智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)的應(yīng)用

傅益君，周 宏

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200063)

智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)的應(yīng)用

傅益君，周 宏

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200063)

傅益君(1960—)，女，研究員，從事建筑電氣方面的研究。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)用戶端的技術(shù)得到較快的發(fā)展。簡述了智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)的構(gòu)架，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例描述了智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)涉及的共性和關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了相關(guān)的能耗管理系統(tǒng)。指出智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)可以幫助用戶更加合理地利用能源，提高配電系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化管理水平。

智能電網(wǎng);用戶端管理系統(tǒng);能耗管理系統(tǒng);分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著電力工業(yè)和自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為推進(jìn)國家能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高新領(lǐng)域。智能電網(wǎng)的含義也早已突破輸配電范疇，從能源輸送解決方案層面跨越到電能的能效管理、新能源利用、低碳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)振興，進(jìn)而跨入國家發(fā)展戰(zhàn)略競(jìng)爭層面。電力系統(tǒng)用戶端是指用戶變配電設(shè)備受電的末端，主要有工礦企業(yè)、建筑樓宇、基礎(chǔ)設(shè)施等用戶。電網(wǎng)80%以上的電能是用戶端消耗的。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源消耗猛增，給節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)帶來巨大的壓力，迫切需要一種接入并有效利用新能源的方式。另外，電力市場(chǎng)運(yùn)行因素對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響也日益顯著。高峰時(shí)段用電負(fù)荷的猛增，造成了發(fā)電機(jī)組全年高空置率與巨額的建設(shè)維護(hù)投入之間的矛盾。如何讓用戶感受智能電網(wǎng)的成效和收益，已成為智能電網(wǎng)建設(shè)能否取得成效的關(guān)鍵之一。因此，世界各國都將用戶端系統(tǒng)建設(shè)列為首要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一。用戶端系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)多，如何突破關(guān)鍵技術(shù)、平衡電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差、完善智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)，從而形成用戶端整體解決方案已經(jīng)成為電力行業(yè)共同關(guān)心的問題。

1 智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概念

智能電網(wǎng)用戶端是電力系統(tǒng)的末端，通常包括電力公司計(jì)量電表出口以下，從電力變壓器到用電設(shè)備之間，對(duì)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)，涉及工礦企業(yè)、商用樓宇和居民住宅三大類用戶。

智能電網(wǎng)用戶端將先進(jìn)信息技術(shù)與傳統(tǒng)物理電網(wǎng)相結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電力系統(tǒng)的測(cè)量、控制、信號(hào)采集、故障分析、負(fù)荷控制和運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)配電管理的透明化，極大地提高配電系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化管理水平。智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)能提高電能質(zhì)量，減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和各種損耗，提高管理水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，從而使電網(wǎng)更加安全、高效與環(huán)保。該系統(tǒng)尤其適應(yīng)新能源的快速發(fā)展，達(dá)到刺激經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、節(jié)能減排、推動(dòng)綠色高效經(jīng)濟(jì)模式和生活方式的目標(biāo)。未來電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能和小型分布式可再生能源都將通過用戶端接入電網(wǎng)，在電力公司與用戶之間建立互動(dòng)，基于實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，采用市場(chǎng)方式引導(dǎo)用戶避開用電高峰，實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷，大幅提高發(fā)電和輸電設(shè)備的效率，減少碳排放。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)集成和融合了智能配電、智能表計(jì)、設(shè)備監(jiān)控、智能家居控制、儲(chǔ)能設(shè)備接入、分布式能源設(shè)備接入、汽車充電設(shè)備接入等方面的技術(shù)，能進(jìn)行低碳運(yùn)行、需量控制、需求響應(yīng)等管理，形成針對(duì)商用樓宇、工礦企業(yè)的智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)用戶端電網(wǎng)供配電和用電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在常規(guī)能源、風(fēng)電、太陽能等分布式能源接入電網(wǎng)時(shí)，用戶端能源管理系統(tǒng)對(duì)各種電能參數(shù)的實(shí)時(shí)傳感和計(jì)量，并結(jié)合可編程控制器、多協(xié)議的通信適配器形成多總線的系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的分析和管理，對(duì)電網(wǎng)能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控分析、評(píng)估和報(bào)表，得出能源消耗的變化趨勢(shì)以及波動(dòng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能耗異常情況。同時(shí)，系統(tǒng)可以和生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)能耗、班組能耗等多種分析數(shù)據(jù)，為企業(yè)制定生產(chǎn)計(jì)劃及成本核算提供數(shù)據(jù)支持，有效控制電網(wǎng)能源的損耗，使得電能計(jì)量與控制可以滲透進(jìn)各種工業(yè)通信控制系統(tǒng)中，為促進(jìn)能源管理系統(tǒng)的規(guī)范化應(yīng)用和市場(chǎng)化推廣提供有力的技術(shù)支撐。

