張 超 江賢康 任建文 李澤榮

（華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003）

1 引言

智能電網(wǎng)是一個(gè)完整的信息架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力客戶、電力資產(chǎn)、電力運(yùn)營(yíng)的持續(xù)監(jiān)視，利用“隨需應(yīng)變”的信息能夠提高電網(wǎng)公司的管理水平、工作效率、電網(wǎng)可靠性和服務(wù)水平。

本文提出的基于高級(jí)量測(cè)體系的用電器分類(lèi)測(cè)量終端設(shè)計(jì)方案就是智能電網(wǎng)技術(shù)在用電系統(tǒng)的一個(gè)典型應(yīng)用，可用于監(jiān)測(cè)家用電路的耗電量，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)調(diào)整家用電器的用電量。高級(jí)量測(cè)體系（AM I）是一種用于先進(jìn)電表，能夠提供實(shí)時(shí)的雙向通信設(shè)施，是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)信息平臺(tái)。一般來(lái)說(shuō)，AM I是電網(wǎng)智能化建設(shè)的第一步，主要涉及大量的智能電表、傳感器等設(shè)備。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，逐步實(shí)現(xiàn)配電、輸電智能化（ADO、ATO），從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)行效率的提高（AAM）[1]。

2 未來(lái)智能電網(wǎng)對(duì)需求側(cè)要求

智能電網(wǎng)在很多方面的發(fā)展概念都對(duì)發(fā)揮電力需求側(cè)管理的作用提出了較好的解決方法。智能電網(wǎng)的建設(shè)要求與用戶有較好的信息交互、實(shí)施分時(shí)電價(jià)，對(duì)用戶用電負(fù)荷進(jìn)行全面監(jiān)控[2]。

2.1 電網(wǎng)與用戶的互動(dòng)

電網(wǎng)企業(yè)向用戶發(fā)布實(shí)時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)負(fù)荷、實(shí)際供電情況等與用戶相關(guān)的電網(wǎng)運(yùn)行情況。用戶根據(jù)當(dāng)時(shí)的供電情況，選擇在電價(jià)較低的低負(fù)荷時(shí)段用電，選擇適合自己的電源，達(dá)到減少尖峰負(fù)荷的作用。

大用戶如果有較大的用電負(fù)荷需求可以提前向電網(wǎng)公司報(bào)告，電網(wǎng)公司可以提前做出準(zhǔn)備合理調(diào)度發(fā)電量，及時(shí)應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷的出現(xiàn)，減少整個(gè)電網(wǎng)的備用容量和提高運(yùn)行發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率，提高發(fā)電機(jī)效率。

2.2 先進(jìn)的實(shí)時(shí)電價(jià)體系

在智能電網(wǎng)下，將實(shí)施更為全面合理的分時(shí)電價(jià)政策，不僅是尖、峰、平、谷四時(shí)段電價(jià)。全面合理的實(shí)時(shí)電價(jià)體系能夠促進(jìn)節(jié)能、降耗。在各用電領(lǐng)域全面推行實(shí)時(shí)電價(jià)體系，并及時(shí)將電價(jià)告知電力用戶，可使用戶根據(jù)自己的需要，結(jié)合實(shí)際的電價(jià)，選擇自己的用電方式，實(shí)現(xiàn)用戶主動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷，移峰填谷。

實(shí)行供電成本高時(shí)提高電價(jià)，供電成本低時(shí)降低電價(jià)，負(fù)荷高時(shí)電價(jià)高，負(fù)荷低時(shí)電價(jià)低，水電機(jī)組電源電價(jià)低，火電機(jī)組電源電價(jià)高等一系列合理的電價(jià)政策[3]。用戶選擇電價(jià)低時(shí)用電，降低發(fā)電成本、降低損耗、減少煤耗、節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境。

