智能电网物联网传感器网络研究

第4章 智能电网物联网传感器网络的研究趋势与未来方向

阿里夫·I·萨尔瓦特、阿迪蒂亚·孙达拉拉詹和伊姆蒂亚兹·帕尔韦兹
摘要 本章对智能电网物联网实体负责其智能化的三个逻辑模块——广域、中域和局域传感器网络——进行了高层次的描述和总结。针对每个模块，以一个广泛认可的系统为例，讨论了其架构、关键应用以及未来研究面临的潜在挑战。特别地，阐述了这些物联网实体模块之间、底层电力系统与上层运行实体之间的相互依赖关系，并重点强调了大数据、通信和安全性方面的挑战。
本章将为进入智能电网物联网大数据分析、通信和安全性领域的研究人员提供一个起点。
Keywords 智能电网 · 物联网 · 同步相量 · 高级计量基础设施 · 智能电表 · 交易型能源 · 情境感知 · 产消者 · 未来研究方向

4.1 引言

智能电网是当今最复杂、动态且地理分布最广的物联网（IoT）基础设施之一。在输电、次级输电、配电和用户网络中部署了无数传感器，用于实现实时态势感知、动态可视化、可靠性评估、客户计费与收入、直接负荷控制、分布式发电之间的可互操作的能量交换等众多功能，使得电网成为一个由智能设备构成的鲜活生命体，持续不断地进行感知、通信和动作。由于高维物联网数据的日益可用，操作员现在能够将电网运行状态精确监控到每一秒。
这得益于分布式传感器网络的存在，极大提高了测量与处理的准确性，从而显著提升了电网性能[50]。

变电站中的智能电子设备（IEDs）如今正被利用强大高级计量基础设施（AMI）的智能电表所取代，这显著提升了数据测量的质量。由此产生的连锁效应是，这些电表的安装推动了电力系统应用（如负荷估计）从手动操作向自动化算法流程的范式转变。传统电网支持从发电、输电、次级输电、配电直至用户家庭的单向电力流，而智能电网则彻底改变了能源发电与输送的方式。消费者现已转变为产消者，他们可以安装太阳能光伏（PV）或风力涡轮机等可再生能源系统（RESs），结合电池和超级电容器等储能技术，并通过部署电动汽车（EVs）等智能负荷进一步增加需求动态性。

从功能上讲，电网被划分为发电、输电、配电、用户、市场和服务提供商，每个模块都必须始终满足特定的功能需求。从运行角度来看，电网可被视为一个互连模块系统。智能电网因此可逻辑上划分为三个实体，如图4.1所示。功能实体（FE）包括发电、输电、次级输电、配电、用户和市场。
运行实体（OE）位于配电和输电控制中心，由能量管理系统（EMS）、配电管理系统（DMS）、停电管理系统（OMS）和电表数据管理（MDM）组成。其中，EMS、DMS和OMS构成集成配电管理系统（IDMS），为这三个模块提供统一的计算与可视化界面[2, 4]。

智能电网只有在前端（FE）和运营端（OE）通过精确感知、测量和执行实现强大双向通信的情况下才具备智能化，这由物联网实体（IE）来实现。
对于FE的每个模块，IE中都有一个对应的模块，两者物理上相连但逻辑上独立。这些IE模块持续从其FE对应模块获取测量数据，并通过企业信息系统（EIS）使用灵活可扩展的通信协议将数据报告给OE模块。EIS作为企业信息网关，使IE能够与OE进行交互。例如，计量数据管理（MDM）和运行管理系统（OMS）通过客户信息系统（CIS）和地理信息系统（GIS）与高级计量基础设施中的智能电表进行交互，以执行计费操作并绘制系统级中断地图，用于可靠性分析。EIS配备了强大的可视化与计算模型，帮助操作员和调度人员保持对电网的运行可见性。它还包含多种应用，如工作力量管理（WFM）、资产管理（AM）、交互式语音应答（IVR）以及企业级IT网络安全治理政策。物联网实体（IE）本身可分为三个模块：用于发电和输电的广域传感器网络（WASN）、用于次输电和配电的中域传感器网络（MASN），以及用于客户的局域传感器网络（LASN）。

