基于电力物联网的计量系统及其关键问题分析

王仁书（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

基于电力物联网的计量系统及其关键问题分析

王仁书
（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

智能电网和物联网不断相互融合产生电力物联网，而基于电力物联网的计量系统也成为电力计量的发展趋势。文中在介绍电力物联网和计量系统结构的基础上，以高级计量架构为例，阐述基于电力物联网的计量系统的特点，并分析了系统中的关键问题。为了保证计量系统的准确性，考虑计量系统的校准问题并作为今后工作的重点。

电力物联网；计量系统；物联网；智能电网；校准

1 引言

物联网（Internet of Things，IoT）将传感、网络通信、云计算等多种技术融合，实现终端信息采集、网络传输、数据自动处理以及智能决策等功能[1]。智能电网作为传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代电网的升级和跨越，成为重点发展的技术。物联网和智能电网存在许多共性技术，都需要对大范围、大规模且高度分散的设备进行信息采集、传输和处理，因此二者在发展过程中相互融合产生了电力物联网[2]。

作为智能电网的重要组成部分，计量系统随着电力物联网的推进也在不断地变化发展。基于电力物联网的计量系统具有分布式、网络化、数字化的特点，系统的自动化、网络化程度得到大幅提升，极大地提高计量系统性能和计量工作的效率。因此，基于电力物联网构建的计量系统将成为计量系统未来的发展趋势[3-4]。

2 电力物联网与计量系统

2.1 电力物联网简介

图1 电力物联网的架构

如图1所示为电力物联网的结构图。电力物联网分为三层：感知层、网络层和应用层。其中，感知层负责实现对实际物理对象的协同感知、识别、信息采集，并且能够接收和响应系统上层发送的指令；网络层承担系统上下层间的通信纽带功能，包括了多种通信网络，可根据信息的用途和敏感程度选择相应的网络进行数据传输；应用层包括网络设施、中间件和应用程序，能够对收集的终端信息进行综合分析和处理，为电力系统运行提供智能化决策、控制和服务。三个子层的有机结合共同支撑电网中发电、输电、变电、配电、用电和调度的正常运行。

2.2 计量系统的分类

电力计量覆盖范围广，包含了电力生产、输电、变电、配电、用电过程参数的计量。目前有许多形式的计量系统，从结构上主要分为集中式、分区集中式和分布式。集中式的计量系统具有结构简单，管理方便的特点，但是也存在一些不足：现场设备到系统上层之间需要敷设大量电缆，模拟信号经过较长距离的传输容易产生信号衰减、失真，导致系统的稳定性和准确性降低。另外，集中式系统的扩展性较差，而且还存在集中式故障的问题。因此，集中式的系统适用于对系统准确性和可靠性要求低、被测对象少的场合。

为了提升计量系统的扩展能力，在集中式系统的基础上，提出了分区集中式系统。在这类系统中，被测信号被分成若干个区域，并使用模拟总线对各个分区分别进行汇集和选通，然后再以模拟信号方式传送到上位机。与集中式系统相比，系统减少了现场电缆数量，同时提升了系统的扩展性能，但是系统中信号的抗干扰性和同步性无法得到保证。

随着系统规模的不断扩大，为了满足实际应用需求，计量系统呈现分布式、数字化、网络化的发展趋势，模拟信号被就地进行数字化处理，然后通过网络将数字化信号传送到系统上位机。由于采用数字信号进行传输，计量系统中数据传输的抗干扰能力得到极大地提升，而且系统能够进行同步测量控制。

通过上述对比可以看出，数字化、网络化到现场已经成为计量系统的发展趋势。基于电力物联网的计量系统在现场感知设备上增加智能计量设备，对电力系统的监测数据就地进行采集、运算和数字化处理，并通过物联网技术传输数据，形成面向智能电网的计量系统。

3 基于电力物联网的计量系统

3.1 系统简介

基于电力物联网的计量系统的典型代表 为 高 级 计 量 架 构（Advanced Metering Infrastructure，AMI）。AMI是为了满足现代电力系统的发展需求，建立用户和电网之间的能量流、信息流、业务流的实时双向互动关系[5-6]。AMI分为智能终端、智能计量、上行网络和主站系统四层，具体架构如图2所示。与图1对比，AMI在电力物联网架构中增加智能计量设备并构建网络，形成智能计量层。另外，由于在计量系统中，只需要向上层传输采集信息，因此网络层主要执行上行通信的功能。所以，AMI是在电力物联网基础上构建的计量系统。

