黨存祿，吳青峰，葛智平

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源危機的加劇，智能電網(wǎng)技術(shù)的興起，利用分布式清潔能源、電動汽車、配電自動化、電力光纖通信等智能電網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的智能小區(qū)因具有低碳環(huán)保、安全舒適、能提供更高的供用電服務(wù)質(zhì)量等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。智能小區(qū)的建設(shè)，能夠研究如何將智能電網(wǎng)先進技術(shù)應(yīng)用在小區(qū)，探索如何建設(shè)符合我國國情智能小區(qū)，展現(xiàn)了智能電網(wǎng)研究成果，使堅強智能電網(wǎng)先進理念得到宣傳，電網(wǎng)智能化水平和用電服務(wù)能力得到提高，全新的業(yè)務(wù)模式得到檢驗[1]。目前國內(nèi)外對智能電網(wǎng)和智能小區(qū)進行了一些研究[2-4]，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)《智能用電小區(qū)試點工程建設(shè)導(dǎo)則》[5]、《居民小區(qū)智能用電服務(wù)功能規(guī)范》[6]等國家發(fā)布的技術(shù)要求，本著實用性、先進性、前瞻性、示范性、推廣性的原則，提出了一種智能小區(qū)設(shè)計方案，并對其中的智能電網(wǎng)技術(shù)進行了研究。

1 智能小區(qū)的概念及其特點

將智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于居民居住區(qū)而構(gòu)建的新型小區(qū)，簡稱智能小區(qū)[7]。它是計算機技術(shù)、信息技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代高科技的完美結(jié)合[8]，為用戶提供了一種更加方便快捷、環(huán)保、智能的生活方式。智能小區(qū)有以下幾個特點：1）友好互動。通過部署智能交互終端、自助用電服務(wù)終端、等智能設(shè)備，能夠提供給用戶繳納電費、受理業(yè)務(wù)、故障檢修等多種互動雙向服務(wù)。通過提供用電優(yōu)化策略，能夠?qū)τ脩粲秒娦袨檫M行引導(dǎo)，使得電力供應(yīng)變的更加經(jīng)濟。2）節(jié)能環(huán)保。在智能小區(qū)中，通過柔性充電控制技術(shù)的應(yīng)用，建設(shè)了電動汽車充電樁，能夠促進電動汽車的普及。電動汽車因零排放、低噪音，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段[9]。此外，根據(jù)小區(qū)內(nèi)的自然環(huán)境，部署光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式電源，在用電高峰或停電時刻，通過分布式電源向用戶供電，達到節(jié)能環(huán)保的目的。3）安全可靠。通過對小區(qū)電能質(zhì)量及供用電設(shè)備運行狀況的監(jiān)控，實現(xiàn)故障自動檢測，故障發(fā)生時向配電自動化系統(tǒng)和95598互動網(wǎng)站等報送或轉(zhuǎn)送故障信息給電力部門，電力部門及時獲知故障情況，能快速處理故障，盡快恢復(fù)供電。

2 智能小區(qū)的框架結(jié)構(gòu)

智能小區(qū)整體設(shè)計方案（見圖1）集成了用電信息采集、配電自動化、電動汽車充電樁、智能家居、光伏發(fā)電系統(tǒng)等智能電網(wǎng)技術(shù)。實現(xiàn)了小區(qū)各種信息的采集、分析、處理、控制，相關(guān)子系統(tǒng)信息的綜合利用，與小區(qū)物業(yè)管理子系統(tǒng)和智能用電小區(qū)95598網(wǎng)上互動業(yè)務(wù)實現(xiàn)集成。通過通信網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)智能用電功能集中展示及電力部門和客戶之間的雙向互動；采用電力光纖到戶（Power Fiber to the Home，PFTTH）技術(shù)和以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）通信技術(shù)[10-11]實現(xiàn)光纖到戶，服務(wù)三網(wǎng)融合，為低壓配電自動化、用電信息等提供通道；通過每個小區(qū)物業(yè)展示大廳的電子公示屏，實現(xiàn)了對智能用電小區(qū)系統(tǒng)的綜合展示；智能家電和光伏發(fā)電的各種信息可以在智能交互終端進行綜合展示。