同步相量测量单元（PMUs）和相量数据集中器（PDCs）可提供实时态势感知和电能质量测量

作为广域测量系统（WAMS）的一部分，在本章中与WASN可互换使用。生产者与产消者之间分布式能源发电的基于实时市场的经济交换，称为“交易型能源”（TE），属于MASN范畴。配电层级的有载调压变压器（LTCs）、断路器和电压调节器，以及用户层面的居民/商业AMI智能电表，构成了局域传感器网络（LASN）。

传统上，企业信息系统（EIS）一直采用集中式云驱动框架，但近年来，由于大规模物联网数据带来的延迟、计算复杂性和网络拥塞等问题，边缘和/或雾计算框架逐渐兴起。一个强大、灵活且可扩展的通信基础设施是将所有这些相互依赖的实体连接在一起的纽带，使它们能够协调运行，从而形成一个

紧密集成的电网。智能电网物联网可以类比为人体，其中前端由器官表示，信息实体由感官器官、骨骼和肌肉（传感器和执行器）表示。集成数据管理系统和企业信息系统是大脑。心血管系统和中枢神经系统则是将这些实体以紧密集成方式连接起来的通信基础设施。

本章的主要贡献不仅在于阐明了智能电网前端、信息实体和运营端之间的相互依赖关系，而且还强调了这些技术所涵盖的关键技术进展、潜在应用以及广泛应用面临的主要挑战。基于这些观察，简要阐述了描述开放性研究课题的未来研究方向。前三个部分分别专注于广域传感器网络、MASN和局域传感器网络，而第四部分则总结了观察结果并得出简要结论。

4.2 广域传感器网络

广域传感器网络（WASN），也称为广域测量系统（WAMS），是一种由战略性部署的设备组成的互联网络，能够感知来自底层一次设备的输出测量值和来自上层外部环境的输入控制信号，其设计旨在确保对电网稳定性及实时可观测性的持续实时感知。同步相量测量装置（如相量测量单元PMU和相量数据集中器PDC）是广域传感器网络中最显著的设备之一。相量测量单元可作为独立系统部署，也可作为变电站智能电子设备等大型系统的一部分 [46]。可以推断，测量单元（如PMU）和集中器单元（如PDC）属于信息实体，而分析与可视化模型则属于企业信息系统领域。

尽管这超出了本章的讨论范围，但值得一提的是，传统上应用于长距离输电线路的相量测量单元（PMU）如今由于可再生能源系统（RESs）和智能负荷的渗透率不断提高，也开始在中距离配电网中得到应用。为此，橡树岭国家实验室（ORNL）自2004年以来开发并部署了FNET/GridEye项目，该项目已在多个国家安装并管理频率扰动记录仪（FDRs），用于捕捉电网动态行为[6]。这些物联网设备通过互联网直接与由防火墙保护的信息系统通信。它们还能够以每秒1440个采样点的速度进行测量，几乎是PMU采样率的十倍以上。相量数据集中器（PDCs）是执行各种数据质量检查并根据遇到的问题设置必要标志的软件应用，同时还进行性能记录与告警、数据验证、转换、缩放、归一化、协议转换等操作。PDC通常配备关联的主机计算机，以支持本地处理、描述性分析和数据存储。PDC与电力公司的SCADA系统之间通常存在直接接口。与PMU一样，PDC也可以集成到电网中的其他系统中。有时，多个PMU（特别是在变电站）可能会将其数据报告给一个本地PDC，该PDC会进行相应处理

