智能用電小區(qū)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

邢兆群，陳春，侍必勝，郭振東

(1.山西太原供電分公司，山西 太原 030012;2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210061)

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和科技水平的不斷提高，先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)滲入到生活的各個領(lǐng)域，同時改變了人們的生活理念，影響了生活習(xí)慣，提高了生活品質(zhì)。同時，人們也開始追求智能化和信息化的居住環(huán)境，營造安全、舒適、高效和便捷的綠色住宅，在這種形勢下，智能用電小區(qū)應(yīng)運而生[1]。

智能住宅的概念在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了廣泛認(rèn)同和發(fā)展。美國政府圍繞智能電網(wǎng)建設(shè)，在創(chuàng)造高滲透性能源配送和充電網(wǎng)絡(luò)條件的過程中發(fā)展安全、高效和可靠性強的保護(hù)和控制性技術(shù)，發(fā)展運作支持工具技術(shù)等[2]。

2006年法國、比利時、德國等歐盟國家選擇1000戶家庭住宅進(jìn)行以住宅節(jié)能和減少碳排放為目標(biāo)的實證研究[3－4]。在日本開展的智能家居研究項目中，主要實現(xiàn)家庭能源管理系統(tǒng)[5]。2008年荷蘭阿姆斯特丹啟動了智能用電小區(qū)相關(guān)建設(shè)工作，包括智能供用電、智能表計、電動汽車充電站、太陽能屋頂、LED路燈改造等17項試點工作[6]。

近幾年，我國智能住宅小區(qū)的發(fā)展很快，國家電網(wǎng)公司提出智能電網(wǎng)概念并積極開展智能小區(qū)相關(guān)的各類技術(shù)研究[7]。2009年6月，國家電網(wǎng)公司在北京、浙江開展以光纖和電力線寬帶等通信技術(shù)構(gòu)筑的網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的示范展示工作。2010年在重慶、上海、河北等地開展了智能用電小區(qū)的試點工程建設(shè)，并取得一系列的成果[8]。

智能用電小區(qū)是適應(yīng)分布式電源廣泛應(yīng)用、電動汽車充電裝置發(fā)展、居民和小區(qū)物業(yè)對供電服務(wù)日趨多樣的要求，以及現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用和國家“三網(wǎng)融合”戰(zhàn)略的實施而發(fā)展起來的現(xiàn)代化居住示范區(qū)。為居民和物業(yè)提供安全可靠、清潔環(huán)保和便捷高效的居住場所，集中展現(xiàn)智能用電成果，提高小區(qū)內(nèi)能源利用效率[9]。

目前我國智能電網(wǎng)第一階段建設(shè)已經(jīng)完美收官，多個智能小區(qū)示范工程建設(shè)完成并投入運行，但智能用電小區(qū)還存在系統(tǒng)集成性低、互動性低、硬件環(huán)境復(fù)雜、管理混亂等諸多問題。本文從研究智能電網(wǎng)如何應(yīng)用于居住區(qū)和探索智能用電小區(qū)建設(shè)目標(biāo)的角度出發(fā)，將智能用電小區(qū)內(nèi)所有系統(tǒng)集成到統(tǒng)一平臺上，提出智能用電小區(qū)綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了智能用電小區(qū)的系統(tǒng)架構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及智能用電小區(qū)關(guān)鍵技術(shù)。

1 智能用電小區(qū)的內(nèi)涵及建設(shè)目標(biāo)

1.1 智能用電小區(qū)的內(nèi)涵

智能用電是智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能用電技術(shù)的快速發(fā)展，賦予了智能小區(qū)新的內(nèi)涵，開展智能小區(qū)試點建設(shè)工作，是為了探索我國智能小區(qū)的發(fā)展方向和建設(shè)模式，應(yīng)用和驗證關(guān)鍵技術(shù)，展示智能電網(wǎng)研究成果，達(dá)到宣傳智能用電先進(jìn)理念、提升供電服務(wù)水平和促進(jìn)智能小區(qū)有序發(fā)展的目的[10－13]。

1.2 智能用電小區(qū)的建設(shè)目標(biāo)

