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        如何基于地理信息大數據部署智能電表?
        瀏覽: 上傳更新:2021-10-13

        這是有關高級計量基礎設施(AMI)部署系列的第三篇文章。在前面的兩篇文章中,一篇介紹了基于ACI架構的主站系統基礎設施,另一篇則是分析了如何基于NB-IoT部署智能電表。

        基于ACI架構的企業網絡實現了非常靈活的、軟件定義的數據交換基礎設施,使用第三層VXLAN以及CEF實現了應用、用戶組之間的安全訪問。它是未來支持企業計算資源云化、虛擬化一種有效、支持敏捷開發的網絡基礎設施。AMI主站應用——包括前置采集(HES)以及電表數據管理(MDM),存在規模不斷擴展、與其它系統廣泛互聯的需求。即:隨著用戶數量增加,HES的接入點數也將增長;MDM與計量的計費(Billing)、客戶信息(CIS)、客戶關系(CRM)、配電的SCADA、停電管理(OMS)、配電高級應用(VVO或CVR)、地理信息系統(GIS)、移動派工系統(MWM)多個系統之間的數據交互。因此,打破數據藩籬,云化必然是AMI部署的未來方向。足夠的數據交換能力、完善的網絡安全措施、靈活一致可視的配置方式是選擇ACI架構的主要原因。

        主站系統之外,智能電表的部署關鍵的是通信方式的選取。NB-IoT原本不是一個選擇。它的運營費用高,它的頻譜資源很可能在若干年后被收回(像全球3G UMTS退網那樣),它的半雙工單入單出(Half Duplex SISO)特性,單小區的窄帶資源180kHz與大量物聯設備可能造成的擁塞,等都限制了其在電力領域,尤其是未來高實時性應用場景(如前述VVO)的使用。但是,他的部署成本很低——傻瓜式安裝,信號調試的工作轉移到了運營商。同時,由于業主的堅持,NB-IoT成為一種選擇。我在上一篇文章中,估算了單小區的電表接入數量原則,只有符合小區SISO的特點,結合運營商的接入網管理系統或采用帶隨機延時的主動推送方可實現穩妥的部署。

        在這一篇文章中,我們將討論如何使用地理信息大數據規劃和指導智能電表的部署,以及在這個過程中,我們會遇到哪些問題和相關的思考。

        有多少用戶?

        針對一個幾百萬只規模的智能電表部署,我們在確定工作范圍時,首先要明確:有多少智能電表?有幾個種類(包含不同的額定容量,采用直通、CT或CT/PT),客戶的類型,分布情況以及這些電表需要采用什么樣的通信方式。

        下面是一個典型的超大型城市特定區域的電表和變壓器分布情況。需要說明的是,我們在這里只會展示一些特定的統計性數據,隱藏具體的數據和特定屬性(如地理位置坐標)以保護客戶的信息。

        圖1. 某個區域電力公用事業的電表分布及統計

        由圖1可以看到在一個約150平方公里的城市區域,總計幾十萬只電表,絕大多數是居民電表,呈密集分布;商業用戶多數臨街分布;在城市邊緣有少量的工業用戶。

        圖2. 某個區域電力公用事業的配電變壓器分布及統計

        在與圖1相同的區域當中,由圖2,1MVA 的配電變壓器超過90%,這表明該區域的配電資產具有較高的資產一致性。

        因此,為這樣的區域公用事業設計智能電表部署方案,特別是通信方案的選取,可以考慮按照資產的特性進行分解。

        1MVA 配電變壓器,每個用戶典型的容量是25kVA,因此單一變壓器下典型的用戶數量為40-80戶。這個數量對于采用窄帶載波通信毫無壓力,而且在未來運營成本上遠遠優于公網通信。

        在居民用戶之外,大型的工商業用戶、政府、學校、醫院等一般采用的是專用配電變壓器,這些電表與其它表計物理上不在同一個低壓供電臺區,空間上與其它表計有較遠的距離,因此在設計規劃時,可直接將其歸類為公網通信電表。在經濟上,這些電表的“產出”值更高,為這些表計配置專用通信也是合理的。

        如何組織安裝?