3 智能小區(qū)中的智能電網(wǎng)技術(shù)分析

3.1 用電信息采集

智能小區(qū)用電采集系統(tǒng)具有寬帶通信信息網(wǎng)絡(luò)特征，能夠全方位采集電力客戶的用電信息。小區(qū)采用“EPON+電能表”方式對用電信息進行采集，數(shù)據(jù)采用光纖通信方式。在居民區(qū)隔幾層設(shè)置一個ONU，對于獨立放置的計量點可單獨設(shè)置一個ONU；小區(qū)通信信道采用電能表、寬帶載波采集器、集中器相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了寬帶載波通信。將寬帶集中器安裝在配變處，利用電能表接口直接對配變關(guān)口表進行采集，利用采集器采集居民單/三相電能表和一般工商業(yè)客戶的數(shù)據(jù)。采集器連接到置于小區(qū)配電室的集中器，進行數(shù)據(jù)采集，由集中器傳至供電部門內(nèi)網(wǎng)進行采集，用電信息采集覆蓋小區(qū)所有客戶。

圖1 基于智能電網(wǎng)的智能小區(qū)整體設(shè)計方案Fig.1 The overall intelligent community design plan based on smart grid

3.2 配電自動化

小區(qū)通過配電自動化系統(tǒng)具備配電數(shù)據(jù)采與監(jiān)視控制、饋線自動化、與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)互連、視頻監(jiān)控等功能，可以監(jiān)視和控制小區(qū)低壓配電網(wǎng)的運行。系統(tǒng)主要由配電主站、配電子站、配電終端、安防設(shè)備和通信通道等部分組成。通過配電終端，實現(xiàn)對配電房高低壓線路上的三相電流、三相電壓、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等線路參數(shù)的采集；還可以實現(xiàn)線路上開關(guān)位置、儲能、過負(fù)荷、三相故障、零序過流、零序過壓、蓄電池活化、交流輸入異常等遙信信息的采集。也可以通過信息輸入實現(xiàn)對線路上遙信和遙測或者某些保護信息的采集，運行監(jiān)控信息的圖形化管理和狀態(tài)自動報警功能。配電終端設(shè)備采集遙信信息，由配電網(wǎng)子站和主站服務(wù)器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息。通過以太網(wǎng)通訊、光纖通訊等多種方式，配電終端將采集到的信息發(fā)送給配電子站，配電子站可以對多臺配電終端的信息和控制命令同時發(fā)送和接收，通過配電主站進行通訊，可以對配電主站的信息和命令進行轉(zhuǎn)發(fā)，從而使配電主站能夠監(jiān)控配電房線路。小區(qū)配電自動化系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娤到y(tǒng)的故障進行自動診斷、自動隔離，以將故障停電范圍降到最低，將非故障段供電恢復(fù)，及時告知小區(qū)客戶故障信息，并協(xié)調(diào)各部門進行快速故障處理。在小區(qū)配電室等重要區(qū)域需要安裝監(jiān)控設(shè)備，并把監(jiān)控信息傳遞到小區(qū)監(jiān)控中心以實現(xiàn)對重要區(qū)域的監(jiān)控。

3.3 分布式電源的運行控制

小區(qū)內(nèi)的分布式電源是小區(qū)微電網(wǎng)的重要組成部分，主要包括電動汽車和光伏發(fā)電兩種。電動汽車充電樁是電動汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的電動汽車能源服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施[12-13]。根據(jù)電動車充電樁建設(shè)計劃，小區(qū)共建設(shè)25個電動汽車充電樁。充電樁和充電樁管理控制子系統(tǒng)、計量計費子系統(tǒng)組成了電動汽車充電系統(tǒng)（見圖2）。后臺、充電樁和通訊管理機組成了充電樁管理系統(tǒng)。充電樁管理系統(tǒng)能夠?qū)Τ潆姌哆\行狀態(tài)進行實時保護和監(jiān)測，具備對充電計量和充電過程進行控制、避免短路等功能。計量部分和計費部分組成了計量計費系統(tǒng)，交流電能表和用電采集終端組成了計量部分；計費工作站與服務(wù)器組成了計費部分。用電采集終端通過對各個交流電能表的實時電量信息進行采集，然后將這些信息送入后臺，在后臺完成對整個電動汽車充電站的總電量、各充電樁的每次充電電量等信息的處理，同時將計費信息和電量信息存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

