基于智能电网的AMI系统

刘连永，陈锋，季振东

（1.江苏丹阳市供电公司，江苏丹阳212300；2.东南大学电气工程学院，江苏南京210096）

全球资源和环境压力的增大、电力市场化进程的推进、用户对电能质量和用电可靠性要求的提升等因素使得电力行业面临前所未有的挑战，许多国家和组织不约而同地提出要建设具有灵活、清洁、安全、经济、友好等性能的智能电网，并将智能电网视为未来电网的发展方向。智能电网是电力输配系统综合传统和前沿的电力工程、复杂的感应和监控技术、信息技术和通信技术以提高电网运行效率并支持客户端广泛的附加服务的新型电网[1-4]。智能电网主要由四部分构成：高级计量构架（AMI），高级配电运行（ADO），高级输电运行（ATO），高级资产管理（AAM）。技术上智能电网是通过以上四部分之间的密切配合来实现的[5，6]。发展智能电网的顺序会影响成本和效益，一般来讲AMI的实施是实现智能电网的第一步，同时AMI能够满足智能电网的首要特征：用户的积极参与[4，7-9]。在介绍AMI系统的概念、技术内容的基础上，对AMI系统的结构进行了深入的解释并对AMI系统的意义进行了总结。

1 AMI系统概述

1.1 AMI的概念

AMI系统是一个使用智能电表通过多种通信介质，按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据、提供开放式双向通信的系统，是智能电网的基础信息平台。

AMI不是单一的技术应用，而是综合现有和新的电力技术的整体架构，包括拥有自动调温系统等室内控制的家庭网络系统、智能计量、计量装置与区域数据集中器之间的通信网络、与数据中心的通信网络、计量数据管理系统（MDMS）以及数据在软件平台中的应用。

图1描述了AMI技术及其接口。

图1 AMI接口概观（DOE/OEDER 2008c）

从用户的角度看，智能电表提供消费数据给用户和供电服务方，用户更加清楚自己的电能使用状况，同时，基于预设的消费参数，负荷控制设备根据电价信息协调电力需求。高级用户还可根据这些电价信息展开分布式电能资源（DER）。

电力用户可根据AMI数据制定电能消费策略，甚至提供电能交互服务。

供电方使用后方系统来收集和分析AMI数据，以优化系统运行，提高经济性及服务水平。例如，AMI在用户断电和出现电能质量问题时进行实时信息反馈，使得供电方能够快速地对电网的问题进行定位[7]。

同时AMI的双向通信使电网自动化成为可能。AMI提供充足的系统信息可以实现资产的优化管理，合理安排设备的维修、增添及替换。这些都能够极大地提高电网的效率和可靠性。

1.2 AMI在智能电网中的地位

智能电网的4个部分之间是密切相关[6]的，表现在以下方面。

（1）AMI同用户建立通信联系，提供带时标的系统信息。

（2）ADO使用AMI的通信收集配电信息，改善配电运行。

（3）ATO使用ADO信息改善输电系统运行和管理输电阻塞，使用AMI让用户能够访问市场。

（4）AAM使用AMI，ADO和ATO的信息与控制，改善运行效率和资产使用。

AMI是为了智能电网建立可靠的通信和IT基础设施。AMI连接用户并提供了系统范围内的能观性。

由此可见顺序是有价值，因此一般把AMI视为是实现智能电网的第一步，智能电网的实现顺序如图2所示。

图2 智能电网的实现顺序

由于AMI可在负荷响应和节能减排方面取得巨大效益，许多政府机构已颁布立法条例来推动AMI技术的实施。实现智能电网的效益-成本曲线如图3所示。

图3 实现智能电网的效益-成本曲线

1.3 AMI的技术内容

AMI主要功能是授权给用户，使系统同负荷建立起联系，使用户能够支持电网的运行。AMI是许多技术和应用集成的解决方案，其技术组成和功能主要包括以下方面。

1.3.1 智能电表

传统的电磁式电表只能简单的记录一段时间的整体电能，智能电表是可编程设备，包括以下功能：双向计费功能（支持分布式发电的用户）、分时电价、为用户和电网提供消费数据、停电及恢复供电通告、遥控开关操作、限制供电（未按要求付费或需求响应目的）、电能质量监测、供电堵塞及窃电的监测、与家中其他智能设备通信。

