基于電力物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)

俞佳濤，張 梁，李海峰，陳智偉，周廷冬，盧光陽(yáng)

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 紹興供電公司，浙江 紹興 312099；2.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車的興起，用電量劇增，這對(duì)現(xiàn)有街區(qū)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。若是通過(guò)簡(jiǎn)單的拓展線路、增設(shè)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，必將產(chǎn)生巨大的實(shí)施成本，并且后期的運(yùn)營(yíng)成本也將提高。在社會(huì)高速發(fā)展的推動(dòng)下，可再生能源、分布式電源、電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能等新興需求改變了原有的電網(wǎng)形態(tài)[1]。

近些年，許多學(xué)者聚焦于應(yīng)用電力物聯(lián)網(wǎng)的能源系統(tǒng)的研究，也提出了很多相當(dāng)寶貴的意見(jiàn)。文獻(xiàn)[2]從戰(zhàn)略管理層面出發(fā)，提出了電力物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式；文獻(xiàn)[3]深入探討了電力物聯(lián)網(wǎng)的一些關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[4]則在電力物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的典型應(yīng)用場(chǎng)景上進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[5-6]提出利用可再生能源和電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)型。

現(xiàn)有的電力物聯(lián)網(wǎng)社區(qū)能源系統(tǒng)方案在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)社區(qū)電力系統(tǒng)的智能化管理，但是在技術(shù)上依然存在著以下不足之處：第一，未考慮到未來(lái)社區(qū)的電網(wǎng)負(fù)載問(wèn)題，沒(méi)有考慮到電動(dòng)汽車的充電需求對(duì)電網(wǎng)的影響；第二，不能實(shí)現(xiàn)小區(qū)光伏系統(tǒng)的就地管理，小區(qū)的屋頂光伏系統(tǒng)不能就地消化，造成了小區(qū)光伏電的傳輸損耗；第三，小區(qū)電力系統(tǒng)的故障檢測(cè)依賴于用戶的反饋，不能做到防患于未然。

為解決現(xiàn)在技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本文提出一種兼顧了未來(lái)社區(qū)電動(dòng)汽車的充電需求、未來(lái)小區(qū)屋頂光伏系統(tǒng)的管理需求、社區(qū)原電力設(shè)備的智能化需求方案，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)電力荷載動(dòng)態(tài)分配，屋頂光伏系統(tǒng)就近利用，電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)概念及基本特征

在人類文明的發(fā)展過(guò)程中，誕生了許多推動(dòng)社會(huì)前進(jìn)的人工系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中電力系統(tǒng)有著極其重要的地位，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電網(wǎng)在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上的要求越來(lái)越高，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行智能化的升級(jí)已成為全球共識(shí)[7]。

1.1 電力物聯(lián)網(wǎng)概念

電力物聯(lián)網(wǎng)是一種智慧服務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的智能交互，具有狀態(tài)感知、高效便捷的特征[8]。電力物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)“大云物移智”和邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈等先進(jìn)技術(shù)，將所有與電網(wǎng)相關(guān)的人、事和設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)“數(shù)據(jù)一個(gè)源、電網(wǎng)一張圖、業(yè)務(wù)一條線”推動(dòng)數(shù)據(jù)共享融通、業(yè)務(wù)全面貫通[8]。同時(shí)，對(duì)外廣泛連接多樣服務(wù)，延伸業(yè)務(wù)范圍，拓展服務(wù)對(duì)象，創(chuàng)新商業(yè)模式，積極培育和發(fā)展新興業(yè)態(tài)[8]。

1.2 電力物聯(lián)網(wǎng)基本特征

電力物聯(lián)網(wǎng)將電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)體與互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)多種能源系統(tǒng)在物理、時(shí)空、商業(yè)三個(gè)不同維度的有機(jī)融合。電力物聯(lián)網(wǎng)主要具備以下4個(gè)特征，分別為：全息感知、泛在連接、開(kāi)放共享、融合創(chuàng)新。全息感知是指對(duì)物品信息進(jìn)行識(shí)別，動(dòng)態(tài)獲取用戶的信息；泛在連接將電力系統(tǒng)中所有設(shè)備、用戶的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行連接；開(kāi)放共享指在統(tǒng)一平臺(tái)上利用智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和管理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，挖掘有效信息；融合創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行并且促進(jìn)了電力改革[9-10]。

