邢兆群，陳春，侍必勝，郭振東

(1.山西太原供電分公司，山西 太原 030012;2.國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 210061)

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和科技水平的不斷提高，先進的通信、信息和控制技術滲入到生活的各個領域，同時改變了人們的生活理念，影響了生活習慣，提高了生活品質。同時，人們也開始追求智能化和信息化的居住環(huán)境，營造安全、舒適、高效和便捷的綠色住宅，在這種形勢下，智能用電小區(qū)應運而生[1]。

智能住宅的概念在歐美等發(fā)達國家得到了廣泛認同和發(fā)展。美國政府圍繞智能電網(wǎng)建設，在創(chuàng)造高滲透性能源配送和充電網(wǎng)絡條件的過程中發(fā)展安全、高效和可靠性強的保護和控制性技術，發(fā)展運作支持工具技術等[2]。

2006年法國、比利時、德國等歐盟國家選擇1000戶家庭住宅進行以住宅節(jié)能和減少碳排放為目標的實證研究[3－4]。在日本開展的智能家居研究項目中，主要實現(xiàn)家庭能源管理系統(tǒng)[5]。2008年荷蘭阿姆斯特丹啟動了智能用電小區(qū)相關建設工作，包括智能供用電、智能表計、電動汽車充電站、太陽能屋頂、LED路燈改造等17項試點工作[6]。

近幾年，我國智能住宅小區(qū)的發(fā)展很快，國家電網(wǎng)公司提出智能電網(wǎng)概念并積極開展智能小區(qū)相關的各類技術研究[7]。2009年6月，國家電網(wǎng)公司在北京、浙江開展以光纖和電力線寬帶等通信技術構筑的網(wǎng)絡為基礎的示范展示工作。2010年在重慶、上海、河北等地開展了智能用電小區(qū)的試點工程建設，并取得一系列的成果[8]。

智能用電小區(qū)是適應分布式電源廣泛應用、電動汽車充電裝置發(fā)展、居民和小區(qū)物業(yè)對供電服務日趨多樣的要求，以及現(xiàn)代控制技術應用和國家“三網(wǎng)融合”戰(zhàn)略的實施而發(fā)展起來的現(xiàn)代化居住示范區(qū)。為居民和物業(yè)提供安全可靠、清潔環(huán)保和便捷高效的居住場所，集中展現(xiàn)智能用電成果，提高小區(qū)內能源利用效率[9]。

目前我國智能電網(wǎng)第一階段建設已經(jīng)完美收官，多個智能小區(qū)示范工程建設完成并投入運行，但智能用電小區(qū)還存在系統(tǒng)集成性低、互動性低、硬件環(huán)境復雜、管理混亂等諸多問題。本文從研究智能電網(wǎng)如何應用于居住區(qū)和探索智能用電小區(qū)建設目標的角度出發(fā)，將智能用電小區(qū)內所有系統(tǒng)集成到統(tǒng)一平臺上，提出智能用電小區(qū)綜合應用互動集成系統(tǒng)，詳細闡述了智能用電小區(qū)的系統(tǒng)架構、通信網(wǎng)絡建設及智能用電小區(qū)關鍵技術。

1 智能用電小區(qū)的內涵及建設目標

1.1 智能用電小區(qū)的內涵

智能用電是智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能用電技術的快速發(fā)展，賦予了智能小區(qū)新的內涵，開展智能小區(qū)試點建設工作，是為了探索我國智能小區(qū)的發(fā)展方向和建設模式，應用和驗證關鍵技術，展示智能電網(wǎng)研究成果，達到宣傳智能用電先進理念、提升供電服務水平和促進智能小區(qū)有序發(fā)展的目的[10－13]。

1.2 智能用電小區(qū)的建設目標

智能用電小區(qū)實現(xiàn)對小區(qū)內電力應用及社區(qū)應用無盲點的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)實時和非實時信息的高度集成、共享與利用。智能用電小區(qū)充分展示國網(wǎng)公司在智能配電、清潔能源開發(fā)、智能用電、智能家居、用能綜合利用及用能管理方面的能力、實力及效果讓居民最終感受到智能電網(wǎng)帶來的生活品質的提高，進而引導相關應用的規(guī)范、有序發(fā)展，深入推進智能配用電的研究、建設和發(fā)展。

1.2.1 實現(xiàn)電網(wǎng)與客戶互動，提供多樣化供電服務

統(tǒng)籌應用實施95598互動網(wǎng)站、用電信息采集系統(tǒng)、客戶用能服務系統(tǒng)、分布式電源與儲能管理系統(tǒng)、電動汽車充電管理系統(tǒng)、營銷業(yè)務應用系統(tǒng)等，通過電腦、自助終端、智能交互終端、智能監(jiān)控終端、電話、手機等互動渠道，為居民客戶提供多樣化供電服務。