智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)由智能監(jiān)測(cè)、智能調(diào)節(jié)、智能控制、智能保護(hù)四個(gè)模塊組成。采用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、電力自動(dòng)化技術(shù)和電力繼電保護(hù)技術(shù)，通過各種智能保護(hù)控制器及智能開關(guān)控制元件，采集各級(jí)配電裝置運(yùn)行狀態(tài)及各種電量數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)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。含有智能控制的設(shè)備還能自動(dòng)檢測(cè)、分析電網(wǎng)及用電設(shè)備的各種情況，并據(jù)此對(duì)有關(guān)負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)控制，包括對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備、可再生能源設(shè)備的控制，降低常規(guī)人工電力管理的強(qiáng)度，極大地提高配電系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化管理水平。

智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)主要由主控制系統(tǒng)及可接入的七個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)示意圖

2 智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

某食品藥品檢測(cè)技術(shù)中心工程項(xiàng)目由二棟主樓和地下室組成，主要以檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室和辦公室為主，由市政引入二路10 kV電源至地下室的10 kV配變電所，大樓配電系統(tǒng)和開關(guān)柜等設(shè)備均位于該配變電所內(nèi)。每路10 kV各帶一臺(tái)1 600 kVA和1 250 kVA變壓器。高壓系統(tǒng)采用單母線分段方式運(yùn)行。低壓系統(tǒng)采用母線分段運(yùn)行，母線之間設(shè)置低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

在配變電所內(nèi)設(shè)置智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)，監(jiān)控范圍包括配變電站內(nèi)的高低壓配電柜、直流屏、變壓器、分項(xiàng)用電干線上的樓層總開關(guān)及雙電源轉(zhuǎn)換控制器電參數(shù)檢測(cè)。在1F監(jiān)控室內(nèi)設(shè)置了管理系統(tǒng)顯示終端。管理系統(tǒng)以手動(dòng)控制為主，用戶端電能管理中心遠(yuǎn)程遙測(cè)、遙信，預(yù)留遙控、遙調(diào)的功能。智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)采用的設(shè)備均按照24 h連續(xù)運(yùn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)無故障運(yùn)行時(shí)間大于20 000 h。

2.2 系統(tǒng)組織架構(gòu)

在現(xiàn)場(chǎng)控制站中配置現(xiàn)場(chǎng)控制單元，包括可編程控制器(前置通信機(jī))和15英寸觸摸屏，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)視?，F(xiàn)場(chǎng)控制站中除10 kV高壓開關(guān)柜的綜合繼電保護(hù)直接采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信外，其余設(shè)備通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器由Modbus通信協(xié)議變成Modbus/TCP協(xié)議后，與可編程控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，再上傳至監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)。10 kV變電站現(xiàn)場(chǎng)控制單元配置如圖2所示。

圖2 10kV變電站現(xiàn)場(chǎng)控制單元配置

智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)采用分層、分布式結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、通信控制層和管理應(yīng)用層組成。

(1)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要由各種電力控制器及智能儀表組成，如智能化開關(guān)設(shè)備，包括帶智能化脫扣器或保護(hù)裝置的斷路器及電動(dòng)機(jī)變頻控制器、電力變壓器監(jiān)測(cè)裝置、智能照明控制器等，通過互感器或直接與監(jiān)控設(shè)備相連，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量和采集，通過現(xiàn)場(chǎng)總線方式與通信控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

(2)通信控制層通過通信網(wǎng)關(guān)、串口服務(wù)器、交換機(jī)、通信適配器等遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端(RTU)設(shè)備，在監(jiān)控系統(tǒng)中完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與整個(gè)系統(tǒng)的通信。智能化的RTU還可用于存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行計(jì)算、分析配電網(wǎng)的性能以及監(jiān)控電能質(zhì)量等。

(3)管理應(yīng)用層主要對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端通過網(wǎng)絡(luò)上傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算處理、保存，并根據(jù)用戶需要生成各類報(bào)表。同時(shí)監(jiān)控站還能根據(jù)授權(quán)處理操作人員的請(qǐng)求，并預(yù)留遠(yuǎn)程起?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能。

