智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

　　周中1 姜龍1

　　(上海安科瑞電氣股份有限公司，上海嘉定，201801)

　　智能電網(wǎng)是當(dāng)前國際國內(nèi)新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)。國家電網(wǎng)公司正在建設(shè)全國統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，其基本特征是電力系統(tǒng)的運(yùn)營實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化和市場化，真正實(shí)現(xiàn)電能的高效利用。

　　根據(jù)智能電網(wǎng)研究框架體系，智能電網(wǎng)建設(shè)主要抓住發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六個(gè)環(huán)節(jié)。“配用電”環(huán)節(jié)即為電網(wǎng)的用戶端，按用戶屬性來分主要有三類：建筑樓宇，如賓館、商場、體育館、學(xué)校、寫字樓、政府機(jī)關(guān)等;工礦企業(yè)，如冶金、造紙、輕紡、機(jī)械、電子、煤礦等;基礎(chǔ)設(shè)施，如機(jī)場、港口、鐵路、公路、水利等。用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，抓電網(wǎng)用戶端智能化建設(shè)，對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要意義。用戶端環(huán)節(jié)建設(shè)內(nèi)容主要為：構(gòu)建智能用電服務(wù)體系;全面推廣應(yīng)用智能電表、智能用電管理終端等智能設(shè)備;實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向互動(dòng)，提升用戶服務(wù)質(zhì)量;建設(shè)智能用電小區(qū)和電動(dòng)汽車充電站。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

　　能源管理系統(tǒng)構(gòu)架及目標(biāo)

　　智能電網(wǎng)用戶端從用戶側(cè)一端來討論配電和用電系統(tǒng)的智能化和信息化，其范圍指電力公司計(jì)費(fèi)電表出口以下，從電力變壓器到用電設(shè)備之間，對電能進(jìn)行傳輸、分配、控制、保護(hù)和能源管理的所有設(shè)備及系統(tǒng)。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人民物質(zhì)生活水平的提高，用電設(shè)備如電梯、水泵、照明、空調(diào)系統(tǒng)、家用電器等越來越多，用電負(fù)荷快速增長，設(shè)備的能效提高以及不同設(shè)備之間的匹配需要科學(xué)的管理，用戶端的能源管理因此受到越來越多的關(guān)注。

　　一般的智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)主要包括三方面的內(nèi)容：計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感(計(jì)量)元件。傳感(計(jì)量)元件采集各種電量數(shù)據(jù)并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)將分布采集的數(shù)據(jù)匯總、分析、報(bào)表等，出現(xiàn)故障狀況時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警甚至自動(dòng)完成某些操作功能。高級(jí)的管理系統(tǒng)還包含智能控制設(shè)備，能自動(dòng)檢測電網(wǎng)及用電設(shè)備的各種情況并據(jù)此對有關(guān)負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)控制，包括對儲(chǔ)能設(shè)備、可再生能源設(shè)備的控制。

　　建設(shè)智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)有三個(gè)目標(biāo)：

　　1)電能監(jiān)測與節(jié)能優(yōu)化：對用電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)特別是重點(diǎn)耗能設(shè)備用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、匯總分析、縱橫比較等，發(fā)現(xiàn)電能使用不合理之處，通過人工干預(yù)或自動(dòng)控制的方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化用能設(shè)備，提高電能的使用效率。

　　2)用戶端與電網(wǎng)公司管理系統(tǒng)的互動(dòng)：在智能電網(wǎng)中，電網(wǎng)公司為提高電力設(shè)施的負(fù)荷率要求用戶端某些設(shè)備能夠需求響應(yīng)，其使用能夠盡量避開用電高峰而在用電低谷時(shí)使用，幫助電網(wǎng)削峰填谷。

　　3)管理分布式能源設(shè)備的接入：用戶端儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車以及可再生能源設(shè)備接入電網(wǎng)可能對電網(wǎng)產(chǎn)生重大沖擊，這些設(shè)備也可能將電能輸送的電網(wǎng)，所以需要一個(gè)很好的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。

