智能電網用戶端能源管理系統關鍵技術與應用

周 中 姜 龍

（上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

1 智能電網用戶端涵義

智能電網是當前國際國內新技術和新產業發展熱點。國家電網公司正在建設全國統一的堅強智能電網，其基本特征是電力系統的運營實現信息化、自動化、互動化和市場化，真正實現電能的高效利用。

根據智能電網研究框架體系，智能電網建設主要抓住發電、輸電、變電、配電、用電和調度六個環節。“配用電”環節即為電網的用戶端，按用戶屬性來分主要有三類：建筑樓宇，如賓館、商場、體育館、學校、寫字樓、政府機關等；工礦企業，如冶金、造紙、輕紡、機械、電子、煤礦等；基礎設施，如機場、港口、鐵路、公路、水利等。用戶端消耗著整個電網80%的電能，抓電網用戶端智能化建設，對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要意義。用戶端環節建設內容主要為：構建智能用電服務體系；全面推廣應用智能電表、智能用電管理終端等智能設備；實現電網與用戶的雙向互動，提升用戶服務質量；建設智能用電小區和電動汽車充電站。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電系統、需求側管理等課題。

2 能源管理系統構架及目標

智能電網用戶端從用戶側一端來討論配電和用電系統的智能化和信息化，其范圍指電力公司計費電表出口以下，從電力變壓器到用電設備之間，對電能進行傳輸、分配、控制、保護和能源管理的所有設備及系統。

隨著科學技術的發展以及人民物質生活水平的提高，用電設備如電梯、水泵、照明、空調系統、家用電器等越來越多，用電負荷快速增長，設備的能效提高以及不同設備之間的匹配需要科學的管理，用戶端的能源管理因此受到越來越多的關注。

一般的智能電網用戶端能源管理系統主要包括三方面的內容：計算機管理系統、通信網絡、傳感（計量）元件。傳感（計量）元件采集各種電量數據并通過通信網絡傳輸到計算機管理系統，管理系統將分布采集的數據匯總、分析、報表等，出現故障狀況時根據預先設定的條件進行預警、報警甚至自動完成某些操作功能。高級的管理系統還包含智能控制設備，能自動檢測電網及用電設備的各種情況并據此對有關負荷進行自動控制，包括對儲能設備、可再生能源設備的控制。見圖1。

圖1 智能電網用戶端能源管理系統示意圖

建設智能電網用戶端能源管理系統有三個目標：

1）電能監測與節能優化：對用電系統各個環節特別是重點耗能設備用電情況進行實時檢測計量、數據采集、匯總分析、縱橫比較等，發現電能使用不合理之處，通過人工干預或自動控制的方法進行改進，優化用能設備，提高電能的使用效率。

2）用戶端與電網公司管理系統的互動：在智能電網中，電網公司為提高電力設施的負荷率要求用戶端某些設備能夠需求響應，其使用能夠盡量避開用電高峰而在用電低谷時使用，幫助電網削峰填谷。

3）管理分布式能源設備的接入：用戶端儲能設備、電動汽車以及可再生能源設備接入電網可能對電網產生重大沖擊，這些設備也可能將電能輸送的電網，所以需要一個很好的能源管理系統進行管理。

3 用戶端能源管理系統功能

3.1 主控制系統功能

主控制系統作為專家決策系統，是一個SCADA軟件，將各個子系統的數據接入，并根據各種不同的情況決定各個子系統的控制。

3.2 配電監控子系統功能

它由多種獨立的功能模塊組成，包括保護設備定值在線管理、事件報警管理、錄波數據管理等。

配電監控子系統采集和處理的基本數據：模擬量（遙測）包括功率、電流、電壓、變壓器溫度、系統頻率等。數字量（遙信）包括開關位置信號、事故信號、微機保護信號、以及設備工作狀態等。

