前言
1.1 智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" title="智能電網">智能電網" 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智能電網作為美國總統奧巴馬經濟刺激方案的重要項目之一，幾乎在一夜之間“成名”，而且美國還為此制定了35億美元規模的預算。
5月21日，國家電網公司總經理劉振亞在“2009特高壓輸電技術國際會議上”指出：“國家電網將立足自主創新，加快建設以特高壓電網為骨干網架，各級 電網協調發展，具有信息化、數字化、自動化、互動化特征的統一的堅強智能電網。”這是此前一直保持緘默的國家電網首次正面對智能電網作出回應。
智能電網首先應當是一個堅強的電網，堅強是智能電網的基礎，智能是堅強電網充分發揮作用的關鍵。中國電網的目標就是要建設堅強智能、堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動的現代電網。
國家電網將按照統籌規劃、統一標準、試點先行、整體推進的原則，在加快建設由1000千伏交流和±800千伏、±1000千伏直流構成的特高壓骨干網 架，實現各級電網協調發展的同時，圍繞發電、輸電、變電、配電、用電、調度等主要環節和信息化建設等方面，分階段推進堅強智能電網發展。到2020年，將 全面建成統一的堅強智能電網，使電網的資源配置能力、安全穩定水平以及電網與電源和用戶之間的互動性得到顯著提高。
堅強智能電網以堅強 網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節，覆蓋所有電壓等級，實現“電力流、信 息流、業務流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動的現代電網。而國外的智能電網側重在配電和用戶側，重點研發可再生 能源和分布式電源并網技術，電動汽車與電網協調運行技術以及電網與用戶的雙向互動技術。”
根據預計，2020年中國可再生能源裝機將達 到5.7億千瓦，占總裝機容量的35%，每年可減少煤炭消耗4.7億噸標準煤，減排二氧化碳13.8億噸。其中，風能、太陽能等非水電的可再生能源比例將 大大提高，而這些間歇性可再生能源的大規模利用將對傳統電網提出挑戰，而智能電網將可以很好地解決此問題。
對此，，智能電網不會改變傳 統電網的形態，不可能改變電力系統運行規律和基本理論，只會在傳統電網安全、經濟的基礎上更清潔、高效。堅強智能電網的主要作用表現為，通過建設堅強智能 電網，提高電網大范圍優化配置資源能力，實現電力遠距離、大規模輸送，滿足經濟快速發展對電力的需求。
通過建設堅強智能電網，將實現可再生能源集約化開發、大規模、遠距離輸送和高效利用，改善能源結構。此外，通過建設堅強智能電網，可實現各類集中、分布式電源、儲能裝置和用電設施并網接入標準化和電網運行控制智能化，提高電力系統資產的運營效益和全社會的能源效率。
國家電網智能電網戰略研究對發展智能電網提出了框架性的發展目標，國家電網公司將分三個階段推進堅強智能電網建設。2009年—2010年是規劃試點階 段，重點開展堅強智能電網發展規劃，制定技術和管理標準，開展關鍵技術研發和設備研制，開展各環節的試點;2011年—2015年是全面建設階段，將加快 特高壓電網和城鄉配電網建設，初步形成智能電網運行控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現重大突破和廣泛應用;2016年—2020年是引領提升階段， 將全面建成統一的堅強智能電網，技術和裝備達到國際先進水平。屆時，電網優化配置資源能力將大幅提升，清潔能源裝機比例達到35%，分布式電源實現“即插 即用”，智能電表普及應用。
1.2 智能電表背景介紹
隨著國民經濟的不斷發展,電力已經成為國家的最重要能源。就民 用電力來說,由于人民物質生活的極大豐富,生活質量迅速提高,對電力的需求也越來越大。但是,當前居民用電的管理過于落后,居民用電管理收費多年來一直采 用先用電、后抄表、再付費的傳統作業方式。居民用電絕大多數實行“分表制”,即若干集中居住的家庭(一個居住單元或若干居住單元的集合)使用一個總的電 表,每戶裝一個分電表,電力部門抄表員抄收總電表的電量,作為居民交付電費的依據。
