電力需求側(cè)管理的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉民凱，邊 偉

（1.山西杉大科能自動化科技有限公司，山西 晉中 030610；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

發(fā)電技術(shù)及其他

電力需求側(cè)管理的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉民凱1，邊 偉2

（1.山西杉大科能自動化科技有限公司，山西 晉中 030610；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

針對非線性設(shè)備及電力電子設(shè)備投入較多、現(xiàn)場母線諧波含量高的電力用戶，較低的電能質(zhì)量常常影響到產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至危害設(shè)備運(yùn)行安全，發(fā)生安全事故。因此，設(shè)計完成了電力需求側(cè)管理系統(tǒng)的光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了對企業(yè)設(shè)備的電能系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時采集監(jiān)測，實(shí)施了需求側(cè)管理，對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析和計算，找出設(shè)備最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，指導(dǎo)設(shè)備的高效運(yùn)行。最后，通過在企業(yè)的電力需求側(cè)管理系統(tǒng)平臺實(shí)際運(yùn)行與應(yīng)用，提高了用戶的電能質(zhì)量監(jiān)管能力和處置能力，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)了可觀的節(jié)電效益。

電力需求側(cè)管理；諧波；電能質(zhì)量；節(jié)能

在鋼鐵、鑄造等熱加工行業(yè)中，AC-DC-AC變流設(shè)備投入較多，現(xiàn)場電源母線波動大，諧波含量高，電能質(zhì)量問題十分突出。再加之熱加工過程中，溫度的變化會直接影響到產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量，因此，良好的電源電壓穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

電能質(zhì)量在線分析系統(tǒng)是電力需求側(cè)管理的重要內(nèi)容之一，電能質(zhì)量高低直接關(guān)系到用電設(shè)備的能耗和效率，所以電能質(zhì)量在線分析系統(tǒng)實(shí)時進(jìn)行有功、無功、功率因數(shù)及電壓電流諧波的在線分析，為無功補(bǔ)償和諧波治理提供數(shù)據(jù)，指導(dǎo)設(shè)計治理方案。

1 電力需求側(cè)管理系統(tǒng)工作原理

電 力 需 求 側(cè) 管 理 DSM（demandside management） 系統(tǒng)由DSM數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、系統(tǒng)外觀層和用戶界面層組成，典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，各部分功能如下。

1.1 DSM數(shù)據(jù)層

由現(xiàn)場設(shè)備獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過分析計算后直接存入DSM的數(shù)據(jù)庫中。

DSM的數(shù)據(jù)庫分為兩部分：實(shí)時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實(shí)時數(shù)據(jù)庫主要存儲變化頻率比較高的現(xiàn)場設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫主要存儲變化頻率比較低的現(xiàn)場設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層將對原始數(shù)據(jù)（DSM數(shù)據(jù)庫）進(jìn)行操作，為業(yè)務(wù)邏輯層或表示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

為更好地滿足用戶的需求，數(shù)據(jù)訪問層通過經(jīng)典設(shè)計模式對不同的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)編程，以滿足對不同主流數(shù)據(jù)庫的支持（例如：SQLServer、Oracle等）。

1.3 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層的關(guān)注點(diǎn)主要集中在業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)等與業(yè)務(wù)需求有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計。業(yè)務(wù)邏輯層在體系架構(gòu)中的位置非常關(guān)鍵，它扮演了兩個不同的角色：對于數(shù)據(jù)訪問層而言，它是調(diào)用者；對于表示層而言，它又是被調(diào)用者。依賴與被依賴的關(guān)系都集中在業(yè)務(wù)邏輯層上，對這些依賴關(guān)系的解耦將十分重要。

1.4 業(yè)務(wù)外觀層

業(yè)務(wù)外觀層是系統(tǒng)不同模塊之間的調(diào)用接口。一個系統(tǒng)通常會包含很多模塊，這些模塊相對獨(dú)立，又可以互相調(diào)用。為了減少各個不同部分之間的耦合度，必須采用一定的設(shè)計方法，外觀模式就是非常有效的一種，也是業(yè)務(wù)外觀層的基礎(chǔ)。

1.5 用戶界面層

用戶界面層作為客戶端，是將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶或處理用戶輸入的應(yīng)用程序。基于Web的情況下，其主要作為企業(yè)Web服務(wù)器的瀏覽器。