智能電網(wǎng)用戶端管理控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)設(shè)備組成

2.3.1 設(shè)備選型

該工程選用PMAC720系列表計(jì)，變頻器選用ACS510系列控制器，ATS雙電源轉(zhuǎn)換選用D型系列控制器，功率因數(shù)控制器選用NRC系列控制器，智能火災(zāi)剩余電報(bào)警器選用PMAC503系列控制器，變電所電力監(jiān)控裝置選用REF615系列。

這些儀表和控制器均采用Modbus通信協(xié)議，即現(xiàn)場(chǎng)控制單元與通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間采用Modbus/TCP協(xié)議，RJ-45接口。在RS-485(或RS-232C)回路控制器和其他RS-485串行通信回路中設(shè)備的通信規(guī)則遵照主/從方式。在這種方式下，信息和數(shù)據(jù)在單個(gè)主站及最多32個(gè)從站(監(jiān)控設(shè)備)之間傳遞。

主機(jī)設(shè)備組成如表1所示。

圖3 智能電網(wǎng)用戶端管理控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

表1 主機(jī)設(shè)備組成

2.3.2 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控

智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)主要對(duì)10 kV開關(guān)柜、直流屏、變壓器溫度測(cè)量、低壓配電柜、ATS雙電源轉(zhuǎn)換控制器、功率因數(shù)控制器、變頻控制器、火災(zāi)剩余電流報(bào)警器等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

上述設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場(chǎng)控制保護(hù)單元采集的保護(hù)動(dòng)作、測(cè)量、報(bào)警等信號(hào)，以及斷路器分/合閘狀態(tài)信號(hào)、斷路器總故障信號(hào)、控制保護(hù)單元裝置故障信號(hào)和低配部分有關(guān)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)有效性檢查、工程系數(shù)轉(zhuǎn)換等，檢出事件、故障和狀態(tài)的變位信號(hào)以及模擬量正常及越限復(fù)位信息等，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其他功能提供必需的運(yùn)行信息。數(shù)據(jù)庫能對(duì)采集的信息進(jìn)行必要的處理，并實(shí)時(shí)更新其數(shù)據(jù)庫。經(jīng)處理后的全部信息分類存儲(chǔ)，便于檢索，同時(shí)可根據(jù)運(yùn)行需要進(jìn)行擴(kuò)充和修改。

(1)10 kV變電所高低壓柜監(jiān)控內(nèi)容。每臺(tái)10 kV開關(guān)柜配有1臺(tái)智能式綜合繼電保護(hù)裝置，綜合繼電保護(hù)裝置與協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間采用Modbus協(xié)議、RS-485接口，并預(yù)留軟件接口，用于對(duì)相關(guān)開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)場(chǎng)控制單元與通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間采用Modbus/TCP協(xié)議、RJ-45接口。I/O信息點(diǎn)參數(shù)通過小型PLC，再經(jīng)過以太網(wǎng)接入智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)。10 kV的I/O信息點(diǎn)如下:10 kV進(jìn)線柜，包括手車工作位置、跳閘回路斷線、預(yù)告警總信號(hào)(含彈簧未儲(chǔ)能);10 kV壓變避雷器柜，包括PT回路斷線、電壓(三相)、分閘/合閘;10 kV饋線柜，包括本柜手車工作位置、跳閘回路斷線、預(yù)告警總信號(hào)(含彈簧未儲(chǔ)能)、事故跳閘總信號(hào)、就地/遙控、分閘/合閘。

除上述信息點(diǎn)外，其余信號(hào)均通過智能儀表經(jīng)RS-485接入，如直流屏監(jiān)測(cè)內(nèi)容:交流輸入三相電壓/電流、直流輸出電壓/電流、電池充電系統(tǒng)故障報(bào)警、整流單元過電壓報(bào)警信號(hào)、整流單元欠壓報(bào)警信號(hào)、整流單元缺相報(bào)警信號(hào)、整流單元過流報(bào)警信號(hào);低壓進(jìn)線柜監(jiān)控內(nèi)容:三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、、功率因數(shù)、3次及以上諧波電壓、開關(guān)狀態(tài)、故障信號(hào)、開關(guān)控制;低壓饋線柜監(jiān)控內(nèi)容:三相電流、電能、開關(guān)狀態(tài)、故障信號(hào)、400 A及以上塑殼斷路器和萬能式斷路器開關(guān)控制。

(2)變壓器監(jiān)測(cè)內(nèi)容。通過變壓器溫控器的通信接口采集變壓器三相繞組的溫度值、超溫報(bào)警信號(hào)、超溫跳閘信號(hào)、風(fēng)機(jī)開/關(guān)狀態(tài)、風(fēng)機(jī)故障信號(hào)、溫度傳感器斷線報(bào)警信號(hào)。