1.2.2 實現(xiàn)能效智能化管理，提高終端用能效率

及時響應客戶自由用電需求，為居民家庭、小區(qū)公共設施提供科學用電指導;客戶可根據(jù)電網(wǎng)發(fā)布的實時電價信息和負荷信息，選擇最佳用能方案，自主做出用電需求響應;加快高耗電產(chǎn)品淘汰和節(jié)電新產(chǎn)品、智能電器的推廣應用，實現(xiàn)家用電器實時監(jiān)測和運行智能控制;降低居住區(qū)整體能耗，提高終端用能效率和電能占終端能源消費的比重。

1.2.3 開展增值服務，探索電力光纖到戶商業(yè)運營模式

采用光纖復合低壓電纜等技術，構建小區(qū)通信信息網(wǎng)絡，積極開展增值服務，拓寬營銷服務市場，提升供電服務能力和水平;服務國家“三網(wǎng)融合”戰(zhàn)略的實施，積極探索電力光纖到戶的商業(yè)運營模式。

2 綜合應用互動集成系統(tǒng)

智能用電小區(qū)綜合應用互動集成系統(tǒng)是一套大型應用集成系統(tǒng)，將整個智能用電小區(qū)用到的系統(tǒng)集成到統(tǒng)一平臺上。系統(tǒng)的集成解決了多套系統(tǒng)硬件環(huán)境復雜、管理混亂的問題，方便用戶使用和管理者管理。

2.1 系統(tǒng)硬件結構

綜合應用互動集成系統(tǒng)的硬件主要包括一個一臺前置/SCADA服務器、一臺數(shù)據(jù)服務器、一臺WEB發(fā)布服務器、三臺交換機、一臺硬件防火墻和一臺縱向安全認證裝置。

綜合應用互動集成系統(tǒng)硬件分布在二個安全區(qū)中:電力網(wǎng)安全區(qū)和公網(wǎng)區(qū)，兩者之間通過一個防火墻進行安全隔離，系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)軟件結構

綜合應用互動集成系統(tǒng)的軟件由操作系統(tǒng)、服務應用平臺和信息發(fā)布平臺共三個層次組成。其中:操作系統(tǒng)包括Unix、Linux和Windows;服務應用平臺主要負責數(shù)據(jù)采集和處理;服務應用平臺包括基本的通用業(yè)務服務和具體業(yè)務處理兩部分，信息發(fā)布平臺采用B/S結構，實現(xiàn)人機接口界面，系統(tǒng)軟件層次結構如圖2所示。

3 智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡

智能小區(qū)系統(tǒng)架構是在通信網(wǎng)絡支撐下由各業(yè)務系統(tǒng)相互關聯(lián)而構成的。小區(qū)網(wǎng)絡建設分為電力專網(wǎng)和電力公網(wǎng)兩種。電力專網(wǎng)為電力業(yè)務提供通信支撐網(wǎng)絡，各信息采集點均實現(xiàn)了光纖接入，提供寬帶通信網(wǎng)絡。電力公網(wǎng)為小區(qū)用戶實現(xiàn)智能家居、Internet、電話等業(yè)務提供通信網(wǎng)絡平臺，兩種網(wǎng)絡分別建立一套光纖網(wǎng)絡，采用同纜不同芯的方式建設兩套EPON系統(tǒng)，使兩種業(yè)務實現(xiàn)物理隔離，保證數(shù)據(jù)傳輸安全、穩(wěn)定?？傮w結構分為主站系統(tǒng)、變電站、小區(qū)配電室和業(yè)務接入點四層，如圖3所示。

4 智能用電小區(qū)關鍵技術

智能電網(wǎng)條件下智能小區(qū)關鍵技術包括6種業(yè)務功能和1個綜合管理系統(tǒng)，分別為綜合應用互動集成系統(tǒng)、用電信息采集、小區(qū)配電自動化、分布式電源接入、電動汽車充電樁、智能家居、智能社區(qū)和綜合應用互動集成系統(tǒng)。

4.1 小區(qū)配電自動化

智能配電是智能電網(wǎng)建設各類成果在用戶端的集中體現(xiàn)，是聯(lián)系電力用戶和智能電網(wǎng)的樞紐，是智能電網(wǎng)優(yōu)越性的最終體現(xiàn)環(huán)節(jié)，應實現(xiàn)的功能如下:

(1)小區(qū)配電系統(tǒng)運行監(jiān)控 實現(xiàn)小區(qū)配電系統(tǒng)及公共用電設施的遙信、遙測、遙控等，實現(xiàn)運行監(jiān)控信息的圖形化管理和狀態(tài)自動報警功能。

