电网掀变革大潮智能电表先行

来源 :中国计算机报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunday_rectina
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  中国正在经历7年以来最严重的电荒考验,今年3到5月份,全国11个省市出现了电荒。“今年是近几年电力供需形势最为紧张的一年,电力缺口总量可能超过历史上最严重的2004年。”国家电网公司副总经理帅军庆曾预测,仅国家电网负责的26个省份经营范围内电力缺口就将达到3000万千瓦左右。5月份以来,华东、华中、华南地区相继出现了“供电趋紧”持续蔓延的态势。华东电监局局长丘智健介绍,华东地区用电尖峰时刻正在来临,四省一市(江苏省、浙江省、福建省、安徽省、上海市)最高峰用电缺口预计达到1000万~1500万千瓦。由于下半年多个省份的GDP增速都将保持两位数增长,再加上多地新上的项目,业内普遍预测,下半年电力需求形势依然严峻。
  如何有计划地、科学开发不可再生能源,并充分利用可再生能源发电成为全世界的研究课题。智能电网是在这种严峻形势下的必然产物,当然,它的名称可以更换,但本质是不变的,它对于应对全球气候变化,促进世界经济社会可持续发展具有重要作用。它可促进清洁能源的开发利用,减少温室气体排放,推动低碳经济发展;它能优化能源结构,实现多种能源形式的互补,确保能源供应的安全稳定;它可有效提高能源输送和使用效率,增强电网运行的安全性、可靠性和灵活性;它可推动相关领域的技术创新,促进装备制造和信息通信等行业的技术升级,扩大就业,促进社会经济可持续发展;它可实现电网与用户的双向互动,革新电力服务的传统模式,为用户提供更加优质、便捷的服务,提高人民生活质量。
  虽然目前智能电网还没有一个明确的定义,但是发展智能电网已在世界范围内形成共识,其重要性已经得到了国内外各相关部门的认可。而智能电表作为智能电网用电端的重要设备,已经得到了充分重视。美国能源部在2009年智能电网报告中特别指出:“智能电表是智能电网的基础。它不仅向电力公司和消费者提供用电量和用电时间的相关信息,而且还会获取市场用电状况,帮助协调用电设备的运行并帮助用户调整用电设备的时间,以此节约能源。”作为智能电网的先行军,智能电表的试点工作正在国内外关于如火如荼地进行。
  智能电表让百姓方便又省钱!
  北京汪芝麻社区的牛晓彤家里两年前就安装了智能电表。当很多人还不知道什么是智能电表的时候,他和他的邻居们已经从中享受到了实实在在的便利。什么是智能电表呢?它能给我们普通老百姓带来什么好处?根据国家电网对智能电表的定义,智能电表由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成,具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。这个定义对于普通百姓来说,过于专业,通俗地讲,即智能电表具有高精度计量、智能扣费、电价实时查询、电量记忆、抄表时间冻结、余额报警、信息远程传送、防窃电等功能。智能电表能给百姓带来的好外,从牛晓彤家使用电表过程中可见一斑。
  牛晓彤及他的邻居们从智能电表中得到的最大实惠是省了钱。对于普通百姓来说,智能电表的一大功能是实现分时电价,在牛晓彤家里现在就是按照这个政策实施的。“晚上10点到早上6点电价每度不到三毛二,早上6点到晚上10点按北京的正常电价收费。” 牛晓彤向记者介绍说,“在冬天,我们一般在晚上电价低的时候打开电暖器,白天关掉,这样可以节省不少电费。”同样,热水器、电脑下载文件也是在这个时段打开。“我们整个社区的居民基本上养成了这样的习惯!”他补充道。
