智能电网信息与量测技术 PPT课件

第三章智能电网信息与量测技术 2 主要内容 高级量测体系 AMI 简介背景驱动力主要组成部分智能电表通讯网络计量数据管理系统 MDMS 用户户内网络 HAN AMI论证成本收益例证AMI和智能电网信息物理系统 3 高级量测体系 4 量测系统的演变 1985 1995 1996 2005 2006 AMR AMM AMI 运行效益 数据管理 用户通讯 AMI连接用户并加强了资源和资产优化管理AMM提高了信息质量AMR提高了运行效益 智能和控制功能 5 AMI相对于AMR AMR 自动抄表方案从远程读一个累积的计量值单向通讯以月为计量周期AMI 高级量测体系完整的体系可远程读取多个间隔计量值双向通讯提供详细的数据以能支持分时电价 TOUpricing 远程系统或软件升级支持用户户内网络和很多其它功能 6 AMI实施的驱动力 世界范围内电力公司实施变革和产业升级的动力 供求关系和电网的制约电网可靠性 停电的制约 供电不足日益增加的分布式电源多向潮流 竞争激烈的电力市场电力公司降低成本和增加收入的目标日益增多的复杂计费方式用户服务的要求 技术的进步 电子和通讯技术的进步成本降低而同时功能提高用于数据管理的信息系统日益完善 环境保护和政治压力立法的要求 如 EPACT2005 对能效的追求为应对温室效应而寻求矿物燃料的替代品公众对邻近电力设施的抵触 7 AMI效益 8 智能电表 9 双向间隔量测数据 智能电表 每一个用户处记录双向间隔消费信息小时 30分钟 15分钟或5分钟等KWh KVARh V KW 等其它功能如远程断开和重接 即时读表 断电报警 表计干扰检测 远程设定和软件升级变压器表计记录双向间隔消费信息和电压信息数据可用于变压器负荷管理和负荷研究馈线表计记录双向间隔消费信息和电压信息15分钟 5分钟 或更短支持系统实时运行 电压优化 系统分析和规划 负荷研究和预测等 10 多层次的通讯网络 11 广域通讯网络 WAN IP网络 开放式的 安全的专用的或公众的网络有些使用通讯公司的托管服务WiMAX 数字无线通信2 5G 3G 3G MPLS问题 公共网络生命周期短 难于满足AMI的期望很多地方很难有一个公共网络覆盖整个电力公司的服务范围通常是混合网络 电力公司专用网 第三方网络 12 局域通讯网络 LAN 大部分是私网协议电力线载波 PLC DLC 基于高塔的点对多点的无线射频系统无线射频网状系统 Mesh 电力线宽带 BPL 趋势是缓慢移向开放式标准TCP IP ANSIC12 22主要考量是低成本 13 发展趋势 集成的通讯网络 14 数据采集流程 自动数据采集系统 ADCS 按照预定时间收集电表测量值 通常是午夜之后 或即时读取把数据传回网络运行中心 NOC 把数据放在企业服务总线 ESB 上ESB原始数据转送站把数据分送给计量数据管理系统 MDMS 和其它信息系统MDMS处理数据并把数据传给其它信息系统 如 计费系统用户网站 以便用户在每天早晨6点查看前一天的用电 15 计量数据管理系统 MDMS 一个用于获取 处理和存储计费表计测量值 并具有分析工具以便和其它信息系统交互使用的数据库系统AMI系统表计管理 增加 修改 消除 AMI表计控制接通 断开重新设定日程管理计费之外的数据转发表计和网络设备的资产管理接通 断开的过程管理干扰检测故障及故障恢复数据管理数据分析和自动现场工作票的生成和处理 16 MDMS功能 17 MDMS和其它系统的集成 18 系统范围的系统能观性 虚拟表计 可提供系统任何一点的以小时计的历史的和预测的负荷信息 减少设备过负荷和损坏提高固定资产投资时机和针对性提高相间平衡和线路利用率改善电压调节 提高电容器安放选择提高资产容量选择和一致性识别异常线损和窃电有选择地对用户实施负荷控制 19 用户信息网站 把用户帐单和用电信息集成在一起可读到前一天的用电为用户提供详细用电曲线和费用信息分析TOU或CPP对帐单的影响推荐策略以助其减少费用减少用户服务成本网上自助服务减少高额帐单抱怨电话呼叫中心的显示有助于一次解答用户的疑问 20 企业范围内的信息系统集成 21 用户户内网络 HAN 配合用户门户网站 连接智能电表和户内可控的设备室内显示器 IHD 可编程通讯温控器 PCT 混合动力电动汽车 PHEV 电动汽车 EV 或其它储电装置其它智能家用电器 等主要技术和标准通讯 WiFi RF 电力线载波 光纤等标准 