在将数据转发到位于控制中心的超级数据集中器之前，进行本地质量检查和处理。在某些情况下，本地数据集中器通过点对点网络相互交互。有时，不同的电力公司、控制区域或可靠性协调机构也会建立此类网络，以实现各自相量数据集中器之间的通信。

4.2.1 用于同步相量的广域传感器网络架构

相量测量单元（PMU）由多个模块组成，每个模块专用于特定用途。电流和电压互感器（CTs、PTs）分别用于测量三相电流和电压值，采样率为每秒10至120个样本，随后通过模数转换器（ADC）将其数字化。微处理器模块将这些带时间戳的数值进行编译，计算相量，并利用全球定位系统（GPS）接收器所采用的协调世界时（UTC）标准参考进行同步，同步精度达到 1μs。PMU还测量本地频率及其变化率，经过进一步定制后，还可记录各相电压‐电流以及谐波。所生成的这些信息有助于描绘出电网在任意时刻的动态图景。IEEE标准C37.118.1/2‐2011规定的协议用于传输PMU

表 4.1 同步相量的各种标准
| Body | 标准 | 核心贡献 |
| — | — | — |
| IEEE | 1344‐1995 | 同步相量的原始参数定义 |
| IEEE | C37.118‐2005 | 改进的消息格式、包含时间质量、总向量误差 |
| IEEE | C37.239‐2010 | PMU/PDC 事件记录 |
| IEEE | 1711‐2010 | 用于完整性的串行SCADA保护协议（SSPP），用于变电站串行链路网络安全的机密性 |
| IEEE | C37.118.1‐2011 | PMU测量规定，性能要求 |
| IEEE | C37.118.2‐2011 | 同步相量数据传输要求 |
| IEEE | C37.238‐2011 | 将精确时间协议（PTP）应用于以太网的通用配置文件 A‐P‐Ca应用，使用以太网 |
| IEEE | C37.242‐2013 | 相量测量单元的同步、校准、测试和安装 P-C |
| IEEE | C37.244‐2013 | 用于PC和监控的PDC功能和要求 |
| IEEE | C37.111‐2013 | 使用COMFEDE进行PMU/PDC数据记录 |
| IEEE | 1686‐2013 | 采购、安装和调试IED网络安全 |
| IEEE | C37.240‐2014 | 变电站高网络安全性的健全工程实践 A‐P‐C |
| IEC | 61850 | 变电站自动化的互操作性和自适应架构 tion |
| IEC | 61850‐90‐5 | 相量测量单元、相量数据集中器、控制中心 |
| IEC | 62351‐1,2 | 智能电网设备中的安全威胁和漏洞 |
| IEC | 62351‐6 | 规定使用非对称加密的数字签名以用于发送PMU数据 |
| NERC | CIP 002‐009 | 确保企业、现场和人员的系列标准 安全性 |
| NIST | NISTIR 7628 | 提供智能电网网络安全的指导方针（包括广域测量系统 |

a A：自动化，P：保护，C：控制

数据作为帧[19]。无论通信介质是TCP/IP、现场总线报文规范（FMS）、以太网还是RS‐232，相量测量单元通常都会传输数据以及用于确保数据完整性的16位循环冗余校验（CRC‐CCITT）。目前存在多种关于相量测量单元与相量数据集中器之间数据测量、传输和通信的标准，这些标准由电气与电子工程师学会（IEEE）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、北美电力可靠性委员会（NERC）和国际电工委员会（IEC）提出，总结见表4.1[11, 20–25, 32]。

4.2.2 关键应用

相量测量单元是简化电力系统安全性、可靠性和稳定性的更优选择。应用可分为实时和离线两类，如下所述。
• 实时应用： 相量测量单元（PMUs）增强了实时广域态势感知（WASA），这是北美电力可靠性委员会（NERC）、美国国家标准与技术研究院（NIST）以及北美同步相量计划（NASPI）认可的关键里程碑之一 [1]。其他实时应用包括输电层面故障的及时检测与隔离、通过解决谐波畸变来提高电能质量、事件检测与分类以支持进一步分析，以及提升状态估计的准确性和计算速度。
• 离线应用：离线应用包括事件分析（事后分类）、数据采集与监控系统模型验证、直接负荷控制和需求响应、启动特殊保护方案和孤岛运行、运行规划以及电力系统性能基准测试 [51]。

