智能用電樓宇節(jié)能綜合控制的實(shí)現(xiàn)方式

1上海市電力公司 2國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院

朱彬若1 張慎明2 王 虎2

1 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)致力于建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，主要涵蓋電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的“智能”技術(shù)特征，其中樓宇智能用電技術(shù)是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要組成部分。

恰逢世博會(huì)于2010年5月在上海召開，同時(shí)國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)館在地下一至三層新建了110kV蒙自智能變電站（內(nèi)設(shè)包含冰蓄冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、吸附式空調(diào)系統(tǒng)在內(nèi)的新型空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)等），地面兩層企業(yè)館配備了風(fēng)電光伏裝置、V2G系統(tǒng)、電梯、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)等，為探索用戶側(cè)的新型用電方式提供了良好的契機(jī)，為樓宇智能用電的展示提供了完善的軟硬件基礎(chǔ)。

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)以上海世博園國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)館為建設(shè)對(duì)象，以經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、便利性、人性化為設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，通過(guò)實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷電能消耗信息、電能質(zhì)量信息及報(bào)警事件信息等，向用戶展示場(chǎng)館的供用電信息，通過(guò)綜合分析樓宇環(huán)境參數(shù)、歷史用電信息、電能質(zhì)量、實(shí)際用電負(fù)荷和電價(jià)結(jié)構(gòu)，選擇并制定用電控制管理策略以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)或最節(jié)能的目的，并通過(guò)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的運(yùn)行方案優(yōu)化及系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)集成了以下五個(gè)子系統(tǒng)：

○展館樓宇自控系統(tǒng)（BA系統(tǒng)），包括空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、太陽(yáng)能增強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)、空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、電梯、配電監(jiān)控系統(tǒng)等；

○風(fēng)電光伏子系統(tǒng)，展示新型能源作為未來(lái)電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，所具備的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)特性；

○V2G，展示電動(dòng)汽車作為移動(dòng)儲(chǔ)能單元接入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與車輛的雙向互動(dòng)，達(dá)到削峰填谷、平衡負(fù)荷的目的；

○智能變電站系統(tǒng)，展現(xiàn)APF及SVG+技術(shù)所帶來(lái)的電能質(zhì)量的大幅提高；

○空調(diào)系統(tǒng)，展現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、吸附式空調(diào)系統(tǒng)作為新型負(fù)荷式用電設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的智能用電理念及能量的綜合利用。

五個(gè)子系統(tǒng)的集成工作主要包括數(shù)據(jù)的采集與處理、分析、顯示3個(gè)功能，同時(shí)樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)基于五個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理及分析結(jié)果制定用電策略，并通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)于各子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，最終達(dá)到節(jié)能減排的目的。

基于以上系統(tǒng)集成及功能需求，樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)自上而下共分三層，如圖1所示。

1）監(jiān)控管理層：為現(xiàn)場(chǎng)操作人員及管理人員提供充足的信息（包含全館供用電信息、電能質(zhì)量信息、各子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及用電信息等），制定能量?jī)?yōu)化策略，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)能效管理，提高經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益；

2）通信層：使用通信網(wǎng)關(guān)機(jī)將各個(gè)子系統(tǒng)所使用的非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP協(xié)議，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)傳輸至樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)；

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：指分布于高低壓配電柜中的測(cè)控保護(hù)裝置、儀表，以及各個(gè)子系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

表1 樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)設(shè)備層集成設(shè)備清單

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是整個(gè)系統(tǒng)的硬件支撐平臺(tái)，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，設(shè)計(jì)清晰合理的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

針對(duì)上海世博園國(guó)網(wǎng)企業(yè)館實(shí)際建設(shè)情況，樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)設(shè)備層需要集成的設(shè)備內(nèi)容如表1所示。

表2 樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)集成設(shè)備信息表

需要說(shuō)明的是這里所指的設(shè)備既包含采集用電量信息的智能儀表和各類運(yùn)行設(shè)備，同時(shí)也包括各類第三方系統(tǒng)，如上表中的BA自控系統(tǒng)。

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 通信層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如表一所示，樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)接入的設(shè)備種類多樣，所使用的物理接口類型及協(xié)議類型極為復(fù)雜，所傳輸數(shù)據(jù)種類也不盡相同，詳情見表2。

為了確保樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，所有的設(shè)備均將測(cè)量數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等送至通信網(wǎng)關(guān)機(jī)，通信網(wǎng)關(guān)機(jī)使用對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議進(jìn)行解析，并將所有數(shù)據(jù)按照設(shè)定的順序打包為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP協(xié)議，送至樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)監(jiān)控管理層，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 監(jiān)控管理層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控管理層是樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)以圖形化的方式向用戶提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、電能質(zhì)量分析、能效評(píng)估等功能，并通過(guò)交互式技術(shù)向用戶提供用電策略制定及聯(lián)動(dòng)控制等功能，具體功能如下所述：

