智能電表專業(yè)論文

目前，消費(fèi)者和電力公司都一致同意智能電網(wǎng)具備眾多好處，例如：分時(shí)計(jì)價(jià)、精確計(jì)量，并可避免每月上門(mén)查詢電表讀數(shù)等麻煩。而智能電網(wǎng)是否在應(yīng)用環(huán)境中切實(shí)發(fā)揮了實(shí)際效益?各方觀點(diǎn)并不一致。本文討論智能電網(wǎng)如何幫助電力公司監(jiān)測(cè)電能的使用狀況。利用這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，電力公司能夠與用戶一起達(dá)到降低能耗的目的，整合各種可再生能源。當(dāng)這一天到來(lái)時(shí)，環(huán)境就是最大的贏家。

什么是智能電網(wǎng)?

對(duì)有的人來(lái)說(shuō)，智能電網(wǎng)只不過(guò)意味著房屋中的新電表、氣表和水表;對(duì)有的人來(lái)說(shuō)，智能電網(wǎng)就是在建筑外安裝的有害高頻輻射源。而對(duì)于有些人，智能電網(wǎng)是一種將所有耗電對(duì)象連接在一起的新網(wǎng)絡(luò)。

很多人認(rèn)為，如果托馬斯·愛(ài)迪生現(xiàn)在重返人間，也能輕易認(rèn)出古老的電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)75年的微利運(yùn)營(yíng)之后，電力公司幾乎沒(méi)有任何積極性來(lái)升級(jí)現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)。不僅如此，消費(fèi)者也已經(jīng)習(xí)慣于毫無(wú)概念地消費(fèi)資源，然后在月底或更長(zhǎng)的時(shí)間后支付電費(fèi)賬單。

實(shí)際上，智能電網(wǎng)是一種新網(wǎng)絡(luò)。作為一種新網(wǎng)絡(luò)，它完全覆蓋現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施。分別在發(fā)電、配送和消耗環(huán)節(jié)測(cè)量能源，然后在網(wǎng)絡(luò)上傳輸這些測(cè)量結(jié)果。電力公司和消費(fèi)者之間的這種通信允許快速、智能地針對(duì)電網(wǎng)狀況制定決策。與智能手機(jī)加速我們獲取信息的渠道相同，智能電網(wǎng)允許我們及電力公司更快地訪問(wèn)能源信息。如果能夠測(cè)量每臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備的能耗，并反饋到電力公司管理的、采用最新技術(shù)的計(jì)算機(jī)終端，隨后在將信息供給消費(fèi)者查詢，這將是一種什么樣的情形!毫無(wú)疑問(wèn)，這種認(rèn)知能夠讓我們及時(shí)判斷浪費(fèi)能源設(shè)備以及節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境的機(jī)會(huì)。

智能電表(確切的說(shuō)是儀表)記錄家庭或商業(yè)消耗的電能，并以15分鐘的間隔將這些數(shù)據(jù)送至電力公司。這項(xiàng)任務(wù)，稱為“能源計(jì)量”，發(fā)生在儀表內(nèi)部。能源計(jì)量需要非常精確、可靠，以便電力公司準(zhǔn)確了解耗電量，并且不會(huì)從消費(fèi)者那里多收費(fèi)。大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)量都由半導(dǎo)體器件完成。Maxim的71M6541D就是一種這樣的器件，能夠精確計(jì)量典型家用電表的電量。

將數(shù)據(jù)傳回電力公司的過(guò)程也由集成電路完成。這些器件要么將電力線作為通信線，要么采用無(wú)線通信方式。電力線通信(PLC)的優(yōu)點(diǎn)是射頻輻射小，適合射頻難以穿透的環(huán)境，例如地下室。Maxim的MAX2991和MAX2992組成的完整芯片組能夠支持電表到電力公司的可靠通信。

智能電表不僅限于電表，還要進(jìn)入家庭和商業(yè)建筑。當(dāng)配備了測(cè)量裝置(有時(shí)還包括通信裝置)后，數(shù)據(jù)中心、工廠和電器全部實(shí)現(xiàn)“智能化”。測(cè)量能耗并將這些信息送回電力公司或家域網(wǎng)的過(guò)程稱為能源計(jì)量。再生能源也依賴于能源計(jì)量。計(jì)量建筑物太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電能就是一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)例。有效的能源計(jì)量必須精確而可靠。Maxim的78M6612為各種應(yīng)用提供高精度能源計(jì)量。

