第一節(jié)簡介

由于目前的能源危機，已開始要求各個地區(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重的問題，許多研究的發(fā)展目的是為了減少能源的消耗。為了實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)，監(jiān)測和分析能源的消耗是基本的技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)是二十一世紀的現(xiàn)象，是實體消費產(chǎn)品連接到網(wǎng)絡(luò)，并開始通過傳感器和致動器的裝置相互溝通。智能電網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)大多數(shù)的應用之一。由于訊息認知、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)采集和互動等將扮演重要的角色。自從實施智能電網(wǎng)技術(shù)后，能夠在高峰時段視情況調(diào)整系統(tǒng)的負載平衡，以及對于居民的目標是利用以時間為基礎(chǔ)的定價通知需求響應機制，減少在高峰時期的電用量。

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，例如先進的定時器，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，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，能透過雙向通訊讓供貨商能實時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)送給消費者。因此，智能電網(wǎng)能提高消費者的參與度，以達到能量消耗優(yōu)化。

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

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，風廠，核電站，水電站，太陽能電站等火電廠)的方式由發(fā)電廠產(chǎn)生，發(fā)電機根據(jù)消費者需求及有限的資源來生產(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)生器傳遞給消費者。配電通過配電站和輸電線路。該電力在電力傳輸?shù)倪^程中損耗最小。某部分電力慢慢流失是因為傳輸線所產(chǎn)生的熱。

三、電力消耗：電力消耗會因不同機構(gòu)的消費者(例如，家用，工業(yè)和政府機關(guān))而有所不同。因此，必須確認各電力的需求，使得電力供給及分配優(yōu)化。為了實施這一目標，智能電表裝置可以快速、準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家庭局域網(wǎng)絡(luò)(HAN)。

五、集中器/通訊閘：一個集中器，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)生的訊號流量)傳送連回至電信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點并進一步與電信核心網(wǎng)絡(luò)鏈接傳輸。

六、廣域網(wǎng)(WAN)基地臺：廣域網(wǎng)基地臺從集中器累積數(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)基地臺分配帶寬給每個集中器。

七、控制中心：控制中心從WAN基地臺接收儲存數(shù)據(jù)后，用這些數(shù)據(jù)來估算電力的需求，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)，客戶可以使用該系統(tǒng)提供更高的可靠性和訊息來節(jié)約能源

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

為了將物聯(lián)網(wǎng)的應用擴展到智能電網(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、電池壽命更長的方向前進。在生活中，有著無所不在的通訊溝通、更寬的帶寬、更強的計算能力、決策和智能控制的能力。在智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)應用的主要情況如下：

一、自動抄表系統(tǒng)(AMR)與高可靠性

自動抄表系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中有著明顯作用。它是一個負責采集、智能處理和實時監(jiān)控電力消耗資訊的系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)支持自動采集、異常測量、電能質(zhì)量監(jiān)測與消費行為分析。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)場收集一段時間，這導致時效性不足、準確性和適應性也都不夠。遠程抄表系統(tǒng)是利用無線傳感器網(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)取得有用的實時信息，而今后能經(jīng)由先進的通訊技術(shù)、估算技術(shù)和電能計量技術(shù)達到電力消耗統(tǒng)計、分析的使用狀態(tài)。此系統(tǒng)的意義在于它的實時、準確、有效率的電能質(zhì)量統(tǒng)計和監(jiān)測方面。此系統(tǒng)將大大增強傳統(tǒng)AMR系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。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)計和電力消耗分析來調(diào)整用電，以及實施階梯電價以達到省錢的目的。

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，主要是在固定的時間運用人工來進行。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，智能巡邏會是一個更好的選擇。它根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，以及可以幫助識別的標簽定位設(shè)備，提高巡視工作的標準化和規(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。智能巡邏的應用主要包括巡邏人員定位、設(shè)備環(huán)境及狀態(tài)檢測、狀態(tài)檢修協(xié)助和規(guī)范運作的指導等。

三、智能家居服務(wù)

作為智能電網(wǎng)重要組成的部分，智能家居是實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間的實時互動，提高電網(wǎng)的綜合服務(wù)能力，滿足互動營銷的需求，提高服務(wù)質(zhì)量的重要方法。智能家居服務(wù)被廣泛應用于日常中。例如，居民可以讓自己的洗衣機和充電器在半夜時進行切換，這樣會使電費相對較低。他們可以在回家前透過電話或透過簡訊，將家中的空調(diào)和電熱水器打開，他們可以一到家就享受到空調(diào)和熱水。也可隨時監(jiān)控家中的情況，若不在家的時候，家中出現(xiàn)小偷，可以透過監(jiān)控立即打電話報警。透過轉(zhuǎn)移住宅的負荷高峰，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。同時，將住宅的負荷高峰轉(zhuǎn)移給工業(yè)和商業(yè)用戶，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化系統(tǒng)概述：無論是經(jīng)由電源線或無線都可以相互溝通

