第一節(jié)簡(jiǎn)介

由于目前的能源危機(jī)，已開(kāi)始要求各個(gè)地區(qū)需節(jié)能減碳。二氧化碳的排放和全球暖化已成為世界嚴(yán)重的問(wèn)題，許多研究的發(fā)展目的是為了減少能源的消耗。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)，監(jiān)測(cè)和分析能源的消耗是基本的技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)是二十一世紀(jì)的現(xiàn)象，是實(shí)體消費(fèi)產(chǎn)品連接到網(wǎng)絡(luò)，并開(kāi)始通過(guò)傳感器和致動(dòng)器的裝置相互溝通。智能電網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)大多數(shù)的應(yīng)用之一。由于訊息認(rèn)知、傳輸、處理廣泛地存在于智能電網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)建設(shè)、安全管理、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和互動(dòng)等將扮演重要的角色。自從實(shí)施智能電網(wǎng)技術(shù)后，能夠在高峰時(shí)段視情況調(diào)整系統(tǒng)的負(fù)載平衡，以及對(duì)于居民的目標(biāo)是利用以時(shí)間為基礎(chǔ)的定價(jià)通知需求響應(yīng)機(jī)制，減少在高峰時(shí)期的電用量。

第二節(jié)什么是智能電網(wǎng)?

智能電網(wǎng)的概念可以被定義為下一代電網(wǎng)，它利用先進(jìn)的控制和通訊技術(shù)，將能量產(chǎn)生、分配和消耗優(yōu)化。智能電網(wǎng)可以使用各種工具，例如先進(jìn)的定時(shí)器，雙向通訊和智能控制的設(shè)備，以提高系統(tǒng)的效率。此外，由于這些系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn)，智能電網(wǎng)扮演減少溫室氣體排放的作用。在智能電網(wǎng)中，能透過(guò)雙向通訊讓供貨商能實(shí)時(shí)觀察一間房子所消耗的能量，并經(jīng)由智能電表將訊息發(fā)送給消費(fèi)者。因此，智能電網(wǎng)能提高消費(fèi)者的參與度，以達(dá)到能量消耗優(yōu)化。

智能電網(wǎng)系統(tǒng)基本上可以分為三個(gè)主要部分，分別為產(chǎn)生、分配和消費(fèi)，如下說(shuō)明：

一、發(fā)電：電力是使用各種可再生和不可再生資源(如使用煤，氣，風(fēng)廠，核電站，水電站，太陽(yáng)能電站等火電廠)的方式由發(fā)電廠產(chǎn)生，發(fā)電機(jī)根據(jù)消費(fèi)者需求及有限的資源來(lái)生產(chǎn)電力。

二、配電：電力分配系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將電力從電力產(chǎn)生器傳遞給消費(fèi)者。配電通過(guò)配電站和輸電線路。該電力在電力傳輸?shù)倪^(guò)程中損耗最小。某部分電力慢慢流失是因?yàn)閭鬏斁€所產(chǎn)生的熱。

三、電力消耗：電力消耗會(huì)因不同機(jī)構(gòu)的消費(fèi)者(例如，家用，工業(yè)和政府機(jī)關(guān))而有所不同。因此，必須確認(rèn)各電力的需求，使得電力供給及分配優(yōu)化。為了實(shí)施這一目標(biāo)，智能電表裝置可以快速、準(zhǔn)確地收集電力消耗的數(shù)據(jù)。

四、智能電表：智能電表，它能收集家里家電的消耗數(shù)據(jù)。家電和智能電表共同建立一個(gè)家庭局域網(wǎng)絡(luò)(HAN)。

五、集中器/通訊閘：一個(gè)集中器，作為數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)備。集中器收集在家庭中特定區(qū)域的智能電表的消耗數(shù)據(jù)以及儲(chǔ)存在緩沖器的數(shù)據(jù)。M2M的協(xié)議轉(zhuǎn)換集訊器從緩沖區(qū)中取出排列第一的封包，并將封包(本地網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的訊號(hào)流量)傳送連回至電信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)并進(jìn)一步與電信核心網(wǎng)絡(luò)鏈接傳輸。

六、廣域網(wǎng)(WAN)基地臺(tái)：廣域網(wǎng)基地臺(tái)從集中器累積數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)由回程有線網(wǎng)絡(luò)傳送至控制中心。廣域網(wǎng)基地臺(tái)分配帶寬給每個(gè)集中器。

七、控制中心：控制中心從WAN基地臺(tái)接收儲(chǔ)存數(shù)據(jù)后，用這些數(shù)據(jù)來(lái)估算電力的需求，使發(fā)電和配電優(yōu)化。

圖5.1智能電網(wǎng)提升能源系統(tǒng)，客戶(hù)可以使用該系統(tǒng)提供更高的可靠性和訊息來(lái)節(jié)約能源

第三節(jié)物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

為了將物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展到智能電網(wǎng)，關(guān)鍵是這些新技術(shù)。利用新材料技術(shù)，訊息技術(shù)和通訊技術(shù)等，物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備正朝向更小、電力消耗更低、電池壽命更長(zhǎng)的方向前進(jìn)。在生活中，有著無(wú)所不在的通訊溝通、更寬的帶寬、更強(qiáng)的計(jì)算能力、決策和智能控制的能力。在智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要情況如下：