  智能电表给他们带来的另一个好处是买电、充值方便。笔者自己家的电表是去年电力部门统一更换的IC卡电表,这比原来按月交电费省事了很多——不用每月去交电费了,因为可以根据自己的用电情况、时间充电。但是,每次买完电都要在电表上插一下卡才能将电量充进电表。当提及这个话题时,牛晓彤兴奋地告訴记者,现在买电比以前方便多了,“除了能在供电局、电力公司的营业厅买电,在北京有自动缴费机的地方,比如在光大银行也能买电,而且可以通过信用卡买电,操作也很简单,输进去电表号等信息可以了”。除了买电方便,智能电表还有余额报警功能,当电表里金额不多时,它能及时提醒人们买电,这是一个设计很人性化的地方,省得忙碌的人们忘记买电。不过即使真忘记买电了,还有一招可用,“在官园还有一个24小时售电的地方,可以满足不时之需”。 与IC卡电表相比,智能电表还有一个方便之处,购买电的同时电量随即充进电表,无需用户再去插卡。“这对那些不方便或者不会操作插卡充电的老人来说,非常地方便。”牛晓彤非常认可智能电表。
  当记者问及在使用智能电表的过程中还有哪些不方便时,他想了一会,说:“还真没觉得有什么不方便。不过如果那两根网线断了就麻烦了。”他说的这两根网线是供电局在进行远程抄表、计算电费等业务时传输数据的。“这两根网线在一次施工的时候断过一次。”
  能给用户带来方便之外,智能电表还能帮助用户养成注意节电的行为,这是真正地实现了节能减排。在一些刚安装了智能电表的小区,有些居民发现电费不但没有减少,反而增加了,这是什么原因呢?供电局的解释是,智能电表的精确度提高了,微量损耗都能统计进去,比如平时关电视只用显示器而不关电视机上的电源,就会增加用电量。这也提醒了百姓,在平时的用电过程中,注意点点滴滴的节约。
  牛晓彤还向记者介绍了一个有意思的现象,以前他们社区各家有一个电表,院子里有一个总表,但是抄表的时候,各家电表电度数的总和经常远小于总表的度数,“这说明有人偷电。”现在的智能电表有了防窃电的功能,只要有窃电行为,供电局随时可以发现,这从源头上切断了窃电行为。
  除了能给用户带来好处,智能电表更让供电企业受益匪浅。众所周知,供电企业传统的抄表方式是人工抄表, 这种方式弊端很多。它给居民带来不便,还有工作效率低、抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题,给管理部门造成了人力、物力、时间上的极大浪费。据统计,我国电力部门的抄表队伍人数就以万计。而在用户安装了智能电表以后,供电局无须再派人挨家挨户抄表,在供电局通过简单的操作,即可完成远程抄表,以上问题迎刃而解。
  
  处处彰显科技的力量
  
  从牛晓彤家的例子中,我们可以看到智能电表给百姓带来的实实在在的好处,也感叹信息技术的发展对生活带来的影响。其实以上例子只是介绍了智能电表预付费、分时计费、远程抄表、余额提醒、防窃电等几个主要功能,实际上它还有事件记录、电量冻结等功能,这些都是其超越传统电表的地方,当然其中涉及的技术很繁杂。
  电表最重要的功能是计算电量,人们所熟悉的机械转子式电表的原理是通过电场产生的磁场,产生一个作用于机械转盘的力矩使之偏转,从而计量电能。而智能电表是通过计量芯片实现测量电能的,计量芯片是一个具有高精度A/D功能的芯片,它将流经的电流电压采集进来做分析,计算出用电的多少。
  智能电表功能如此强大,还靠三个关键模块——CPU、存储和通信模块,CPU、存储集成在主芯片MCU里,通信模块是MCU的一个内部或外部模块,通过这个模块,供电企业可以与智能电表进行远程通信,获取电量记录。
  与普通电表相比,智能电表远程抄表的功能是其最大的“革命”了,它是通过智能电表及相关网络的通信功能完成的,而且通信是双向的。远程抄表系统一般由集中器和采集器(采集终端)以及通信信道与抄表软件组成,其中集中器到供电部门抄表中心为上行信道,集中器至采集器(采集终端)或电表间为下行信道。(其结构见:远程抄表系统结构示意图)
  目前上行信道的数据传输是远程的,可以通过有线电话网络或无线电话网络等实现,其传输可靠性与技术难度已不是抄表中的主要问题。下行信道目前是我国远程抄表中难度比较大的地方,在国外,对远程抄表技术的研究起步较早且比较深入,从标准的制定到抄表专用芯片的生产都已经比较成熟,多种远程抄表技术得到了相对广泛的、成功的应用,在我国由于国情不同,不能照抄照搬。只能在利用国外先进技术的基础上,走自己的发展道路。目前,我国采用的下行通信信道有电力载波(Power Line Carrier ,PLC),RS485总线,以太网,有线电视网、无线电等(详情见:五种常见下行通信信道对比表)。