4.2.3 挑战与未来研究方向

相量测量单元的应用与挑战是一个研究较为充分的领域，文献中已有多种综述性论文[30, 31, 33, 43, 45, 47]。然而，专门针对数据质量和网络安全相关挑战的研究则更为近期。这些挑战总结如下。
• 配置： 北美同步相量计划（NASPI）研究计划任务组（RITF）强调，相量测量单元（PMU）的最优配置是一个重大挑战，且该挑战取决于具体应用需求的性质。文献中提出了多种用于应对这一挑战的模型，包括遗传算法、模拟退火、禁忌搜索、马德塔拉德方法、粒子群优化、人工神经网络和二分查找[7, 34, 49]。然而，缺乏标准化方法仍然是广泛实施的一大障碍。
• 数据分析：毋庸置疑，管理并分析由相量测量单元（PMUs）产生的大量数据是一项日益严峻的挑战。缺乏标准化的数据管理解决方案使得这一问题更加难以解决[28, 35]。
• 数据质量： 只有在来自底层设备的数据具有高质量时，数据分析才具有强大作用。数据质量由其完整性、一致性、准确性、及时性和合理性来定义。当前许多研究工作已识别出数据质量方面的挑战，但这些研究大多仍处于初步阶段。缺乏行业范围内的标准是实现通用解决方案的关键障碍。
• 通信： 相量测量单元需要灵活、可扩展且具有弹性的通信，以降低延迟并提高吞吐量。为了实现广域态势感知（WASA），北美同步相量计划（NASPI）与美国能源部（DOE）共同构想建立了NASPInet网络，旨在发展标准化的双向通信[3]。然而，仍存在满足严格服务质量（QoS）要求等重大挑战，为此提出了一种双层容错轮辐式架构。
• 网络安全： 同步相量通过数据测量、处理和可视化来维持广域态势感知（WASA）。这些过程增加了攻击面，暴露出可能被攻击者利用的漏洞。目前已有一些介绍性工作探讨了网络安全分类并识别了相关需求，但尚缺乏深入研究来有效应对这一挑战。此外，关于同步相量网络安全影响的研究在很大程度上孤立于其他相关挑战（如数据质量）之外。例如，虚假数据注入（FDI）攻击旨在破坏关键电力系统应用所依赖的敏感相量数据的完整性。受损信息可能导致对电网状态的错误预测，在严重情况下甚至引发级联故障或停电。此例说明了数据质量与网络安全之间复杂的相互作用，而现有文献对此尚未给予足够重视。

4.3 中程区域传感器网络（MASN）

位于WASN和LASN之间的是用于次输电和配电网络的MASN。有效利用智能电网物联网特性的关键系统之一是交易型能源。电网现代化以及向可再生能源系统（RESs）渗透率不断提高的去中心化电力基础设施的转变，促进了发展过渡性能源市场的需要。

4.3.1 面向交易型能源的MASN架构

交易型能源（TE）这一术语最初由美国能源部（DOE）的GridWise架构委员会（GWAC）在其《交易型能源框架》中提出，目前已被美国国家标准与技术研究院（NIST）采纳[12]。尽管该概念在大规模输电系统中并不新鲜——操作员通过市场机制来管理供需平衡并确保电网可靠性，但在次输电和配电网络中的应用尚处于初期阶段，而这些网络中屋顶及商用太阳能、大型风电场以及电动汽车（EVs）等智能负荷的集成正在不断增加。这一范式转变使得TE成为本章中MASN讨论的一个极具吸引力的主题。传统的电力市场采用季节性平均费率进行定价，但当发电和负荷每小时都在变化时，这种模式便不再适用。此外，当今的经济模型更加重视
实现互操作性、透明度、分布式智能，并赋予终端用户控制能源使用的权力。随着智能电子设备、智能电表和保护协调装置的部署，投资交易型能源的机会将进一步增加。
这一需求已成为推动开展有组织的研究以开发交易型能源系统的动力。