圖3 智能用電小區(qū)通信網(wǎng)結構

(2)故障自動檢測與隔離 小區(qū)配電自動化系統(tǒng)對配電系統(tǒng)的故障進行自動診斷和自動隔離，以減少故障停電范圍，恢復非故障段供電。及時告知小區(qū)用戶故障信息，并協(xié)調各部門進行故障處理。

4.2 分布式電源

小區(qū)分布式電源是小區(qū)微電網(wǎng)的重要組成部分，分布式電源的可靠接入是配電網(wǎng)系統(tǒng)的有益補充。小區(qū)微電網(wǎng)是小區(qū)各種分布式電源、儲能單元、負荷監(jiān)控以及保護裝置組成的集合體，應實現(xiàn)的功能如下:

(1)小區(qū)分布式能源系統(tǒng)運行監(jiān)控 實現(xiàn)小區(qū)光伏發(fā)電、儲能的遙信、遙測、遙控等，實現(xiàn)運行監(jiān)控信息的圖形化管理和狀態(tài)自動報警功能。

(2)分布式能源系統(tǒng)運行模式控制 微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換到獨立運行模式，以及微電網(wǎng)從獨立運行模式重新切換回并網(wǎng)模式;并網(wǎng)設置上限模式，儲能削峰填谷模式之間的切換，各種運行模式下定值和計劃值的修改。

(3)小區(qū)分布式能源系統(tǒng)運行統(tǒng)計 統(tǒng)計分布式能源的小時、日、月和年度發(fā)電量，各種累計發(fā)電量，各種運行統(tǒng)計，儲能轉換效率，儲能充放電計量統(tǒng)計。

4.3 電動汽車充電樁

根據(jù)智能用電小區(qū)的建設需求并結合國網(wǎng)公司“統(tǒng)一標準、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標識、優(yōu)化分布、安全可靠、適度超前”的電動汽車充電設施的建設原則，實現(xiàn)充電樁監(jiān)控信息的集中傳輸，完成信息與綜合應用互動集成系統(tǒng)下電動汽車充電樁管理子系統(tǒng)的互聯(lián)，應實現(xiàn)的功能如下:

(1)充電樁控制調節(jié)功能 系統(tǒng)向充電樁下發(fā)控制命令，遙控充電機起停、校時、緊急停機、遠方設定充電參數(shù)等，系統(tǒng)可以按照預定策略選擇定時、定額等方式對電動汽車充電進行控制管理。

(2)充電數(shù)據(jù)采集功能 采集充電樁工作狀態(tài)、故障信號、功率、電壓、電流等。

(3)圖形化操作界面 系統(tǒng)可以顯示充電數(shù)據(jù)實時(以及歷史)曲線圖、棒圖、系統(tǒng)運行工況圖(包括充電機運行狀態(tài)、通道狀態(tài))、實時數(shù)據(jù)表格等不同種類的畫面。

4.4 智能家居交互

智能家居以住宅為平臺，利用先進的計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術、綜合布線技術和無線技術，提供友好的智能家居遠程管理界面將與家居生活有關的各種子系統(tǒng)有機地結合在一起。智能用能服務系統(tǒng)是智能電網(wǎng)用電能效提升的關鍵，應實現(xiàn)的功能如下:

(1)提供智能家居用能信息的查詢 支持以日、月、年和時間段的查詢方式，查詢的用能信息結果以曲線圖、棒圖、餅圖和表格數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)。

(2)提供用能分析結果查詢 通過用能分析界面可以查詢智能家居的用能比例、用能同比、分時用能、階梯用能和用能評測。

(3)根據(jù)智能家居的用能情況 綜合階梯峰谷電價、小區(qū)氣象環(huán)境、分布式電源接入、家居待機能耗、用戶用電習慣等因素，提供用能建議和用能策略;實現(xiàn)能耗遠程分析，讓能源管理不再受地域和時間的限制。

5 結束語

本文在明確智能用電小區(qū)建設目標的基礎上提出了智能用電小區(qū)的綜合應用互動集成系統(tǒng)架構、通信網(wǎng)絡結構和關鍵技術。研究成果已經(jīng)有了實際應用的實例，為智能用電小區(qū)建設提供了重要參考，目前綜合應用互動集成系統(tǒng)用于智能用電小區(qū)試點工程建設，在今后的研究中還需要對系統(tǒng)進一步優(yōu)化，一方面提升系統(tǒng)性能，另一方面加強智能用電服務系統(tǒng)與小區(qū)智能系統(tǒng)集成，實現(xiàn)互聯(lián)互通、業(yè)務協(xié)調和信息共享。

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