2 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)總體架構(gòu)和功能體系

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)是未來(lái)社區(qū)的組成單元之一，其聚焦人本化、生態(tài)化、數(shù)字化三維價(jià)值坐標(biāo)，以滿足人們美好生活向往為目標(biāo)，結(jié)合前沿的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綠色低碳、智能便捷的社區(qū)建設(shè)。電力物聯(lián)網(wǎng)社區(qū)能源系統(tǒng)主要由4部分功能組成，分別為：智能表箱系統(tǒng)、屋頂光伏系統(tǒng)、智能充電樁系統(tǒng)、智能配電運(yùn)檢系統(tǒng)。同時(shí)，各個(gè)用能設(shè)備互聯(lián)互通，通過(guò)“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總，圖1為智慧社區(qū)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，智能表箱系統(tǒng)暫未接入“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP，這里采用一個(gè)獨(dú)立的APP進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 智能表箱系統(tǒng)

表箱安裝智能防火裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表計(jì)線纜與表箱空間溫度，溫度超過(guò)閾值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)推送報(bào)警。當(dāng)溫度激增導(dǎo)致火情瞬時(shí)突發(fā)時(shí)，裝置能自動(dòng)啟動(dòng)滅火程序進(jìn)行滅火，防止火勢(shì)擴(kuò)大，保障社區(qū)用電安全。

2.2 智能光伏系統(tǒng)

社區(qū)屋頂光伏系統(tǒng)主要為社區(qū)提供電能、儲(chǔ)備電能、就地使用電能。屋頂光伏系統(tǒng)包括設(shè)置于屋頂?shù)墓夥l(fā)電單元、社區(qū)光伏發(fā)電站站房。社區(qū)光伏發(fā)電站站房?jī)?nèi)設(shè)置有光伏發(fā)電管理系統(tǒng)及儲(chǔ)能設(shè)備。社區(qū)內(nèi)光伏就地消納功率與接入的變配電設(shè)備損耗相近，可基于設(shè)備損耗對(duì)分布式能源實(shí)現(xiàn)就地消納，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損社區(qū)建設(shè)，集供、儲(chǔ)、用電為一體。

2.3 智能充電樁系統(tǒng)

智能充電樁系統(tǒng)的功能是為社區(qū)的電動(dòng)汽車提供快充以及共享數(shù)據(jù)給車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。智能充電樁系統(tǒng)包括若干個(gè)充電樁和充電樁管理系統(tǒng)，充電樁的電力電路與社區(qū)公共電站內(nèi)的功率控制設(shè)備連通，充電樁管理系統(tǒng)分別與車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP通信連接?！熬W(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP可為電動(dòng)汽車主提供汽車充電線上服務(wù)，助力構(gòu)建未來(lái)交通出行圈。

2.4 智能配電運(yùn)檢系統(tǒng)

智能配電運(yùn)檢系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)社區(qū)用戶的多元化電力綜合服務(wù)及監(jiān)控社區(qū)電力系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備及負(fù)載情況，預(yù)測(cè)設(shè)備故障的可能性，將高危設(shè)備預(yù)警發(fā)送給運(yùn)檢人員。用戶通過(guò)手機(jī)APP可實(shí)現(xiàn)通電、交費(fèi)、辦電、能源服務(wù)等業(yè)務(wù)“一網(wǎng)通辦”。

3 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

智慧社區(qū)能源系統(tǒng)各個(gè)部分的系統(tǒng)功能主要通過(guò)表箱防控技術(shù)、光伏新能源技術(shù)、智能充電樁技術(shù)以及“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP實(shí)現(xiàn)。表箱防控技術(shù)通過(guò)溫度報(bào)警以及火災(zāi)滅火達(dá)到維護(hù)社區(qū)用電安全的目的；光伏新能源技術(shù)通過(guò)屋頂?shù)奶?yáng)能硅板實(shí)現(xiàn)了社區(qū)電能就地消納；智能充電樁技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，將數(shù)據(jù)接入車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了住戶的便捷出行。