此类系统的一些关键要求包括：协调控制与优化，允许合格的利益相关者平等参与市场；确保系统可见性、可扩展性以及前端模块接口之间的互操作性；以及准确抽象电网的信息物理模型。一个完善的交易型能源系统涉及多个利益相关者：大型发电机组、终端客户、能源供应商、能源金融方、能源服务方、配电运营商和能源资产所有者。这些利益相关者具有不同的目标、认知、合规意愿与能力以及约束条件。一个全面的交易型能源系统必须确保执行能够满足这些利益相关者利益的政策，同时不危及系统可靠性。全球无线联盟委员会（GWAC）提出了四个关注领域，可直接映射到本章提出的智能电网三实体框架。对应于前端（FE）的是信息物理基础设施，对应于信息实体（IE）的是信息互操作与交换，而最高层则对应于运营端（OE），涵盖商业模式、价值增值、政策制定和监管。相应地，从较低层级到较高层级，抽象层次也逐步提高。信息物理基础设施涉及物理电力基础设施和网络通信网络，信息互操作与交换则关注交易型能源系统对电网的影响及其对利益相关者利益的影响。最上层涉及商业、市场、政策与监管，用于确定利益相关者、其权力与限制、管辖权限制以及改进系统和利益相关者行为的激励机制。
交易型能源是一种跨越所有三个实体多种应用的概念，并利用了物联网的显著特征。
在前端，它通过企业信息系统与能量管理系统、配电管理系统、运行管理系统和计量数据管理(MDM)的运营端模块建立输电、次级输电和配电模块之间的实时通信。

近年来，研究重点一直放在批发市场结构（输电层级）内的买卖双方交易上。一个完善的交易型能源市场将为批发与零售方（配电层级）之间的交易流通打开大门[5]。只有具备完善的翻译与通信能力（在输电、配电和用户层面安装新型或升级的传感器和电表），运营端的操作员才能向不同服务商发送/接收信号，直至用户层面，用户可自行选择是否响应这些信号。
随着去中心化电力系统和分布式能源资源的增多以及产消者的不断增长，MASN和LASN物联网部分在与上级及同级实体进行通信方面的压力也将增大。研究人员、立法机构和监管利益相关者一直在致力于设计交易型能源市场框架架构及相关解决方案[12, 17]。

在配电层级（零售）提出了两种替代性的TE市场。第一种结构基于实现零售层面的能源买卖交易
能源参与方通过零售‐批发接口响应批发市场远期/现货价格以及远期/现货配电价格。第二种结构建议对现有零售电价的设计进行调整，特别是其配电服务价格组成部分。交易型能源最近也被应用于微电网[36]。已提出一种去中心化的多智能体控制方法，以降低微电网中的能源不平衡，并减少对电网能源的依赖。