ZigBee HomePlug 6LowPAN等 处于快速整合阶段 22 HAN的效益 使得用户更好地管理用电被动的 理解用电IHDs提供了详细的用电信息和计费信息主动的 参与需求响应或允许电力公司直接负荷控制使得电力公司提高用户服务对用户发送信息用户可以直接查看用电信息实施需求响应以消除峰荷每年最高峰的100个小时 23 终端用户直接参与电力市场 24 集成分布式电源 25 AMI全球项目 26 AMI在北美 27 AMI成本 来源 Capgemini法国捷凯公司 成本 每表 28 AMI20年全部拥有成本 包括智能电表 双向通讯 遥控开关 用户户内网络 29 平均收益 没包括负荷控制 需求响应 和智能电网功能 30 成本和成本回收年限 31 意大利ENEL的AMI项目 3千万电表2002年 2005年21亿欧元成本 每年节省费用 亿欧元3000MW高峰期负荷削减能力 5 成本回收期为5年基于运行费用的节省 32 AMI和智能电网 33 AMI连接用户提供系统范围的能观性 每一个智能电表都是智能电网的一个量测点和传感器智能电表 SCADA测量 系统范围的能观性 34 信息物理系统CyberPhysicalSystems简介 35 信息物理系统 CPS系统定义嵌入式系统 物联网 传感网和CPS的区别和联系CPS的发展技术特点研究热点基本功能单元系统架构CPS在智能电网中的应用 36 CPS就是一个在环境感知的基础上 深度融合了计算 通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统 它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能 以安全 可靠 高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体 CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合 构建一个可控 可信 可扩展并且安全高效的CPS网络 并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式 定义 37 嵌入式系统 物联网 传感网和CPS的区别和联系 嵌入式 EmbeddedSystem 系统是软件和硬件的综合体 在某些情况下 还可以包括机械装置 传统的物理设备通过嵌入式系统来扩展或增加新的功能 其形成的系统基本上是封闭的系统 在一些工控网络中 有可能采用工业控制总线进行通讯 但其通信功能较弱 网络内部难以通过开放总线或者互联网进行互联 物联网 TheInternetofThings 指通过射频识别 红外感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备 按约定的协议 把任何物品与互联网连接起来 进行信息交换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 其核心和基础仍然是互联网 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络 在物联网中 用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间 进行信息交换和通讯 38 嵌入式系统 物联网 传感网和CPS的区别和联系 传感网 SensorNetwork 节点是传感器 通过自组织的方式构成无线网络 感知的对象是诸如温度 湿度 噪声 光强度 压力 土壤成分 移动物体的大小 速度和方向等物理属性 实现特定区域的监测 CPS简单的说 就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能 其核心是3C融合 自主适应物理环境的变化 其中网络的功能主要是为了实现控制的目的 和一般意义上的网络有区别 物联网 传感网所擅长的是基于无线连接 主要实现的是感知 这对于CPS来说太过简单 CPS需要实现的是感控 也就是说 CPS不仅仅实现感知功能 还需要实现控制 其对设备计算能力的要求远远超过了物联网 传感网所要求的 39 发展 CPS是在嵌入式系统 传感器技术和网络技术的基础上发展起来的 尤其是前两者的发展直接导致了CPS概念的提出 CPS在继承IoT无处不在通信模式的基础上 更强调物体间的感知互动 