产品与解决方案 智能电网用户端能源管理系统关键技术与应用 周 中 姜 龙 （上海安科瑞电气股份有限公司，上海２０１８０１） 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 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 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、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 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。 图１ 智能电网用户端能源管理系统示意图 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 ３．１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。 Ｉ ２０１２年第１期案霸舅ｌ藏燕ｌ１ｏ１ 产品与解决方案 ３．２配电监控子系统功能 ’ 它由多种的功能模块组成，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。 ３．３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。 图２智能表计子系统示意图 ３．４设备监控子系统功能 设备监控子系统既是一个设备监控予系统，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。 ３．５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 １０２ Ｉ电 获臻２０１２／ｇ￣Ｉ １期 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。 一 ３．６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（３８０Ｖ／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。 产品与解决方案 ５ 案例应用 ５．２广州亚运会开／闭幕式临时配电中心 ５．１上海世博村项目Ａ地块ＶＩＰ生活楼ＥＭＳ ２０１０年第１６届广州亚运会开／闭幕式在海心沙 世博村Ａ地块ＶＩＰ生活楼是２０１０年上海世博 岛隆重举行（见图４），ｔ当晚整个岛内的供电由现场 会配套的惟一一家超五星级酒店，见图３。该酒店 发电以及广州市供电局供电两部分组成，整个配电 落成后将成为整个世博会的至高点，达１０８米，同 设施全部位于舞台下方的地下空间，包括四个配电 时也是整个世博工程中最早开工，最早竣工、投入 区域，所有涉及表演、喷泉、音响等重要回路全部 使用的项目。系统采用Ａｃｒｅ１．３０００型电能管理系统， 由现场发电机供电，其余看台、照明等由广州市供 完成了生活楼变电所、柴油发电机房、冷冻机房、 电局供电。系统采用Ａｃｒｅ１．２０００型电力监控系统， 生活泵消防泵房及楼层动力箱、电源双切供电系统 完成了四个配电区域所有配电房内包括１０ｋＶ高压 所有电气设备远程监测。 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。 图３上海世博会ＶＩＰ酒店 图４广州亚运会海， 沙岛 整个系统采用网络分布式结构，监控主机位 ５．３某工厂屋顶光伏电站电力监控系统 于地下一层变电所值班室内，各变电所配电柜内 ２０１０年承接的上海某公司屋顶太阳能发电系 安装有ＡＣＲ２３０ＥＬＨ、ＡＣＲ２２０ＥＦＬＫ仪表共计２００ 统，可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、 台。系统采用开放的通讯协议，通过现场总线与 逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备 高低压配电系统、变压器温控装置、发电机的智 进行实时监测和控制，通过各种样式的图表及数据 能接口、ＡＴＳＥ及ＥＰＳ等相连，实现数据通讯功 快速掌握电站的运行情况，其友好的用户界面、强 能。同时监视系统提供标准的ＲＳ４８５接口向上连 大的分析功能、完善的故障报警确保了太阳能光伏 接到ＢＭＳ系统。 发电系统的完全可靠和稳定运行。见图５。 