4.3.2 关键应用

交易型能源（TE）的概念最近已被引入到不同的应用中，其中之一是由美国国家标准与技术研究院（NIST）倡导的Flexible Power公司的“PowerMatcherSuite 交易型智能能源”，其中各种高能耗应用通过明确指定其需求进行竞价，且需求会因其状态变化而发生改变，基于此可在最少的迭代次数内确定市场均衡。SGIP 交易型能源协调小组强调的一些关键应用简述如下 [18]。
• 高峰需求期间的减载： 在高峰期，交易型能源系统可通过调度可再生能源系统、削峰负荷或用户需求响应操作来平衡供需。该应用将涉及操作员、发电方、用户、金融方和聚合器。
• 能源响应服务： 随着分布式可再生能源系统的普及，其间歇性发电对电网可能产生不利影响。交易型能源系统可通过发电方、操作员、用户、聚合器和所有者的及时参与，吸收或注入所需电力，以应对波动或爬坡，从而将净发电量维持在需求限值范围内。
• 管理孤岛微电网： 动态孤岛是微电网用于保护自身免受主电网级联故障影响的一种保护功能。然而，为确保持续供电，交易型能源系统可通过协商用户和所有者等利益相关方的利益，执行优化的能源平衡功能，实施减载或启动备用可再生能源系统。

4.3.3 挑战与未来研究方向

尽管已经设计了交易型能源系统架构，但仍需开展更多工作以建立强健的 MASN。NIST 交易型能源挑战提出了六个关键工作领域，涉及：（a）开发交易型能源研究工具与平台，并推进互操作性及应用标准；（b）理解交易型能源与电网在可靠性与质量方面当前一些挑战之间的关联；（c）开发可用于建模与仿真的用例；（d）创建并在社区内保持资源共享、思想交流和数据共享的积极环境；（e）通过与电力公司、监管机构和政策制定者沟通，推动仿真向试点项目部署的方向发展；（f）建立一个健康且有力的渠道，以传播关键的研究观察成果。在这些主要工作领域中，存在以下不同的基础性挑战：
• 政策修订： 当前的政策、关税、系统和市场架构都是为能源生产、调度、监控和控制的集中式框架而设计的。随着消费者转变为产消者、分布式发电以及从云计算到边缘/雾计算的转变等模式即将发生的变化，政策面临越来越大的挑战，需要相应地进行更新。
• 实施路线图： 尽管许多监管机构已开始在其辖区立法机构的协调下尝试交易型能源（TE）的概念，但在制定可行且具体的实施计划方面，面临的挑战日益增多。因此，需要有效的、无缝衔接的实施路线图，以帮助市场经济从当前状态顺利过渡到交易型能源所倡导的状态。
• 证明可行性并提供激励： 与任何变革性概念一样，交易型能源（TE）需要立法和监管机构在激励其原则采用方面提供大力支持，首先在较小的社区范围内实施，然后扩展到更大的城市范围。通过微网和纳米电网形式的模块化采用和可扩展集成，将在创建实施TE的场景方面发挥关键作用，同时也会使该过程变得更加简单。一旦其可行性、经济优势以及更广泛的影响得到证明，就可以更轻松地在其他社区中推广。
• 利益相关者行为： 如前所述，交易型能源系统会持续与多个利益相关者互动，以最优方式协调各方利益，确保电网运行的质量和可靠性达到最佳水平。然而，这在涉及跨越多个司法管辖区的资产控制、客户选择以及参与过程中的隐私和偏见等问题时，可能引发潜在冲突。因此，需要能够审慎平衡各方利益与“全球公益”的商业模式。
• 信息交换：在物理和/或逻辑上分离的设备、网络、应用或系统之间的互操作性是成功实现交易型能源系统的关键推动因素之一。然而，实现无缝的信息交换互操作性并将该信息妥善利用仍是一项挑战。全球无线联盟委员会提出了一项框架，为利益相关方提供一个讨论、辩论并解决互操作性和信息交换技术挑战的平台，包括共享内容管理、时间同步与排序、服务质量、事务和状态管理、安全与隐私等更多方面。