智能用電小區(qū)實現(xiàn)對小區(qū)內(nèi)電力應(yīng)用及社區(qū)應(yīng)用無盲點的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)實時和非實時信息的高度集成、共享與利用。智能用電小區(qū)充分展示國網(wǎng)公司在智能配電、清潔能源開發(fā)、智能用電、智能家居、用能綜合利用及用能管理方面的能力、實力及效果讓居民最終感受到智能電網(wǎng)帶來的生活品質(zhì)的提高，進(jìn)而引導(dǎo)相關(guān)應(yīng)用的規(guī)范、有序發(fā)展，深入推進(jìn)智能配用電的研究、建設(shè)和發(fā)展。

1.2.1 實現(xiàn)電網(wǎng)與客戶互動，提供多樣化供電服務(wù)

統(tǒng)籌應(yīng)用實施95598互動網(wǎng)站、用電信息采集系統(tǒng)、客戶用能服務(wù)系統(tǒng)、分布式電源與儲能管理系統(tǒng)、電動汽車充電管理系統(tǒng)、營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等，通過電腦、自助終端、智能交互終端、智能監(jiān)控終端、電話、手機等互動渠道，為居民客戶提供多樣化供電服務(wù)。

1.2.2 實現(xiàn)能效智能化管理，提高終端用能效率

及時響應(yīng)客戶自由用電需求，為居民家庭、小區(qū)公共設(shè)施提供科學(xué)用電指導(dǎo);客戶可根據(jù)電網(wǎng)發(fā)布的實時電價信息和負(fù)荷信息，選擇最佳用能方案，自主做出用電需求響應(yīng);加快高耗電產(chǎn)品淘汰和節(jié)電新產(chǎn)品、智能電器的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)家用電器實時監(jiān)測和運行智能控制;降低居住區(qū)整體能耗，提高終端用能效率和電能占終端能源消費的比重。

1.2.3 開展增值服務(wù)，探索電力光纖到戶商業(yè)運營模式

采用光纖復(fù)合低壓電纜等技術(shù)，構(gòu)建小區(qū)通信信息網(wǎng)絡(luò)，積極開展增值服務(wù)，拓寬營銷服務(wù)市場，提升供電服務(wù)能力和水平;服務(wù)國家“三網(wǎng)融合”戰(zhàn)略的實施，積極探索電力光纖到戶的商業(yè)運營模式。

2 綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)

智能用電小區(qū)綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)是一套大型應(yīng)用集成系統(tǒng)，將整個智能用電小區(qū)用到的系統(tǒng)集成到統(tǒng)一平臺上。系統(tǒng)的集成解決了多套系統(tǒng)硬件環(huán)境復(fù)雜、管理混亂的問題，方便用戶使用和管理者管理。

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)的硬件主要包括一個一臺前置/SCADA服務(wù)器、一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器、一臺WEB發(fā)布服務(wù)器、三臺交換機、一臺硬件防火墻和一臺縱向安全認(rèn)證裝置。

綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)硬件分布在二個安全區(qū)中:電力網(wǎng)安全區(qū)和公網(wǎng)區(qū)，兩者之間通過一個防火墻進(jìn)行安全隔離，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)的軟件由操作系統(tǒng)、服務(wù)應(yīng)用平臺和信息發(fā)布平臺共三個層次組成。其中:操作系統(tǒng)包括Unix、Linux和Windows;服務(wù)應(yīng)用平臺主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理;服務(wù)應(yīng)用平臺包括基本的通用業(yè)務(wù)服務(wù)和具體業(yè)務(wù)處理兩部分，信息發(fā)布平臺采用B/S結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)人機接口界面，系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)