        組織安裝智能電表首先需要適配電力公用事業公司計量管理的傳統組織,直白的描述就是更換電表需要“向導”。幾十萬數量的智能電表也需要一個一個地更換,原有的抄表工人——抄表班組——計量工區正是這種組織的形式。

        圖3. 兩個計量班組的管轄范圍

        圖3是上圖1,2區域電力公司下屬的一級計量組織,與國內的計量班組類似(被稱為MRR)。在圖3中,不同的顏色是一個抄表單元(MRU),應該是一個抄表工人一天或一個上午的工作量。

        MRU類似社會網格化管理的基層組織(類似社區),放大到單獨MRU,它通常是由幾條街道圍繞而成的一個小的社區,如下圖4.

        圖4. MRU通常是由幾條街道圍繞的一個小的社區

        對于高層建筑,電表通常集中在一個安裝位置(配電室或單元表箱),因此其地理位置信息很可能是重疊的,不易區分。因此,在安裝規劃中可以考慮使用“高斯核心密度估計(Gaussian KDE)”的方法,通過熱圖提示表計的數量,如下圖5. 同樣,我們更需要了解的信息是在MRU范圍內,變壓器與表計的對應關系(戶變關系),這對于通信方式選擇起到至關重要的作用。

        圖5. 一個MRU中表計分布熱圖以及變壓器位置和戶變關系

        顯然,如果如圖5所示的所有的地理信息以及戶變關系完整,那么安裝策略將是可預測的。即:

         配電變壓器下用戶數量超過預設的邊界,或未來將超過一定的數量,這個變壓器臺區首選載波通訊

         變壓器下的用戶數量少,特別是使用CT表(或CT/PT表),這個變電臺區應該使用公網通信

         對于供電半徑超過一定數值(如郊區或農村空曠地區表計超過200米),應輔以射頻通道,或完全采用RF Mesh通信方式

        上述這些總結對于幾百萬只電表的部署,可以起到一定的規劃和指導作用。

        會遇到哪些問題?

        如果有完備的地理信息數據,按照前述原則部署應該是直接的方法。對于一個配電變壓器,我們使用數據集中器(或網關)以及現場載波網絡,可以做到快速部署。如下圖6,這是一個變壓器臺區視圖。

        圖6. 一個典型的變電臺區

        但是,很多時候,電力公司的原始數據可能存在以下問題:

        錯誤的地理信息

        缺少戶變關系

        圖7. 錯誤的地理信息數據

        一般來說,特定區域一個抄表單元的所覆蓋的地理面積應該具有類似的特征,如,城市郊區的固定網格,農村的鄉鎮區域。在圖7中抄表單元J0128102(左下角粉色區域),其中的某個表計的地理信息偏離了絕大多數表計,顯然,這是不合理的。因此在前期規劃中,應該使用統計的方法識別這種表計,并做出標記。其識別的方法還可以結合變壓器戶變關系——有明確戶變關系的表計如果距離變壓器過遠,那么該表計的地理信息也應該被標記為“臟”數據。

        缺少戶變關系是較難處理的問題。很多信息化程度不高的電力公司可能僅有電表和變壓器的地理坐標,缺少相互關系。這對載波部署是致命的。通過大數據的方法可以在鄉村、郊區等變壓器稀疏的區域可以近似估算出變壓器與表計的關系。但在城市中心的配電變壓器密集區域,想要通過數據統計的方法預判變壓器與表計的戶變關系是非常困難的,只能給出某個表計更可能屬于哪個變壓器的建議。

        在哪些地方需要使用其它通信方案?