2.3 全面的用電負(fù)荷監(jiān)控

在智能電網(wǎng)下，對(duì)用戶端的計(jì)量裝置的功能提出了更高的要求，要求能夠全面地監(jiān)控用戶的實(shí)時(shí)負(fù)荷情況。對(duì)每個(gè)用電終端的實(shí)時(shí)負(fù)荷、電壓、電流、功率因數(shù)、乃至諧波等電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。有利于調(diào)度中心掌握實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，進(jìn)行短時(shí)間的負(fù)荷預(yù)測(cè)，保證發(fā)電負(fù)荷的及時(shí)供應(yīng)，解決配網(wǎng)的“盲調(diào)”問(wèn)題，而且能夠?yàn)槿W(wǎng)線損計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。智能電網(wǎng)下的用電終端還能實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的控制功能?？蓪?duì)一些可以自動(dòng)運(yùn)行的用電設(shè)備進(jìn)行控制，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電價(jià)和用戶意愿選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)候自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或者停止，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰、填谷的功能。

3 高級(jí)量測(cè)體系

3.1 高級(jí)量測(cè)體系概述

高級(jí)量測(cè)體系（AM I）是一個(gè)用來(lái)測(cè)量、收集、儲(chǔ)存、分析和運(yùn)用用戶用電信息的網(wǎng)絡(luò)，也是一套完整的包括硬件及軟件的系統(tǒng)。它主要包括家庭網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)集成平臺(tái)（簡(jiǎn)稱AM I主站）3個(gè)主要組成部分。如圖1所示。

除此之外，為了充分利用AM I取得的數(shù)據(jù)，需要為許多現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)建立應(yīng)用接口，如負(fù)荷預(yù)測(cè)、故障響應(yīng)、客戶支持和系統(tǒng)運(yùn)行。

AM I并不是一項(xiàng)全新的概念，其功能與系統(tǒng)構(gòu)成都和現(xiàn)在大量應(yīng)用的自動(dòng)抄表（AMR）系統(tǒng)與負(fù)荷控制管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱負(fù)控系統(tǒng)）都有著相同之處。AMR系統(tǒng)用于采集居民用戶電能量記錄，而負(fù)控系統(tǒng)用于大型工商業(yè)用戶的負(fù)荷控制與監(jiān)視[7]。AM I是對(duì)AMR系統(tǒng)、負(fù)控系統(tǒng)的繼承與發(fā)展，是智能配電網(wǎng)（SDG）意義下的負(fù)荷管理系統(tǒng)。

3.2 AM I實(shí)現(xiàn)的功能

AM I的實(shí)施對(duì)電力公司、電力用戶乃至全社會(huì)都有十分重要的意義。AM I主要功能是授權(quán)給用戶，使系統(tǒng)同負(fù)荷建立起聯(lián)系，使用戶能夠支持電網(wǎng)的運(yùn)行[4]。AM I可以實(shí)現(xiàn)：

（1）減少電力公司的運(yùn)行費(fèi)用，能快速進(jìn)行故障定位和恢復(fù)以及減少事故報(bào)告等。

（2）通過(guò)提供給用戶準(zhǔn)確和及時(shí)的電費(fèi)清單，改善計(jì)費(fèi)過(guò)程并提高用戶滿意度。

（3）運(yùn)用電表遠(yuǎn)程診斷和可即時(shí)讀取的功能，改善對(duì)用戶的服務(wù)和管理。

（4）為用戶提供更多電價(jià)選擇，使得用戶可以為節(jié)能或減少開(kāi)支而調(diào)整用電習(xí)慣。

圖1 AM I綜覽

（5）提供系統(tǒng)范圍內(nèi)的負(fù)荷測(cè)量和系統(tǒng)可觀性，這將幫助電力公司制定更有針對(duì)性的系統(tǒng)改造計(jì)劃。

（6）支持消除峰荷和節(jié)能的需求側(cè)響應(yīng)和分時(shí)計(jì)費(fèi)，減少網(wǎng)絡(luò)阻塞費(fèi)用和網(wǎng)損，提高資產(chǎn)利用率。

（7）能支持用戶側(cè)的分布式發(fā)電的接入。

（8）為智能電網(wǎng)和其他系統(tǒng)未來(lái)高級(jí)應(yīng)用建立基礎(chǔ)設(shè)施體系。

4 用電器分類(lèi)測(cè)量終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

用電分類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)不同于以往的電能計(jì)量系統(tǒng)，它并不是用于電費(fèi)的貿(mào)易結(jié)算，而是用于節(jié)能管理[5]。用電分類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)可將居民建筑用電按照功能進(jìn)行項(xiàng)目劃分，如照明系統(tǒng)用電、空調(diào)和取暖用電、綜合服務(wù)（電梯、廚房、電熱水器等）用電等，然后分別對(duì)這些項(xiàng)目的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)，管理人員可通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行整個(gè)公共機(jī)構(gòu)的用電管理工作。實(shí)施用電分類(lèi)計(jì)量可有效提高家用電器甚至公共機(jī)構(gòu)的用電管理水平，明顯降低其電能消耗，最終達(dá)到節(jié)能的目的。

