智能电网用户端能源管理系统关键技术与应用

核心提示：智能电网是当前国际国内新技术和新产业发展热点。国家电网公司正在建设全国统一的坚强智能电网，其基本特征是电力系统的运营实现信息化、自动化、互动化和市场化，真正实现电能的高效利用。１　智能电网用户端涵义
智能电网是当前国际国内新技术和新产业发展热点。国家电网公司正在建设全国统一的坚强智能电网，其基本特征是电力系统的运营实现信息化、自动化、互动化和市场化，真正实现电能的高效利用。
根据智能电网的研究框架体系，智能电网建设主要抓住发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节。“配用电”环节即为电网的用户端，按用户属性来分主要有三类：建筑楼宇（如宾馆、商场、体育馆、学校、写字楼、政府机关等）；工矿企业（如冶金、造纸、轻纺、机械、电子、煤矿等）；基础设施（如机场、港口、铁路、公路、水利等）。用户端消耗着整个电网８０％的电能，抓电网用户端智能化建设，对用户可靠、安全、节约用电有十分重要意义。用户端环节建设内容主要为：构建智能用电服务体系；全面推广应用智能电表、智能用电管理终端等智能设备；实现电网与用户的双向互动，提升用户服务质量；建设智能用电小区和电动汽车充电站。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电系统、需求侧管理等课题。
２　能源管理系统构架及目标
智能电网用户端从用户侧一端来讨论配电和用电系统的智能化和信息化，其范围指电力公司计费电表出口以下，从电力变压器到用电设备之间，对电能进行传输、分配、控制、保护和能源管理的所有设备及系统。
随着科学技术的发展以及人民物质生活水平的提高，用电设备如电梯、水泵、照明、空调系统、家用电器等越来越多，用电负荷快速增长，设备的能效提高以及不同设备之间的匹配需要科学的管理，用户端的能源管理也因此受到越来越多的关注。
一般的智能电网用户端能源管理系统主要包括三方面的内容：计算机管理系统、通信网络、传感（计量）元件。传感（计量）元件采集各种电量数据并通过通信网络传输到计算机管理系统，管理系统将分布采集的数据汇总、分析、报表等，出现故障状况时根据预先设定的条件进行预警、报警甚至自动完成某些操作功能。高级的管理系统还包含智能 控制设备，能自动检测电网及用电设备的各种情况并据此对有关负荷进行自动控制，包括对储能设备、可再生能源设备的控制（见图１）。
建设智能电网用户端能源管理系统有三个目标：
（１）电能监测与节能优化：对用电系统各个环节特别是重点耗能设备用电情况进行实时检测计量、数据采集、汇总分析、纵横比较等，发现电能使用不合理之处，通过人工干预或自动控制的方法进行改进，优化用能设备，提高电能的使用效率。
（２）用户端与电网公司管理系统的互动：在智能电网中，电网公司为提高电力设施的负荷率要求用户端某些设备能够需求响应，其使用能够尽量避开用电高峰而在用电低谷时使用，帮助电网削峰填谷。
（３）管理分布式能源设备的接入：用户端储能设备、电动汽车以及可再生能源设备接入电网可能对电网产生重大冲击，这些设备也可能将电能输送的电网，所以需要一个很好的能源管理系统进行管理。
３　用户端能源管理系统功能
（1）主控制系统功能
主控制系统作为专家决策系统，是一个ＳＣＡＤＡ软件，将各个子系统的数据接入，并根据各种不同的情况决定各个子系统的控制。
（2）配电监控子系统功能
它由多种独立的功能模块组成，包括保护设备定值在线管理、事件报警管理、录波数据管理等。
