智能用電樓宇節(jié)能綜合控制的實現(xiàn)方式

1上海市電力公司 2國網(wǎng)電力科學研究院

朱彬若1 張慎明2 王 虎2

1 引言

國家電網(wǎng)公司現(xiàn)致力于建設堅強智能電網(wǎng)，主要涵蓋電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度六個環(huán)節(jié)，具有信息化、自動化、互動化的“智能”技術特征，其中樓宇智能用電技術是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要組成部分。

恰逢世博會于2010年5月在上海召開，同時國家電網(wǎng)公司企業(yè)館在地下一至三層新建了110kV蒙自智能變電站（內設包含冰蓄冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、吸附式空調系統(tǒng)在內的新型空調及通風系統(tǒng)等），地面兩層企業(yè)館配備了風電光伏裝置、V2G系統(tǒng)、電梯、空調通風系統(tǒng)、空氣質量檢測系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)等，為探索用戶側的新型用電方式提供了良好的契機，為樓宇智能用電的展示提供了完善的軟硬件基礎。

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)以上海世博園國家電網(wǎng)企業(yè)館為建設對象，以經(jīng)濟性、環(huán)保性、便利性、人性化為設計指導思想，通過實時采集設備運行狀態(tài)、負荷電能消耗信息、電能質量信息及報警事件信息等，向用戶展示場館的供用電信息，通過綜合分析樓宇環(huán)境參數(shù)、歷史用電信息、電能質量、實際用電負荷和電價結構，選擇并制定用電控制管理策略以達到最經(jīng)濟或最節(jié)能的目的，并通過遠程聯(lián)動控制實現(xiàn)各子系統(tǒng)的運行方案優(yōu)化及系統(tǒng)間的協(xié)調運行。

2 系統(tǒng)架構

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)集成了以下五個子系統(tǒng)：

○展館樓宇自控系統(tǒng)（BA系統(tǒng)），包括空調通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、太陽能增強通風系統(tǒng)、空氣質量檢測系統(tǒng)、電梯、配電監(jiān)控系統(tǒng)等；

○風電光伏子系統(tǒng)，展示新型能源作為未來電網(wǎng)的一個重要組成部分，所具備的環(huán)保及經(jīng)濟特性；

○V2G，展示電動汽車作為移動儲能單元接入電網(wǎng)，實現(xiàn)電網(wǎng)與車輛的雙向互動，達到削峰填谷、平衡負荷的目的；

○智能變電站系統(tǒng)，展現(xiàn)APF及SVG+技術所帶來的電能質量的大幅提高；

○空調系統(tǒng)，展現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、吸附式空調系統(tǒng)作為新型負荷式用電設備所實現(xiàn)的智能用電理念及能量的綜合利用。

五個子系統(tǒng)的集成工作主要包括數(shù)據(jù)的采集與處理、分析、顯示3個功能，同時樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)基于五個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理及分析結果制定用電策略，并通過聯(lián)動控制實現(xiàn)對于各子系統(tǒng)的遠程控制，最終達到節(jié)能減排的目的。

基于以上系統(tǒng)集成及功能需求，樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)采用分層分布式結構，系統(tǒng)自上而下共分三層，如圖1所示。

1）監(jiān)控管理層：為現(xiàn)場操作人員及管理人員提供充足的信息（包含全館供用電信息、電能質量信息、各子系統(tǒng)運行狀態(tài)及用電信息等），制定能量優(yōu)化策略，優(yōu)化設備運行，通過聯(lián)動控制實現(xiàn)能效管理，提高經(jīng)濟效益及環(huán)境效益；

2）通信層：使用通信網(wǎng)關機將各個子系統(tǒng)所使用的非標準通信協(xié)議統(tǒng)一轉換為標準的Modbus TCP協(xié)議，將監(jiān)測數(shù)據(jù)及設備運行狀態(tài)傳輸至樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)；

3）現(xiàn)場設備層：指分布于高低壓配電柜中的測控保護裝置、儀表，以及各個子系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 現(xiàn)場設備層設計與實現(xiàn)

表1 樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)設備層集成設備清單

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)現(xiàn)場設備層是整個系統(tǒng)的硬件支撐平臺，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，設計清晰合理的現(xiàn)場設備層是樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎。

針對上海世博園國網(wǎng)企業(yè)館實際建設情況，樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)設備層需要集成的設備內容如表1所示。

表2 樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)集成設備信息表

需要說明的是這里所指的設備既包含采集用電量信息的智能儀表和各類運行設備，同時也包括各類第三方系統(tǒng)，如上表中的BA自控系統(tǒng)。

樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)現(xiàn)場設備層物理拓撲結構如圖2所示。

3.2 通信層設計與實現(xiàn)

如表一所示，樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)接入的設備種類多樣，所使用的物理接口類型及協(xié)議類型極為復雜，所傳輸數(shù)據(jù)種類也不盡相同，詳情見表2。