图Ｓ某工厂光伏监控系统 系统主要实现的功能有：实时监测太阳能电 故障记录及报警；具有电量累计、系统分析、历 池板的电压、电流及其运行状况；防雷器状态、 史记录功能；简单易用的参数设置功能；系统输 断路器状态采集与显示；实时监控逆变器工作状 出电流、电压，瞬时发电功率、累计发电量，ＣＯ 、 态，监测其故障信息；系统详细运行参数显示； ＳＯ２减排量。 ２０１２年第１期辔｜＿ｌ麓露Ｊ １０３ 产品与解决方案 ６需求与市场前景分析 随着社会的发展，对核电、水电、光能、风能 用户端能源管理系统作为一个新兴产业，其需求与 等新能源的需求逐步扩大，以减少对不可再生能源 市场前景与下列因素有关：①智能电网的推进与用户端 的依赖。新能源的发展，也需要安装监控系统，提 的电力配电系统智能化需求；②工矿企业与建筑楼宇的 高新能源的发电能效。另外，随着社会进步，对人 节能减排；③新能源、新行业的发展需求等。 生命安全的保障也越来越重视，为了安全用电，国 １）用户端的电力配电系统智能化需求及智能电 家发布了多项设计规范，如ＪＧＪ１６．２００８《民用建筑 网的推进 电气设计规范》，ＧＢ５００１６－２００６《建筑设计防火规 目前，电的生产、传输及高端用户，如电信、 范》等等，规定对剧院、商场、展览馆、医院、电 银行、石化等大用户配电正在实现信息化、智能化。 信楼、广播台、高层建筑等人员密集或重要场所要 随着智能电网的推进，电的生产、传输与使用将信 加装剩余电流式火灾监控装置，建立电气安全监视 息互通，智能电力仪表将是各个电网环节的信息 系统，防止漏电引起的火灾。 “传感器”，使智能电网下的电器设备信息“物物 参考文献 相联”。因此，能源管理系统将随用户端配电智能 ［１］ 尹天文．智能电网用户端的整体解决方案［Ｊ】．电气技 化的普级而市场容量逐步扩大。 术，２ｏ￣ｏ（４）． ． ２）工矿企业与建筑楼宇的节能减排 【２］ 任致程，周中．电力电测数字仪表原理与应用指南【Ｍ】 各部委以及地方，把节能减排作为重 北京：中国电力出版社，２００７． 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 作者简介 率。为此，工矿企业实施合同能源管理，机关和 周 中（１９６８一），男，大学本科，上海安科瑞电气股份有限公司董 大型公建实施能耗监测（见建科［２００８１ｌ１４号文），电 事长兼总经理，全国电工仪器仪表标准技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ１０４） 能作为最主要的能源，用户端用能大户都应建立电能 委员，从事电能计量与管理的研发及应用。 计量管理体系。因此，用于企业内部管理的智能电能 姜龙（１９７６－），男，研究生，上海安科瑞电气股份有限公司技术 管理系统将随节能的推进而增加。 总监，研究方向为网络电力仪表的设计及应用。 ３）新能源、新行业的发展需求 （上接第８１页） ２．２技术优势 能电站发电电动机的软起动和自同期并列，则具有 开关变压器技术用于白同期并列之后，自同期 性价比最优及事半功倍的效果。 并列的应用范围可以扩展到正常的发电机并列操 参考文献 作，使发电机的控制简单化，完全免除了非同期并 列，对发电机的安全生产具有重要意义。 ［１］ 徐源源，黄石，向大为．双馈感应发电机准同期并网技 对于占系统容量比例很大的发电机，由于自同 术的研究【ｊ］．电机与控制应用，２００９，３６（７）：４４—４８． 期并列时会有较大的电压降落，故大型发电机的自 ［２】李忠臣，安继民，陈民，潘政刚．基于开关变压器技术 的中压（３～ｌＯｋＶ）电机软起动装置［Ｊ］．电气传动，２００３ 同期并列操作受到了一定，这对电网的事故快 ３３（１）：２２・２４． 速处理有一定的影响。采用开关变压器技术后，冲 ［３］ ［英］Ｍ．Ｇ．ＳＡＹ著．钱庆镳等译．交流电机［Ｍ】．北京：中 击电流被消除，电压降落减小，大型发电机在电网 国计量出版社，２０００． 发生事故（或正常操作情况）时也可采用自同期并 【４］ 马丽英，王毅敏．一种新的发电机同期并网的数控方 列，这无疑对电网的安全稳定运行具有重要意义。 法及其软件设计［Ｊ］．电力学报，１９９７（４）． ３ 结论 ［５】海涛，必耀滨等．准同期并网中三相不平衡问题的优 化［Ｊ】．电力系统保护与控制，２００９，３７（１８）：７１－７２． 应该说，开关变压器技术可以用于任意大小的 发电机自同期并列，但由于其硬件构成的成本使得 作者简介 该装置费用较大，具体应用时要对造价和运行效果 冯卓利（１９６１－），男，本科，工程师，研究方向：电力电子与电力传动。 加以权衡。但是，如果将该技术同时应用于抽水蓄 １０４｝电气技礴２０１２￣１期 ．