4.4 局域传感器网络（LASN）

局域传感器网络包含高级计量基础设施，可在用户层面进行能耗数据采集、净电量计量、市场分析和交易型能源，以及楼宇自动化、控制监控和需求侧管理[8–10, 14]。

4.4.1 高级计量基础设施智能电表的局域传感器网络架构

高级计量基础设施是一种在前端由智能电表构成的网状、分层或混合型物联网网络，通过双向通信将用电数据传输至运营端的计量数据管理(MDM)。该系统同时采用有线和无线通信方式，其中电力线通信（PLC）为有线通信的标准，而蜂窝技术、Wi‐Fi 或 ZigBee [15]用于无线通信 [38, 39, 42]。因此，高级计量基础设施网络(AMI网络)消除了每月人工用电数据采集的需要。图4.3所示为一个典型的高级计量基础设施网络(AMI网络)，包含以下组件：
• 智能电表： 智能电表是高级计量基础设施中的主要物联网传感器。它是一种固态设备，用于收集和存储用电数据。根据其需求，智能电表可以每15分钟至1小时以突发方式发送数据。通常，智能电表使用ZigBee、Wi‐Fi或蜂窝网络来传输数据。
• 家庭区域网络（HAN）： 每个家庭中的智能家电（如电视、冰箱、泳池加热器和空调）通过一种称为家庭区域网络（HAN）的无线网络连接到智能电表，该网络使用IEEE标准802.15.4 ZigBee、WirelessHART、ISA100.11a 等开放协议以及Z‐Wave、INSTEON和Wavenis等专有协议进行通信[26, 38]。
• 邻域区域网络（NAN）：电表通过一种称为邻域区域网络（NAN）的网状、分层或混合网络相互连接。它可以采用ZigBee或Wi‐Fi等短距离通信协议，也可以采用长距离通信协议如蜂窝网络（4G/LTE/5G） [15]。邻域区域网络(NAN)的一些重要路由协议包括分布式自主深度优先路由、混合路由协议、IEEE 802.11s、基于定时器的多路径多样性路由以及按需距离向量 [15, 44]。
• 数据采集器/集中器： 在邻域区域网络(NAN)的前端是一个集中器或网关，用于将聚合数据转发至计量数据管理(MDM)。它可以收集最远达5000米范围内的数据，通常使用专用有线通信（如光纤）或远距离无线通信（如蜂窝网络）。
• MDM: 计量数据管理(MDM)从电表接收用电数据，并执行计费与收入、网络与资产管理以及部署与规划等广泛的操作。因此，MDM持续与企业信息系统模块（EIS模块）如工作力量管理 （WFM）、资产管理（AM）、客户信息系统（CIS）和地理信息系统（GIS）进行交互。
• 可信第三方（TTP）： 由于智能电表通过无线网络连接，它们容易受到各种信息物理攻击。威胁可能从身份和电力盗窃到级联停电。因此，数据安全日益受到关注，为应对这一问题，某些情况下会引入可信第三方（TTP）。它负责管理安全机制、密钥分发以及监控高级计量基础设施（AMI）。

、邻域区域网络(NAN)、数据采集器和计量数据管理(MDM)组成的典型高级计量基础设施网络(AMI网络))

高级计量基础设施系统（AMI系统）包含不同的子系统，可以详细阐述如下：
• Field devices: 现场设备可以是智能电表、接入点、路由器、交换机以及分布在电网中的其他相关物理设备。这些设备嵌入了多个物联网传感器，经过校准以记录时段能耗，在小区层级进行信息聚合，并应用数据质量措施以确保完整性、准确性与一致性。这些设备可被视为电网边缘的智能。
• Back‐end applications: 如前所述，计量数据管理(MDM)负责收集、处理、管理和维护大量AMI数据。MDM所连接的应用位于指挥控制中心。
• Communication channel: 多种通信协议构成了不同现场设备之间或现场设备与中央后端应用之间通信所使用的通信信道。这些协议在本节前文已识别并简要描述。