圖2 電動汽車充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the electric vehicle charging system

為了充分利用清潔的太陽能，小區(qū)樣板間建設(shè)主要由太陽能電池板、并網(wǎng)逆變器、智能開關(guān)、電能表、操作終端、防雷裝置等設(shè)備構(gòu)成光伏發(fā)電裝置[14]（如圖3所示）。該裝置通過把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為220 V工頻交流電，為樣板間供電，試點利用清潔的分布式能源。太陽能電池板主要用于吸收陽光，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能；逆變器可把太陽能電池板轉(zhuǎn)換成的電能送入電網(wǎng)，具有可靠性高、多種并網(wǎng)保護功能等特點，并可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控；系統(tǒng)采取防雷措施以保證系統(tǒng)在雷雨等惡劣天氣下能夠安全運行；在電能表箱內(nèi)裝設(shè)的智能電能表，可以實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電電能量計量。在樣板間的個人計算機可以顯示并網(wǎng)逆變器電壓、電流、歷史發(fā)電量等信息。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 PV system structure diagram

3.4 智能用電服務(wù)互動平臺

智能用電互動服務(wù)平臺以業(yè)務(wù)應(yīng)用和智能服務(wù)為目標(biāo)，為客戶提供智能用電服務(wù)和社會增值服務(wù)?；臃?wù)平臺系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、防火墻、隔離裝置、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、電腦操作系統(tǒng)、服務(wù)器平臺軟件組成。小區(qū)的信息系統(tǒng)由外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)構(gòu)成。小區(qū)用電服務(wù)互動信息通過內(nèi)網(wǎng)中間庫和外網(wǎng)數(shù)據(jù)庫連接到智能用電服務(wù)互動平臺。通過智能家庭網(wǎng)關(guān)、智能交互終端、智能交互機頂盒等設(shè)備，以營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、電能量按采集系統(tǒng)為支撐，利用95598互動網(wǎng)站、短信、語音等多種渠道，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向互動。根據(jù)定制要求，自助用電服務(wù)終端能夠為各類繳費者提供快捷方便、安全、輕松、可靠的繳費環(huán)境，兼容各種射頻卡、磁卡，為企業(yè)節(jié)省費用，提高服務(wù)質(zhì)量。并將預(yù)付費電表卡自助充值、自助繳納電費、自助打印、歷史記錄查詢的功能合為一體。自助用電服務(wù)終端提供了自助繳費、自助查詢、業(yè)務(wù)信息發(fā)布和實時監(jiān)控等功能。支持本地遠程兩種售電方式，實現(xiàn)了現(xiàn)金和銀聯(lián)卡兩種繳費方式。智能用電雙向互動服務(wù)向用戶提供信息查詢、便捷繳費、智能分析與遠程控制等靈活多樣的服務(wù)，提高能量利用效率，推廣低碳經(jīng)濟的發(fā)展。

3.5 智能家居

智能家居一般是指將家庭中各種與信息有關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上，以實現(xiàn)監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保證這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)[15]。在小區(qū)設(shè)置一個兩室一廳結(jié)構(gòu)的智能家居展示樣板間。樣板間系統(tǒng)由智能電器、智能交互設(shè)備、安保系統(tǒng)、電子顯示屏等子系統(tǒng)構(gòu)成，通過PFTTH方式與小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)進行。最終樣板間能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：1）實現(xiàn)智能用電服務(wù)的有關(guān)功能，如家庭用電分析、設(shè)備耗能分析、綠色用電指數(shù)、用電貼士發(fā)布等；2）實現(xiàn)對水氣表、電能表數(shù)據(jù)進行自動采集，如果有需求可以對歷史記錄進行調(diào)用，進行用能展示等；3）可以通過電話、交互機頂盒、互聯(lián)網(wǎng)等方式對家電進行遠程控制和管理。