  每种方式都有其适用的环境,也要求电表有相应的通信模块与之配合工作。每种方式都有其优势和弊端,以电力线载波通信为例,它是在集中器与采集器之间通过电力载波来进行通信(这要求智能电表中装有载波芯片).这种传输方式成本低、输送距离长、系统结构简单,维护简单,但是它容易受外界干扰。国家电网天津市电力公司营销部副主任梁宝全在接受记者采访时说:“电力载波通信存在的一个问题是噪声太大。目前我们是在晚上采集用电信息来减小这个问题带来的影响。”
  对于供电公司来说,防窃电功能可有效减少电力部分的利益损失。开盖记录是实现防窃电功能的一个基本依据,当电表盖子被打时,MCU会自动监测并记录下来,供电局再根据具体情况判断此次行为是否是用户的非法操作。而智能电表本身具有的“失压记录”(失压:将电表正常的回路破坏,将电传导到盗窃者的回路,相当于分流,那么正常的回路就没有电流过。不带防窃电功能的电表计量出来一直是零,也就是说用户用的电量为零。)这一项功能,能自动记录本电表失去电压回路的时间及累积时间,以及侦测电流不平衡窃电即火线、零线两路电流相差大于12.5%等窃电指示。根据以上两个功能,电力部门可以追踪窃电行为的蛛丝马迹。
  制定分时电价策略是为鼓励各用电客户能在用电高峰时错开用电,从而达到削峰平谷、减少资源浪费。智能电表中通常有几套不同的费率来计算用户的当前用电情况,这个通常由集成在MCU中的软件程序实现,这个程序一般只需工程师用C语言编写。根据需求的不同,电能计量可以分时计量,比如尖、峰、平、谷等各时段的电价,还可以计量分相有功电能量等。
  在供电局一端,电表信息管理系统(Meter Database Management System,MDMS)承担着管理用户用电数据的重大责任,它的主要技术含量在于软件开发。电表所收集到的信息通过通信系统存入MDMS,MDMS支持多项后端应用系统,如账务系统、缺电系统、客服系统等。为确保资料正确性与安全性,以及搜集到电表信息,但又不影响MDMS的正常运作,需要复杂、完整的程序设计。
  智能电表还仅是智能电网中的一个很细小的环节,而其所涉及的信息技术、信息化系统已经如此复杂,由此我们可以想像一个完整的智能电网的建设是多么庞大的工程,而其背后的信息系统又有多么复杂。也只有在今天有信息系统的支撑的情况下,智能电网才能得以迅速发展。
  
  路漫漫其修远兮
  
  目前,我国很多地方启动了智能电表试点工程,包括北京、天津、江苏、安徽、辽宁等地。这给半导体行业带来了很大的经济利益,越来越高的智能化率也促使半导体行业的产品不断推陈出新。从2009年起,国家电网就开始了对智能电表的招标工作,在当年12月的第一次智能电表招标项目中,一共招标294.34万只。随后国网加大招标数量,2010年完成了4次智能电表招标,累计招标4537万台。2011年国网计划招标5000万只,截至目前,国网今年完成了两次智能电表招标,电表招标量总计约2899万只。各大智能电表公司从中受益,而一些评测机构也对这些公司的股价非常看好。
  在智能电表芯片方面,据赛迪顾问的数据,2008年,中国智能电表主控制芯片市场销售额为3.014亿元,到2010年,这一数据为3.226亿元。中国智能电表控制芯片市场在智能电表需求量持续增长及产品结构升级的双重因素带动下,未来几年,将继续保持增长态势。但是,比较遗憾的是,中国厂商在智能电表芯片市场的占有率很小,据赛迪顾问的统计,2010年,飞思卡尔、恩智浦(NXP)和ST分别拥有10.6%、2.6%和2.5%的市场份额,瑞萨电子以超过70%的市场占有率成为市场中的主导厂商。中国本土企业中颖电子以600万元的销售额占据1.9%的市场份额。
  智能电表市场看起来一片繁荣,但在其背后,也有一些问题。比如在智能电表的使用過程中,存在着一个老百姓非常关心的问题,那就是电费。笔者用“智能电表” “电费”的关键字在百度上搜索了一下,发现很多关于智能电表多收电费的文章,记者随机查看了几篇,大多数将原因归结到智能电表灵敏度高上,也就是说微量损耗,如上文提到的不关电视机电源会记录电量等。但是也有网友对此表示置疑,因为这点电能的微量损耗是不至于让电费翻番甚至翻几番的。这是什么原因?有网友猜测,电线的损耗也计进来的了。再加上很多地方安装电表时电力部门没有通知用户,这引起了用户对智能电表暗藏猫腻的猜测。而安装完电表,有关部门不指导用户如何看电表、如何节约用电,这也让很多人对智能电表的安装持不满态度。
