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 姜 龍

（上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

1 智能電網(wǎng)用戶端涵義

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、自動化、互動化和市場化，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)度六個環(huán)節(jié)?！芭溆秒姟杯h(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，提升用戶服務(wù)質(zhì)量；建設(shè)智能用電小區(qū)和電動汽車充電站。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。

2 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、報表等，出現(xiàn)故障狀況時根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件進(jìn)行預(yù)警、報警甚至自動完成某些操作功能。高級的管理系統(tǒng)還包含智能控制設(shè)備，能自動檢測電網(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)行自動控制，包括對儲能設(shè)備、可再生能源設(shè)備的控制。見圖1。

圖1 智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)示意圖

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

1）電能監(jiān)測與節(jié)能優(yōu)化：對用電系統(tǒng)各個環(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：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：用戶端儲能設(shè)備、電動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)，所以需要一個很好的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。

3 用戶端能源管理系統(tǒng)功能

3.1 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SCADA軟件，將各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，并根據(jù)各種不同的情況決定各個子系統(tǒng)的控制。

3.2 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、事故信號、微機(jī)保護(hù)信號、以及設(shè)備工作狀態(tài)等。

3.3 智能表計(jì)子系統(tǒng)功能

智能表計(jì)子系統(tǒng)（見圖 2）能夠海量數(shù)據(jù)的采集、交換、通信、存儲與共享；企業(yè)用能實(shí)時監(jiān)控、分析和報表系統(tǒng)，故障報警和快速定位；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)時通訊，提供用戶的能源需求數(shù)據(jù)給智能電網(wǎng)，同時將智能電網(wǎng)的不同時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)。

圖2 智能表計(jì)子系統(tǒng)示意圖

3.4 設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)功能

設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)既是一個設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)，又是一個可以自成體系、記錄各種能量變化并可實(shí)現(xiàn)互動控制的高級用戶能源管理系統(tǒng)。管理中心通過網(wǎng)絡(luò)連接多個分中心，每個分中心管理連接當(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)時采集主要耗能、儲能或生產(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)每個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能源的消費(fèi)和生產(chǎn)。

3.5 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。

3.6 儲能設(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。

4 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電價計(jì)費(fèi)技術(shù)：包括有功電能和無功電能計(jì)量；分時計(jì)量、最大需量測量；實(shí)時監(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，電價方案顯示；雙向通信，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，能提供互動性服務(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)時監(jiān)控、分析和報表系統(tǒng)，具有故障報警和快速定位功能。

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技術(shù)：研究進(jìn)戶電表與用戶能源管理系統(tǒng)的互動、主系統(tǒng)與子系統(tǒng)的信息互動技術(shù)。

5 案例應(yīng)用

5.1 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年上海世博會配套的惟一一家超五星級酒店，見圖 3。該酒店落成后將成為整個世博會的至高點(diǎn)，達(dá)108米，同時也是整個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力箱、電源雙切供電系統(tǒng)所有電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖3 上海世博會VIP酒店

整個系統(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。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)。

5.2 廣州亞運(yùn)會開/閉幕式臨時配電中心

2010年第16屆廣州亞運(yùn)會開/閉幕式在海心沙島隆重舉行（見圖4），當(dāng)晚整個島內(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，整個配電設(shè)施全部位于舞臺下方的地下空間，包括四個配電區(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、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4 廣州亞運(yùn)會海心沙島

5.3 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。見圖5。

圖5 某工廠光伏監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時監(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，瞬時發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量，CO2、SO2減排量。

6 需求與市場前景分析

用戶端能源管理系統(tǒng)作為一個新興產(chǎn)業(yè)，其需求與市場前景與下列因素有關(guān)：①智能電網(wǎng)的推進(jìn)與用戶端的電力配電系統(tǒng)智能化需求；②工礦企業(yè)與建筑樓宇的節(jié)能減排；③新能源、新行業(yè)的發(fā)展需求等。

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、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)。

[1]尹天文.智能電網(wǎng)用戶端的整體解決方案[J].電氣技術(shù),2010(4).

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