　　用戶端能源管理系統(tǒng)功能

　　1.主控制系統(tǒng)功能

　　主控制系統(tǒng)作為專家決策系統(tǒng)，是一個(gè)SCADA軟件，將各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，并根據(jù)各種不同的情況決定各個(gè)子系統(tǒng)的控制。

　　2. 配電監(jiān)控子系統(tǒng)功能

　　它由多種獨(dú)立的功能模塊組成，包括保護(hù)設(shè)備定值在線管理、事件報(bào)警管理、錄波數(shù)據(jù)管理等。

　　配電監(jiān)控子系統(tǒng)采集和處理的基本數(shù)據(jù)：模擬量(遙測)包括功率、電流、電壓、變壓器溫度、系統(tǒng)頻率等。數(shù)字量(遙信)包括開關(guān)位置信號(hào)、事故信號(hào)、微機(jī)保護(hù)信號(hào)、以及設(shè)備工作狀態(tài)等。

　　3.智能表計(jì)子系統(tǒng)功能

　　智能表計(jì)子系統(tǒng)能夠海量數(shù)據(jù)的采集、交換、通信、存儲(chǔ)與共享;企業(yè)用能實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和報(bào)表系統(tǒng)，故障報(bào)警和快速定位;用戶端電網(wǎng)諧波檢測和分析;能耗監(jiān)測、分析、評(píng)估，能耗分項(xiàng)計(jì)算以及碳排放計(jì)算;根據(jù)電力公司的需量限制對實(shí)際用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警和控制。通過智能表計(jì)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中“雙向”互功功能，智能儀表通過網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備實(shí)時(shí)通訊，提供用戶的能源需求數(shù)據(jù)給智能電網(wǎng)，同時(shí)將智能電網(wǎng)的不同時(shí)間段的電能信息傳遞給用戶端，讓用戶直接選擇電能消費(fèi)。

　　4.設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)功能

　　設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)既是一個(gè)設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)，又是一個(gè)可以自成體系、記錄各種能量變化并可實(shí)現(xiàn)互動(dòng)控制的高級(jí)用戶能源管理系統(tǒng)。管理中心通過網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)分中心，每個(gè)分中心管理連接當(dāng)?shù)氐倪@部分設(shè)備，通過能源管理控制器、電表、智能開關(guān)、繼電保護(hù)裝置和各種智能控制器實(shí)時(shí)采集主要耗能、儲(chǔ)能或生產(chǎn)能源設(shè)備的信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，根據(jù)能源控制中心下達(dá)給分中心的要求，調(diào)節(jié)每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能源的消費(fèi)和生產(chǎn)。

　　5.智能家居子系統(tǒng)功能

　　智能家居是目前智能電網(wǎng)比較關(guān)注的領(lǐng)域之一。智能電表與智能家居有機(jī)結(jié)合才能更科學(xué)合理地控制家居內(nèi)的家電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)、削峰填谷、節(jié)能減排功能。

　　6.儲(chǔ)能設(shè)備、分布式能源設(shè)備、汽車充電設(shè)備監(jiān)控技術(shù)

　　分別研究低壓側(cè)(380V/220V)儲(chǔ)能設(shè)備、分布式能源設(shè)備和汽車充電設(shè)備在上位機(jī)系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式和管理方法。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　1)配電系統(tǒng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)：以變電站為基本單元，收錄電網(wǎng)重要信息，只有少量信息向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,網(wǎng)絡(luò)效率高;IP地址管理，各部分設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域管理;底層的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中具有獨(dú)立的通信功能，上位監(jiān)控PC可以直接遠(yuǎn)程讀取底層設(shè)備信息以及事件數(shù)據(jù)、錄波數(shù)據(jù)等，可遠(yuǎn)程讀取和修改其整定參數(shù)等;上位監(jiān)控PC可以遠(yuǎn)程配置網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，增加或減少設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