一、自動(dòng)抄表系統(tǒng)(AMR)與高可靠性

自動(dòng)抄表系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中有著明顯作用。它是一個(gè)負(fù)責(zé)采集、智能處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控電力消耗資訊的系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)支持自動(dòng)采集、異常測(cè)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與消費(fèi)行為分析。此外，該系統(tǒng)還有以下功能，如訊息發(fā)布或是分布式能源監(jiān)視與智能功率裝置之間的訊息交換。

圖5.2根據(jù)PLC和OPLC的AMR架構(gòu)

在傳統(tǒng)上，電力消耗的訊息是經(jīng)由人工在現(xiàn)場(chǎng)收集一段時(shí)間，這導(dǎo)致時(shí)效性不足、準(zhǔn)確性和適應(yīng)性也都不夠。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)是利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)、電力線通訊(PLC)和光纖電源線通訊(OPLC)來(lái)收集電量數(shù)據(jù)，并經(jīng)由私人電力線通訊網(wǎng)絡(luò)和公用通訊網(wǎng)取得有用的實(shí)時(shí)信息，而今后能經(jīng)由先進(jìn)的通訊技術(shù)、估算技術(shù)和電能計(jì)量技術(shù)達(dá)到電力消耗統(tǒng)計(jì)、分析的使用狀態(tài)。此系統(tǒng)的意義在于它的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效率的電能質(zhì)量統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)方面。此系統(tǒng)將大大增強(qiáng)傳統(tǒng)AMR系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。人們可以從該系統(tǒng)享受到許多好處。他們可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)和電力消耗分析來(lái)調(diào)整用電，以及實(shí)施階梯電價(jià)以達(dá)到省錢(qián)的目的。

二、電力輸送、變電和配電的智慧巡邏

電力輸送、變電和配電設(shè)備的巡視，主要是在固定的時(shí)間運(yùn)用人工來(lái)進(jìn)行。受到外在因素影響，如氣候和環(huán)境，巡邏的數(shù)量和質(zhì)量并不好。在這些情況下，智能巡邏會(huì)是一個(gè)更好的選擇。它根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，以及可以幫助識(shí)別的標(biāo)簽定位設(shè)備，提高巡視工作的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。智能巡邏可提高巡視質(zhì)量和效率，并確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高供電的可靠性。智能巡邏的應(yīng)用主要包括巡邏人員定位、設(shè)備環(huán)境及狀態(tài)檢測(cè)、狀態(tài)檢修協(xié)助和規(guī)范運(yùn)作的指導(dǎo)等。

三、智能家居服務(wù)

作為智能電網(wǎng)重要組成的部分，智能家居是實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與電網(wǎng)之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，提高電網(wǎng)的綜合服務(wù)能力，滿(mǎn)足互動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)的需求，提高服務(wù)質(zhì)量的重要方法。智能家居服務(wù)被廣泛應(yīng)用于日常中。例如，居民可以讓自己的洗衣機(jī)和充電器在半夜時(shí)進(jìn)行切換，這樣會(huì)使電費(fèi)相對(duì)較低。他們可以在回家前透過(guò)電話或透過(guò)簡(jiǎn)訊，將家中的空調(diào)和電熱水器打開(kāi)，他們可以一到家就享受到空調(diào)和熱水。也可隨時(shí)監(jiān)控家中的情況，若不在家的時(shí)候，家中出現(xiàn)小偷，可以透過(guò)監(jiān)控立即打電話報(bào)警。透過(guò)轉(zhuǎn)移住宅的負(fù)荷高峰，可以減少用于輸電和配電容量的需求，因而減少電力系統(tǒng)上的花費(fèi)。同時(shí)，將住宅的負(fù)荷高峰轉(zhuǎn)移給工業(yè)和商業(yè)用戶(hù)，有助于提高電網(wǎng)企業(yè)的收入而不增加發(fā)電量。

圖5.3智能家居和大樓自動(dòng)化系統(tǒng)概述：無(wú)論是經(jīng)由電源線或無(wú)線都可以相互溝通

物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用于智能電網(wǎng)的各個(gè)方面?？稍谝话慵彝鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)使用智能家居服務(wù)系統(tǒng)，它提供了智能家電控制、萬(wàn)用電表抄表、電力消耗(包括電力，天然氣，水，熱力等)的訊息收集、家里的敏感負(fù)載監(jiān)控和控制、再生能源的存取、用戶(hù)互動(dòng)、訊息服務(wù)等。它也可以采取開(kāi)發(fā)一般性平臺(tái)，在研究無(wú)線傳感器、電源線通訊以及電源線復(fù)合電纜上，和下一代寬帶無(wú)線通信的整合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同時(shí)進(jìn)行。最后，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將加速數(shù)字化、通訊城市、AMR、分析和專(zhuān)家決策系統(tǒng)的發(fā)展。因此，我們將能節(jié)約能源以及有效地使用各種資源的目標(biāo)。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)在建筑環(huán)境智能自動(dòng)化中有更多的機(jī)會(huì)，這樣的好處對(duì)于節(jié)能與智慧能源網(wǎng)的整合、智慧建筑與住宅都代表著有很大的機(jī)會(huì)可以減少企業(yè)和家庭的電力消耗。電力供貨商可根據(jù)時(shí)間表，以及大樓居民使用模式的效率進(jìn)行優(yōu)化。智能電表和電器將與智慧電源溝通，以幫助平衡供應(yīng)和需求。