為了確保樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)的可維護性和可擴展性，所有的設備均將測量數(shù)據(jù)及設備運行狀態(tài)等送至通信網(wǎng)關機，通信網(wǎng)關機使用對應的通信協(xié)議進行解析，并將所有數(shù)據(jù)按照設定的順序打包為標準的Modbus TCP協(xié)議，送至樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)監(jiān)控管理層，結構如圖3所示。

3.3 監(jiān)控管理層設計與實現(xiàn)

監(jiān)控管理層是樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)的核心，它負責以圖形化的方式向用戶提供實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、電能質量分析、能效評估等功能，并通過交互式技術向用戶提供用電策略制定及聯(lián)動控制等功能，具體功能如下所述：

1）實時信息監(jiān)測

（1）全館實時供用電信息展示；

（2）突出展示清潔能源供電在整個展館用電中所占的比例，體現(xiàn)新型清潔能源的環(huán)保性和經(jīng)濟性。圖4為清潔能源系統(tǒng)實時監(jiān)測畫面；

（3）突出展示APF、SVG+等先進技術帶來的電能質量優(yōu)化及動態(tài)補償?shù)葍?yōu)點；

（4）突出展現(xiàn)新型負荷式用電設備對綜合能量的利用（冰蓄冷、地源熱泵、變壓器余熱）；

（5）突出展現(xiàn)V2G系統(tǒng)所引導的新型能源生活（電動汽車）；

（6）突出展現(xiàn)樓宇自控系統(tǒng)所帶來的舒適生活（調節(jié)環(huán)境參數(shù)）。

2）歷史用電情況分析

（1）各個用電系統(tǒng)不同時段用電量對比；

（2）各個用電系統(tǒng)能耗等級分析；

（3）根據(jù)用電量模擬多部制電價賬單；

（4）分析使用智能變電技術、清潔能源等新型技術及能量管理系統(tǒng)后能量節(jié)約等效的經(jīng)濟效應（成本節(jié)約RMB）及環(huán)境效應（CO2排放量）；

（5）分析不同時段的電能質量信息，展示智能用電方式所帶來的電能質量的大幅提高。

3）能量優(yōu)化控制策略

（1）通過互動展示基于不同電價結構，制定最經(jīng)濟性用電策略，實現(xiàn)削峰填谷，減少電費支出；

（2）通過對全館用電負荷的分析，制定平衡負荷策略，降低電網(wǎng)壓力，提高發(fā)電設備效率、延長使用壽命；

（3）通過對歷史用電情況的分析，制定各子系統(tǒng)運行策略，確保用電設備的正常高效運行；

（4）對全館用電負荷 、電能質量及電價架構進行綜合分析，制定新能源并網(wǎng)策略及V2G系統(tǒng)充放電策略，實現(xiàn)節(jié)能減排。

4）聯(lián)動控制

聯(lián)動控制示意圖見圖5。

（1）提供互動模式，用戶自行定制當天用電策略，并實時分析、模擬用電策略，預測用電信息，為用戶制定用電策略提供數(shù)據(jù)支持；

（2）根據(jù)場館環(huán)境參數(shù)及當前用電負荷情況，調節(jié)BA系統(tǒng)中的空調及通風系統(tǒng)運行策略；

（3）根據(jù)能量優(yōu)化控制策略實現(xiàn)對各個子系統(tǒng)的遠程控制，并通過運行結果說明能量優(yōu)化控制策略的效果。

4 結束語

世博園國網(wǎng)企業(yè)館樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)從電力專業(yè)的深度對電能消耗進行數(shù)字化和集成化，通過采集設備運行狀態(tài)、負荷電能消耗信息、報警及歷史數(shù)據(jù)等信息，結合實際運行負荷需求和電價政策，以及新的能源供電模式和新型的用電設備配置，從而科學選擇和制定能耗控制管理方案，在整體上對供用電設備進行協(xié)調控制，以實現(xiàn)樓宇用電的智能化，讓終端用戶直接感受到智能電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。

系統(tǒng)在設計過程中對場館的各個供用電系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的劃分和分析，使用了分層分布式結構進行設計，成功集成了樓宇自控系統(tǒng)、風電光伏系統(tǒng)、V2G系統(tǒng)等多個閉環(huán)子系統(tǒng)，使用組態(tài)方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析及展示功能，確保了系統(tǒng)具備高可維護性及高可擴展性。

該系統(tǒng)的成功設計及實現(xiàn)向全世界充分展示了國網(wǎng)公司在智能用電、清潔能源開發(fā)、能量綜合利用及能效管理方面的能力、實力及效果；同時通過世博會這個廣闊平臺充分引領廣大用戶對科學用電、合理用電、節(jié)約用電、綜合節(jié)能、雙向互動、清潔能源等方面的認知和感受，引導廣大民眾感受智能電網(wǎng)帶來的切身變革、便利和實用性。