4.1 終端通信的實(shí)現(xiàn)

本文選用電力線載波通信的方式進(jìn)行傳輸信息，最大的特點(diǎn)就是成本低。電力系統(tǒng)一直以來(lái)都致力于發(fā)展和利用電力載波通信來(lái)實(shí)現(xiàn)電力的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度，并取得較好的效果[6]。

4.2 終端的設(shè)計(jì)方案

分類(lèi)測(cè)量終端的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括主控制器、網(wǎng)絡(luò)接口模塊，分別由TMS320C54x和CS8900A單片機(jī)來(lái)控制。通過(guò)單片機(jī)之間的串口通信，主控制器接收網(wǎng)絡(luò)模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后顯示在液晶屏上。主控制器接收用戶對(duì)用電設(shè)備的設(shè)置參數(shù)，并把參數(shù)發(fā)送給智能插座控制用電設(shè)備的運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 用電器分類(lèi)測(cè)量終端原理框圖

主控制器（MCU）選用高速率的TI公司生產(chǎn)的TMS320C54x DSP芯片，它屬于低功耗、高性能的16位定點(diǎn)DSP芯片，可應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域。

智能插座是整個(gè)智能量測(cè)系統(tǒng)中的主要接口器件，通過(guò)它可以測(cè)量每個(gè)家電的用電量，用戶可以通過(guò)智能控制終端定時(shí)開(kāi)、斷插座，從而實(shí)現(xiàn)用電器的開(kāi)斷。實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示。

圖3 電量信息采集傳輸路徑

（1）AD7755 是一種高準(zhǔn)確度電能測(cè)量集成電路芯片，主要從內(nèi)部完成功率計(jì)算，輸出與功率成正比的頻率信號(hào)，與單片機(jī)結(jié)合對(duì)頻率計(jì)數(shù)處理，可方便地得到功率值[7]。AD7755輸出頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器8253后得到了我們真正想要的電量信號(hào)，單片機(jī)接收信號(hào)后，把此計(jì)量數(shù)字通過(guò)控制電力線載波芯片發(fā)送到終端，以便于用戶查詢等。

（2）ST7538是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片，采取了多種抗干擾技術(shù)。單片機(jī)C8051F310通過(guò)串口把數(shù)據(jù)給了ST7538之后，并控制其收發(fā)狀態(tài)，ST7538負(fù)責(zé)根據(jù)控制信號(hào)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。同時(shí)，C8051F310還擔(dān)負(fù)著驅(qū)動(dòng)電力線載波芯片的驅(qū)動(dòng)和通過(guò)晶閘管控制整個(gè)插座的通斷功能。

（3）網(wǎng)絡(luò)接口模塊是實(shí)現(xiàn)終端和其他智能設(shè)備以及PC機(jī)通信的接口電路，通過(guò)它終端可以和其他設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸。該網(wǎng)絡(luò)模塊采用CS8900A作為主芯片，由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。網(wǎng)絡(luò)接口模塊如圖4所示。

除了上述幾個(gè)模塊之外，該終端還包括了報(bào)警系統(tǒng)模塊，終端可以將記錄的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)以便用戶查看，同時(shí)也可以根據(jù)設(shè)定和檢測(cè)提醒用戶是否有非法的用電和危險(xiǎn)。

圖4 終端與其他設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)接口

5 終端的節(jié)能效果分析

通過(guò)智能量測(cè)終端的節(jié)電流程圖如圖5所示，可以給出該用電器分類(lèi)測(cè)量終端的節(jié)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖5 智能量測(cè)終端的節(jié)電流程圖

