第218期 / December 5, 2015

研發新視界

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IEC智慧電表系統與負載管理

作者/洪偉寧

[發表日期:2015/12/4]

前言

先進讀表基礎建設 (Advanced Metering Infrastructure, AMI) 在各國積極的推動下,已逐漸成為智慧電網建設的重要基礎。AMI是一套用於收集、儲存、分析用電資訊的完整系統架構,可藉由雙向的遠端網路通訊將電表硬體設備與軟體系統結合,定期接收電表用電數據資訊,亦可將接收數據傳送至電表資訊管理系統 (Meter Database Management System, MDMS) 進行分析與管理,亦可同時與多項相關後端應用軟體系統整合。AMI完整的自動化智慧電網的功能,不但可減少人工抄表所耗費的人力與成本外,亦可藉由接收到的用電資訊,讓使用者了解用電使用情形並進行用電管理,最終達到減少用電量及節能減碳。

凌群電腦一直以來致力於大型資料庫設計、大型應用以及服務軟體開發,為配合政府推行節能減碳的政策,曾於100-101年於業界科專計劃支持下完成「智慧型電力監測與節電策略調控服務平台計畫」,可對私部門的電表通訊、資料庫整合、雲端用電管理服務等,並研發一套針對國內商辦大樓、住辦大樓與學校的智慧型電力監控平台。102年更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。102年至今,為進入國際智慧電網市場,致力於研發以IEC智慧電表結合AMI架構的整合性智慧電表系統,將有助於建立我國完整的IEC智慧電表產業。

AMI概述

相較於傳統電網的集中式架構,智慧電網的分散式的管理不但可提高電網效率,亦可降低大量損耗的風險。而AMI架構為智慧電網為重要基礎,主要由智慧型電表、通訊系統與設備、電表資訊管理系統(MDMS)所組成,藉由雙向通訊用於收集、儲存、分析、設定與控制用電數據資訊,而智慧型電表的用電資訊透過前端系統的分析與應用,可讓電力公司與消費者快速且方便了解用電資訊並研擬節約措施,達到節能減碳的效益。

DLMS/COSEM國際先進電表通訊標準

隨著AMI架構的全球性普及,DLMS用戶協會 (DLMS User Association) 基於物件導向的觀點,提出了一種新的先進電表通訊協議標準DLMS/COSEM (Device Language Message Specification/Companion Specification for Energy Metering),目的在於能夠適用於不同製造廠家與儀表型號,並提供一個具備結構化建模和儀表數據交換的互操作環境。DLMS用戶協會訂定了白皮書 (White Book)、綠皮書(Green Book)、黃皮書 (Yellow Book) 和藍皮書 (Blue Book) 一系列的規範性文件,其開放性的標準逐漸受到國際上的重視,目前已知全球有超過50個以上的國家採用,而DLMS/COSEM該協定已經由國際電工委員會採納作為IEC 62056國際標準。

先進電表的底層通信協定採用高階資料鏈結控制 (High-Level Data Link Control, HDLC),是一個面向連接(Connection-Oriented)的資料鏈結層協議,HDLC允許任何長度的位元訊框(Frame)傳輸,以位元(bit)為傳輸單位,格式內容如下:



1.旗號欄位:由8 bits組成,主要用途為讓目的位址進行識別,於HDLC協定中使用「01111110」作為同步旗號。
2.格式欄位:由16 bits組成,內容包含訊框的格式、分割與否以及訊框長度
3.位址欄位:由8 bits組成,內容為目的位址或來源位址的資訊。
4.控制欄位:由8 bits組成,內容為訊框的類型,主要用途為通知目的位址執行的操作命令。訊框類別包含有資訊訊框(information frame)、監控訊框(Supervisory frame)、無訊號訊框(Unnumbered frame)。
5.標頭校驗欄位:由16 bits組成,內容為經邏輯運算的檢核碼,主要用途為針對開始旗號至標頭校驗欄位之間的訊框內容進行校驗。
6.資料欄位:長度不限,亦可以無資料。
7.訊框校驗欄位:由16 bits組成,內容為經邏輯運算的檢核碼,主要用途為針對開始旗號至結束旗號之間的訊框內容進行校驗。

