第197期 / March 5, 2014

研發新視界

分享到臉書!分享到維特!分享到噗浪!分享到Google+!分享到微博!轉寄友人友善列印

IEC防竊電智慧電表系統

作者/洪偉寧

[發表日期:2014/3/5]

前言

隨著全球暖化與氣候變遷,能源短缺是全球必須正視的重要議題,節能減碳與再生能源將不再作為口號,而是真正的付諸行動。智慧電網(Smart Grid)的建置是各國能源政策積極發展的目標,智慧電表 (Smart Meter) 與及其所建立的先進讀表基礎建設 (Advanced Metering Infrastructure, AMI) 則為智慧電網建設的重要基礎。根據工研院IEK報告顯示,歐洲、美國、中國推動AMI的起步較早,其他國家也逐步進入先導系統測試與大量建置規劃的階段,在全球普遍重視節能減碳風潮下,預計高峰期應在未來幾年至2020年左右。在各國的政策推動下,智慧電表已具備相當龐大的市場規模,由此可知,AMI極具有發展潛力。

凌群電腦一直以來致力於針對國內商辦大樓、住辦大樓以及學校的節電需求,發展一套智慧型的節能管理系統,涵蓋用電需量控制、負載移轉排程、用電預測、異常用電監測等功能,並藉由圖形化的操作介面協助業者管理用電,以實踐電力使用最佳化的目標。近年來,除了持續擴大發展國內市場外,因考慮新興國家經濟成長快速與勇於投入龐大的基礎建設,亦將拓展國外市場。因此,已經於102年與電表廠商以智慧電表為主合作開發AMI雛型通訊伺服器系統,建構一套完整的智慧電表、通訊設備以及後台讀表管理與平台的解決方案,凌群電腦已累積相當的經驗,並已做好跨入國際智慧電網市場的準備工作。

AMI是什麼?

AMI主要由智慧型電表、通訊系統與設備、電表資訊管理系統 (Meter Database Management System, MDMS) 所組成,如圖1所示,主要是藉由雙向通訊完成電表資料讀取、設定與控制,利用各種通訊系統與設備將電表資料傳回電表資訊管理系統平台,並於平台上提供自動化讀表、電價費率管理、斷復電管理以及用戶資訊查詢服務等,藉以改變用戶的用電習慣,最終達到節能減碳、改善供電品質、以及提升經濟效率,因此,可達到提供國家面、電業面、用電戶面的全面的效益。


《圖一》AMI組成架構圖
資料來源:工研院IEK (2010/09)

  • 智慧型電表:

    智慧電表是一種新型的數位電表,其內部元件是由通訊模組、控制模組與計量模組所組成,可進行較複雜的電力運算邏輯,精確地標示出電力能源使用量,並藉由雙向通訊功能將電表的讀表資訊經由網路回報於後端系統。


  • 通訊系統與設備:

    AMI主要是藉由網路傳輸介質傳遞電表資訊,且會隨著通訊範圍與各地區環境差異而有所不同。工研院將AMI依據通訊範圍分為三種通訊介面:區域網路(Local Area Network, LAN)、廣域網路(Wide Area Network, WAN)、家庭區域網路(Home Area Network, HAN)。


  • 電表資訊管理系統:

    使用者可藉由操作MDMS使用者介面,使用後端資料庫系統進行讀表、電表管理、資料分析統計、警報事件管理等,亦可與多項後端應用系統整合,因此,MDMS須具備高度的整合性,以確保電力資料正確性與安全性。

IEC防竊電智慧電表系統

AMI的架構下的智慧電表大致可分成「歐規IEC電表」與「美規ANSI電表」兩種規範,而台灣智慧電表產業起步較晚,且目前投產中的產品目標規格均以台電公司需求之ANSI電表為主,但除了北美、部分中南美洲、太平洋島國、菲律賓、台灣等採用ANSI電表之外,其他地區多採用IEC電表。一般而言,ANSI電流耐電流較大、機構設計規定較統一、但接線的可擴充性較差;而IEC電表則較多樣且富變化、接線擴充較有彈性、精度等測試較嚴苛。由此可知,全球IEC電表的市場遠大於ANSI電表,且以新興國家做為下一階段智慧電表系統與AMI系統整合市場之主要推動力。