  安全性是智能电网的一大关键问题。也许目前这种安全隐患还没有显现出来,如同互联网一样,但是随着应用的深入,网络病毒也越来越猖獗。北京华电卓识信息安全技术测评中心技术顾问徐震在接受记者采访时表示:“在电力用户信息采集、智能用电方面都存在安全隐患,比如这可能侵犯老百姓的隐私,在采用了智能电网以后,供电企业可以分析老百姓的各个时段、各个电器的用电情况,从而分析出百姓的用电、生活等习惯。
  另一方面,电量数据是供电局的敏感数据,目前管理得很严格,但是采用了智能电网以后,这些数据通过将来的‘家域网‘可以和电脑相连,又和互联网相连,这就面临着通过互联网病毒将数据传播到外界的威胁。”
  智能电网是个新兴事物,它本身还有很多需要完善的地方。而对于我们来说,关于智能电网的林林总总的标准制订就是项重要而且任务繁重的工作。什么决定智能电网巨大蛋糕的分配话语权?其中重要的一项就是标准体系,谁掌握了标准体系,谁就掌握了智能电网的话语权。因此,拥有自主知识产权的标准体系至关重要。
  我国有关部门和机构目前正在就其标准制订展开工作。6月16日至17日,由国家电网公司发起的四项电气与电子工程师学会(IEEE)国际标准第一次工作组会议在北京召开。会议对智能电网的四项国际标准进行了讨论并确定了各工作组组长、秘书及工作组成员人选。
  我国在电表可靠性方面的标准体系还不完善,智能电表的性能更不能用传统的机电式电表的标准来评估,因此,这方面的工作难度可想而知。而且智能电表要发挥更大的作用,还要和目前已崭露头角的智能家居联系起来,比如智能插座等设备配合使用等。去年12月28日,ISO/IEC国际标准组织闪联产业联盟与国网信息通信有限公司在国内率先推出了智能用电标识。据了解,闪联产业联盟正在与其成员共同制订标准。
  智能电表作为智能电网中的一个关键环节,用信息技术为人们谱写用电变革序曲,尽管它还存在着不足,但是一个新生儿,你能要求它有多完美呢?
  
  案例
  英国国家审计办公室质疑智能电表能省钱
  在近期的一个报道中,英国国家审计办公室表示,希望智能电表的实现成本不要超过预算,并质疑这一计划是否会刺激消费者行为发生重要变化。
  到2019年之前,安装5000万个智能电表,是政府智能能源网格计划的一部分。这也是英国减少碳排量策略的一部分,目的是要帮助消费者和企业更好地控制其能源使用。
  智能电表项目或超预算
  英国公共账户委员会主席Margaret Hodge MP表示,政府对这项大型计划的跟踪是不够全面的。“目前,项目预计成本是113亿英镑,但是我们的经验表明,这类项目通常都会超过预算。”她说。
  她还表示,如果这个项目会对投资者产生影响的话,那可能仅仅是改变消费者使用能源的习惯而已:“如果花钱能够产生价值,我们都会为此改变我们的行为。目前看来,消费者的行为会如何改变,还不是很清晰。并且,随着技术的变化,政府还不得不不断地作出调整,提供适当的反应灵活性,以便让智能电表适应最新的技术。这些不确定性,都会使得项目成本远远超过计划。”
  消费者关心的是费用
  最近一次由智能电表技术提供商T-Systems授权,由Economist Intelligence部门发布的针对1000名消费者的调查显示,人们对于价格提升有担忧,这项政府计划对于节约费用的作用缺乏证据支持。政府预计,这项智能电表计划开始会提升每年的国内电力和汽油使用费用,到2015年这两种能源的消费者账单每年大约会增加6英镑,但到2020年这个项目能够实现每年23英镑的费用节约。调查显示,消费者对于政府到2020计划安装3000万智能电表家庭用户的计划持抵触态度。消费者更关心的是使用智能电表之后的财务成本,而不会关心有效利用能源带来的环境效果。
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