其中在終端系統(tǒng)的設(shè)置上，選擇立式空調(diào)結(jié)合電暖器的電器設(shè)施，所以將一年分為兩個(gè)時(shí)段來(lái)計(jì)算電量，每天按照平均值計(jì)算（這里不考慮特殊情況和特殊用電習(xí)慣）。

假設(shè)夏天和秋天（每年的5-10月份）用戶選擇使用立式空調(diào)，根據(jù)智能量測(cè)終端的優(yōu)化方案，將一天共分為四個(gè)時(shí)段，各時(shí)段平均節(jié)能量如下：

6：00-8：00：每小時(shí)節(jié)電200W，共節(jié)電0.4 kW·h；8：00-19：00：每小時(shí)節(jié)電300W，共節(jié)電1.2 kW·h；19：00-23：00：每小時(shí)節(jié)電400W，共節(jié)電1.6 kW·h；23：00-6：00：每小時(shí)節(jié)電100W，共節(jié)電0.7 kW·h。

一天內(nèi)節(jié)電總量：3.9kW·h。

假設(shè)冬天和春天（每年的11月份至來(lái)年的4月份）用戶選擇使用電暖器，同樣將一天分為四個(gè)時(shí)段，各時(shí)段平均節(jié)電量如下：

6：00-8：00：每小時(shí)節(jié)電300W，共節(jié)電0.6 kW·h；8：00-19：00：每小時(shí)節(jié)電400W，共節(jié)電1.6 kW·h；19：00-23：00：每小時(shí)節(jié)電500W，共節(jié)電2 kW·h；23：00-6：00：每小時(shí)節(jié)電100W，共節(jié)電0.7 kW·h。

一天內(nèi)節(jié)電總量：4.9kW·h。

這里以5月～10月份的用戶節(jié)電量為例，上面已經(jīng)計(jì)算出每戶每天的節(jié)電量為3.9kW·h，那么每一百戶每年的節(jié)電量將可達(dá)到142350kW·h。

從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，假設(shè)每度電0.5元，那么按照我們提出的優(yōu)化方案計(jì)算出每戶每天節(jié)電3.9kW·h計(jì)算，每天就要節(jié)省大約2元的支出，一年就要節(jié)省大約730元的支出。對(duì)于用戶來(lái)講就可以有一個(gè)類(lèi)似激勵(lì)的效用，督促每家每戶節(jié)省用電。

6 結(jié)論

用電器分類(lèi)測(cè)量終端將會(huì)得到不斷的發(fā)展和完善，為人們提供更為安全、快捷、低碳的生活環(huán)境[8]。在智能電網(wǎng)建設(shè)的大背景下，本文給出基于AM I實(shí)現(xiàn)的家庭智能化測(cè)量終端的設(shè)計(jì)模型，通過(guò)對(duì)終端的芯片結(jié)構(gòu)和原理框圖進(jìn)行說(shuō)明，提出了一個(gè)比較合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，最后給出了在使用分類(lèi)測(cè)量裝置后，用戶可以達(dá)到的節(jié)能效果。終端的實(shí)現(xiàn)致力于用戶智能化用電，讓智能電網(wǎng)的發(fā)展更加深入人心，預(yù)計(jì)在未來(lái)生活中將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。

[1] 許曉慧.智能電網(wǎng)導(dǎo)論[M].中國(guó)電力出版社,2009.

[2] 孫沖,張穎琦,耿建坡.智能電網(wǎng)建設(shè)對(duì)電力需求側(cè)管理的影響[J].河北電力技術(shù),2009,11(28).

[3] 余貽鑫.智能電網(wǎng)的技術(shù)組成和實(shí)現(xiàn)順序[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(2):1-5.

[4] 欒文鵬.高級(jí)量測(cè)體系[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(2):6-10.

[5] 歷友平,用電分類(lèi)計(jì)量工作中應(yīng)重點(diǎn)考慮的幾個(gè)問(wèn)題[J].能源計(jì)量, 2009.1(1):40-41.

[6] 吳明光,婁嘉駿,王修暉.基于低壓電力線載波技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2003,15(5):77-81.

[7] Anon.AM I Technology Trials Report [R].Australia:Department of Primary Industries,2007.

[8] HAASE P. IntelliGrid: A Smart Network of Power [J].EPRI Journal, 2005:17-25.