能量感知智能家居的智能電網(wǎng)整合，無(wú)疑地會(huì)引出一些智能電網(wǎng)的主要目的并成功整合。從相互作用所產(chǎn)生的好處說(shuō)明如下：

(一)更有效的訊息回傳

國(guó)內(nèi)每家每戶(hù)的能源浪費(fèi)占了相當(dāng)大的比例，問(wèn)題可歸因于缺乏適當(dāng)?shù)挠嵪⒒貍?。月底的賬單就是一個(gè)例子。雖然提到了我們的整體消費(fèi)，和我們?cè)诟犊钌匣硕嗌馘X(qián)，但電費(fèi)不能幫助我們節(jié)約能源，因?yàn)樗鼪](méi)有透露我們到底把大部分的電力花在何處。毫無(wú)疑問(wèn)地，智能電網(wǎng)，可與我們的智能家居之間不斷地互動(dòng)，將進(jìn)行更有效的訊息回傳。如果某設(shè)備設(shè)定在一個(gè)特定時(shí)刻會(huì)被開(kāi)啟通知，價(jià)格訊號(hào)電價(jià)可在任何給定的時(shí)間發(fā)送到家中，讓我們的設(shè)備立即通知我們所耗費(fèi)的能源量(以金錢(qián)計(jì)算)。這種能源消耗的詳細(xì)圖，有望給消費(fèi)者更深入的了解自己的能源使用模式，并有機(jī)會(huì)降低月底的電費(fèi)。不僅有利于口袋里的錢(qián)，也幫助消費(fèi)者做出更明智的決策。

(二)調(diào)節(jié)高峰時(shí)段的能力

該智能家居和智能電網(wǎng)的互動(dòng)，提供同樣具有價(jià)值的好處是引入動(dòng)態(tài)定價(jià)機(jī)制，根據(jù)目前的需求和所需充電的時(shí)間，來(lái)進(jìn)行充電。這種方案使消費(fèi)者能夠在非高峰時(shí)段用較低的費(fèi)用使用能源，并讓需求有更好的分配。從高峰到非高峰期中移動(dòng)的一部分，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為調(diào)峰。

(三)能量交換

從智能家居和智能電網(wǎng)之間的雙向通訊，所得到的另一個(gè)好處是，智能電網(wǎng)消費(fèi)者有權(quán)選擇成為能源的生產(chǎn)者。透過(guò)其處所安裝分布式能源資源，客戶(hù)可以產(chǎn)生、儲(chǔ)存和賣(mài)出能量回傳給電網(wǎng)。

四、電動(dòng)汽車(chē)之訊息管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)(EV)提供一個(gè)有趣的智能電網(wǎng)的潛力并超越環(huán)保交通。它可用于儲(chǔ)存能量。電動(dòng)汽車(chē)充電站包括四個(gè)方面：供電系統(tǒng)、充電設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)配套設(shè)施，如圖5.4所示。供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)安全輸出和電力計(jì)量管理，例如變壓器和諧波控制設(shè)備等等。電動(dòng)汽車(chē)的充電和放電，透過(guò)充電設(shè)備來(lái)完成，包括直流充電和交流充電。交流充電提供慢速充電的電動(dòng)車(chē)，而直流充電提供快速充電模式和計(jì)費(fèi)功能，監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)環(huán)境和安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5.4運(yùn)用智能電網(wǎng)整合電動(dòng)汽車(chē)包括多個(gè)數(shù)據(jù)交換

EV被視為智能電網(wǎng)的移動(dòng)蓄電裝置，并且有助于電網(wǎng)減輕峰谷的影響。這新功能將能更好地管理資源，相當(dāng)?shù)丨h(huán)保。消費(fèi)者還可以在非高峰時(shí)間使用到較便宜的的電力。為了實(shí)施電動(dòng)車(chē)的互連充電站和電網(wǎng)，它需要同時(shí)開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)，通訊輔助設(shè)備和管理平臺(tái)。

根據(jù)智能感應(yīng)和高容量的傳輸設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可提供智慧感應(yīng)和高效互動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)、電池與充電站。智能感應(yīng)裝置包括無(wú)線傳感器、RFID標(biāo)簽和GPS，而高容量的傳輸設(shè)備包括電力光纖網(wǎng)絡(luò)、電力線載波通訊和無(wú)線寬帶。另外，在管理整個(gè)生命周期的在線監(jiān)控、集中控制、優(yōu)化資源分配和設(shè)備，可透過(guò)綜合訊息分析來(lái)實(shí)施。透過(guò)感知的可用資源和資源的利用狀態(tài)，統(tǒng)一資源分配和有效率的服務(wù)，可提供給充電站和消費(fèi)者。