居委會或物業管理部門還需去抄取各家電表的讀數,按 比例收取電費。這種用電管理模式,給居民帶來諸多不便,而且增加了管理人員的工作。據統計,僅電力部門的抄表隊伍人數就數以萬計,且人為方式弊端多,工作 效率低,給管理部門造成了人力、物力、時間上的極大浪費。為了適應社會的需要,保證用戶安全、合理、方便地用電,對傳統的電表和用電的管理模式進行改造, 使之符合社會發展的需要就顯得很有必要。
長期以來,我國生產的交流電度表均為感應式機械電度表,幾十年來不得不采用人工抄讀電表的原始 方式。目前全國大部分電力公司、電業局完成了用電營業計算機管理系統的開發和應用。但作為用電管理最重要也是最基礎的用電數據仍采用原始落后的人工抄收的 方法,不但勞動強度大、效率低,而且還會存在抄表不到位、估抄、漏抄、錯抄、錯算及抄表周期長等問題,對竊電的防治更無從談起。在社會走向信息化,網絡 化,電力系統大踏步現代化的今天,手工抄表更是與無人值班等高度的自動化形成了鮮明對比,成為制約供電系統現代化管理的一大障礙。就系統的完整性而言,電 力系統從發電,配電,傳輸一直到區域變電所已基本實現網絡化管理,而唯獨用戶終端沒有和網絡連接上,造成了系統的不完整,直接或間接的影響了系統潛能的發 揮。
正是由于以上背景,智能電度表應運而生。所謂智能電表,就是應用計算機技術,通訊技術等,形成以智能芯片(如CPU)為核心,具有電功率計量計時、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表。
智能電表的現狀
目前,國內智能電度表從結構上大致可分為機電一體式和全電子式兩大類。機電一體式,即在原機械式電度表上附加一定的部件,使其既完成所需功能,又降低造 價且易于安裝,一般而言其設計方案是在不破壞現行計量表原有物理結構,不改變其國家計量標準的基礎上加裝傳感裝置變成在機械計度的同時亦有電脈沖輸出的智 能表,使電子記數與機械記數同步,其計量精度一般不低于機械計度式計量表。這種設計方案采用原有感應式表的成熟技術,多用于老表改造。全電子式則從計量到 數據處理都采用以集成電路為核心的電子器件,從而取消了電表上長期使用的機械部件,與機電一體化電度表相比具有電表體積減小,可靠性增加,更加精確,耗電 減少,并且生產工藝大大改善,不必只在原有意義上的專業電度表廠生產等優越性,最終會取代帶有機械部件的計量表。
傳統的電表可以分為單向機電式，單向電子式，多向機電式，多向電子式。從2007年開始，到預期的2011年，各種電表在實際使用中所占的比例如圖1所示：
而電度表作為電費收取的計量依據,涉及到一個抄表問題,因此有必要從電度表的抄表方式進行分類。從現行技術來看主要有IC卡式,遠傳抄表式。
2.1 IC卡電表收費系統
IC卡電表收費系統的成本較低、可靠性高、使用壽命長。IC卡是用硅片(EEPROM)來存儲信息的,一張IC卡至少也可以使用10年以上。IC卡電表收 費系統安全性高,不易仿制,收費準確,不易出錯。它具有很強的加密性。采用IC卡電表收費系統可提高居民用電收費的管理水平,確保電力部門能及時收到電費 (用戶不繼續買電,將被斷電)。IC卡表的系統功能包括預收費功能,報警功能,斷電功能,顯示功能和加密功能。
IC卡表的整個收費系統 包括主機,IC卡電表和IC卡三部分。IC卡電表收費系統,實現了用電收費電子化,其技術成熟可靠,電力部門可以不必再為收費問題而發愁。所以,IC卡收 費系統在我國得到了較大范圍的推廣。但是,從系統的角度來看,由于用戶終端與系統主機并沒有直接聯系,只有在用戶持卡交費時才能了解到用戶情況,信息反饋 滯后,可以講,用戶終端仍然與整個網絡脫節。從經濟角度來看電力部門先收費后送電不符合經濟政策,可以說在一定程序上侵犯了用戶的利益,所以現在有許多城 市已經原則上不再審批新的IC卡表項目,從長遠來看,IC卡收費系統只能作為一種過渡性產品。
2.2 遠程自動抄表系統