圖1 DSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能概述

2.1 業(yè)務(wù)及信息流圖

系統(tǒng)主要的功能信息流原理如圖2所示。其中，實(shí)時監(jiān)控模塊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集后，依據(jù)數(shù)據(jù)處理、成本分析、能耗分析、對標(biāo)管理、考核管理等軟件模塊，幫助用戶實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的科學(xué)管理和節(jié)能降耗，達(dá)到企業(yè)用電精細(xì)化管理的目的。

圖2 業(yè)務(wù)及信息流圖

2.2 實(shí)時監(jiān)控模塊

系統(tǒng)為企業(yè)操作人員提供圖形化的應(yīng)用界面，將生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)監(jiān)測到的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)通過曲線圖、折線圖進(jìn)行多元化展示同時以動態(tài)畫面加以呈現(xiàn)；對生產(chǎn)作業(yè)全過程進(jìn)行全方位跟蹤、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程圖動態(tài)再現(xiàn)，對設(shè)備事故停機(jī)進(jìn)行定量分析，能夠快速找出事故發(fā)生原因和故障位置，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，為設(shè)備維護(hù)提供有力的幫助，大大提高了企業(yè)的監(jiān)管效率。

3 電力需求側(cè)管理系統(tǒng)裝置

電力需求側(cè)管理分析平臺，主要用于現(xiàn)場電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的統(tǒng)一管理以及數(shù)據(jù)的能效分析和電能質(zhì)量分析、管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器是采用光纖通訊的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)關(guān)鍵設(shè)備，其對諧波、有功、無功在內(nèi)的全部電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時在線采集監(jiān)控，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娏π枨髠?cè)管理后臺系統(tǒng)。

4 電力需求側(cè)管理系統(tǒng)功能及優(yōu)勢

4.1 基礎(chǔ)電能數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計

采用現(xiàn)場光纖總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備在線監(jiān)控，通過光纖接口電能信息數(shù)據(jù)采集終端，保證數(shù)據(jù)通訊速率、數(shù)據(jù)安全、和具備良好的抗干擾性能。

4.2 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)對比

通過電能信息采集系統(tǒng)采集回來數(shù)據(jù)，后臺人員可以根據(jù)其生成的數(shù)據(jù)表和曲線等對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析和計算，分析出現(xiàn)的問題，提出解決辦法或改善措施。運(yùn)用數(shù)據(jù)找出設(shè)備最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，指導(dǎo)設(shè)備高效運(yùn)行。

4.3 設(shè)備優(yōu)化配置后取得的節(jié)能效果

依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，改變原箱變的2套無功補(bǔ)償?shù)呐浔热萘亢徒泳€方式，使功率因數(shù)提升，即，滿足設(shè)備高效運(yùn)行。

4.4 減少設(shè)備損耗

在優(yōu)化功率因數(shù)的同時，由于更改了接線配置，箱變的運(yùn)行損耗得到了約3%的抑制，提升了箱變帶載能力。

4.5 保證設(shè)備安全

由于部分變壓器承擔(dān)的是較大的負(fù)荷，因此設(shè)備優(yōu)化后減少了運(yùn)行電流，箱變運(yùn)行溫度也隨之降低，有利于設(shè)備安全運(yùn)行和節(jié)能。

4.6 智能動態(tài)調(diào)節(jié)

本裝置可使2組無功補(bǔ)償設(shè)備根據(jù)數(shù)據(jù)指令動態(tài)投切，改變原先的人工投切方式，實(shí)現(xiàn)電能信息化管理，取消人工抄表，提升系統(tǒng)的自動化運(yùn)行水平。

4.7 自動故障報警及設(shè)備健康狀態(tài)評估

本裝置可實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓、過載等設(shè)備信號報警，指導(dǎo)生產(chǎn)過程用電安全。對設(shè)備效率，電力諧波進(jìn)行評估，檢測設(shè)備健康情況。

4.8 綜合提升電力節(jié)能空間

通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合運(yùn)用無功補(bǔ)償、諧波治理等技術(shù)手段達(dá)到節(jié)能目的。