「IEC防竊電智慧電表系統」主要是以AMI架構整合IEC智慧電表及其通訊與後台系統,所建構出符合用電管理的整合性智慧電表系統。系統的通訊模式為:IEC智慧電表經由短距離無線電或電力線傳輸將資料傳送至資料集中器 (Data Concentrator Unit, DCU),再由資料集中器經廣域網路傳送至通訊伺服器,最後由系統介面顯示用電資訊。其中,前端的IEC智慧電表需符合IEC62053-21之單相智慧電表功能需求,且通訊協定亦須符合IEC62056通訊規範。系統的操作介面則是以多語系與GIS圖形化為設計理念,讓用戶快速且方便了解用電資訊,藉以研擬節約措施與用電方針,達到節能減碳的效益。而後端的程式化讀表資料驗證邏輯、遺失電表補值邏輯、以及批次或逐筆電表資料輸入等功能,提供驗證資料的正確性並校正問題資料,以確保讀表資料之完整性與正確性,最終目標為提高決策的品質。

IEC防竊電智慧電表系統主要設備涵蓋:IEC電表、集中器、負載平衡器、網頁伺服器、資料庫系統、以及一台伺服主機專門用來記錄電表與資料庫之間的關係。由AMI架構可知,通訊模式中將會有上千個智慧電表進行電力資訊傳輸與查詢動作,因此,伺服器與資料庫的可擴充性與負載能力相當重要。除了集中器可內部儲存讀取電表資料,更於網頁伺服器與電表或使用者之間加入負載平衡器,其可以自動偵測網頁伺服器的負載狀況,依設定的分配演算法將負載導入空閒的網頁伺服器中,避免集中器過載以增加系統反應速度。

因大量智慧電表的用電資訊傳輸至伺服器,導致後端的資料量十分龐大,故使用一台「電表-資料庫關聯主機」伺服器專門記錄電表與資料庫之間的關係。其運作原則為當一台資料庫無法負荷過大的資料時,即可新增一台資料庫主機,並將新的電表之資料,放入另外一台資料庫主機中,同時,將此記錄在電表-資料庫關聯主機中,往後有任何關於該電表之新增查詢需求時,可藉由查詢電表-資料庫關聯主機進而導引到正確的資料庫系統中,以滿足資料庫的擴充性。系統亦將會定期備份資料庫於備援主機中,一旦資料庫主機發生問題,可以立刻切換到備源主機上,而不影響系統的運作。

《圖二》系統架構圖


IEC防竊電智慧電表系統包含:通訊伺服器通訊平台、通訊伺服器管理平台、VEE (Validation、Estimation、Editing) 應用軟體模組、以及QBE (Query By Example) 操作介面,系統介面關聯圖如圖3所示,各子功能詳細介紹如表一所列。


《圖三》系統介面關聯圖

  • 通訊伺服器通訊平台:

    主要功能為實作通訊伺服器與集中器之間的通訊協定,除可接收電表與集中器所傳輸的註冊要求,亦可定期或隨選讀取電表之數據資料,讀表資料藉由通訊伺服器將資料傳回,並進行讀表資料的資料儲存管理,以及提供較工程面的管理與偵錯介面。


  • 通訊伺服器管理平台:

    主要是提供使用者Web化的操作介面,並可於系統介面中針對各集中器與其所轄之電表群進行管理與設定、監控 GIS拓樸地圖、用電報表查詢、事件警報監測、以及工單建置等。使用者可於平台自訂用戶群組與建構用電異常監測模組,依群組即時分析大樓用電現況、顯示負載統計以及監控竊電行為,以提供回饋分析建議。


  • VEE應用軟體模組:

    主要是可定期檢查讀取數據的時間間隔,並且在資料異常的時候,提供對遺失、錯誤、重複讀表資料之驗證機制及估算邏輯,並修改為正確的數據,以確保讀表資料之完整性與正確性,其主要特色包含:高相容性、簡易的設定以及簡單的操作。


  • QBE操作介面:

    QBE (Query By Example) 主要為查詢資料庫的視覺化操作介面,可藉由簡單操作以獲取資料庫的資料,並可對所儲存於資料庫之相關資料,進行新增、刪除、修改等維護性工作,需與實際資料具有一致性並保留最新更新狀態。

系統功能項目
功能說明
通訊伺服器通訊平台
  • 集中器之電表資料回報:集中器回報所蒐集到的電表資料,通訊平台依其性質儲存至後端資料庫
  • 歷史資料讀取:依據電表資料向集中器讀取歷史用電資料,並將歷史用電資料儲存至後端資料庫
  • 工單資料核對:依據電表資料與電表回報狀態,與後端資料庫的工單資料進行核對
通訊伺服器管理平台
  • 系統管理與設定:可於系統介面輸入系統設定之相關資料
  • GIS地圖拓樸:將電表與集中器資料顯示於GIS地圖中以供查詢
  • 基本用電查詢:依據集中器或電表資料將基本用電資料列表為用電查詢報表以供查詢
  • 用電統計分析:依據集中器資料、電表資料、負載用電資料以及月用資料等統計分析資料,彙總整理成為各式報表以供查詢
  • 警報/事件:依據集中器與電表顯示其警報事件報表,可藉此處置警報狀態
  • 工單管理:提供建置工單,並可於介面中查詢或管理工單管理報表
VEE應用軟體模組
  • VEE電表設定:依據集中器資料與電表資料設定需進行VEE的電表資料
  • VEE參數設定:依據集中器資料與電表資料進行VEE參數資料、VEE資料類型資料以及VEE閾值等數值的設定
  • VEE前後臺服務:依據VEE電表資料、VEE參數資料以及VEE資料類型,進行後端運算,並將運算結果儲存至VEE紀錄資料的後端資料庫
  • VEE歷史查詢:依據VEE電表資料與VEE紀錄資料,將歷史資料列表於系統介面以供查詢
QBE操作介面
  • 儲存電表與集中器資料與回報的用電資訊,進行維護並保留最新更新狀態
  • 有關電表、集中器等之註冊、新增、刪除等,必須保存所對應電表與集中器資料之一致性
  • 可對所儲存於資料庫之電表與集中器相關資料,進行新增、刪除、修改等維護性工作

《表一》系統功能說明表


結論

IEC防竊電智慧電表系統的優勢除了可以節省電力公司人工抄表的人力成本之外, IEC智慧電表的雙向通訊功能更可讓用戶端隨時連線知道自己的用電狀況,也可遠端控管負載設備與實現遠端斷電復電等。系統可直接應用於全球電業,用以進行自動讀表或負載管理等,並以此為基礎,與電業之配電自動化系統、帳務管理系統、用戶服務系統等相連,作為其建構智慧電網之基礎,如:家庭自動化及能源管理、電動車充電負載管理、再生能源發電之調度管理等加值應用。除可應用於電業外,尚可縮小規模應用於一般大型機關、社區、學校等之電力監控與管理,協助其了解用電資訊瞭解整體用電趨勢,藉以改變用電習慣,亦或是做為未來用電參考。

IEC防竊電智慧電表系統的功能尤其適合應用於新興國家電業,因其建置智慧電表系統時,除一般之負載管理、節能減碳、提高效率與可靠度的考量外,還希望經由智慧電表的裝置,能降低竊電損失、加速營收周轉率等,故其導入智慧電表系統反倒可能比成熟進步國家各具效益。因此,凌群電腦將積極地對外發展IEC防竊電智慧電表系統,藉由新興國家經濟成長強勁,其智慧電表系統推動的力道與市場規模,令人期待。
參考文獻