3.1 表箱防控技術(shù)

表箱集成了智能溫控與自動(dòng)滅火系統(tǒng)。如圖2所示為智能表箱智能溫控與自動(dòng)滅火系統(tǒng)框圖。當(dāng)溫感線束或紅外測(cè)溫模塊監(jiān)測(cè)到溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的安全溫度范圍上限時(shí)，防火控制器會(huì)通過(guò)電力物聯(lián)網(wǎng)向APP發(fā)送設(shè)備溫度異常預(yù)警，等待用戶發(fā)出指令控制斷路器切斷箱體節(jié)點(diǎn)總閘，并打開(kāi)電控氦氣釋放閥門釋放氦氣以及打開(kāi)電控排氣閥門排出空氣，對(duì)表箱內(nèi)部進(jìn)行阻燃。

圖2 智能表箱智能溫控與自動(dòng)滅火系統(tǒng)框圖

溫度傳感器為表箱溫控功能的核心器件之一，本文采用德國(guó)賀力士鍍鉑鎳線高精度的PT100溫度傳感器，該傳感器能夠在-50～200 ℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期工作。自動(dòng)滅火裝置采用一種新型氣溶膠自動(dòng)滅火裝置，自動(dòng)滅火裝置的溫感線束可以探測(cè)線束路徑上的環(huán)境溫度。當(dāng)線束感應(yīng)溫度達(dá)到或超過(guò)160 ℃時(shí)，線束觸發(fā)滅火裝置自動(dòng)噴發(fā)出氮?dú)?、二氧化碳等惰性氣體，實(shí)現(xiàn)相對(duì)封閉空間內(nèi)的自動(dòng)滅火。

表箱內(nèi)安裝了數(shù)據(jù)傳輸終端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和傳輸，可以將溫度傳感器獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云，同時(shí)對(duì)自動(dòng)滅火裝置的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)自動(dòng)滅火裝置觸發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸終端會(huì)第一時(shí)間進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云發(fā)送到管理員手機(jī)上。

3.2 智能充電樁技術(shù)

充電樁按照新國(guó)標(biāo)下電動(dòng)汽車充電接口及通信協(xié)議設(shè)計(jì)，具有通用性。充電接頭采用上出線口的設(shè)計(jì)，可節(jié)省操作者體力；充電樁內(nèi)部強(qiáng)電和弱電進(jìn)行了隔離保護(hù)，避免因?yàn)閮?nèi)部短路造成充電樁短路或者人體觸電，提高了安全性。此外，充電樁整體進(jìn)行了防水設(shè)計(jì)，達(dá)到了IP65級(jí)別的防護(hù)。

3.3 光伏新能源技術(shù)

光伏能源技術(shù)基于光伏效應(yīng)將太陽(yáng)輻射的能量轉(zhuǎn)換為電能，利用開(kāi)關(guān)站和配電房屋頂，建設(shè)光伏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能就地消納。光伏發(fā)電的清潔能源抵消住宅小區(qū)變配電設(shè)備的損耗，打造無(wú)損、綠色社區(qū)。太陽(yáng)能利用采用單晶硅太陽(yáng)能電池板，采用并網(wǎng)型設(shè)計(jì)，與公共電網(wǎng)相連，采用并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。為了減少逆變損失，采用組串逆變方式進(jìn)行逆變，使用多臺(tái)并網(wǎng)逆變器，能夠非常好地應(yīng)對(duì)社區(qū)電網(wǎng)的相位和電壓波動(dòng)。