5 電力需求側(cè)管理系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例分析

本電力需求側(cè)管理系統(tǒng)已在山西華翔集團(tuán)有限公司進(jìn)行了運(yùn)行測試。山西華翔集團(tuán)有限公司是鑄造與機(jī)加工企業(yè)，由于電加熱生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量諧波，電能質(zhì)量比較低，嚴(yán)重影響了電能使用效率和用電安全。通過實(shí)施電力需求側(cè)管理，對電能進(jìn)行全天候不間斷實(shí)時監(jiān)測，統(tǒng)計分析用電設(shè)備的日用電規(guī)律和月用電規(guī)律，優(yōu)化運(yùn)行方案，診斷電能質(zhì)量問題，深度分析生產(chǎn)過程能耗，發(fā)現(xiàn)能源浪費(fèi)問題和電能質(zhì)量問題，指導(dǎo)生產(chǎn)節(jié)電及設(shè)備升級改造，進(jìn)行諧波治理及無功補(bǔ)償。系統(tǒng)向用戶提供了以下分析數(shù)據(jù)。

5.1 綜合歷史曲線

綜合歷史曲線部分界面如圖3所示，綜合分析了電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)等歷史曲線，對設(shè)備運(yùn)行的歷史情況進(jìn)行綜合對比和分析，以利于了解設(shè)備運(yùn)行情況。

圖3 綜合歷史曲線

5.2 電壓、電流諧波畸變率

電壓、電流畸變分析界面部分截圖如圖4所示。頁面中詳細(xì)列寫了現(xiàn)場所有測量設(shè)備的位置、名稱、設(shè)備號以及各相電壓電流的畸變值，用戶可以從中得到詳細(xì)的畸變信息。

圖4 電流畸變率

通過對電壓、電流不低于25次諧波的分析，可以有效計算和確定諧波污染源的位置和特征，從而為消除諧波提供數(shù)據(jù)支持。諧波分析部分界面如圖5所示。

5.3 功率因數(shù)統(tǒng)計分析

功率因數(shù)分析界面如圖6所示。通過統(tǒng)計功率因數(shù)，指導(dǎo)無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行方式的優(yōu)化。

5.4 總廠以及設(shè)備能耗分析

總廠能耗對比分析界面如圖7所示。電力需求側(cè)管理對各分車間或設(shè)備進(jìn)行能耗對比分析，也可以對車間設(shè)備等進(jìn)行能耗分析。

圖5 A相諧波分析界面

圖6 功率因數(shù)統(tǒng)計分析

圖7 總廠能耗對比分析

6 結(jié)論

通過采用電力需求側(cè)管理系統(tǒng)，提高了終端用電效率和改變了用戶的用電方式，起到節(jié)能的作用。例如，利用時間控制器和需求限制器等自控裝置、增添低谷或季節(jié)性用電設(shè)備、在電網(wǎng)日負(fù)荷低谷時段投入電氣蓄能裝置進(jìn)行填谷和采用蓄冷蓄熱技術(shù)、采用高效的設(shè)備控制方法等，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的間歇和循環(huán)控制，令設(shè)備在電網(wǎng)錯峰運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

[1] 曾鳴.電力需求側(cè)管理 [M].北京：中國電力出版社,2001.

[2] 曾慶禹.需求側(cè)參與的電力批發(fā)市場定價機(jī)制 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28 (17):6-10.

[3] 顧承陽.智能電網(wǎng)下電力需求側(cè)管理應(yīng)用研究 [D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

The Design and Application of Power Demand Side Management System

LIU Minkai1,BIAN Wei2
（1.Shanxi Shanda Keneng Automation Technology Co.,Ltd.,Jinzhong,Shanxi030610,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China）

For those electric power users whose non-linear equipment and electric power and electronic equipment are connected much into,lower power quality often affects the precision and quality of products,and even endangers the safe operation of equipment. Therefore,fiber optic data acquisition system is designed for power demand side management(DSM)system,so that real-time data acquisition and monitoring of power quality system in those enterprises could be realized.The power energy data are compared and analyzed soas tohave identified the optimal operation parameters ofthe equipment.Finally,through the test ofthe management system,the power quality supervision and disposal capacity for power users are improved,and considerable energy-saving effect is realized for enterprises.

power demand side management;harmonics;power quality;energy-saving

TM73

B

1671-0320（2017）04-0053-04

2017-05-03，

2017-05-19

劉民凱（1989），男，云南曲靖人，2011年畢業(yè)于山西大學(xué)電廠設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)專業(yè)，工程師，從事電力節(jié)能設(shè)備研發(fā)工作;

邊 偉（1980），男，山西忻州人，2005年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行工作。