强调物理世界与信息系统间的循环反馈 它将地理分布的异构嵌入式设备通过高速稳定的网络连接起来 实现信息交换 资源共享和协同控制 具有广阔的市场前景和巨大的经济效益 是未来网络演进的必然趋势 40 技术特点 信息世界与物理世界的交互协同 深度集成系统体系结构具有开放性 动态性和多维度的异构性特点同时存在时间 空间方面的约束 在时空层次上具备高度的复杂性自主适应物理环境的动态变化 具备自适应 重配置的能力信息世界与物理世界问存在反馈闭环控制 实现智能控制和提供高质量的服务必须满足实时性 可靠性和安全性方面的要求 41 研究热点 一 拥有众多复杂功能的CPS系统是多学科交叉的前沿研究领域 其中的研究热点包括网络融合 节点接入与管理 系统安全等 一 网络融合现有的网络 如公共电话网 蜂窝移动通信网 Adhoc网络 wi Fi WiMAX 无线传感网等 因为每种网络的规模都很大 且结构与通信方式皆不同 所以几乎不存在使用一种网络将其他网络替代的可能 以达到互联互通的目的 因此 如何使各种网络通过一种统一的方式连接起来 实现互联互通 是CPS系统的一个难点 也是当前的研究热点 42 研究热点 二 二 节点接入与管理CPS网络本身就是一个开放式的网络 允许各种网络 各种节点自由接人 退出网络 对于其他网络 CPS网络的规模更大 所以如何定位节点 如何快速得到节点的拓扑 如何快速路由是CPS网络通信的难题 而且 当前对节点的接人与管理也只是局限于同构网络中 对于异构网络的节点管理的研究还很少 所以这也是一个亟待解决的问题 43 研究热点 三 一 安全性问题与互联网类似 CPS网络也面临传统的网络威胁 因此安全与隐私问题也是目前的研究热点 像现有的拒绝服务攻击 僵尸网络 身份欺骗 信息窃取等网络攻击手段 都是CPS可能遇到的问题 且由于CPS网络涉及各种物理节点 如传感器等 攻击者也可以针对物理节点进行攻击 使系统接收到虚假信息 这些安全问题都是CPS网络需要解决的问题 44 基本功能单元 CPS的基本组件包括传感器 执行器和决策控制单元 基本组件结合反馈循环控制机制构成了CPS的基本功能逻辑单元 执行CPS最基本的监测与控制功能 45 系统架构 CPS系统是由众多异构元素构成的复杂系统 对于不同行业的特定应用通常需要构建特定的系统结构 但是从技术实现的角度分析 一般可以将其分为物理层 PL 网络层 NL 和应用层 AL 这样的结构仅反映了实现技术的层次关系 实践中要包含的组成元素可能千差万别 层间的联系与信息传递关系也可能相当复杂 46 系统架构 47 系统架构物理层 物理层是CPS系统的基础 是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带 它是直接与物理世界交互的部分 CPS通过物理层感知环境 反之又是通过物理层作用于环境改变环境 物理层由地理上分布的各种CPS单元组成 这里的CPS单元可以是一个单独的CPS节点 例如一台手持终端PDA或移动手机就是一个CPS单元 另外 一个CPS单元也可以是一组CPS节点集合 如一组探测仓库温度的智能传感器集合通过一个超级智能传感器组合连接入新一代网络与其他CPS单元交互 这一组智能传感器被认为是一个CPS单元 其中每个智能传感器是一个CPS节点 48 系统架构网络层 网络层将物理层的大量异构CPS单元实现互联互通 并支持CPS单元之间的互操作 网络层是CPS实现资源共享的基础 CPS网络需要屏蔽掉物理层CPS单元的异构性 实现无缝连接 为应用层提供资源共享的基础网络 以透明的方式为用户提供即插即用式服务 网络层是由大量的中间件服务器组成的 这里的中间件主要用于不同网络协议和网络体系结构的转换 相当于异构网络的中间转换服务器 不同公司生产的 功能各异的 甚至编码方式和硬件都不兼容的设备 通过中间件服务器可以将异质信息转化为同质 无障碍地进行数据交换 49 系统架构应用层 应用层是面向用户的一个一体化平台 该层将网络层和物理层的详细信息封装成为不同的应用模块 使用户不用关心低层细节而直接进行业务处理 50 CPS在智能电网上的应用 一 智能电网定义智能电网是包括各种发电设备 输配电网络 用电设备和储能设备的物理电网为基础 将现代先进的传感测量技术 网络技术 通讯技术 计算技术 自动化与智能控制技术等与物理电网高度集成而形成的新型电网 它是一个完全自动化的供电网络 其中每一个发电设备