3.3 智能表計子系統功能

智能表計子系統（見圖 2）能夠海量數據的采集、交換、通信、存儲與共享；企業用能實時監控、分析和報表系統，故障報警和快速定位；用戶端電網諧波檢測和分析；能耗監測、分析、評估，能耗分項計算以及碳排放計算；根據電力公司的需量限制對實際用電負荷進行預警和控制。通過智能表計實現智能電網中“雙向”互功功能，智能儀表通過網絡通訊設備實時通訊，提供用戶的能源需求數據給智能電網，同時將智能電網的不同時間段的電能信息傳遞給用戶端，讓用戶直接選擇電能消費。

圖2 智能表計子系統示意圖

3.4 設備監控子系統功能

設備監控子系統既是一個設備監控子系統，又是一個可以自成體系、記錄各種能量變化并可實現互動控制的高級用戶能源管理系統。管理中心通過網絡連接多個分中心，每個分中心管理連接當地的這部分設備，通過能源管理控制器、電表、智能開關、繼電保護裝置和各種智能控制器實時采集主要耗能、儲能或生產能源設備的信息，對數據進行加工處理，根據能源控制中心下達給分中心的要求，調節每個設備的運行狀態，能源的消費和生產。

3.5 智能家居子系統功能

智能家居是目前智能電網比較關注的領域之一。智能電表與智能家居有機結合才能更科學合理地控制家居內的家電設備，實現需求響應、削峰填谷、節能減排功能。

3.6 儲能設備、分布式能源設備、汽車充電設備監控技術

分別研究低壓側（380V/220V）儲能設備、分布式能源設備和汽車充電設備在上位機系統中的表現形式和管理方法。

4 關鍵技術

1）配電系統數字化網絡化控制技術：以變電站為基本單元，收錄電網重要信息，只有少量信息向網絡發送,網絡效率高；IP地址管理，各部分設備可以實現區域管理；底層的設備在網絡中具有獨立的通信功能，上位監控 PC可以直接遠程讀取底層設備信息以及事件數據、錄波數據等，可遠程讀取和修改其整定參數等；上位監控 PC可以遠程配置網絡中的節點，增加或減少設備節點。

2）電表雙向實時電價計費技術：包括有功電能和無功電能計量；分時計量、最大需量測量；實時監測電網運行狀態、電能質量和環境參量等；信息與數據的存貯、調用、輸出和顯示，電價方案顯示；雙向通信，可實現遠程管理，能提供互動性服務，可對戶內主要電器進行用電信息采集與控制；對電能雙向計費。

3）網絡化可編程控制技術：包括系統的現場總線及工業以太網通信協議規范研究與實現；指令編譯器、程序解釋運行器、高速總線技術；控制與通信集成技術。

4）數據采集與數據傳輸通信技術：研究智能電器和智能電表的通信技術，不同通信協議之間的數據轉換技術、以及有線網與無線網交叉融合技術。

5）用戶端海量數據融合及并行計算處理技術：研究海量數據的采集、交換、通信、存儲與共享機制。

6）商用樓宇和工礦企業節電運營技術：研究能耗監測和分析、評估方法、碳排放參數計算。

7）管理和控制的一體化技術：研究企業用能實時監控、分析和報表系統，具有故障報警和快速定位功能。

8）電能質量測控技術：研究用戶端電網諧波檢測和分析方法，實現電能質量檢測。

9）電網側與用戶端之間的互動技術：研究進戶電表與用戶能源管理系統的互動、主系統與子系統的信息互動技術。

5 案例應用

5.1 上海世博村項目A地塊VIP生活樓EMS

世博村A地塊VIP生活樓是2010年上海世博會配套的惟一一家超五星級酒店，見圖 3。該酒店落成后將成為整個世博會的至高點，達108米，同時也是整個世博工程中最早開工，最早竣工、投入使用的項目。系統采用Acrel-3000型電能管理系統，完成了生活樓變電所、柴油發電機房、冷凍機房、生活泵消防泵房及樓層動力箱、電源雙切供電系統所有電氣設備遠程監測。