图2 基于电力物联网的高级计量架构

根据图2所示，系统中不仅各个分层之间通过网络连接，在每个分层内部也包含了多种通信网络，充分应用了网络化、信息化技术，形成了分布式采集、分层传输、集中监控的特点：

（1）在智能终端层中包含了大量的智能信息采集设备，这些设备与被测对象就地直接连接，由于本层包含的设备数量较多，为了避免过多的数据同时发送到系统上层，造成网络拥塞，在本层中设计合并单元或集中器，将多个设备的信息按照规定合并成新的数据帧，从而减少转发数据帧数量，降低系统上层通信负荷。

（2）智能计量层中智能计量设备通过通信接口接收来自下层的数据帧，根据通信规约提取帧内包含的采集信息，然后根据设计的算法得到计量结果，将结果以特定的协议发送出去。

（3）上行通信层中主要采用远程通信技术。为了使大量分散的终端信息能够传输到系统上层，需要进行长距离数据传输。这部分的传输网络可以使用已有的网络基础设施，主要采用互联网或电力系统专用网络：目前随着3G、4G网络的普及，采用互联网能够方便、快速地进行远距离传输；而对于比较敏感的信息，可以通过电力专网，如无源光网络（xPON）、电力载波进行传输。

（4）主站系统主要负责存储、处理采集到的信息，同时可以根据实际应用需求，采用中间件技术定制相应的服务。此外，主站系统还要负责整个系统的维护工作。

除了AMI外，南方电网公司提出计量自动化系统（metering automatic system，MAS）也利用电力物联网的相关技术[7]。MAS利用自动化的计量终端，采集数据后通过网络传输到上层计量自动化系统主站，并由主站对数据进行数据的分析、处理[8]。

3.2 系统中存在的问题及解决思路

目前，由于电力物联网的相关建设还处于初步阶段，计量系统还存在以下需要解决的问题：

（1）感知层建设相对薄弱。目前，感知层网络在分布范围、可靠性、持续性等方面还存在不足，部分场景监测数据还较少，对装置及系统状态、环境没有形成全面感知。因此，可以部署对基础设施要求较低的无线网络，如无线传感器网络，扩大系统的感知范围。

（2）设备的兼容性问题。目前现场设备种类繁多，不同设备提供的通信接口遵循不同协议，将这些设备连接在同一个系统中需要有特定的网关进行协议转换，这对实际应用造成不便。在硬件接口方面，需要规范接口的物理层特性；对于已有的多种通信协议，可以采用透明传输技术，实现不同协议数据在链路上的传输，从而降低系统通信链路的建设、维护费用。

（3）通信协议的优化。计量系统中包含多种网络，形成异构网络。系统中的数据分为上下层之间的“纵向传输”和同一层内的“横向传输”。在纵向方向，由于不同层之间的通信协议不同，因此需要使用网关对通信协议进行转化；横向方向的传输主要是进行路由选择。针对协议转化和路由过程将延时、网络拥塞甚至造成数据错误等问题，可以采用跨层透明传输和垂直切换技术对系统内的通信协议进行优化设计，降低上述过程造成的影响。

（4）设备的能耗问题。运行在现场的智能终端和计量设备需要有持续稳定的电源供给完成数据的采集、处理和传输，导致设备消耗额外的能源。以电能表为例，设备的能耗会给用户或电力企业产生的额外费用，造成不必要的计费纠纷。因此，需要控制设备的能耗。为了避免造成额外的资源损耗，可以根据现场情况采用就地供电的方式，如利用太阳能、风能、机械能等，尤其是对于具有无线通信方式的设备，采用就地供电方式将使设备在现场安装中具有更高的灵活性。

（5）主站系统中已有的应用系统按照专业各自独立建设，支撑数据分散，尚未形成统一数据服务和应用平台。为了使不同的技术之间共享资源，可使用中间件技术，连接两个独立应用程序或独立系统，使其能够相互交换信息。

（6）系统的安全性。由于整个系统的数据传输使用大量网络，在带来便利的同时也产生了一些安全漏洞。在数据的“纵向传输”和“横向传输”中，都需要防止恶意入侵。为了保证系统的安全性，可以针对各层的特点设计相应的机制：在智能终端层中需要对设备的软件和硬件上设置识别标志，防止其他设备入侵系统并向系统上层发送非法数据；在其他层中，则需要对数据的传输、访问、修改等过程设计加密、授权机制，并在管理方面制定相应的规章制度。