        如果一個變壓器下的用戶稀少,我們就要考慮采用公網通信或其它輔助的通信方法了。

        RF Mesh在水氣表中有一定的應用,在北美地區電力公用事業也傾向于使用RF Mesh,這是因為北美的供電電壓更低(110V ~),受到導體電流的限制,配電變壓器的容量較小。單一的配電變壓器下用戶數量較小。因此,使用RF Mesh比載波更有優勢,載波很難通過變壓器繞組抵達相鄰變壓器下的表計。

        圖8. 設定了變壓器連接表計數量的閾值后,分析得出的可能需要使用公網的場景

        在上圖8中,如果變壓器下的表計數量小于25,則使用紅色做出標記。我們可以看出,這些表計主要分布在工業區和城鄉結合部。這些表計的數量小于全部表計數量的5%,完全可以在批量部署后,做特殊處理。

        為什么這么強調“戶變關系”?

        這要從智能電表能夠給電力公用事業帶來什么好處說起。智能電表及高級計量基礎設施首先實現的是“自動計量”,不再需要人工抄讀,節省了人力,同時保證了數據的實時性和準確性。由此衍生的對公用事業的價值在于線損和停電管理。智能電表,特別是在完善的戶變關系支持下,能夠從供電邏輯的底層逐層對齊和分解供用電數據。帶有時標的電量數據形成分層級的數據斷面,可以容易的計算出輸入電量與輸出電量的差,從中發現線損產生的原因。

        技術型的線損包括:變壓器過載、變壓器老化效率降低、配電線路重載等等;非技術線損,如竊電,可以通過同一配電臺區異常線損得以發現。由此,電力公司可以規劃升級改造或處理異常用電行為。

        智能電表還能及時報告停電以及其它電能質量問題,如,短時中斷、暫降和波形失真。

        我們強調線損和停電的目的,其實是想要說明智能電表和所謂計量基礎設施的建立一定是緊緊圍繞電力公用事業的核心運營需求的——經濟性指標:損耗;社會性指標:平均服務中斷指數(SAIDI),平均停電頻次(SAIFI)。

        由智能電表部署所引申的關于公用事業“數字化轉型”的討論

        首先,“數字化轉型”的特點之一是從傳統的組織形式過渡到基于IT系統的組織形式。智能電表的部署案例中,計量的管理過去是基于抄表單元MRU的,抄表的數據只能用于賬單。而使用了智能電表后,我們希望維護是基于“配電臺區”的,隨著“戶變關系”的完善,計量數據將不僅僅服務于計量和收費,同時還服務于配網運營的核心價值——線損及停電管理?!皯糇冴P系”就是數字化轉型成功的鑰匙,它構成新的IT系統下如何建立運營組織的參照系。

        由此,我們可以從智能電表獲得了前所未有的數據,按照我們對數據價值的預判,它可以被

        聚合

        抽取

        識別與預測

        因此服務于分布式能源、電動汽車等特殊負荷。同時,輔以分時電價,我們能夠看到這種大量數據產生的價值和威力。

        但數據是不是越多越好?是不是給電網的每個角落都裝上眼睛就可以更好地實現公用事業“數字化轉型”?

        圖9. 供電容量熱圖

        顯然,不是。如果利用好這些大數據,從統計上去規劃供電設施的分布,更好的為用戶提供服務則是有效和正確的(如圖9)。但是,現在也有一些研究,采用所謂的“非侵入式”負荷畫像,從微觀或具體客戶的用電行為上做出判斷,這是缺乏倫理支持的。單個用戶并不會因為分時電價的差異而決定是否使用其個人電器,如,開關空調;而只有商業的聚合才是有價值的。這也是引導我們正確使用智能電表的基本要求。

        總之,對“數字化轉型”我的判斷是:“轉型的”是運營方式,但核心并沒有改變?!赌咎m辭》中說,

        東市買駿馬,西市買鞍韉,南市買轡頭,北市買長鞭。

        行頭再好,跑路還是要靠馬。只要馬沒有變成戰車坦克,這種轉型就是裝飾,仍要服務核心價值。配電公用事業的投資重點還應該是使用更好的電纜、更高效率的變壓器。盲目的數據采集只能產生數據沼澤,帶來更多的維護需求。

        除此之外,運營的核心價值之上,是公用事業需要遵從的倫理和道德。



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