系統整體架構


《圖一》系統架構圖


一、集中器與智慧電表:

IEC智慧電表包含單相防竊電電表與三相負載管理電表,兩者均符合國際標準IEC62056之通訊規範與IEC62053-21之功能需求。其中,單相電表具備先進電力量測能力與長時間負載記錄能力,可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,集中器經廣域網路再將資料傳送至後端伺服器;而三相負載管理電表所具備的雙向通訊功能,可直接藉由3G/GPRS無線或有線通訊將用電資訊傳送至後端伺服器。

二、通訊伺服器與資料庫:

通訊伺服器具備雙向通訊功能,主要用於電表與應用管理系統之間的相互通訊。對於下層設備,通訊伺服器可透過多種網路傳輸介質的通訊技術,依據設定週期讀取集中器或三相電表的用電數據資料,並儲存至後端資料庫中;對於上層的應用管理系統,通訊伺服器可接收其下達指令,並依據指令讀取資料庫儲存用電資訊或直接讀取設備用電資訊,最後再將讀取結果傳送給應用管理系統,以利其進行加值應用。

三、應用管理系統:

「IEC智慧電表系統」主要提供簡易查詢通訊伺服器讀回資訊;而「MDMS」主要可以針對用電數據資訊進行分析與應用,其中,針對遺失、錯誤、重複讀表的用電數據資料,可藉由VEE (Validation, Estimation, Editing) 的驗證機制及估算邏輯,確保讀表資料之完整性與正確性,並將分析後的資訊提供給相關電業資訊系統進行加值應用。

IEC智慧電表系統與負載管理模組

一套完整後台讀表管理與平台的解決方案內容包含:「通訊伺服器通訊平台」用於收集儲存各電表用電資訊,並傳送至上層的應用管理系統;而「通訊伺服器管理平台」提供一個監控管理用電資訊的操作平台,藉以進行設備管理與設定、負載與警報事件監控、以及用電歷史報表查詢等;「負載控制應用管理模組」則可直接對電表進行負載排程管理或即時斷電之負載控制。各細項功能介紹如下:

一、通訊伺服器通訊平台



二、通訊伺服器管理平台



三、負載控制應用管理模組



結論

隨著全球暖化的衝擊,先進智慧電表系統最重要目標是必須可達到節能減碳的效益。IEC智慧電表系統可直接讀取用戶用電的即時資訊,電力公司可藉由即時資訊進行監控與診斷,可即時發現問題並修復,避免造成不必要的用電浪費;而讀回的用電資訊將可藉由IEC智慧電表系統整理繪製成出統計圖表,電力公司便能依據歷史用電趨勢提出相關節能策略方案,以改變用戶的用電習慣,進而加強用戶節電觀念。

IEC智慧電表系統的遠端負載控制功能對電力公司而言,可利用其單次與週期控制進行負載管理措施的實施,於系統中針對簽約用戶與約定時間做即時的卸載與復載控制,以降低電力公司發生供電不足的機率。倘若加上合理的時間電價的制定,鼓勵用戶將尖峰負載轉移至離峰時段以降低負載差距,如此一來,不但能減輕用戶的電費負擔,更有利於電力公司進行電力的調度,藉由有效的監控管理電力用量達到節能的最終目的。

IEC智慧電表系統的解決方案符合國際通訊標準,因此,未來可順利進入國際能源應用服務的主流市場。其遠端維護的功能適用於各國電業,尤其適合新興國家,其快速且低成本的優勢,加上國際性的通訊技術,可加快與國際接軌的速度,其通用的架構模式更能延伸應用至水、瓦斯、太陽能等相關能源管理。綜合上述,凌群電腦所開發的IEC智慧電表系統的完整解決方案,未來發展指日可待。

參考文獻