高级量测体系研究

【摘 要】 高级量测体系（AMI）是一个用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的完整的网络和系统。AMI 把用户和电力公司紧密相连，为将来配电自动化等智能电网功能的实现奠定基础。AMI建设是未来电力事业发展重要的基础建设，AMI 提供了一个向整个电网智能化的智能过渡。本文简述了AMI 的典型结构与组成，从用户、公用事业、社会环境、对智能电网的支持等方面讨论了AMI 的收益，提出了AMI 的设计原则。

【关键词】 AMI 高级量测体系

1 引言

最近几年，得益于通信技术和信息技术的长足进步，以及环境保护方面政府条的推动，高级量测体系（advanced metering infrastructure，AMI）成了整个电力行业最热门的项目，这都是因为它在资产管理、系统运行，特别是在负荷响应所实现的节能减排方面有着显著的效果。

AMI作为一套完整的技术运用系统，包括有多方面的技术功能，可以从硬件与软件的角度进行概述，主要是通过双向系统模式来详细记载相应的功能实现，在详细记录用户基本资料的基础上，形成负荷信息的智能化电表，可以及时的获取用户在带有时标段的分时段功能区域，形成多种计量数值的整体运用，包括对用电量、用电需求、电压、电流等多方面的信息，因此，从多方面讲，AMI是一种很适宜的智能化基础模块技术，也是一种运用相当广泛的智能测量体系，在整个功能表现中有着不可替代的作用。

2 AMI的基本概念

AMI是一个用来收集、测量、分析、储存和运用完整的用户用电信息网络处理系统，由安装在用户端的智能电表，位于电力公司内的量测数据管理系统和连接它们的通信系统组成。近来，该体系又延伸到了用户的室内网络，以便于用户可以分析和利用其详细的用电信息。

在遵循标准通信接口、标准数据模型、安全性的条件下，高级量测体系实现双向分时段电能计量、远程控制、电能质量监测、窃电侦测、停电检测、双向通信、多表计接入、嵌入式互联网信息服务，并在用户信息系统支持下实现用户用电服务、电价及费率自动调整、需求响应功能，支持智能楼宇/小区、分布式电源、电动汽车充放电接入与监控。

AMI主要有以下技术特点：（1）是一个面向所有类型用户的用电数据采集与监控系统，克服了建设两套系统（AMR系统、负控系统） 带来的条块分割、用户数据管理分散以及重复投资、管理维护工作量大等问题。（2）功能更加齐全、完善。AMI在整个功能的发挥上，可以通过采集更多的负荷数据，在电网运行人员的完整技术运用中形成高负荷的状态模式，并在全面支持实时电价运用的基础上，形成市场需求化模式的运用，能提供相应的技术支撑，这种技术的整体模式就是能将功能更加的凸显出来。（3）自动化效果更加明显。这种自动化操作与管理的控制程序，能提供共享数据的系统结合，在自动化系统的功能区域，可以实现对整个系统的优化，可以实时的向客户提供相应的用户需求记录，能更好的服务供电量的计算，以及在用户查询电费的时候，可以有效的解决疑难问题，从而更有效的解决相应的实际困境，确保供电网故障原件与停电范围的整体范围，减少实际困难的发生。（4）系统采用标准化设计，具有良好的开放性，能够实现智能电表、应用程序、智能用电设备的“即插即用”。

3 AMI的结构与组成

AMI是一个集成了许多技术和应用的计算机网络系统，包括5个主要组成部分：智能电表、家庭局域网（home area network，HAN）、通信网络、计量数据管理系统（meter datamanagement system，MDMS）和AMI 接口。

3.1 智能电表

智能电表是一种可编程的、有存储能力和双向通信能力的先进计量设备，是分布于AMI网络上的传感器。其主要功能有：（1）编程设置比结算周期（通常为1个月）更短的计量时段（15 min～1 h），并按设定时段记录从电网传输给用户的能量或由用户电源输入电网的能量，因此可以支持以设定时段为计费单位的电价机制。（2）自动化远程抄表或按需抄表，减少人工抄表所必需的人工、车辆等成本与抄录错误。（3）远程连接与断开室内所有用电设备，实施需求响应并限制不良用电者（如不交纳电费者）的用电。（4）报告电力参数越界状况，检测偷窃电现象，进行电力质量监测等。（5）远程校准时钟。因为要实时记录用电量与电价，所以全网时间的同步是至关重要的。

3.2 家庭局域网

家庭局域网是一种室内局域网，它通过网关或用户门户把智能电表和户内可控的电器装置（如电脑、可编程温控器、冰箱、空调等）连接起来，通过用户能量管理系统与室内显示（in-home displays）设备形成一个响应的能量感知网络。家庭局域网给了用户远程控制室内用电设备的能力，它与用户门户一起提供了一个用户参与市场的智能接口。