3.4 “網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP

“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP是國(guó)家電網(wǎng)公司的官方線上服務(wù)入口，主要具備5大功能：住宅、電動(dòng)車、店鋪、企事業(yè)、新能源。因此，“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP能提供多個(gè)不同場(chǎng)景下用戶的電力服務(wù)，滿足用戶的個(gè)性化需求。同時(shí)，電力運(yùn)營(yíng)方可以構(gòu)建客戶側(cè)信息的全景展示平臺(tái)，依據(jù)“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP采集的用戶用電信息，對(duì)用戶用電行為特性、能源消費(fèi)習(xí)慣開(kāi)展分析，為客戶提供優(yōu)化用電建議等服務(wù)。后臺(tái)根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析，掌握社區(qū)群體的用電習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)社區(qū)電力的“削峰補(bǔ)谷”，避免增設(shè)電力設(shè)備。圖3為“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP功能界面。

圖3 “網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP功能界面

4 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

該系統(tǒng)在紹興濱海新區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，完成了智能光伏系統(tǒng)、智能充電樁系統(tǒng)、智能表箱防控系統(tǒng)的建設(shè)，并通過(guò)網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)APP匯總數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)智能社區(qū)。

4.1 智能充電樁實(shí)際應(yīng)用

在已初步建成的社區(qū)交流充電樁系統(tǒng)中，共有7 kW交流充電樁10個(gè)，投運(yùn)后，未來(lái)每年可節(jié)省石油約6.3萬(wàn)升。借助“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”APP，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將充電樁運(yùn)行信息接入省電動(dòng)汽車公司車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為小區(qū)電動(dòng)汽車車主提供智能找樁、智慧充電、共享停車等一站式多元化智慧有序充電的“新平臺(tái)”。如圖4所示為安裝完成的小區(qū)交流充電樁系統(tǒng)。

圖4 安裝完成的小區(qū)交流充電

4.2 表箱滅火裝置實(shí)際應(yīng)用

表箱滅火防火裝置在試點(diǎn)小區(qū)覆蓋率達(dá)到100%，直接受益居民2 000余人，該設(shè)備可實(shí)時(shí)管控用戶側(cè)表箱溫度，運(yùn)維人員通過(guò)手機(jī)APP或查看監(jiān)控平臺(tái)即可了解實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。

當(dāng)表箱溫度激增或超過(guò)閥值引發(fā)明火時(shí)，智能防火裝置可快速動(dòng)作，在發(fā)送短信告警的同時(shí)釋放環(huán)保性類惰性氣體撲滅明火，將火災(zāi)隱患扼殺在萌芽狀態(tài)，為居民的用電安全和社會(huì)安全提供保障。圖5為安裝完成的小區(qū)表箱防火裝置。

圖5 安裝完成的小區(qū)表箱防火裝置

4.3 智能光伏系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

在試點(diǎn)小區(qū)3個(gè)公配房與1個(gè)開(kāi)關(guān)站屋頂完成了共16 kW光伏的安裝工作，投入運(yùn)行后，預(yù)計(jì)每年可減少標(biāo)準(zhǔn)煤17.23 t，是無(wú)損社區(qū)、綠色社區(qū)的“新領(lǐng)地”。圖6為安裝完成的小區(qū)智能光伏系統(tǒng)。

圖6 安裝完成的小區(qū)智能光伏系統(tǒng)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文智慧社區(qū)能源系統(tǒng)采用了光伏新能源的一體化建設(shè)，結(jié)合儲(chǔ)能及智能光伏控制技術(shù)，可以平滑后與市電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，不僅彌補(bǔ)了電網(wǎng)損耗，還增加了新能源利用率，提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。采用了基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的智能表箱，集成了智能溫控、報(bào)警與自動(dòng)滅火功能，提高了電網(wǎng)的安全效益。運(yùn)維數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)都接入物聯(lián)網(wǎng)云端，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)共享與運(yùn)維分析，實(shí)現(xiàn)了社區(qū)居民用電業(yè)務(wù)足不出戶“一網(wǎng)通辦”，并且整合了智能尋找空閑的電動(dòng)汽車充電樁等功能，提高了管理效率，極大方便了社區(qū)居民。雖然本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用尚處于起步階段，但卻有著十分廣闊的發(fā)展前景，市場(chǎng)潛力巨大。項(xiàng)目成果為浙江省政府首批的未來(lái)社區(qū)建設(shè)提供借鑒意義，通過(guò)不斷改進(jìn)和完善，后續(xù)可以在更多小區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。