4.4.2 关键应用

由于高级计量基础设施的广泛应用，其具有以下所列的众多应用：
• 净电量计量： 用户越来越多地采用屋顶太阳能等可再生能源系统（RESs）[48]。太阳能系统产生的过剩电力可以储存以备后用，或售回电网。在后一种情况下，用户真正转变为产消者，将其所发电能出售给公用事业公司，以抵消其购电成本。
• 住宅能源管理： 局域传感器网络应用可以监控实时用电量，使用户能够将高耗能应用安排在非用电高峰时段运行 [27]。例如，电力公司为高级计量基础设施电表提供动态分时电价，据此可将泳池加热和洗衣服务安排在深夜电价较低的时段进行。这不仅有助于公用事业公司更好地管理负荷，也使用户节省用电成本。
• 楼宇自动化： 自动化建筑允许照明、暖通空调（HVAC）等设备之间进行通信，以优化其运行时间，从而减少能源浪费 [13]。高级计量基础设施电表在此过程中发挥关键作用，有助于节省高达30%的能源。
• 电网设备监控与控制： 智能电表和用户级变压器中的传感器向控制中心报告过电压和欠电压、电压暂降、电压骤升、瞬态干扰、谐波、闪变、相位偏移以及无功功率等电能质量参数 [16]。根据电能质量报告，控制中心可采取直接负荷控制或向电网注入有功功率等措施。

4.4.3 挑战与未来研究方向

大规模部署高级计量基础设施面临许多挑战，如下所列：
• 拓扑设计： 高级计量基础设施覆盖大量的节点和区域。在这种情况下，网络拓扑设计可能具有挑战性，因为必须考虑覆盖范围、管理和安全性等诸多因素。尽管目前应用最广泛的拓扑结构是采用以网状网络形式连接的高级计量基础设施智能电表，其周期性测量数据由聚合器（如接入点）收集后，传输至指挥控制中心进行长期的数据处理、存储和管理。正如拓扑结构多种多样，满足这些需求的解决方案也各不相同。因此，必须仔细考虑最优的技术与拓扑结构组合方案。
• 安全性： 安全性是高级计量基础设施（AMI）[37, 40, 41]中的一个关键问题。通过从数据中学习用电模式，可以确定用户行为。贪婪的用户可能会进行窃电以获得更低的账单。攻击者可能发动拒绝服务、中间人攻击和重放攻击，以窃取、窥探或修改敏感用电数据。在更高层面，必须考虑跨域和域内通信接口的安全性。
• 异构网络： 高级计量基础设施采用Wi‐Fi、ZigBee或蓝牙，必须与其他应用网络[29]共存。与附近其他网络的干扰可能导致传输延迟、丢包或数据损坏。这种异构性还会引发互操作性问题，如下文所述。
• 互操作性： 众所周知，存在多种标准可独立确保智能电网中稳健、有弹性和高效的通信网络解决方案。然而，这些标准的范围非常广泛，引发了明显的互操作性问题。分布在不同地理或管辖区域的不同传感器可能使用来自不同供应商的组件，而这些组件遵循不同的可接受标准。然而，为了在异构传感器和设备之间建立并维持安全、无缝和普遍的通信，必须明确指定互操作性要求。
• 干扰： 由于高级计量基础设施（AMI）具有大量节点，因此更倾向于使用 900 MHz、2.4 GHz和5 GHz等非授权频段 [38]。然而，这些频段可被任何人使用。此外，在高压场景下的电磁干扰（EMI）会导致正在传输的数据出现传播延迟甚至丢失。射频（RF）信号可能会干扰附近的其他无线设备，导致设备故障或通信介质的混乱。因此，考虑干扰和安全性的网络设计具有挑战性。其中一种可探索的解决方案是为智能电网通信基础设施建立专用非授权频段，但由于成本增加，该方案难以实施。
• QoS: 由于使用公共频段和大量节点，误码率等服务质量参数可能会受到不利影响。从集中式客户端‐服务器架构向分布式对等架构的智能去中心化也将重新定义现有的服务质量要求。不断增长的数据量、缓慢的响应时间要求以及低延迟需求将需要对服务质量规范进行全面改造。