配电监控子系统采集和处理的基本数据：模拟量（遥测）包括功率、电流、电压、变压器温度、系统频率等。数字量（遥信）包括开关位置信号、事故信号、微机保护信号以及设备工作状态等。
（3）智能表计子系统功能
智能表计子系统（见图２）能够海量数据的采集、交换、通信、存储与共享；企业用能实时监控、分析和报表系统，故障报警和快速定位；用户端电网谐波检测和分析；能耗监测、分析、评估，能耗分项计算以及碳排放计算；根据电力公司的需量限制对实际用电负荷进行预警和控制。通过智能表计实现智能电网中“双向”互功功能，智能仪表通过网络通讯设备实时通讯，提供用户的能源需求数据给智能电网，同时将智能电网的不同时间段的电能信息传递给用户端，让用户直接选择电能消费。
（4）设备监控子系统功能
设备监控子系统既是一个设备监控子系统，又是一个可以自成体系、记录各种能量变化并可实现互动控制的高级用户能源管理系统。管理中心通过网络连接多个分中心，每个分中心管理连接当地的这部分设备，通过能源管理控制器、电表、智能开关、继电保护装置和各种智能控制器实时采集主要耗能、储能或生产能源设备的信息，对数据进行加工处理，根据能源控制中心下达给分中心的要求，调节每个设备的运行状态，能源的消费和生产。
（5） 智能家居子系统功能
智能家居是目前智能电网比较关注的领域之一。智能电表与智能家居有机结合才能更科学合理地控制家居内的家电设备，实现需求响应、削峰填谷、节能减排功能。
（6）储能设备、分布式能源设备、汽车充电设备监控技术
分别研究低压侧（３８０/２２０Ｖ）储能设备、分布式能源设备和汽车充电设备在上位机系统中的表现形式和管理方法。
４　关键技术
（１）配电系统数字化网络化控制技术：以变电站为基本单元，收录电网重要信息，只有少量信息向网络发送，网络效率高；ＩＰ地址管理，各部分设备可以实现区域管理；底层的设备在网络中具有独立的通信功能，上位监控ＰＣ可以直接远程读取底层设备信息以及事件数据、录波数据等，可远程读取和修改其整定参数等；上位监控ＰＣ可以远程配置网络中的节点，增加或减少设备节点。
（２）电表双向实时电价计费技术：包括有功电能和无功电能计量；分时计量、最大需量测量；实时监测电网运行状态、电能质量和环境参量等；信息与数据的存贮、调用、输出和显示，电价方案显示；双向通信，可实现远程管理，能提供互动性服务，可对户内主要电器进行用电信息采集与控制；对电能双向计费。
（３）网络化可编程控制技术：包括系统的现场总线及工业以太网通信协议规范研究与实现；指令编译器、程序解释运行器、高速总线技术；控制与通信集成技术。
（４）数据采集与数据传输通信技术：研究智能电器和智能电表的通信技术，不同通信协议之间的数据转换技术以及有线网与无线网交叉融合技术；
（５）用户端海量数据融合及并行计算处理技术：研究海量数据的采集、交换、通信、存储与共享机制；
（６）商用楼宇和工矿企业节电运营技术：研究能耗监测和分析、评估方法、碳排放参数计算；
（７）管理和控制的一体化技术：研究企业用能实时监控、分析和报表系统，具有故障报警和快速定位功能；
（８）电能质量测控技术：研究用户端电网谐波检测和分析方法，实现电能质量检测；
（９）电网侧与用户端之间的互动技术：研究进户电表与用户能源管理系统的互动、主系统与子系统的信息互动技术。
５　案例应用
（1）上海世博村项目Ａ地块ＶＩＰ生活楼ＥＭＳ
世博村Ａ地块ＶＩＰ生活楼是２０１０年上海世博会配套的唯一一家超五星级酒店（见图３）。该酒店落成后会成为整个世博会的至高点，达１０８m，同时也是整个世博工程中最早开工，最早竣工、投入使用的项目。系统采用Ａｃｒｅｌ－３０００型电能管理系统，完成了生活楼变电所、柴油发电机房、冷冻机房、生活泵消防泵房及楼层动力箱、电源双切供电系统所有 电气设备远程监测。