3.6 統(tǒng)一展示平臺

為便于集中展示智能用電小區(qū)的各項試點項目，在小區(qū)內(nèi)設(shè)置了統(tǒng)一展示平臺（如圖4所示）。統(tǒng)一展示平臺由各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口軟件、綜合展示軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)器、顯示屏、工作站等部分組成，實現(xiàn)小區(qū)信息的綜合展示。通過ONU連接到四個不同的工作站，KVM將工作站視頻信號切換展示到社區(qū)電子公告屏上。展示了包括來自電動汽車充電管理系統(tǒng)、用電信息采集、配電自動化系統(tǒng)、物業(yè)管理系統(tǒng)的用電信息、用能信息、電網(wǎng)負(fù)荷和設(shè)備狀態(tài)等信息。

圖4 智能小區(qū)統(tǒng)一展示平臺Fig.4 The unified display platform of intelligent community

4 實際應(yīng)用效果

本文提出的基于智能電網(wǎng)智能小區(qū)的設(shè)計方案及其一些智能電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在蘭州某示范智能小區(qū)得到應(yīng)用，并達到了以下效果：早晨，居民在背景音樂設(shè)備的悠揚樂聲中醒來，電動窗簾拉開，開始美好的一天。智能家電通過家居的智能管理系統(tǒng)，可以做到更加方便地操控各種電器設(shè)備。從燒菜煮飯的智能電飯鍋到樣樣精通的智能微波爐，給生活帶來更多的便利體驗。在外出之前，居民只要按一個鍵就可以關(guān)閉家中所有的燈和電器。在辦公室或在出差時只需登錄網(wǎng)絡(luò)或打一個電話，家中的安全設(shè)備和家用電器立即盡在掌握，可以方便地控制家里的電器開關(guān)。不管是洗衣服還是煮飯，都可遠程控制實現(xiàn)。如果家里有煤氣泄漏或者其他突發(fā)狀況，安防系統(tǒng)會自動向物業(yè)管理系統(tǒng)發(fā)送報警。下班后，當(dāng)居民回到家中，隨著門鎖被開啟，家中的安防系統(tǒng)自動解除室內(nèi)警戒，走廊燈緩緩點亮，空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)按照設(shè)定的情景模式自動啟動，最喜歡的背景交響樂輕輕奏起，歡迎主人回家。在家中，只需一個遙控器就能控制家中所有的電器。安防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、背景音樂、視頻分布器、房門開關(guān)都被智能的無線裝置控制。實現(xiàn)感應(yīng)式控制，通過紅外感應(yīng)設(shè)備，交互終端應(yīng)能主動感應(yīng)人體所在的活動范圍，并控制所在范圍內(nèi)照明設(shè)備的啟動或關(guān)閉。智能交互終端可以查詢自家的用電、用水、用氣信息，知道每個家電的用電情況。根據(jù)智能交互終端的用電策略建議，可以做個更聰明更省錢的電力客戶。

5 結(jié)論

本文提出了一種適應(yīng)我國國情的基于智能電網(wǎng)技術(shù)的智能小區(qū)建設(shè)方案。對小區(qū)用電采集技術(shù)、配電自動化等應(yīng)用于智能小區(qū)的智能電網(wǎng)技術(shù)進行了詳細(xì)研究，部分研究成果已經(jīng)在蘭州某智能小區(qū)中得到應(yīng)用，應(yīng)用效果達到了《智能用電小區(qū)建設(shè)導(dǎo)則》中的要求，驗證了該方案的可行性，以期推動智能電網(wǎng)和智能小區(qū)在我國的發(fā)展。

[1]林弘宇，田世明.智能電網(wǎng)條件下的智能小區(qū)關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（12）：1-7.LIN Hong-yu，TIAN Shi-ming.Research on key technologies for smart residential community[J].Electrical Machinery Technology，2011，35（12）：1-7（in Chinese）.