1.3.2 广域的通信网络架构

AMI通信架构支持供电系统、用户和可控负荷之间的连续通信。AMI使用开放的双向通信标准，并具有较高的安全性，能够为智能电网的其他众多功能服务。有很多的通信体系可供选择，目前可利用的方式有：电力线路载波（PLC）、电力线路宽频通信（BPL）、集中或分散式无线通信、互联网通信等。

1.3.3 MDMS

MDMS是一个带有分析工具的数据库系统，它通过与AMI自动数据收集系统（ADCS）的配合使用，处理并储存电表的计量值[10]。如图4所示，MDMS通过企业服务总线（ESB）[8]，能够与以下信息系统进行数据交换：

（1）用户信息系统（CIS）；

（2）能量管理系统（EMS）；

（3）断电管理系统（OMS）；

（4）行动工作者管理系统（MWM）；

（5）企业资源规划（ERP）；

（6）地理信息系统（GIS）；

（7）变压器负载管理（TLM）；

（8）其他运行方面的应用系统。

图4 MDMS与其他管理系统的关系

MDMS的基本功能之一就是确认、编辑和评估AMI数据，以确保在通信中断的情况下流向以上系统数据的完整性和准确性。

1.3.4 HAN

HAN通过网关或用户入口把智能电表和用户户内可控的电器或装置连接起来，并且具有能量管理功能，例如：用电情况及电价的室内显示；根据消费者输入的参数对电价信号做出响应；设置参数以限制供电公司或局域控制系统对用户特殊设备的操作；不包含连续型供电负载进行控制。

HAN为用户提供了一个接入电力市场的智能接口，并能为用户提供安全监测等附加服务。HAN能以多种方式实现，用户端口可安装在智能电表、附近的数据集中器、电力公司提供的关口，甚至用户提供的设备上，也可以把这部分的通信归于AMI的局域网中。

1.3.5 可使用的网络接口

AMI利用MDMS与系统侧的应用系统互联以支持ADO，ATO，AAM。例如，ADO所包含的使用高级传感器的配电管理系统需要用到AMI所提供的电能质量数据；ADO所包含的高级断电管理系统需要用到AMI的实时断电信息。

2 AMI系统组成

2.1 AMI系统结构图

图5展示了AMI系统的结构。包括3个主要部分：数据集中器、通信网络和数据处理中心。

图5 AMI系统结构

2.2 数据集中器

数据集中器通常安装在塔杆上、变电站里和其他一些设施上。它连接了局域网和广域网，是智能电表和数据处理中心的数据中转站。数据集中器可以通过LAN收集智能电表的数据并提供给数据中心，而且还能中继数据处理中心给电表和用户发送命令和信息。

2.3 数据处理中心

数据处理中心通过WAN接受数据集中器传送过来的数据。它也能够发送配置数据到智能电表。处理中心计算机安装了软件系统来处理接收的数据并且发送配置参数。这个系统将数据存入数据库后，还能够给其他系统（GIS，OMS，TLM等）使用。处理中心的计算机的网络如图6所示。数据从AMI数据库传输到其他管理或者控制系统是通过LAN实现的。数据处理中心的网络结构如图6所示。

图6 数据处理中心的网络结构

供电商和消费者也可以通过数据处理中心提供的Web服务器访问数据。现在国外常用的做法是MDMS在每天午夜至凌晨3：00之间将前一天的数据收集过来。经过分析和处理后存入共享数据库，其他相关的运行和管理系统可以读取。电力公司在清晨6：00前将用电和电费信息数据放到Web服务器上，以方便用户通过门户网站读取[9]。

