第一節簡介

由于目前的能源危機，已開始要求各個地區需節能減碳。二氧化碳的排放和全球暖化已成為世界嚴重的問題，許多研究的發展目的是為了減少能源的消耗。為了實現節能環保技術，監測和分析能源的消耗是基本的技術。

物聯網是二十一世紀的現象，是實體消費產品連接到網絡，并開始通過傳感器和致動器的裝置相互溝通。智能電網是物聯網(IoT)大多數的應用之一。由于訊息認知、傳輸、處理廣泛地存在于智能電網，物聯網技術在電網建設、安全管理、安全監控、數據采集和互動等將扮演重要的角色。自從實施智能電網技術后，能夠在高峰時段視情況調整系統的負載平衡，以及對于居民的目標是利用以時間為基礎的定價通知需求響應機制，減少在高峰時期的電用量。

第二節什么是智能電網?

智能電網的概念可以被定義為下一代電網，它利用先進的控制和通訊技術，將能量產生、分配和消耗優化。智能電網可以使用各種工具，例如先進的定時器，雙向通訊和智能控制的設備，以提高系統的效率。此外，由于這些系統的種種優點，智能電網扮演減少溫室氣體排放的作用。在智能電網中，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，并經由智能電表將訊息發送給消費者。因此，智能電網能提高消費者的參與度，以達到能量消耗優化。

智能電網系統基本上可以分為三個主要部分，分別為產生、分配和消費，如下說明：

一、發電：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)的方式由發電廠產生，發電機根據消費者需求及有限的資源來生產電力。

二、配電：電力分配系統的網絡將電力從電力產生器傳遞給消費者。配電通過配電站和輸電線路。該電力在電力傳輸的過程中損耗最小。某部分電力慢慢流失是因為傳輸線所產生的熱。

三、電力消耗：電力消耗會因不同機構的消費者(例如，家用，工業和政府機關)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據。

四、智能電表：智能電表，它能收集家里家電的消耗數據。家電和智能電表共同建立一個家庭局域網絡(HAN)。

五、集中器/通訊閘：一個集中器，作為數據的有效轉發器的設備。集中器收集在家庭中特定區域的智能電表的消耗數據以及儲存在緩沖器的數據。M2M的協議轉換集訊器從緩沖區中取出排列第一的封包，并將封包(本地網絡所產生的訊號流量)傳送連回至電信網絡的節點并進一步與電信核心網絡鏈接傳輸。

六、廣域網(WAN)基地臺：廣域網基地臺從集中器累積數據，并將這些數據經由回程有線網絡傳送至控制中心。廣域網基地臺分配帶寬給每個集中器。

七、控制中心：控制中心從WAN基地臺接收儲存數據后，用這些數據來估算電力的需求，使發電和配電優化。

圖5.1智能電網提升能源系統，客戶可以使用該系統提供更高的可靠性和訊息來節約能源

第三節物聯網在智能電網中的應用

為了將物聯網的應用擴展到智能電網，關鍵是這些新技術。利用新材料技術，訊息技術和通訊技術等，物聯網的設備正朝向更小、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。在智能電網中物聯網應用的主要情況如下：

一、自動抄表系統(AMR)與高可靠性

自動抄表系統在智能電網中有著明顯作用。它是一個負責采集、智能處理和實時監控電力消耗資訊的系統。物聯網支持自動采集、異常測量、電能質量監測與消費行為分析。此外，該系統還有以下功能，如訊息發布或是分布式能源監視與智能功率裝置之間的訊息交換。