　　2)電表雙向?qū)崟r(shí)電價(jià)計(jì)費(fèi)技術(shù)：包括有功電能和無功電能計(jì)量;分時(shí)計(jì)量、最大需量測量;實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、電能質(zhì)量和環(huán)境參量等;信息與數(shù)據(jù)的存貯、調(diào)用、輸出和顯示，電價(jià)方案顯示;雙向通信，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，能提供互動(dòng)性服務(wù)，可對戶內(nèi)主要電器進(jìn)行用電信息采集與控制;對電能雙向計(jì)費(fèi)。

　　3)網(wǎng)絡(luò)化可編程控制技術(shù)：包括系統(tǒng)的現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議規(guī)范研究與實(shí)現(xiàn);指令編譯器、程序解釋運(yùn)行器、高速總線技術(shù);控制與通信集成技術(shù)。

　　4)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸通信技術(shù)：研究智能電器和智能電表的通信技術(shù)，不同通信協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、以及有線網(wǎng)與無線網(wǎng)交叉融合技術(shù);

　　5)用戶端海量數(shù)據(jù)融合及并行計(jì)算處理技術(shù)：研究海量數(shù)據(jù)的采集、交換、通信、存儲(chǔ)與共享機(jī)制;

　　6)商用樓宇和工礦企業(yè)節(jié)電運(yùn)營技術(shù)：研究能耗監(jiān)測和分析、評(píng)估方法、碳排放參數(shù)計(jì)算;

　　7)管理和控制的一體化技術(shù)：研究企業(yè)用能實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和報(bào)表系統(tǒng)，具有故障報(bào)警和快速定位功能;

　　8)電能質(zhì)量測控技術(shù)：研究用戶端電網(wǎng)諧波檢測和分析方法，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量檢測;

　　9)電網(wǎng)側(cè)與用戶端之間的互動(dòng)技術(shù)：研究進(jìn)戶電表與用戶能源管理系統(tǒng)的互動(dòng)、主系統(tǒng)與子系統(tǒng)的信息互動(dòng)技術(shù)。

　　案例應(yīng)用

　　1.上海世博村項(xiàng)目A地塊VIP生活樓EMS

　　世博村A地塊VIP生活樓是2010年上海世博會(huì)配套的唯一一家超五星級(jí)酒店，見圖1。該酒店落成后將成為整個(gè)世博會(huì)的至高點(diǎn)，達(dá)108米，同時(shí)也是整個(gè)世博工程中最早開工，最早竣工、投入使用的項(xiàng)目。系統(tǒng)采用Acrel-3000型電能管理系統(tǒng)，完成了生活樓變電所、柴油發(fā)電機(jī)房、冷凍機(jī)房、生活泵消防泵房及樓層動(dòng)力箱、電源雙切供電系統(tǒng)所有電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測。　　

 　　整個(gè)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)，監(jiān)控主機(jī)位于地下一層變電所值班室內(nèi)，各變電所配電柜內(nèi)安裝有ACR230ELH、ACR220EFLK儀表共計(jì)200臺(tái)。系統(tǒng)采用開放的通訊協(xié)議，通過現(xiàn)場總線與高低壓配電系統(tǒng)、變壓器溫控裝置、發(fā)電機(jī)的智能接口、ATSE及EPS等相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。同時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口向上連接到BMS系統(tǒng)。

　　2.廣州亞運(yùn)會(huì)開/閉幕式臨時(shí)配電中心

　　2010年第16屆廣州亞運(yùn)會(huì)開/閉幕式在海心沙島隆重舉行(見圖2)，當(dāng)晚整個(gè)島內(nèi)的供電由現(xiàn)場發(fā)電以及廣州市供電局供電兩部分組成，整個(gè)配電設(shè)施全部位于舞臺(tái)下方的地下空間，包括四個(gè)配電區(qū)域，所有涉及表演、噴泉、音響等重要回路全部由現(xiàn)場發(fā)電機(jī)供電，其余看臺(tái)、照明等由廣州市供電局供電。系統(tǒng)采用Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)，完成了四個(gè)配電區(qū)域所有配電房內(nèi)包括10kV高壓配電柜、直流屏、0.4kV低壓配電柜、發(fā)電機(jī)、變壓器等所有電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控管理。