除了上述构建计量系统的基本问题外，为了保证计量系统的准确性还需要考虑校准问题[9]。

4 计量系统的校准

计量系统的运行关系到电力生产企业、电力公司以及用户的利益，因此必须有有效的校准方法才可以保证系统的准确性。目前，计量系统具有较高的自动化和网络化程度，但是校准技术仍相对滞后。在对这些设备进行校准时，常用的方法是将这些计量设备从现场拆下送到有资质的机构进行校准，或由计量人员携带现场校验仪到现场进行测试。由于计量系统中的计量设备较多，如智能终端层中的电压互感器、电流互感器，智能计量层中的智能电表等，使用常规的校准方法需要消耗较多的人力、物力。对于采用基于电力物联网的计量系统，可以利用物联网中的嵌入式、网络通信、数据管理等技术，实现计量系统的在线监测和远程校准[9]。为了实现这个目标需要解决的主要问题包括：

（1）标准设备的配备。为了实现在线的监测和校准，需要在现场安装标准设备，标准设备和被检设备通过网络传输数据并进行比对、校准。由于需要在现场安装标准设备，因此对设备的安装、运行、维护和管理都要制定相应的机制，保证标准设备的正常运行[10]。此外，在智能电网中开始普及数字化的设备，如数字化电能表。针对这种情况，可以使用标准的数字化设备，将所产生的信号作为标准信号，通过网络向其他设备发送基准信号进行校准，这样可以避免在现场安装标准设备，极大地简化校准工作。目前，标准数字化设备（如数字化电能表）的溯源还有待进一步的研究。

（2）同步测量机制。为了实现准确的校准，需要进行同步的数据采集，由于系统规模较大，如果对整个系统的设备进行同步，不仅难度大、成本高，还可能导致系统产生瓶颈问题。因此，可以在系统中采取分层同步机制。对于精度要求高且分布范围大的情况，可以采用GPS脉冲实现广域同步测量；对于智能终端层内的设备可以选择使用局域同步机制，利用短距离无线网络、RS485、现场总线等方式实现设备之间的同步，为实现高的同步精度也可以通过接口网关引入GPS脉冲。

（3）网络通信对校准准确性影响。在网络化的计量系统中，不仅考虑传统计量系统中的计量设备自身的准确性，还需要考虑在网络通信中产生的问题，例如数据传输延时、丢包、误码等都可能导致计量系统产生误差。由于网络协议的分层特性，进行单层协议的优化提高的性能比较有限，因此需要从保证系统的计量性能出发，进行跨层协议的优化设计，提高系统的计量准确性。

除了上述技术问题之外，由于基于电力物联网的计量系统的校准方式有别于传统的校准方法，因此，还需要根据系统的新功能制定或完善相关校准规范。

5 结语

随着智能电网和物联网的不断发展，电力物联网将成为这一领域的基础技术，为了适应发展需求，需要加强基于电力物联网的计量系统的研究，同时加快制定相应的标准和规范，以实现电力系统参数的在线监测和远程计量，为智能电网发展提供更优质、高效的服务。

[1]刘云浩．物联网导论[M]．北京：科学出版社，2011．[2]刘建明．物联网与智能电网[M]．北京：电子工业出版社，2012．

[3]瞿清昌．智能电网与计量标准[J]．中国计量，2010，(04)：28-30．

[4]欧海清，曾令康，李祥珍等．电力物联网概述及发展现状[J]．数字通信，2012，(05)：62-64+71．

[5]章鹿华，王思彤，易忠林等．高级计量架构(AMI)对智能电网下供用电关系的影响[J]．电测与仪表，2011，48(05)：33-36．

[6]刘文松，刘韶华，成海生．面向智能电网的高级计量架构AMI的研究[J]．电网与清洁能源，2011，27(10)：8-12．

[7]付学谦，陈皓勇，金小明．适应分布式发电的计量自动化系统[J]．电力建设，2013，34(10)：12-16．[8]梁洪浩，武占河，江大川．适应智能电网的计量自动化系统实施方案设计[J]．电测与仪表，2012，49(3)：50-53．

[9]朱佳奇，朱文韵．智能电网计量技术发展动态[J]．上海计量测试，2011，(02)：23-26．

[10]罗志坤．电能计量在线监测与远程校准系统的研制[D]．湖南大学，2011.3．

Analysis of Metering System Based on Power Internet of Things and Its Key Problems

WANG Ren-Shu
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

The power internet of things is generated in the fusion of smart grid and internet of things,and the metering system based on power internet of things becomes a trend of the electric power metering. With the power internet of things and structure of metering system introduced, the paper taken advanced metering infrastructure for example, the characteristics of the metering system based on power internet of things are illustrated and the key problems are analyzed. To ensure the accuracy of the metering system, the problem of the calibration is considered and it will be the focus in our future work.

Power internet of things; Metering system; Internet of things; Smart grid; Calibration

2014-11-17

王仁书，男，福建省计量科学研究院，国家光伏产业计量测试中心（筹），工程师，博士