3.2.1 用户能量管理系统

通过建立用户能量管理系统，可以有效的解决用户侧能量的问题，在服务模式、效果上能形成有效的需求作用，并且能保证最小化用户不会因为改变负荷而受到多方面的影响，这样能更加灵活的确保用户用电的可靠性和灵活性，提高整个系统的供电可靠性。在此基础上，用户还能积极响应能量管理系统的各项要求，从用电量控制系统与用电控制系统出发。其中，用电量系统主要是针对用户的用电数据、用电方式以及响应的需求进行综合管理，并通过用户的实际用电情况进行有效的控制，譬如，在用户用电量到一定程度的时候，用户可以进行系统的设置要求，在达到顶点用电的同时，就能给与停止供电，这样，对于实时电价、系统运行的整体状况有更加详细的掌控，能及时的进行信息处理，形成需求响应实时方案，构建响应的控制信号。此外，用电控制系统主要是根据用电管理系统给出的相应信号，能进行直接的终端设备需求管理，包括启停设备用电、维持现状或者调整用电量等多方面的功能发挥，更好的实现整个功能的突破。

3.2.2 室内显示设备

室内显示设备包括有多方面的情况，其中对于用户的电价、系统运行功能、用电情况、成本控制等多方面的信息有一个全面的优化，能让用户及时准确的了解到市场信息，并根据市场以及系统要求进行相应的调整，更好的选择好用电模式。

3.3 通信网络

通信网络采用开放的、高安全性的双向通信标准，在智能电表、控制设备和公用事业的事务系统之间建立网络连接，实现在公用事业、用户和可控电力设备之间连续的信息交互。

（1）通信信息。分为下行信息与上行信息，下行信息是由配电市场到用户的数据，包括实时电价信息、系统运行状况信息与召唤用户实施需求响应的命令、电费清单等；上行信息由用户传向电力公司，包括带有时标的用电量、设备用电状况以及对召唤命令的响应情况等。

（2）通信性能。主要是有效性与可靠性，有效性指消息传输的速度，可靠性指消息传输的质量，对通信系统的基本要求是快速、可靠。通知速度越快，响应速度就越快，同时通知的用户越多，响应量就越大。如果通信系统具有事件跟踪功能，那么它可以记录通知发出的时间与收到通知的用户，正确判断用户执行需求响应的情况。常用通信方式有因特网、电力线载波、电话网、移动网、光纤网等。

3.4 计量数据管理系统

处于数据中心中的信息系统和应用是AMI的一个重要组成部分，而其中的最重要的是量测数据管理系统（Meter Data Management System，MDMS）。MDMS是一个带有分析工具的数据库，通过与AMI自动数据收集系统（Automatic Data Collection System，ADCS）的配合使用，处理和储存电表的计量值。它主要包括如下部分：

（1）用户信息系统（Consumer Information System，CIS）。对大量用户信息进行管理，如用户名称、地址、帐号、电话、用电数据、供电优先级、断电记录、用户因实施需求响应所得的补偿以及电费清单等。它用于区别不同的用户，并对用电数据进行有效性认定、编辑和评估（validation editing and estimation，VEE）。

（2）地理信息系统（geographic information system，GIS）。为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。它用于标识电网分布、监控设备布置、用户所在节点位置、用户用电量等。

（3）公用事业WEB站点。用于显示公用事业信息、用电数据、电价、系统状况以及电费结算等，使授权用户方便快捷地访问。为了确保实时性，AMI 对数据延迟（data latency）、数据持久性（persistence）与数据规模（scalability）都有严苛要求。

（4）断电管理系统（outage management system，OMS）。管理断电与恢复，进行电表事故处理与电表资产管理等。

（5）电力质量管理和负荷预测系统。对电力质量实时进行监测及异常报告等；根据系统的运行特性、用电状况等因素，对未来某特定时刻的负荷进行预测。负荷预测是电力系统调度、实时控制、运行计划和发展规划的前提，是一个电网调度部门和规划部门所必须具有的基本信息。

（6）移动作业管理（mobile workforce management，MWM）。对调度中心、调度人员、户外作业人员进行管理。它以客户管理信息、资产管理信息、技术档案信息为基础，通过应用系统、通信网络、手持通信终端，对户外作业进行自动化调度和管理。从而优化资源配置，提高人员工作效率、服务水平和决策能力。

（7）变压器负荷管理（transformer load management，TLM）。对变压器所带负荷进行监测，对超负荷现象进行处理。

（8）企业资源规划（enterprise resource planning，ERP）。通过集成企业内部财务会计、生产、进销存等信息流，快速提供决策信息，提升企业的营运绩效与快速反应能力，体现完全按用户需要进行经营管理的全新思路。

由于AMI处理的数据量很大，复杂度很高，因此要求数据中心的存储容量必须足够大，以满足数据储存、检索、分析处理、计费差错更正、用户投诉处理等需要。

3.5 AMI接口

AMI 通过接口与系统侧应用设备进行通信，为高级配电运行（Advanced Distribution Operation，ADO）、高级输电运行（Advanced Transmission Operation，ATO）与高级资产管理（Advanced Asset Management，AAM）提供可靠的数据支持。