整个系统采用网络分布式结构， 监控主机位于地下一层变电所值班室内，各变电所配电柜内安装有ＡＣＲ２３０ＥＬＨ、ＡＣＲ２２０ＥＦＬＫ仪表共计２００台。系统采用开放的通讯协议，通过现场总线与高低压配电系统、变压器温控装置、发电机的智能接口、ＡＴＳＥ及ＥＰＳ等相连，实现数据通讯功能。同时监视系统提供标准的ＲＳ４８５接口向上连接到ＢＭＳ系统。
（2）广州亚运会开/闭幕式临时配电中心
２０１０年第１６届广州亚运会开/闭幕式在海心沙岛隆重举行（见图４），当晚整个岛内的供电由现场发电以及广州市供电局供电两部分组成，整个配电设施全部位于舞台下方的地下空间，包括四个配电区域，所有涉及表演、喷泉、音响等重要回路全部由现场发电机供电，其余看台、照明等由广州市供电局供电。系统采用Ａｃｒｅｌ－２０００型电力监控系统，完成了四个配电区域所有配电房内包括１０ｋＶ高压配电柜、直流屏、０．４ｋＶ低压配电柜、发电机、变压器等所有电气设备的数据采集和集中监控管理。
（3）某工厂屋顶光伏电站电力监控系统
２０１０年承接的上海某公司屋顶太阳能发电系统，可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监测和控制，通过各种样式的图表及数据快速掌握电站的运行情况，其友好的用户界面、强大的分析功能、完善的故障报警确保了太阳能光伏发电系统的完全可靠和稳定运行（见图５）。
系统主要实现的功能有：实时监测太阳能电池板的电压、电流及其运行状况；防雷器状态、断路器状态采集与显示；实时监控逆变器工作状态，监测其故障信息；系统详细运行参数显示；故障记录及报警；具有电量累计、系统分析、历史记录功能；简单易用的参数设置功能；系统输出电流、电压，瞬时发电功率、累计发电量，ＣＯ２、ＳＯ２减排量。
６　需求与市场前景分析
用户端能源管理系统作为一个新兴产业，其需求与市场前景与下列因素有关：①智能电网的推进与用户端的电力配电系统智能化需求；②工矿企业与建筑楼宇的节能减排；③新能源、新行业的发展需求等。
（1）用户端的电力配电系统智能化需求及智能电网的推进
目前，电的生产、传输及高端用户，如电信、银行、石化等大用户配电正在实现全面信息化、智能化。随着智能电网的推进，电的生产、传输与使用将信息互通，智能电力仪表将是各个电网环节的信息“传感器”，使智能电网下的电器设备信息“物物相联”。因此，能源管理系统将随用户端配电智能化的普级而市场容量逐步扩大。
（2）工矿企业与建筑楼宇的节能减排
当前，国务院各部委以及地方政府，把节能减排作为重点工作之一进行推进与落实。要求高能耗企业通过建立能源管理体系，采取降耗技术与措施，提高用能效率。为此，工矿企业实施合同能源管理，政府机关和大型公建实施能耗监测（见建科［２００８］１１４号文），电能作为最主要的能源，用户端用能大户都应建立电能计量管理体系。因此，用于企业内部管理的智能电能管理系统将随节能政策的推进而增加。
（3）新能源、新行业的发展需求
随着社会的发展，对核电、水电、光能、风能等新能源的需求逐步扩大，以减少对不可再生能源的依赖。新能源的发展，也需要安装监控系统，提高新能源的发电能效。另外，随着社会进步，对人生命安全的保障也越来越重视，为了安全用电，国家发布了多项设计规范，如《民用建筑电气设计规范》ＪＧＪ１６－２００８，《建筑设计防火规范》ＧＢ５００１６－２００６等，这些规范规定对剧院、商场、展览馆、医院、电信楼、广播台、高层建筑等人员密集或重要场所要加装剩余电流式火灾监控装置，建立电气安全监视系统，防止因漏电引起的火灾。