物聯(lián)網(wǎng)可以應用于智能電網(wǎng)的各個方面。可在一般家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來使用智能家居服務(wù)系統(tǒng)，它提供了智能家電控制、萬用電表抄表、電力消耗(包括電力，天然氣，水，熱力等)的訊息收集、家里的敏感負載監(jiān)控和控制、再生能源的存取、用戶互動、訊息服務(wù)等。它也可以采取開發(fā)一般性平臺，在研究無線傳感器、電源線通訊以及電源線復合電纜上，和下一代寬帶無線通信的整合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同時進行。最后，物聯(lián)網(wǎng)的應用將加速數(shù)字化、通訊城市、AMR、分析和專家決策系統(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。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)在建筑環(huán)境智能自動化中有更多的機會，這樣的好處對于節(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會可以減少企業(yè)和家庭的電力消耗。電力供貨商可根據(jù)時間表，以及大樓居民使用模式的效率進行優(yōu)化。智能電表和電器將與智慧電源溝通，以幫助平衡供應和需求。

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

(一)更有效的訊息回傳

國內(nèi)每家每戶的能源浪費占了相當大的比例，問題可歸因于缺乏適當?shù)挠嵪⒒貍鳌Ｔ碌椎馁~單就是一個例子。雖然提到了我們的整體消費，和我們在付款上花了多少錢，但電費不能幫助我們節(jié)約能源，因為它沒有透露我們到底把大部分的電力花在何處。毫無疑問地，智能電網(wǎng)，可與我們的智能家居之間不斷地互動，將進行更有效的訊息回傳。如果某設(shè)備設(shè)定在一個特定時刻會被開啟通知，價格訊號電價可在任何給定的時間發(fā)送到家中，讓我們的設(shè)備立即通知我們所耗費的能源量(以金錢計算)。這種能源消耗的詳細圖，有望給消費者更深入的了解自己的能源使用模式，并有機會降低月底的電費。不僅有利于口袋里的錢，也幫助消費者做出更明智的決策。

(二)調(diào)節(jié)高峰時段的能力

該智能家居和智能電網(wǎng)的互動，提供同樣具有價值的好處是引入動態(tài)定價機制，根據(jù)目前的需求和所需充電的時間，來進行充電。這種方案使消費者能夠在非高峰時段用較低的費用使用能源，并讓需求有更好的分配。從高峰到非高峰期中移動的一部分，這個過程稱為調(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，所得到的另一個好處是，智能電網(wǎng)消費者有權(quán)選擇成為能源的生產(chǎn)者。透過其處所安裝分布式能源資源，客戶可以產(chǎn)生、儲存和賣出能量回傳給電網(wǎng)。

四、電動汽車之訊息管理系統(tǒng)

電動汽車(EV)提供一個有趣的智能電網(wǎng)的潛力并超越環(huán)保交通。它可用于儲存能量。電動汽車充電站包括四個方面：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)主要負責安全輸出和電力計量管理，例如變壓器和諧波控制設(shè)備等等。電動汽車的充電和放電，透過充電設(shè)備來完成，包括直流充電和交流充電。交流充電提供慢速充電的電動車，而直流充電提供快速充電模式和計費功能，監(jiān)控系統(tǒng)負責環(huán)境和安全的實時監(jiān)測。

圖5.4運用智能電網(wǎng)整合電動汽車包括多個數(shù)據(jù)交換

EV被視為智能電網(wǎng)的移動蓄電裝置，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?shù)丨h(huán)保。消費者還可以在非高峰時間使用到較便宜的的電力。為了實施電動車的互連充電站和電網(wǎng)，它需要同時開發(fā)電動汽車行業(yè)，通訊輔助設(shè)備和管理平臺。

根據(jù)智能感應和高容量的傳輸設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可提供智慧感應和高效互動的電動汽車、電池與充電站。智能感應裝置包括無線傳感器、RFID標簽和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線寬帶。另外，在管理整個生命周期的在線監(jiān)控、集中控制、優(yōu)化資源分配和設(shè)備，可透過綜合訊息分析來實施。透過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者。