智能小區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)是在通信網(wǎng)絡(luò)支撐下由各業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)而構(gòu)成的。小區(qū)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分為電力專網(wǎng)和電力公網(wǎng)兩種。電力專網(wǎng)為電力業(yè)務(wù)提供通信支撐網(wǎng)絡(luò)，各信息采集點均實現(xiàn)了光纖接入，提供寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。電力公網(wǎng)為小區(qū)用戶實現(xiàn)智能家居、Internet、電話等業(yè)務(wù)提供通信網(wǎng)絡(luò)平臺，兩種網(wǎng)絡(luò)分別建立一套光纖網(wǎng)絡(luò)，采用同纜不同芯的方式建設(shè)兩套EPON系統(tǒng)，使兩種業(yè)務(wù)實現(xiàn)物理隔離，保證數(shù)據(jù)傳輸安全、穩(wěn)定?？傮w結(jié)構(gòu)分為主站系統(tǒng)、變電站、小區(qū)配電室和業(yè)務(wù)接入點四層，如圖3所示。

4 智能用電小區(qū)關(guān)鍵技術(shù)

智能電網(wǎng)條件下智能小區(qū)關(guān)鍵技術(shù)包括6種業(yè)務(wù)功能和1個綜合管理系統(tǒng)，分別為綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)、用電信息采集、小區(qū)配電自動化、分布式電源接入、電動汽車充電樁、智能家居、智能社區(qū)和綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)。

4.1 小區(qū)配電自動化

智能配電是智能電網(wǎng)建設(shè)各類成果在用戶端的集中體現(xiàn)，是聯(lián)系電力用戶和智能電網(wǎng)的樞紐，是智能電網(wǎng)優(yōu)越性的最終體現(xiàn)環(huán)節(jié)，應(yīng)實現(xiàn)的功能如下:

(1)小區(qū)配電系統(tǒng)運行監(jiān)控 實現(xiàn)小區(qū)配電系統(tǒng)及公共用電設(shè)施的遙信、遙測、遙控等，實現(xiàn)運行監(jiān)控信息的圖形化管理和狀態(tài)自動報警功能。

圖3 智能用電小區(qū)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)

(2)故障自動檢測與隔離 小區(qū)配電自動化系統(tǒng)對配電系統(tǒng)的故障進(jìn)行自動診斷和自動隔離，以減少故障停電范圍，恢復(fù)非故障段供電。及時告知小區(qū)用戶故障信息，并協(xié)調(diào)各部門進(jìn)行故障處理。

4.2 分布式電源

小區(qū)分布式電源是小區(qū)微電網(wǎng)的重要組成部分，分布式電源的可靠接入是配電網(wǎng)系統(tǒng)的有益補充。小區(qū)微電網(wǎng)是小區(qū)各種分布式電源、儲能單元、負(fù)荷監(jiān)控以及保護(hù)裝置組成的集合體，應(yīng)實現(xiàn)的功能如下:

(1)小區(qū)分布式能源系統(tǒng)運行監(jiān)控 實現(xiàn)小區(qū)光伏發(fā)電、儲能的遙信、遙測、遙控等，實現(xiàn)運行監(jiān)控信息的圖形化管理和狀態(tài)自動報警功能。

(2)分布式能源系統(tǒng)運行模式控制 微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換到獨立運行模式，以及微電網(wǎng)從獨立運行模式重新切換回并網(wǎng)模式;并網(wǎng)設(shè)置上限模式，儲能削峰填谷模式之間的切換，各種運行模式下定值和計劃值的修改。

(3)小區(qū)分布式能源系統(tǒng)運行統(tǒng)計 統(tǒng)計分布式能源的小時、日、月和年度發(fā)電量，各種累計發(fā)電量，各種運行統(tǒng)計，儲能轉(zhuǎn)換效率，儲能充放電計量統(tǒng)計。

4.3 電動汽車充電樁

根據(jù)智能用電小區(qū)的建設(shè)需求并結(jié)合國網(wǎng)公司“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)識、優(yōu)化分布、安全可靠、適度超前”的電動汽車充電設(shè)施的建設(shè)原則，實現(xiàn)充電樁監(jiān)控信息的集中傳輸，完成信息與綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)下電動汽車充電樁管理子系統(tǒng)的互聯(lián)，應(yīng)實現(xiàn)的功能如下:

(1)充電樁控制調(diào)節(jié)功能 系統(tǒng)向充電樁下發(fā)控制命令，遙控充電機起停、校時、緊急停機、遠(yuǎn)方設(shè)定充電參數(shù)等，系統(tǒng)可以按照預(yù)定策略選擇定時、定額等方式對電動汽車充電進(jìn)行控制管理。

(2)充電數(shù)據(jù)采集功能 采集充電樁工作狀態(tài)、故障信號、功率、電壓、電流等。

(3)圖形化操作界面 系統(tǒng)可以顯示充電數(shù)據(jù)實時(以及歷史)曲線圖、棒圖、系統(tǒng)運行工況圖(包括充電機運行狀態(tài)、通道狀態(tài))、實時數(shù)據(jù)表格等不同種類的畫面。

4.4 智能家居交互

智能家居以住宅為平臺，利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)和無線技術(shù)，提供友好的智能家居遠(yuǎn)程管理界面將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起。智能用能服務(wù)系統(tǒng)是智能電網(wǎng)用電能效提升的關(guān)鍵，應(yīng)實現(xiàn)的功能如下:

(1)提供智能家居用能信息的查詢 支持以日、月、年和時間段的查詢方式，查詢的用能信息結(jié)果以曲線圖、棒圖、餅圖和表格數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)。

(2)提供用能分析結(jié)果查詢 通過用能分析界面可以查詢智能家居的用能比例、用能同比、分時用能、階梯用能和用能評測。

(3)根據(jù)智能家居的用能情況 綜合階梯峰谷電價、小區(qū)氣象環(huán)境、分布式電源接入、家居待機能耗、用戶用電習(xí)慣等因素，提供用能建議和用能策略;實現(xiàn)能耗遠(yuǎn)程分析，讓能源管理不再受地域和時間的限制。

5 結(jié)束語

本文在明確智能用電小區(qū)建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上提出了智能用電小區(qū)的綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)架構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。研究成果已經(jīng)有了實際應(yīng)用的實例，為智能用電小區(qū)建設(shè)提供了重要參考，目前綜合應(yīng)用互動集成系統(tǒng)用于智能用電小區(qū)試點工程建設(shè)，在今后的研究中還需要對系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，一方面提升系統(tǒng)性能，另一方面加強智能用電服務(wù)系統(tǒng)與小區(qū)智能系統(tǒng)集成，實現(xiàn)互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)和信息共享。

[1]彭金華，舒少龍，林峰，等.家庭能耗管理系統(tǒng)研究綜述[J].電力需求側(cè)管理，2011，13(1):35 －38.

[2]古麗萍.國外智能電網(wǎng)發(fā)展概述[J].電力信息化，2010，8(8):29－32.

[3]張文亮，劉壯志，王明俊，等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(13):1 －11.

[4]國家電網(wǎng)公司.國外智能電網(wǎng)發(fā)展綜述[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2(1):4－8.

[5]中日共同可持續(xù)發(fā)展人才培養(yǎng)項目培訓(xùn)班.日本可持續(xù)發(fā)展政策與實踐[J].電力需求側(cè)管理，2012，14(1):2－5.

[6]鄧桂平，陳俊.智能用電小區(qū)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].湖北電力，2010，34(S1):73－75.

[7]李同智.靈活互動智能用電的技術(shù)內(nèi)涵及發(fā)展方向[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(2):11 －17.

[8]陳良亮，張浩，倪峰，等.電動汽車能源供給設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(14):11 －17.

[9]林弘宇，田世明.智能電網(wǎng)條件下的智能小區(qū)關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(12):1 －7.

[10]章鹿華，王思彤，易忠林，等.高級計量架構(gòu)(AMI)對智能電網(wǎng)下供用電關(guān)系的影響[J].電測與儀表，2011，48(5):33－36.

[11]雷煜卿，李建岐，侯寶素.面向智能電網(wǎng)的配用電通信網(wǎng)絡(luò)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(12):14 －19.

[12]田世明，徐仁武.高級量測體系關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電信科學(xué)，2010，55(53):96－101.

[13]夏葉，康重慶，寧波.用戶側(cè)互動模式下發(fā)用電一體化調(diào)度計劃[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(1):17－23.