遠程自動抄表系統實現用電數據的自動抄收,可杜絕人工操作的一切弊端。用戶的用電數據可直接進入用電營業的計算機管理系統,用電管理人員可隨時監視用電 情況,發現問題(如故障、竊電等)及時處理。線損情況直接影響著供電部門的經濟效益,以前不管人工抄讀還是IC卡表都無法準確計量線損情況,找到線損原因 也很困難,而采用遠傳抄表后可以幾乎同時取得總表讀數和分表總讀數,隨時掌握線損情況,并較容易地分析線損原因以便加以處理。隨著形勢的發展,居民在銀行 開設個人賬戶,營業計算機管理系統與銀行聯網,完成數據的自動抄收、處理、銀行轉賬交費等全套操作,可真正實現用電管理的自動化。現在國內的遠傳抄表系統 主要有485總線和載波抄表兩種形式,載波集抄系統是利用專用芯片對用電數據進行調制解調,通過電力線進行通訊以實現集中抄表。485總線方式的數據傳輸 可靠性高,且造價較低,缺點是需布線,安裝較復雜,另外拉線易被人為破壞,特別是現在許多小區不允許拉明線,使這種總線方式難于施工。現在采用較多的方案 是用戶終端到數據集中器采用電力線載波通訊,數據集中器到上位機用專用電話線。當然,根據小區的不同情況,也有很多采取485總線與電力載波配合使用的方 案。在由中國計量協會電能計量分會主力的’99全國低壓電力線載波抄表技術研討會上,低壓電力線載波抄表系統已被國家電力公司列為推薦模式。認為這是一套 技術先進,符合實際需要,極具開發潛力的系統。
智能電表的原理和特點
3.1 智能電表的構成和原理
電子式智能電表,是在電子式電表的基礎上,近年來開發面世的高科技產品,它的構成、工作原理與傳統的感應式電能表有著很大的差別。感應式電表主要是由鋁 盤、電流電壓線圈、永磁鐵等元件構成,其工作原理主要是通過電流線圈與可動鉛盤中感應的渦流相互作用進行計量的。而電子式智能電表主要是由電子元器件構 成,其工作原理是先通過對用戶供電電壓和電流的實時采樣,再采用專用的電能表集成電路,對采樣電壓和電流信號進行處理,并轉換成與電能成正比的脈沖輸出, 最后通過單片機進行處理、控制,把脈沖顯示為用電量并輸出。
通常我們把智能電表計量一度電時A/D轉換器所發出的脈沖個數稱之為脈沖常 數,對于智能電表來說,這是一個比較重要的常數,因為A/D轉換器在單位時間內所發出脈沖數個的多少,將直接決定著該表計量的準確度。目前智能電表大多都 采用一戶一個A/D轉換器的設計原則,但也有些廠家生產的多用戶集中式智能電表采用多戶共用一個A/D轉換器,這樣對電能的計量只能采用分時排隊來進行, 勢必造成計量準確度的下降,這點在設計選型時應該注意。
3.2 智能電表的特點
由于采用了電子集成電路的設計,再加上具有遠傳通信功能,可以與電腦聯網并采用軟件進行控制,因此與感應式電表相比,智能電表不管在性能還是操作功能上都具有很大的優勢。
(1)功耗:由于智能電表采用電子元件設計方式,因此一般每塊表的功耗僅有0·6w~0·7w左右,對于多用戶集中式的智能電表,其平均到每戶的功率則更小。而一般每只感應式電表的功耗為1·7w左右。
(2)精度:就表的誤差范圍而言,2·0級電子式電能表在5%~400%標定電流范圍內測量的誤差為±2%,而且目前普遍應用的都是精確等級為1·0 級,誤差更小。感應式電表的誤差范圍則為+0·86%~-5·7%,而且由于機械磨損這種無法克服的缺陷,導致感應式電能表越走越慢,最終誤差越來越大。 國家電網曾對感應式電表進行抽查,結果發現50%以上的感應式電表在用了5年以后,其誤差就超過了允許的范圍。
(3)過載、工頻范圍: 智能電表的過載倍數一般能達到6~8倍,有較寬的量程。目前8~10倍率的表成正為越來越多用戶的選擇,有的甚至可以達到20倍率的寬量程。工作頻率也較 寬,在40HZ~1000HZ范圍。而感應式電表的過載倍數一般僅為4倍,且工作頻率范圍僅為45~55HZ之間。
(4)功能:智能電 表由于采用了電子表技術,可以通過相關的通信協議與計算機進行聯網,通過編程軟件實現對硬件的控制管理。因此智能電表不僅有體積小的特點,還具有了遠傳控 制(遠程抄表、遠程斷送電)、復費率、識別惡性負載、反竊電、預付費用電等功能,而且可以通過對控制軟件中不同參數的修改,來滿足對控制功能的不同要求, 而這些功能對于傳統的感應式電表來說都是很難或不可能實現的。
智能電表的發展方向