圖2廣州亞運(yùn)會(huì)海心沙島

　　3.某工廠屋頂光伏電站電力監(jiān)控系統(tǒng)

　　2010年承接的上海某公司屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)，可對太陽能光伏電站里的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，通過各種樣式的圖表及數(shù)據(jù)快速掌握電站的運(yùn)行情況，其友好的用戶界面、強(qiáng)大的分析功能、完善的故障報(bào)警確保了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的完全可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。

　　系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時(shí)監(jiān)測太陽能電池板的電壓、電流及其運(yùn)行狀況;防雷器狀態(tài)、斷路器狀態(tài)采集與顯示;實(shí)時(shí)監(jiān)控逆變器工作狀態(tài)，監(jiān)測其故障信息;系統(tǒng)詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)顯示;故障記錄及報(bào)警;具有電量累計(jì)、系統(tǒng)分析、歷史記錄功能;簡單易用的參數(shù)設(shè)置功能;系統(tǒng)輸出電流、電壓，瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量，CO2、SO2減排量。

　　需求與市場前景分析

　　1用戶端的電力配電系統(tǒng)智能化需求及智能電網(wǎng)的推進(jìn)

　　目前，電的生產(chǎn)、傳輸及高端用戶，如電信、銀行、石化等大用戶配電正在實(shí)現(xiàn)信息化、智能化。隨著智能電網(wǎng)的推進(jìn)，電的生產(chǎn)、傳輸與使用將信息互通，智能電力儀表將是各個(gè)電網(wǎng)環(huán)節(jié)的信息“傳感器”，使智能電網(wǎng)下的電器設(shè)備信息“物物相聯(lián)”。因此，能源管理系統(tǒng)將隨用戶端配電智能化的普級(jí)而市場容量逐步擴(kuò)大。

　　2.工礦企業(yè)與建筑樓宇的節(jié)能減排

　　國務(wù)院各部委以及地方政府，把節(jié)能減排作為重點(diǎn)工作之一進(jìn)行推進(jìn)與落實(shí)。要求高能耗企業(yè)通過建立能源管理體系，采取降耗技術(shù)與措施，提高用能效率。為此，工礦企業(yè)實(shí)施合同能源管理，政府機(jī)關(guān)和大型公建實(shí)施能耗監(jiān)測(見建科[2008]114號(hào)文)，電能作為最主要的能源，用戶端用能大戶都應(yīng)建立電能計(jì)量管理體系。因此，用于企業(yè)內(nèi)部管理的智能電能管理系統(tǒng)將隨節(jié)能政策的推進(jìn)而增加。

　　3.新能源、新行業(yè)的發(fā)展需求

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，對核電、水電、光能、風(fēng)能等新能源的需求逐步擴(kuò)大，以減少對不可再生能源的依賴。新能源的發(fā)展，也需要安裝監(jiān)控系統(tǒng)，提高新能源的發(fā)電能效。另外，隨著社會(huì)進(jìn)步，對人生命安全的保障也越來越重視，為了安全用電，國家發(fā)布了多項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范，如JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB50016-2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等等，規(guī)定對劇院、商場、展覽館、醫(yī)院、電信樓、廣播臺(tái)、高層建筑等人員密集或重要場所要加裝剩余電流式火災(zāi)監(jiān)控裝置，建立電氣安全監(jiān)視系統(tǒng)，防止漏電引起的火災(zāi)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]智能電網(wǎng)用戶端的整體解決方案.尹天文.《電氣技術(shù)》2010年04期.

　　[2]電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，任致程、周中編著.北京：中國電力出版社，2007.

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