從電力公司的角度講，智能電表(智能電網(wǎng)的一部分)提供了降低峰值負(fù)荷的機(jī)會(huì)。管理高峰期的能耗對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱難挑戰(zhàn)。

圖1所示為美國(guó)中北部在炎熱夏季的電能消耗。我們可以想象在一個(gè)炎熱夏季的周末，早上7點(diǎn)起床之前耗電量非常低;起床之后，您會(huì)打開(kāi)電視、咖啡壺及部分照明燈，從而使電網(wǎng)負(fù)荷增大;隨后，您將打開(kāi)計(jì)算機(jī)，隨后就是工作間的空調(diào)。在工廠，由于白天工作設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大熱量，所以全天都需要開(kāi)啟空調(diào)。工作日之后，人們回到家中并打開(kāi)空調(diào)和電器，電能需求量進(jìn)一步增大。耗電量通常在傍晚達(dá)到高峰，只要當(dāng)溫度降低及人類(lèi)活動(dòng)減少時(shí)才開(kāi)始下降。

圖1.美國(guó)中北部在2011年7月14日實(shí)際測(cè)量的電能數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由ElectricReliabilityCouncilofTexas(ERCOT組織)提供

冬季，由于采用天然氣加熱，電力需求量的峰值沒(méi)有這么高。

電力公司如何管理這種波動(dòng)性的電能需求呢?關(guān)鍵是：可供電力公司選擇儲(chǔ)存的電能非常少。沒(méi)有大型電池能夠儲(chǔ)存一座城市或大型電力公司服務(wù)區(qū)域所需要的電能。電力公司必須具備足夠的發(fā)電設(shè)施來(lái)及時(shí)滿足峰值需求，以及足夠的裕量來(lái)避免斷電。典型的電力公司將采用水力發(fā)電和火力發(fā)電廠相結(jié)合的方式，保證基本負(fù)荷的供電。兩種發(fā)電途徑都是電力的主要來(lái)源，但水力發(fā)電響應(yīng)太慢，難以滿足需求量的實(shí)時(shí)變化。石油和天然氣渦輪機(jī)響應(yīng)快速，因此可增大電能供應(yīng)量，以滿足全天的用電高峰和用電量的變化需求。太陽(yáng)能裝置在陽(yáng)光明媚的白天也為日間供電起到一定的作用。

這就是電力公司數(shù)十年來(lái)管理和供應(yīng)電力的方式，現(xiàn)在考慮智能電網(wǎng)的情形。

設(shè)想炎熱夏季的某天，對(duì)于全面部署了具有可靠通信能力的高精度智能電表的場(chǎng)合。早上供電需求量增大時(shí)，智能電表每隔15分鐘將實(shí)時(shí)用電量數(shù)據(jù)發(fā)送給上級(jí)電力公司，能夠快速判斷用電峰值點(diǎn)。

通過(guò)這些用電量數(shù)據(jù)，電力公司開(kāi)始實(shí)行分時(shí)計(jì)價(jià)的措施。按照這一規(guī)則，用戶在高峰期內(nèi)用電將需要支付高昂費(fèi)率。為了節(jié)能或降低電費(fèi)，消費(fèi)者或商業(yè)用戶，甚至數(shù)據(jù)中心都會(huì)選擇由電力公司或第三方控制其電氣系統(tǒng)。在氣溫升高時(shí)，電力公司將遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)的溫度監(jiān)控器，僅僅使家庭或辦公室的溫度稍微升高一點(diǎn)兒，即可達(dá)到節(jié)能的目的。最終用戶甚至感覺(jué)不到這種自動(dòng)中斷的服務(wù)。

到了中午，電力公司將即時(shí)反饋來(lái)自風(fēng)能或太陽(yáng)能系統(tǒng)的再生能源。這些電力來(lái)源稱為分布式發(fā)電，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供可觀的電力，輸送到最近的用電設(shè)施。利用分布式發(fā)電，電力公司啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)更少，這些發(fā)電機(jī)采用燃油，沒(méi)有可再生能源環(huán)保。精確的測(cè)量數(shù)據(jù)和良好的控制機(jī)制還有助于減輕電力公司的發(fā)電負(fù)荷，允許預(yù)留更低的裕量。將來(lái)，如果負(fù)荷增大，插入充電站的電動(dòng)汽車(chē)可以自動(dòng)切換到供電功能，向電網(wǎng)輸送電能。