1）實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)

（1）全館實(shí)時(shí)供用電信息展示；

（2）突出展示清潔能源供電在整個(gè)展館用電中所占的比例，體現(xiàn)新型清潔能源的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。圖4為清潔能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面；

（3）突出展示APF、SVG+等先進(jìn)技術(shù)帶來(lái)的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)；

（4）突出展現(xiàn)新型負(fù)荷式用電設(shè)備對(duì)綜合能量的利用（冰蓄冷、地源熱泵、變壓器余熱）；

（5）突出展現(xiàn)V2G系統(tǒng)所引導(dǎo)的新型能源生活（電動(dòng)汽車）；

（6）突出展現(xiàn)樓宇自控系統(tǒng)所帶來(lái)的舒適生活（調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)）。

2）歷史用電情況分析

（1）各個(gè)用電系統(tǒng)不同時(shí)段用電量對(duì)比；

（2）各個(gè)用電系統(tǒng)能耗等級(jí)分析；

（3）根據(jù)用電量模擬多部制電價(jià)賬單；

（4）分析使用智能變電技術(shù)、清潔能源等新型技術(shù)及能量管理系統(tǒng)后能量節(jié)約等效的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)（成本節(jié)約RMB）及環(huán)境效應(yīng)（CO2排放量）；

（5）分析不同時(shí)段的電能質(zhì)量信息，展示智能用電方式所帶來(lái)的電能質(zhì)量的大幅提高。

3）能量?jī)?yōu)化控制策略

（1）通過(guò)互動(dòng)展示基于不同電價(jià)結(jié)構(gòu)，制定最經(jīng)濟(jì)性用電策略，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，減少電費(fèi)支出；

（2）通過(guò)對(duì)全館用電負(fù)荷的分析，制定平衡負(fù)荷策略，降低電網(wǎng)壓力，提高發(fā)電設(shè)備效率、延長(zhǎng)使用壽命；

（3）通過(guò)對(duì)歷史用電情況的分析，制定各子系統(tǒng)運(yùn)行策略，確保用電設(shè)備的正常高效運(yùn)行；

（4）對(duì)全館用電負(fù)荷 、電能質(zhì)量及電價(jià)架構(gòu)進(jìn)行綜合分析，制定新能源并網(wǎng)策略及V2G系統(tǒng)充放電策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4）聯(lián)動(dòng)控制

聯(lián)動(dòng)控制示意圖見圖5。

（1）提供互動(dòng)模式，用戶自行定制當(dāng)天用電策略，并實(shí)時(shí)分析、模擬用電策略，預(yù)測(cè)用電信息，為用戶制定用電策略提供數(shù)據(jù)支持；

（2）根據(jù)場(chǎng)館環(huán)境參數(shù)及當(dāng)前用電負(fù)荷情況，調(diào)節(jié)BA系統(tǒng)中的空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行策略；

（3）根據(jù)能量?jī)?yōu)化控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，并通過(guò)運(yùn)行結(jié)果說(shuō)明能量?jī)?yōu)化控制策略的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

世博園國(guó)網(wǎng)企業(yè)館樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)從電力專業(yè)的深度對(duì)電能消耗進(jìn)行數(shù)字化和集成化，通過(guò)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷電能消耗信息、報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)等信息，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷需求和電價(jià)政策，以及新的能源供電模式和新型的用電設(shè)備配置，從而科學(xué)選擇和制定能耗控制管理方案，在整體上對(duì)供用電設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)樓宇用電的智能化，讓終端用戶直接感受到智能電網(wǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)場(chǎng)館的各個(gè)供用電系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的劃分和分析，使用了分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，成功集成了樓宇自控系統(tǒng)、風(fēng)電光伏系統(tǒng)、V2G系統(tǒng)等多個(gè)閉環(huán)子系統(tǒng)，使用組態(tài)方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析及展示功能，確保了系統(tǒng)具備高可維護(hù)性及高可擴(kuò)展性。

該系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)向全世界充分展示了國(guó)網(wǎng)公司在智能用電、清潔能源開發(fā)、能量綜合利用及能效管理方面的能力、實(shí)力及效果；同時(shí)通過(guò)世博會(huì)這個(gè)廣闊平臺(tái)充分引領(lǐng)廣大用戶對(duì)科學(xué)用電、合理用電、節(jié)約用電、綜合節(jié)能、雙向互動(dòng)、清潔能源等方面的認(rèn)知和感受，引導(dǎo)廣大民眾感受智能電網(wǎng)帶來(lái)的切身變革、便利和實(shí)用性。