行自我诊断、自我隔离和自我恢复，实现电网自愈，提高电网稳定性，减少停电时间。同时面对分布式电源，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 高级计量体系（AMI）实现公正有效的消费计量

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，智能电表不只是传统的计量电表，更大程度上已经作为一个用户网管，建立起电网与用户交流的桥梁，借助于双向通信技术，实现信息的上传下达，即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。在国外，AMI的前称其实就是自动读表（AMR），以电度表为核心，实现自动抄表功能；随着智能电网的出现，在AMR的基础上，扩充了相应的功能，增加了可控、双向通信等，称为AMI，满足电网智能化需要。

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4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]如下所述：

（1）基于微处理器的用户侧电表，用于interval data(有功、无功功率等)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，包括智能表计量、用户电压控制、动态储能等。例如：意大利电力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年为全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1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，人们可以直观地了解当时的电价，从而把一些需要用电的事情，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，一旦出现问题，可以重新配备电力。

1.4 用电互动体系提高用电满意度和服务质量

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，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4个配用电技术体系能涵盖配用电领域的技术范畴如图1所示。其中，AMI体系贯穿了整个配用电环节，能实现从配电到用电的业务功能。

图1 配用电环节的技术体系架构

2 国外AMI体系的应用实践

美国EPRI提出智能电网的概念，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4个阶段，即AMI、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)和高级资产管理(AAM)[11]，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3月，美国DOE下属的电力传输与能源可靠性办公室又修订为：用户互动（CE），AMI、ADO、ATO、AAM；美国科学技术研究院（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8个优先发展领域，其中就有AMI[12]。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年将为美国家庭安装4 000万个智能电表[13]。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AMI的部署，将所有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AMI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。文献[14]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。文献[15]引用了美国联邦能源管制委员会（FREC）的数据，佛罗里达智能电表的数量从2006年的不到1%发展为2008年的10.4%，2009年仍在持续增长。文献[16-18]提出了利用通过AMI与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。其中文献[16]还提到PECO能源公司在2003年的伊莎贝尔飓风中通过AMR系统有效地实现停电、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；文献[18]提出了AMI在清洁能源发电中的应用。文献[19-21]中提出了AMI在电网资产管理、需求侧响应和用电服务的应用，其中文献[21]还提到通过AMI实现电能质量的集中监视。

可见，无论从政府层面，还是从电力公司层面，国外都强调AMI建设，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 以AMI为核心的配用电一体化技术体系

AMI是随着智能电网概念的出世而形成的，内涵、实现方式出现了一定的扩充，国内称作电力用户用电信息采集系统。国家电网公司在2008年就开始制定相应的电力用户用电信息采集系统的一系列标准，包括实现模式、接口协议和功能规范等，实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、电压等重要信息的实时采集，及时、完整、准确地为“SG186”信息系统提供基础数据，从而为企业经营管理各环节的分析、决策提供支撑，提升企业集约化、精益化和标准化管理水平。因此，从企业经营角度讲，电力用户用电信息采集更易获得企业层的重视和投入。

电力用户用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能，同时通过统一的接口规范和接口技术，实现与营销管理业务应用系统连接，接收采集任务、控制任务及装拆任务等信息，为抄表管理、有序用电管理、电费收缴、用电检查管理等营销业务提供数据支持和后台保障；还可与其他业务应用系统连接，实现数据共享。主站、通信和采集层的系统逻辑架构如图2所示[22]，系统主站的功能及实现架构如图3所示[23]，系统主站与其他应用系统的交互接口如图4所示[23]。

图2 系统逻辑架构

在配电领域，由于20世纪90年代末期走了一段弯路，配电自动化一直没有获得重视，投入相对偏少，配电自动化水平低下，同时，配电自动化需要投入大量的硬件成本改造一次设备，使得配电自动化的成本明显变得庞大。配电自动化系统构成如图5所示[24]。智能电网配电自动化的试点基本以图5的方式开展建设，主要对城市的部分区域进行试点。从几个试点情况来看，对一次设备的改造成本较大。

图3 主站逻辑架构

图4 电力用户用电信息采集系统主站与其他应用系统接口

配电自动化和用电信息采集系统贯穿了整个配用电领域，涉及配电自动化、用电信息采集和用电营销等，这2个系统实现了不同范围内的应用，但需要从底层终端采集信息，配电自动化需要从配电终端上，如配电变压器终端设备（TTU）、开闭锁终端设备（DTU）、馈线终端设备（FTU）等，获取不同的配电信息，用电信息采集需要在不同的用电端口设置电能采集装置。笔者认为这是一种巨大的浪费，2个不同的应用体系可以合二为一或者可以建立互通的技术体系实现信息共享。基于目前笔者对配电自动化的认识，认为不能单纯从改造一次设备、增加投入的角度来理解，应该融合各个环节的技术优势，充分利用现有资源，在电力信息化的时代，完全可以实现电力信息共享、资源互用，更有效提高供电可靠性，减少停电时间。

图5 配电自动化系统构成

从图1来看，智能电表处于几个技术体系的中间环节，也适合我国的电网管理体系和电网现状，可以有效地消除我国目前配电和用电2种孤独的应用带来的弊端，建立以AMI为核心的配用电一体化技术体系，充分利用AMI和95598呼叫中心资源，实现停电故障定位、故障隔离，提高配电自动化水平。互通、融合配电和用电信息是建设电网智能化的技术需求和必须，也符合我国智能电网建设。

4 结束语

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，在智能计量以及用户互动方面正逐步完善。目前，我国配用电停电管理主要基于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，结合95598呼叫中心，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。

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