圖5.2根據PLC和OPLC的AMR架構

在傳統上，電力消耗的訊息是經由人工在現場收集一段時間，這導致時效性不足、準確性和適應性也都不夠。遠程抄表系統是利用無線傳感器網絡(WSN)、電力線通訊(PLC)和光纖電源線通訊(OPLC)來收集電量數據，并經由私人電力線通訊網絡和公用通訊網取得有用的實時信息，而今后能經由先進的通訊技術、估算技術和電能計量技術達到電力消耗統計、分析的使用狀態。此系統的意義在于它的實時、準確、有效率的電能質量統計和監測方面。此系統將大大增強傳統AMR系統的穩定性和準確性。人們可以從該系統享受到許多好處。他們可以根據統計和電力消耗分析來調整用電，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，如氣候和環境，巡邏的數量和質量并不好。在這些情況下，智能巡邏會是一個更好的選擇。它根據物聯網功能的無線傳感器網絡(WSN)，以及可以幫助識別的標簽定位設備，提高巡視工作的標準化和規范化。智能巡邏可提高巡視質量和效率，并確保電力系統的穩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、設備環境及狀態檢測、狀態檢修協助和規范運作的指導等。

三、智能家居服務

作為智能電網重要組成的部分，智能家居是實現用戶與電網之間的實時互動，提高電網的綜合服務能力，滿足互動營銷的需求，提高服務質量的重要方法。智能家居服務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，將家中的空調和電熱水器打開，他們可以一到家就享受到空調和熱水。也可隨時監控家中的情況，若不在家的時候，家中出現小偷，可以透過監控立即打電話報警。透過轉移住宅的負荷高峰，可以減少用于輸電和配電容量的需求，因而減少電力系統上的花費。同時，將住宅的負荷高峰轉移給工業和商業用戶，有助于提高電網企業的收入而不增加發電量。

圖5.3智能家居和大樓自動化系統概述：無論是經由電源線或無線都可以相互溝通

物聯網可以應用于智能電網的各個方面。可在一般家庭傳感器網絡協議來使用智能家居服務系統，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、家里的敏感負載監控和控制、再生能源的存取、用戶互動、訊息服務等。它也可以采取開發一般性平臺，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絡技術同時進行。最后，物聯網的應用將加速數字化、通訊城市、AMR、分析和專家決策系統的發展。因此，我們將能節約能源以及有效地使用各種資源的目標。

物聯網(IoT)在建筑環境智能自動化中有更多的機會，這樣的好處對于節能與智慧能源網的整合、智慧建筑與住宅都代表著有很大的機會可以減少企業和家庭的電力消耗。電力供貨商可根據時間表，以及大樓居民使用模式的效率進行優化。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整合，無疑地會引出一些智能電網的主要目的并成功整合。從相互作用所產生的好處說明如下：

(一)更有效的訊息回傳

國內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的訊息回傳。月底的賬單就是一個例子。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，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。如果某設備設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送到家中，讓我們的設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)調節高峰時段的能力

該智能家居和智能電網的互動，提供同樣具有價值的好處是引入動態定價機制，根據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，這個過程稱為調峰。

(三)能量交換

從智能家居和智能電網之間的雙向通訊，所得到的另一個好處是，智能電網消費者有權選擇成為能源的生產者。透過其處所安裝分布式能源資源，客戶可以產生、儲存和賣出能量回傳給電網。

四、電動汽車之訊息管理系統

電動汽車(EV)提供一個有趣的智能電網的潛力并超越環保交通。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、充電設備、監控系統及相關配套設施，如圖5.4所示。供電系統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備等等。電動汽車的充電和放電，透過充電設備來完成，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，監控系統負責環境和安全的實時監測。

圖5.4運用智能電網整合電動汽車包括多個數據交換

EV被視為智能電網的移動蓄電裝置，并且有助于電網減輕峰谷的影響。這新功能將能更好地管理資源，相當地環保。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，它需要同時開發電動汽車行業，通訊輔助設備和管理平臺。

根據智能感應和高容量的傳輸設備，物聯網技術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，而高容量的傳輸設備包括電力光纖網絡、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控、集中控制、優化資源分配和設備，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，統一資源分配和有效率的服務，可提供給充電站和消費者。