由此可見(jiàn)，智能電網(wǎng)能夠降低高峰期的峰值載荷，在節(jié)約電能的同時(shí)還降低了所需要的發(fā)電總量。由于智能電網(wǎng)固有的靈活性，甚至能夠在非高峰期間以更大的容量工作，以便為早些時(shí)候被作為電源的電動(dòng)汽車(chē)充電，并使消費(fèi)者在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)使用空調(diào)。理想情況下，晚間的電力將取自清潔能源，例如水力發(fā)電站或其他形式的可再生能源。

無(wú)論是消費(fèi)者，還是電力公司，最終都會(huì)同意降低峰值負(fù)荷，采用可再生能源的分布式發(fā)電降低我們對(duì)環(huán)境資源的依賴。

現(xiàn)實(shí)結(jié)果

基于上述觀點(diǎn)，有人會(huì)說(shuō)，所有這些聽(tīng)起來(lái)很好，甚至非常好，但我們?nèi)匀灰鹊瓤?，是否一切能夠平滑過(guò)渡，在任何時(shí)間、任何地方都能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然，如果消費(fèi)者和電力公司協(xié)同努力，為節(jié)能做出貢獻(xiàn)，智能電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)將是毫無(wú)疑問(wèn)的，但在現(xiàn)實(shí)中是否可行?

2001年至2006年，意大利率先開(kāi)始部署智能電表。意大利電力公司Enel推動(dòng)了這一計(jì)劃的進(jìn)行，以期降低費(fèi)用。現(xiàn)在，接近85%的意大利用戶采用了智能電表，實(shí)際安裝大約4千萬(wàn)臺(tái)電表。Enel估算這些裝置每年可節(jié)約7.5億美元。分時(shí)計(jì)價(jià)和消費(fèi)者的理念是節(jié)儉機(jī)制的關(guān)鍵因素，有些消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)他們的電費(fèi)節(jié)約了高達(dá)50%。抄表和維護(hù)所帶來(lái)的交通費(fèi)用的降低進(jìn)一步節(jié)省了電力部門(mén)的運(yùn)行成本。

同儕壓力也能促使消費(fèi)者向正確的方向轉(zhuǎn)變。2009年，美國(guó)明尼蘇達(dá)州電力公司聯(lián)合會(huì)ConnexusEnergy就被立法機(jī)構(gòu)要求每年降低1.5%的能耗。降低用電量，例如，采用可再生能源、更有效地配送電力，只能滿足部分要求。顯然，ConnexusEnergy必須通過(guò)消費(fèi)者的努力達(dá)到降低能耗的目的。ConnexusEnergy聯(lián)合會(huì)與顧問(wèn)公司合作實(shí)施了創(chuàng)新的計(jì)費(fèi)方案和培訓(xùn)計(jì)劃。他們向40,000戶住宅消費(fèi)者郵寄了一份報(bào)告，首先將其耗電量與最近的100戶小型住宅鄰居進(jìn)行比較，然后列出了排名前20%的“節(jié)能用戶”。為了提供真實(shí)有效的比較，ConnexusEnergy還創(chuàng)建了一個(gè)由40,000用戶組成的對(duì)照組。到了2009年，同儕壓力湊效了。消費(fèi)者的能源消耗降低2%，每年節(jié)約$20至$30。累計(jì)節(jié)約1百萬(wàn)美元以上。隨后，98.7%的計(jì)劃參與者選擇繼續(xù)參加該項(xiàng)計(jì)劃。

現(xiàn)在，作為美國(guó)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇與再投資法案的一部分，美國(guó)政府在智能電表領(lǐng)域已經(jīng)投入$45億，旨在提高能源效率、降低峰值用電量，合理整合分布式再生能源3。

全球各國(guó)也都制定了智能電表投資計(jì)劃。

遠(yuǎn)景展望

數(shù)據(jù)表明，智能電網(wǎng)通過(guò)降低用電量、對(duì)再生能源的整合及節(jié)能，為改善環(huán)境作出重大貢獻(xiàn)。但是，如果電網(wǎng)規(guī)劃不合理、離開(kāi)了消費(fèi)者的參與或者沒(méi)有對(duì)消費(fèi)者進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，就不可能達(dá)到利益最大化。機(jī)器控制不可能增強(qiáng)消費(fèi)者的意識(shí)，改變?nèi)藗兊挠秒娏?xí)慣。智能電表、太陽(yáng)能板和電動(dòng)汽車(chē)僅僅是供人們使用的工具。智能電表的成功取決于你和我，我們這些聰明的消費(fèi)者。