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智能电表

什么是智能仪表?
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什么是智能仪表?

智能电表是高级计量基础设施的关键组成部分,是用来实时测量和记录电力、燃气或水的消耗量,并将信息发送至公用事业公司的数字设备。智能电表正迅速成为现代能源管理的重要工具。

随着人们开始关注能源消耗和能源效率,智能电表已成为更有效地管理家庭、小型企业和商业能源计量的创新方案。这些数字设备正在逐渐取代传统仪表(在过去十年中,智能电表的安装量增加了两倍。) 1 随着智能电表有望占据所有计量系统的 93%,它们正在改变公用事业公司和用户与能源互动的方式。 2

与需要抄表员手动抄写的模拟(传统)计量不同,智能计量可提供准确且最新的消耗数据,允许公用事业公司和用户更有效地监控和管理能源使用情况。

智能电表对于智能电网基础设施的建设至关重要。智能电网基础设施是一种现代化的电网系统,它利用数字技术来提高用电分配的可靠性、效率和可持续性。

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智能电表的工作原理

智能电表内置有计量设备,可使用数字技术准确测量能源消耗。但是,使用的传感器和测量技术取决于需要测量的能源类型。

电表中的传感器会对流经电路的电压和电流进行测量。然后将这些值相乘,计算出功耗(以瓦特为单位)。对一段时间的功耗进行积分后,电表就可以确定总用电量(以千瓦时为单位)。

天然气表 水表则使用流量传感器来测量流经仪表的气体或水的体积。这些传感器可以利用一系列技术,如超声波、涡轮或隔膜流量计。然后,智能电表根据燃气用量或用水量以及相应资源的能量含量来计算能源消耗。

智能电表如何发送数据?

在测量并记录能源消耗数据后,智能电表的通信模块会通过以下方式之一将用量信息传输给水、煤气或电力公司:

  • 射频 (RF) 信号:许多智能电表使用无线 RF 信号来传输数据。这种方法具备成本效益,并且支持远距离通信,适合大规模部署。但是,射频信号易受其他无线设备的干扰,可能需要额外架设基础设施,例如中继器或网关,才能保证通信可靠。

  • 蜂窝式网络:一些智能电表依靠现有的蜂窝网络(例如 4G 或 5G)来传输数据。这种方法的覆盖范围广,并且抗干扰性比射频信号强。然而,使用蜂窝网络可能会产生额外的数据传输成本,并且可能不适合蜂窝覆盖范围有限或不可靠的地区。

  • 宽带连接:智能电表还可选用宽带连接方式,如 DSL 和光纤网络,进行通信。这种方法支持快速可靠的数据传输,但可能需要投入大量的基础设施,尤其是宽带覆盖范围有限的农村或偏远地区。

  • 电力线通信 (PLC) :PLC 技术允许智能电表通过现有电力线传输数据,无需额外架设通信基础设施。这种方法具备成本效益,并且支持可靠通信,但其性能可能会受到电噪声和变电站距离的影响。

通常情况下,以上通信方法均支持定期数据传输(每 15 分钟、30 分钟或每小时)。这样可以确保公用事业公司获取最新能源消耗信息,以便进行计费、需求响应和网格管理。

公用事业如何使用智能电表数据?

收到智能电表数据后,公用事业公司会对其进行处理和使用,以满足各种需求:

计费

由于智能电表可以传输实时消耗数据,公用事业公司可以根据用户的实际使用情况进行收费,而不是依赖估算或手动抄表。

需求响应

智能电表数据可以帮助公用事业公司更好地了解并管理网格需求。通过分析消耗模式,公用事业公司可以识别高峰需求时段并实施需求响应计划(例如,向用户提供激励方案,以减少高峰时段的能耗)。

网格管理

公用事业公司可以利用智能电表数据来优化能源分配,预防停电,更有效地集成可再生能源。

用户参与

许多公用事业公司提供在线门户网站或移动应用程序,允许用户在手机和计算机上访问智能电表数据,方便双向沟通并帮助用户实时监控能源使用情况。

智能电表系统的挑战和优势

安装智能电表技术的优势通常大于公司在实施过程中可能遇到的任何挑战,但我们将在此讨论这两方面的问题。 

挑战

尽管智能电表有多方面的优势,但为了确保成功实施和采用,还必须解决一些挑战。

隐私问题: 智能电表所面临的主要问题之一就是潜在的隐私泄露问题。由于这些设备会收集并传输详细的能耗数据,所以可能很容易发生未经授权的访问,导致有关用户习惯和生活方式的敏感信息泄露。为了降低这种风险,公用事业公司可以采取数据保护措施(如加密和安全数据存储),以确保用户信息的私密性和安全性。