[2]劉文，楊慧霞，祝斌.智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（10）:120-126.LIU Wen，YANG Hui-xia，ZHU Bin.Review of research on smart grid technical standard system[J].Power System Protection and Control， 2012， 40（10）:120-126 （in Chinese）.

[3]施婕，艾芊.智能電網(wǎng)實現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（19）：1-4.SHI Jie，AI Qian.Research on several key technical problems in realization of smart grid[J].Power System Protection and Control，2009，37（19）:1-4（in Chinese）.

[4]榮命哲，王小華，王建華.開關(guān)電器內(nèi)涵的新發(fā)展探討[J].高壓電器，2010，46（5）.RONG Ming-zhe，WANG Xiao-hua，WANG Jian-hua.Disscussion on new development of connotation for intelligent switchgear[J].High Voltage Apparatus，2010，46（5）（in Chinese）.

[5]國家電網(wǎng)公司.智能用電小區(qū)試點工程建設(shè)導(dǎo)則[S].2010.

[6]國家電網(wǎng)公司.居民小區(qū)智能用電服務(wù)功能規(guī)范[M].北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

[7]張素香.智能小區(qū)的商業(yè)智能[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報，2012，35（5）：94-97.ZHANG Su-xiang.Business intelligence in the smart communit[J].Beijing University of Posts and Telecommunications，2012，35（5）：94-97（in Chinese）.

[8]張超敏.智能小區(qū)周界防盜報警系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電氣應(yīng)用，2013，32（2）：36-39.ZHANG Chao-min.Smart cell perimeter anti-theft alarm system research and design[J].Electrical Applications，2013，32（2）：36-39（in Chinese）.

[9]胡澤春，宋永華，徐智威.電動汽車接入電網(wǎng)的影響與利用[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（4）:1-10.HU Ze-chun，SONG Yong-hua，XU Zhi-wei．Impacts and utilization of electric vehicles integration into power systems[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（4）:1-10（in Chinese）.

[10]王世文，謝波.EPON+PFTTH網(wǎng)絡(luò)在智能小區(qū)應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2011，44（6）：100-104.WANG Shi-wen，XIE Bo.EPON+PFTTH network applications in intelligent community[J].Communications Technology，2011，44（6）：100-104（in Chinese）.

[11]李哲毓，崔逸群，顏渝坪.Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)MS0通信程序設(shè)計[J].熱力發(fā)電，2013，42（7）：126-130.LI Zhe-yu，CUI Yi-qun，YAN Yu-ping.Design of MS0 communication program for Profibus-DP field bus control systems[J].Thermal Power Generation，2013，42（7）:126-130（in Chinese）.

[12]趙興勇，趙艷秋．智能電網(wǎng)框架下電動汽車充電設(shè)施建設(shè)研[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（11）：61-64．ZHAO Xing-yong，ZHAO Yan-qiu.Research on charging infrastructure layout for electric vehicles under smart grid[J].Power System and Clean Energy，2012，28（11）:61-64（in Chinese）.

[13]嚴(yán)輝，李庚銀，趙磊，等.電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（12）：15-19.YAN Hui， LI Qing-yin， ZHAO Lei， et al．Electric vehicle charging station monitoring system design and implementation[J].Electrical Machinery Technology，2009，33（12）：15-19（in Chinese）.

[14]鐘穎穎，束建，朱愷，等.太陽能光伏發(fā)電站防雷技術(shù)探討[J].電瓷避雷器，2012（2）：100-104.ZHONG Ying-ying，SU Jian，ZHU Kai，et al.Discussion about lighting protect of solar photovoltaic power station[J].Insulators and Surge Arresters，2012（2）:100-104 （in Chinese）.

[15]馬曉光．我國智能小區(qū)發(fā)展研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2006．