AMI主要为ADO、ATO的如下方面提供必要的数据：断电管理、变电站自动化、分布式资源管理、地理信息系统、高速信息处理、先进保护与控制、微网运行等。

AMI为AAM提供的信息有：资产健康状况、资产运行优化方案、输配电规划、设备维护、工程设计与建设、用户服务、作业与资源管理、建模与仿真等。

4 AMI的收益

4.1 用户的收益

（1）获得需求响应补偿。AMI为用户提供详细的用电信息与用电模式建议，也给予用户按电价、时间、用电量等信息控制用电的能力，从而促使用户从自身利益出发理性地实施需求响应，获得经济补偿。（2）享有公平的电费结算。实时电价与用电量信息使电费计算更加公平合理，避免了估计用电量与平均电价情况下用户交费不足或交费过多的交叉补贴情况。（3）享受优质零售服务。AMI能够使零售商为用户提供更多的电价和服务选择，能够显著地降低新零售商的市场进入成本，从而增加市场中零售商的数量与竞争程度，降低零售电价，提高零售商的服务水平。

4.2 公用事业的收益

4.2.1 激起需求响应

AMI 的一个主要收益是能够为用户提供价格信号与系统紧急状况、实时记录用户的用电信息、自动控制用户的用电行为，从而促成了需求响应和实时定价机制。

4.2.2 提高运行效率与断电管理水平

AMI提供给系统运行机构的实时系统运行信息、用户用电信息以及负荷预测能力，可使公用事业更全面、更快速地实时查看与分析系统状况并提前制定应对策略，从而增强公用事业对电网的监管能力和对用户的服务能力。AMI具有的断电检测与电网故障精确定位能力能够改进断电管理，有效调度维修人员，加快故障修复时间，显著减少断电期间供电中心的工作量。

4.2.3 改进资产管理水平

AMI提供的详细准确的用户需求和用电模式数据能够帮助公用事业高效管理电网资产。通过设备预知维修（predictive maintenance）提前规划资产维护以消除事故隐患，减少偷漏电现象与设备的运行维护和管理成本，保障设备运行的安全健康，最大化资产使用寿命。

4.2.4 提高资本运作水平

AMI具有的远程电表读数能力能够及时提供准确的用电数据，这不但减少了人工抄表成本，而且也使电费结算更准确快捷；远程设备诊断能力能够快速方便地远程连接或断开用户负荷，从而显著地减少公用事业的人工调派成本；AMI激活的需求响应能够延缓对发、输、配环节中的固定资产投资，从而改进资本利用率，优化资本运作。

4.2.5 提高服务能力

AMI可以激活时变定价与需求响应，消除交叉补贴并改进用电效率；远程抄表避免了抄表员到用户家中给用户造成的不便；远程负荷连接和断开功能可有效地进行用电管理；空闲用电检测和窃电报警功能能够优化公用事业收入，并增加计费的公平性；准确及时的电费清单能够减少用户电费查询量与争端事件，增进公用事业与用户的关系，提高用户满意度，降低服务成本。

4.3 社会与环境收益

AMI减少或延迟了发电与输配电设施的建设投资，改进了帐目管理，加快了断电恢复，提高了电力系统的可靠性与效率，从而增加了社会经济效益；清洁能源的利用与需求响应的实施可以改善环境；用电成本的公平分摊促进社会公正、公平；AMI所需要的新技术、新工艺、新产品为制造商提供了革新技术与工艺、研发新产品的动力，从而将促进科技进步。

4.4 为智能电网提供支持

AMI支持用户侧的分布式发电资源接入电网，为智能电网建立通用通信网络和信息系统架构打下了基础。AMI是建立智能电网的第一步，依次是ADO、ATO与AAM。

5 AMI的设计原则

（1）功能可扩展。在设计时必须考虑到未来可能的技术标准、系统接口和监管要求，具有一定的扩展升级能力以容纳新用户与新服务。（2）设备互操作。不同厂商提供的AMI系统、所用的设备器件需要遵守一致的规格和标准。（3）协议统一。有统一的数据传输格式和释义方法，以保证系统间的数据交换与共享。（4）系统安全。包括硬件与软件安全。硬件安全主要指AMI具有应对设备或连接失效的自愈功能；软件安全主要是对用户私密信息不泄露、篡改、伪造和丢失，并且只有授权设备能够收发并正确解析，只有授权用户能够访问等。（5）管理简便。这是对系统最基本的要求。AMI应该易于使用、排错和管理，而同时又不能影响有效性、安全性和可扩展性等。

6 结语

AMI是智能电网通信网的基础，是建立智能电网的第一步。AMI能够为需求响应提供技术支撑，为实时电价的实行提供基础，优化用户的用电模式，使用户的响应行为自动化，为用户、公用事业、社会环境等带来收益。

AMI中的智能电表可以取得用户详细的用电信息，促成分时电价实施，使用户直接参与电力市场。AMI系统通过其通信网络，把用户和电力公司紧密相连，成为实现配电自动化的智能电网的一个基础模块。AMI提供遍及系统的测量和前所未有的大量系统信息，将大幅提升电力公司的运行机制和资产管理流程。

但AMI的投资巨大，且存在回收周期长、资金被套牢等风险。有效的应对策略是统一技术标准、多负荷共用一套设备、政府干预等，以规避投资风险、保证投资收益。

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