隨著智能電表的使用越來越廣泛，對我們的生活也產生了越來越多的有利影響，同時也在潛移默化的改變著我們的生活。
根據中國電網提出了總體規劃，并總結我國10年來電網電表的發展，我們可以得出圖2中顯示的結論：
要實現電表集中自動抄表,其前提是電表需首先實現智能化,這樣才能實現數據出戶,以達到集中抄表的目的,目前國內外常見的應用于集中抄表的電表有以下幾種形式。
4.1 機電結合的電度表
第一類機電結合的電度表,是在原有的機械表的基礎上,加裝電子式計數裝置和相應的控制、通訊電路,或加上IC卡讀寫接口以實現自動計量計費和控制;其基 本結構是在原有機械電度表的轉盤上打孔或涂(貼)上能吸收光線的材料,通過光電轉換,將機械轉盤的轉動變換成電脈沖信號,再進行相應的計數處理。這類電度 表由于其計量原理沒有改動,其計量精度和特性與機械表完全一樣,而成本相對較高,其優勢在于能充分利用現已安裝使用中的大量的機械電度表,且其計量原理為 大眾所熟悉而容易接受。
另一類機電結合的電度表則是采用電子式計量電路在獲得數字式脈沖信號后,通過微型電機驅動字碼轉輪得到電能計數 值,這種結構是最簡潔可行的電子式電度表的方案,但遺憾的是其對計量電路的要求較高,即要求所有的表都按一個固定的比例將電能值轉換為對應數量的數字脈 沖,才能按正確的速度驅動微電機以轉動字輪。這個比例就是所謂的電表常數(imp/kWh),由于電路中所用的決定脈沖速度的定時元件大都是參數離散性較 大的阻容元件,為了保證電度表的計量精度和產品的一致性,就必須在生產過程中加強對元件的篩選和對半成品的調校,也就是說要增加相應的人力物力的投入并要 延長生產周期,從而使電度表的生產費用和成本有所增加。另外這種結構的電度表在數據收集和用戶繳費方式上與老式的機械表沒什么區別,應屬淘汰產品。
4.2 全電子式電度表
全電子式電度表則是當今國內最先進的一類電度表,其采用先進的單片機技術和專門設計的電能測量集成電路,具有計量精度高、可防止竊電、自身損耗低和可靠 性高等特點。其中的一些型號還具有復式計費功能。由于此類電度表的用電量數據已經數字化,可以很方便地與各種數據收集傳送電路配合組成自動計量計費的系 統,是現行家用電度表的換代產品,該類產品的大量使用將節省供電部門大量的抄表計算工作,并能及時回收電費(先付費后用電),具有巨大的經濟效益和社會效 益。
關于抄表方案,國內近幾年流行以下幾種模式:
(1)總線制集中抄表:電表部分采用智能電表,各戶智能電表信號線并接在一根總線上,總線連接到樓下轉接器,各樓轉接器與小區的集中器相連,由集中器集中供電。
(2)電力載波抄表:電力載波集中抄表系統是直接利用現有低壓輸電線路進行數據傳輸的集中抄表系統,省去了鋪線工程,優勢明顯。該系統集微電子技術、通 訊技術和計算機技術于一體的高新產品,具有高可靠且安裝簡單等顯著特點,廣泛適用于城市及農村的電表、氣表抄收、計費和監控。但由于電力線是給用電設備傳 送電能的,而不是用來傳送數據的,所以電力線對數據傳輸有許多限制:(1)配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用,所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區 域范圍內傳送;(2)不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同;(3)電力線存在本身固有的脈沖干擾。另外電力線上的高削減、高噪聲、高變形,使電力線成 為一個不理想的通信媒介,但由于現代通信技術的發展,使電力線載波通信成為可能,其中數據信號的信噪比決定傳輸距離的遠近。電力線載波通信的關鍵就是選用 一個功能強大的電力線載波專用Modem芯片。
全電子式電度表系統組成：
(1)遠傳表。具有脈沖輸出的水表、電表、氣表、熱表等計量表為遠傳表,其計量方式與傳統表一樣,不同的是在原基表上增加了脈沖輸出功能,每個脈沖代表一定的計量值。采集器通過遠傳表脈沖輸出端口采集脈沖。
(2)采集器。采集器能同時采集水表、電表、氣表、熱表等輸出的脈沖信息,并將這些脈沖信息轉換成計量認可的物理量,存儲在各采集器的存儲器中,通過管理微機,可以查詢系統中任意一戶的耗能信息,并在管理微機的抄表等命令下將用戶信息上傳。