圖3 上海世博會VIP酒店

整個系統采用網絡分布式結構，監控主機位于地下一層變電所值班室內，各變電所配電柜內安裝有ACR230ELH、ACR220EFLK儀表共計200臺。系統采用開放的通訊協議，通過現場總線與高低壓配電系統、變壓器溫控裝置、發電機的智能接口、ATSE及 EPS等相連，實現數據通訊功能。同時監視系統提供標準的RS485接口向上連接到BMS系統。

5.2 廣州亞運會開/閉幕式臨時配電中心

2010年第16屆廣州亞運會開/閉幕式在海心沙島隆重舉行（見圖4），當晚整個島內的供電由現場發電以及廣州市供電局供電兩部分組成，整個配電設施全部位于舞臺下方的地下空間，包括四個配電區域，所有涉及表演、噴泉、音響等重要回路全部由現場發電機供電，其余看臺、照明等由廣州市供電局供電。系統采用Acrel-2000型電力監控系統，完成了四個配電區域所有配電房內包括 10kV高壓配電柜、直流屏、0.4kV低壓配電柜、發電機、變壓器等所有電氣設備的數據采集和集中監控管理。

圖4 廣州亞運會海心沙島

5.3 某工廠屋頂光伏電站電力監控系統

2010年承接的上海某公司屋頂太陽能發電系統，可對太陽能光伏電站里的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、太陽跟蹤控制系統等設備進行實時監測和控制，通過各種樣式的圖表及數據快速掌握電站的運行情況，其友好的用戶界面、強大的分析功能、完善的故障報警確保了太陽能光伏發電系統的完全可靠和穩定運行。見圖5。

圖5 某工廠光伏監控系統

系統主要實現的功能有：實時監測太陽能電池板的電壓、電流及其運行狀況；防雷器狀態、斷路器狀態采集與顯示；實時監控逆變器工作狀態，監測其故障信息；系統詳細運行參數顯示；故障記錄及報警；具有電量累計、系統分析、歷史記錄功能；簡單易用的參數設置功能；系統輸出電流、電壓，瞬時發電功率、累計發電量，CO2、SO2減排量。

6 需求與市場前景分析

用戶端能源管理系統作為一個新興產業，其需求與市場前景與下列因素有關：①智能電網的推進與用戶端的電力配電系統智能化需求；②工礦企業與建筑樓宇的節能減排；③新能源、新行業的發展需求等。

1）用戶端的電力配電系統智能化需求及智能電網的推進

目前，電的生產、傳輸及高端用戶，如電信、銀行、石化等大用戶配電正在實現信息化、智能化。隨著智能電網的推進，電的生產、傳輸與使用將信息互通，智能電力儀表將是各個電網環節的信息“傳感器”，使智能電網下的電器設備信息“物物相聯”。因此，能源管理系統將隨用戶端配電智能化的普級而市場容量逐步擴大。

2）工礦企業與建筑樓宇的節能減排

國務院各部委以及地方政府，把節能減排作為重點工作之一進行推進與落實。要求高能耗企業通過建立能源管理體系，采取降耗技術與措施，提高用能效率。為此，工礦企業實施合同能源管理，政府機關和大型公建實施能耗監測（見建科[2008]114號文），電能作為最主要的能源，用戶端用能大戶都應建立電能計量管理體系。因此，用于企業內部管理的智能電能管理系統將隨節能政策的推進而增加。

3）新能源、新行業的發展需求

隨著社會的發展，對核電、水電、光能、風能等新能源的需求逐步擴大，以減少對不可再生能源的依賴。新能源的發展，也需要安裝監控系統，提高新能源的發電能效。另外，隨著社會進步，對人生命安全的保障也越來越重視，為了安全用電，國家發布了多項設計規范，如JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》，GB50016-2006《建筑設計防火規范》等等，規定對劇院、商場、展覽館、醫院、電信樓、廣播臺、高層建筑等人員密集或重要場所要加裝剩余電流式火災監控裝置，建立電氣安全監視系統，防止漏電引起的火災。

[1]尹天文.智能電網用戶端的整體解決方案[J].電氣技術,2010(4).

[2]任致程,周中.電力電測數字儀表原理與應用指南[M].北京:中國電力出版社,2007.