用户阻力: 有些用户可能会担忧无线通信技术对隐私、网络安全或健康的潜在影响,因此对于安装智能电表可能会有所顾虑。例如,用户可能会担心智能电表的安装导致的射频(尽管 FCC 对射频暴露有严格规定)。针对这些问题,公用事业公司可以加强公众教育并宣传智能电表技术的安全性,以推进智能电表基础设施的发展。

网络安全威胁: 由于智能电表与互联网相连,并且经常使用 Wi-Fi 进行通信,因此它们很容易受到网络安全威胁,例如黑客攻击或拒绝服务攻击。这些威胁可能会损害能源网格的完整性,导致服务中断或欺诈性计费。为了应对这些风险,公用事业公司应该采取先进的网络安全措施来保护其智能电表基础设施。

前期成本高: 安装智能电表的初始成本可能较高,因为涉及更换现有的模拟仪表并升级能源网格通信基础设施。虽然这种投资对某些公用事业公司来说可能是一种阻碍,但通常情况下,智能电表的长期收益(如降低运营成本和提高能源效率)会超过前期成本。

互操作性和标准化: 随着智能电表的普及,公用事业公司将需要推进互操作性和标准化,以确保所有设备和系统都能有效通信。这些仪表会生成大量数据,因此数据与现有系统(例如 EAM 和 APM 系统)的 集成可能相当复杂 。通过标准化,智能电表可以与资产管理系统以及其他智能网格组件(如能源管理系统和分布式能源)实现无缝集成。

优势

智能电表正在彻底改变能源管理,为用户和公用事业公司提供实时、准确的消耗数据。智能电表可实现:

准确计费: 智能电表的主要优势之一是能够提供准确的账单信息。传统的模拟仪表需要手动读数,这可能导致估计误差和读数错误。智能电表通过自动向公用事业公司传输精确的消费数据来消除这些不准确的信息,确保公平、准确地向客户收取其使用费用。

实时监测能源使用情况: 当与 EAM 和 APM 系统(通过人工智能和分析技术实现)连接时 ,智能电表可让消费者实时监控其能源使用情况,为他们提供有关其消费模式的宝贵见解。这些信息可以帮助消费者识别效率低下的地方并改变他们的使用行为以减少能源消耗并节省资金。此外实时监控有助于消费者了解一天中不同时段的能源使用情况帮助他们避开需求高峰期进一步节省能源。 

提高能效: 智能电表使消费者能够就节能和使用能源量做出明智的决定。这种意识的提高可以导致行为改变,例如在不使用时关灯和投资节能电器,最终导致能耗减少和公用事业账单降低。

更快、更便捷的服务: 智能电表能让公用事业公司更快地发现和解决问题,因为公司可以远程识别和诊断电表和/或能源供应的问题。这意味着响应时间更快,给消费者带来的不便更少,因为技术人员通常无需亲临现场即可解决问题。

与智能家居技术集成: 智能电表可与各种智能家居技术相结合,使消费者能够自动优化能源使用。例如,可以对智能恒温器进行编程,以根据实时能源定价信息调整供暖和制冷设置,确保家庭保持舒适的温度,同时最大限度地降低能源成本。

支持可再生能源: 智能电表通过提供能源生产和消耗的实时数据,促进将可再生能源整合到电网中。这些信息可以帮助公用事业公司更好地管理来自可再生能源的波动供应,从而确保更稳定和可靠的能源分配系统。

减少环境影响: 客户使用智能仪表监控并减少对燃气、水和电力的需求。电力需求的减少将减少对新发电厂的需求,以及我们对旧的、成本效益较低的发电厂的依赖。过渡到更新的智能能源工厂最终将减少温室气体和其他空气排放最大限度地减少能源生产对环境的负面影响。

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脚注

1 到 2027 年,美国智能电表普及率将达到 93% (链接位于 ibm.com 以外),Smart Energy International,2023 年 1 月 3 日

2 电力公司智能电表部署:智能电网基金会(2021 年更新) (链接位于 ibm.com 以外)爱迪生基金会 - 电气创新研究所,2021 年 4 月