(3)轉換器。轉換器的主要任務為:完成與采集器的數據通信工作,向采集器下達電量數據凍結命令,定時循環接收采集器的電量數據或根據系統要求接收某個 電表或某組電表的數據。根據系統要求完成與主站的通訊,將用戶用電數據等主站需要的信息傳送到主站數據庫中。下行通道指的是轉換器與采集器之間的通信線 路,主要有總線抄表系統、載波抄表系統和紅外抄表系統等三種方式。通信信道上行通道指的是轉換器與主站之間的通信線路,可以采用電話、無線、專線等通信介 質。
(4)系統管理軟件功能。系統管理軟件以通訊為基礎,以數據庫為核心,提供數據處理、查詢、統計、報表、備份等功能;采用面向對象 和模塊化相結合的方法,靈活支持不同客戶的要求,如特殊格式報表,權限控制等;持客戶原有的管理系統,可與其它管理軟件接口,提供數據接口和通訊接口,具 有網絡通訊功能;可同時管理多個小區,對各小區設置通訊參數;電表管理,設置電表的原始參數、地址、及其狀態;費率管理,可任意設置多種費率,設置各能源 的單價;用戶管理,管理和控制每戶的用量,管理用戶的結算方式;實時抄表功能,系統可抄取各能源表的實時數據;費用自動計算,實現將公共能源損耗平均分攤 或按比例分攤到每戶并根據查表數據和單價,自動計算每產應交費用,以便向用戶收費;打印功能,打印各用戶費用清單;查詢功能,可隨時查詢任一戶、任一單元 全部住戶及整個小區內所有住戶的耗能信息。
4.3 無線抄表
無線抄表是利用空間的無線信道實現數據傳送的,這樣的抄 表方式毋須置疑是最為簡單、方便的抄表模式,甚至在最近建設部某通訊規約的討論稿中也初定了三表無線抄表使用的無線電頻點,但無線數據傳輸存在著在建筑物 對無線電信號的反射、吸收等作用下,信號傳輸不穩定的問題,另外表具安裝位置、空間抗擾等也對其穩定工作有較大影響,同時無線電表產品自身也存在功耗等問 題,因此該模式概念上雖然都很好,但真正大面積推廣應用還有相當的歷程。舊的事物消亡,新的事物產生,是辯證唯物主義發展觀中事物發展規律必然趨勢,同樣 智能電表的發展是也是隨著科學技術的不斷進步而必然前進的,市場的需求也進一步推動了該產業的進步,因此,無論各地的用水管理部門還是智能電表生產廠家, 都迫切需要有一個規范化的標準,以使目前的電表行業早日步入規范化、標準化的發展道路。
結論與展望
當前,全國電力供 需矛盾突出,加強電力需求管理,控制不合理用電也是節約。實現電力需求管理和綜合電力資管理,是電力供應發展的方向。集中式智能電能表不僅能現電能計量、 還能實現電能控制。當電力充足時,可復費電計量,降低電價,鼓勵用電;電力供用緊張時,可限制用電或止供電,提高電價,保證重點用電需求。現在我國城鎮通 訊絡已比較完備,并已延伸到各個角落,應用集中式智能電能構建智能電能管理系統,并結合通訊網絡技術,建立電能計，遠程抄表?用電負荷控制系統,實現電力 供需平衡,保證網安全有著廣闊的應用前景,也為實現電力需求側管理提了一條新途徑。
智能抄表系統是利用當代微機技術、數字通訊技術與計 量技術的完美結合，集能耗計量、數據采集、數據處理于一體，將城市居民能耗信息與綜合處理相結合的系統。該系統使公用事業部門及物業管理部門從根本上減輕 人工上門抄表的繁雜勞動。準確而便捷的收費系統，既可節省人力，又可減少相關事業部門與客戶之間的糾紛，不但能提高管理部門的工作效率，也適應了現代用戶 對繳費的新需求。
本文充分利用了居民住宅現有的電表資源和通訊資源，借助RS一85通訊的便利，建立了集底層電表層、中層數據集中層以 及上層上位機的人機界面管理一體的智能遠程抄表系統。該系統選用了單片機作為中央處理單元，具有硬件簡單、功能強大、可移植性強、安裝及維護方便、環境適 應能力強、成本較低等特點。但是，由于條件和測試手段的限制，本系統還需要在實用環境進行檢驗，針對使用過程中出現的硬件和軟件問題來進行系統升級，最終 實現硬件和軟件的固化，形成比較成熟的抄表系統產品。
雖然論文作了一些的研究調查，以及總結工作，但整個遠程抄表系統的設計是一個相當大的系統工程，由于時間和條件限制，論文只作了其中一部分研究，仍存在一些問題需要今后去研究解決。隨著技術工作者的不斷努力，不久就會有更趨完善的方案的出現。