2.4 通信网络

AMI系统采用固定的双向通信网络，一般使用分级的通信构架。如图5所示，整个AMI系统有2个等级的通信：第一级是智能电表与数据集中器的LAN通信；第二级的通信是数据集中器和数据处理中心之间的WAN通信。

2.4.1 第一级通信

这一级的网络是区域范围内的LAN，通常对通信的速率要求不高，因而它最主要的考虑是以最低成本连接到用户。网络的构建主要依赖于智能电表提供的通信接口，目前使用较多的通信方式有：BPL、无线城域网（WiMAX）、PLC。

2.4.2 第二级通信

随着通信技术的发展，许多通信技术能够应用于这一级的通信，如：PLC、BPL、光纤、无线射频、因特网等。基于安全性和快速性的优点并结合现有的设施，光纤和无线射频中GSM及GPRS能够广泛地用于此数据通信。

GSM是第二代的网络系统，能够提供短消息服务（SMS）和数据（DATA）服务。SMS适合于少量的数据交换，而GSM的DATA功能能够进行大量的数据交换，可根据实际数据集中器的数目来选择服务种类。

2.5 系统工作过程

AMI系统可以工作在轮询和定时数据接收状态。在轮询状态，数据处理中心通过发出命令的方式让数据集中器来收集数据；在定时数据接收状态，数据集中器在特定时间收集并发出数据给数据处理中心。数据种类和间隔时间可以由数据处理中心的MDMS设置。

具体的工作步骤如下。

（1）数据收集器从相应的智能仪表收集要求的数据，例如三相电压、电流、功率。

（2）数据通过通信网络传输。由于是双向通信的构架，数据可以由电力公司来定制。

（3）在数据处理中心，数据分析管理软件帮助操作员计算必要的静态量并且创建报表。当侦测到电力系统或智能电表的非正常运行状况，例如仪表故障或者不正常的电力消费，警报数据将迅速上传到数据中心。

通过计算和分析，收集的数据用来分析负荷的消费特性、电压分布等。并将数据通过公用数据库提供给其他管理系统使用。此外，通过双向通信消费者能够得到自身的运行信息，例如电价、账单、预付款、警告等。

3 AMI系统的意义

AMI系统的构建将会给用户、电力公司及社会带来诸多好处，因而具有非常重要的意义[10]。

（1）对用户来讲，AMI意味着更多的电力价格和服务的选择、较少的干扰、获得更多的信息以便管理消费以及制定其他策略。同时，AMI能够给用户提供高可靠性、高质量电能以及更准确的缴费清单。另外，AMI能够帮助用户有效地减小用电成本。作为社会的一员，用户也可以获取AMI带给社会的整体利益。

（2）对电力公司来讲，AMI减少了人工读表等工作给电力公司带来的运行费用，提供准确和实时的消费清单，提高运行效率和系统可靠性，提供更好的客户服务。

（3）从运行方面来讲，AMI能够帮助电力公司及时地发现停电事故的时间及地点，以便及时的派遣员工进行抢修，因此缩短了断电恢复时间，并可提前通知用户恢复供电的可能时间。采用AMI技术，电力公司可以高效地管理用户，可以远程控制连接和中断供电。利用远程诊断技术可以快速管理设备维修和用户服务问题，AMI同样支持分布式发电和电费预付等问题。

（4）对社会而言，AMI提高了能量的传输和使用效率，节省了能源，营造了一个很好的环境。

4 结束语

AMI系统是连接用户和电力系统的桥梁，它通过网络将电网、用户、发电及能量储存等各部分有效地连接成一个整体。在使用户直接参与电力市场的同时，它也将大大提升电力公司的资产管理水平和运行机制。

作为智能电网构建的第一步，它将为智能电网的构建打下基础，但AMI系统触及到电力系统的各个层面而且投资较大，因而在构建时需要在利用现有设施的基础上做出周详的规划和论证，以取得预期的目的。

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