(3)電容補(bǔ)償柜監(jiān)測(cè)內(nèi)容。通過功率因數(shù)補(bǔ)償控制器的通信接口采集三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率。

(4)樓層分類總配電箱的監(jiān)控內(nèi)容。包括單相及三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、諧波分量等。

(5)雙電源自投切配電箱監(jiān)控內(nèi)容。通過ATS通信接口采集電源Ⅰ、電源Ⅱ的開關(guān)狀態(tài)及欠壓、過壓、斷相、脫扣、過流、(欠壓、過壓、過流)閾值，并可遙控開關(guān)進(jìn)行投切。

(6)變頻空調(diào)、變頻排風(fēng)機(jī)的監(jiān)控內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)室采用全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)有大量變頻空調(diào)器和變頻排風(fēng)機(jī)，因此通過智能變頻控制器的通信接口，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，采集變頻器輸出頻率、電流、轉(zhuǎn)矩、功率、輸出電壓、速度等參數(shù)。

(7)智能剩余電流火災(zāi)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。智能剩余電流火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各級(jí)配電線路故障產(chǎn)生的剩余電流及各級(jí)配電箱內(nèi)的運(yùn)行溫度狀態(tài)，是一個(gè)完整的系統(tǒng)。剩余電流火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)通過智能儀表經(jīng)RS-485接入智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)，遇有報(bào)警信號(hào)可在系統(tǒng)顯示屏上彈出報(bào)警畫面和地址，以便管理者及時(shí)處理故障，并將采集到的數(shù)據(jù)制成表格，發(fā)送給管理系統(tǒng)。

(8)智能照明控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。智能照明控制系統(tǒng)采用KNX/EIB總線，是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成Modbus協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)控制單元與通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間采用Modbus/TCP協(xié)議，RJ-45接口，可監(jiān)視智能照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3.3 能耗分析與管理

能耗分析與管理模型用于系統(tǒng)管理和展示，可以幫助使用者和管理者快速了解大樓主要用能系統(tǒng)(包括配電系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng))的原理和運(yùn)行方式，實(shí)時(shí)掌握用電、用水以及能效信息，以幫助管理者進(jìn)行系統(tǒng)跟蹤和優(yōu)化運(yùn)行。

能耗模型可反映企業(yè)主要能耗系統(tǒng)運(yùn)行原理及關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，支持系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢。通過建立建筑內(nèi)各種用能(電能)的性能指標(biāo)，幫助管理者及時(shí)、直觀地了解能效情況，以便做出各種應(yīng)對(duì)措施。

系統(tǒng)可生成日、月、年負(fù)荷曲線圖，同時(shí)可生成月、年分項(xiàng)負(fù)荷曲線及餅圖。通過能耗分析與管理系統(tǒng)運(yùn)算分析，及時(shí)調(diào)整應(yīng)對(duì)措施，通過用電的削峰填谷，平衡電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差。

當(dāng)日用電負(fù)荷曲線圖如圖4所示。

圖4 當(dāng)日用電負(fù)荷曲線圖

分項(xiàng)用電負(fù)荷餅圖如圖5所示。

圖5 分項(xiàng)用電負(fù)荷餅圖

能耗分析趨勢(shì)圖如圖6所示。

圖6 能耗分析趨勢(shì)圖

3 結(jié)語

作為電氣設(shè)計(jì)人員，既要為業(yè)主考慮今后發(fā)展的用電裕量，又要避免因變壓器容量取值偏大帶來的變壓器空載損耗大、占用電網(wǎng)資源大等一系列問題。采用智能電網(wǎng)用戶端管理系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析與管理，可以幫助用戶更加合理地利用能源，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。

［1］許曉慧.智能電網(wǎng)導(dǎo)論［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［2］周湘梅，劉立波.能源管理體系的建立與運(yùn)行［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Application of Client Management System in Smart Grid

FU Yijun，ZHOU Hong
(China Shipbuilding NDRI Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China)

With the rapid development of economy in our country，the client technology is growing rapidly.This paper elaborated the framework of client system.As an example of engineering design，the common and key technologies were described，and the related energy management system was introduced.It is pointed out that the client management system can help users to reasonably use the energy，and improve the security，reliability and intelligent management level of power distribution system.

smart grid;client management system;energy consumption management system;distributed network structure

TU 852

B

1674-8417(2015)11-0023-06

2015－10－20

周宏(1956—)，男，研究員，從事建筑電氣設(shè)計(jì)。