寧志毫

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

面向工業(yè)用戶的智能用電監(jiān)控與管理系統(tǒng)

寧志毫

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

探討工業(yè)用戶在電能質量監(jiān)測、設備能耗分析、負荷監(jiān)控管理及廠用光伏新能源發(fā)儲配等智能用電方面的需求，并建立一個工業(yè)用戶智能用電監(jiān)控管理平臺，以期推進工業(yè)用戶智能電網(wǎng)建設，實現(xiàn)節(jié)能降耗、能源高效利用的目的。

智能用電；工業(yè)用戶；節(jié)能降耗；電能質量

智能用電技術是智能電網(wǎng)的重要組成部分，利用通信、信息、計算機等技術，在供、用電雙方良好互動的基礎上，為用戶提供優(yōu)質電能與服務，最終實現(xiàn)電能資源的合理分配和高效利用。

工業(yè)用戶屬于高耗能企業(yè)，存在諸多問題亟待解決:一方面供電系統(tǒng)存在設備能耗大、電能質量差、功率因數(shù)低等問題；另一方面企業(yè)內部控制管理存在設備監(jiān)控不足、設備運行狀態(tài)難以有效把控、生產與經(jīng)濟效益分析不足等問題。此外，國家積極推進社會節(jié)能降耗，工業(yè)用戶在節(jié)能降耗方面應發(fā)揮應有的作用。

已有文獻在電網(wǎng)電能質量、配電網(wǎng)新能源及儲能、系統(tǒng)能耗分析及用戶需求管理等方面開展了智能用電的研究〔1－10〕。文中主要面向工業(yè)用戶，在電能質量、負荷監(jiān)控、能耗分析、光伏新能源發(fā)儲配等方面提出智能用電需求，并建立一套面向工業(yè)用戶的智能用電監(jiān)控與管理系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)工業(yè)用戶的節(jié)能降耗、安全生產、能源的高效利用，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，達到國家與企業(yè)雙贏。

1 智能用電監(jiān)控與管理系統(tǒng)

工業(yè)用戶智能用電監(jiān)控與管理系統(tǒng)分為3個部分，分別為設備終端狀態(tài)信息層、通訊網(wǎng)絡及監(jiān)控與管理主站，結構圖如圖1所示。

監(jiān)控與管理主站硬件部分包括通信前置機、數(shù)據(jù)庫服務器、Web服務器以及監(jiān)測計算機。前置機主要負責各數(shù)據(jù)信息的上傳處理，實現(xiàn)終端設備層與主站監(jiān)測層的數(shù)據(jù)交互，并將采集的數(shù)據(jù)進行算法分析后存入數(shù)據(jù)庫服務器；Web服務器將需交互的信息發(fā)布至各部門，實現(xiàn)智能用電的監(jiān)控與管理。主站軟件包括電能質量監(jiān)控、設備能耗分析、負荷監(jiān)控、光伏新能源發(fā)儲配4個功能模塊。

通訊網(wǎng)絡分為無線專網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)，可根據(jù)實際情況選取。

圖1 智能用電監(jiān)控與管理系統(tǒng)結構圖

設備終端狀態(tài)信息包括電能質量終端信息、能耗監(jiān)控信息、負載監(jiān)控信息和光伏儲能信息。

電能質量終端信息包括監(jiān)測的諧波、三相不平衡、電壓波動等電能質量信息量以及有功功率、無功功率、功率因數(shù)等信息量，通過以太網(wǎng)或專用無線網(wǎng)傳輸至監(jiān)控與管理主站。

能耗監(jiān)控信息包括各生產設備及系統(tǒng)的能耗信息，對于生產設備，需安裝專門的電能量測試設備，將實時信息通過以太網(wǎng)傳輸至監(jiān)控與管理主站進行分析與控制。

負荷監(jiān)控信息為各主要支路及母線的實時負荷信息。各生產部門與配電網(wǎng)絡的TV，TA信號是監(jiān)控各節(jié)點負荷情況的依據(jù)，此類信號通過合并單元，由光纖以太網(wǎng)傳送至監(jiān)控與管理主站進行采集、分析。

光伏儲能信息包括光伏發(fā)電量、儲能系統(tǒng)的能量信息。監(jiān)控方式為將光伏并網(wǎng)點以及儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點的TV，TA信號，通過光纖以太網(wǎng)傳送至監(jiān)控與管理主站進行采集、分析。

2 智能用電需求及子系統(tǒng)

2.1 電能質量監(jiān)測

工業(yè)用戶，如煉鋼、化工企業(yè)等，一般采用大功率電力電子器件，且負荷類型為非線性，是電力系統(tǒng)主要的諧波源，可引起諧波污染、電壓波動、三相不平衡等電能質量問題。為實時掌控電能質量狀況，可通過在若干重要節(jié)點安裝電能質量監(jiān)測終端，對關注的電能質量指標進行實時監(jiān)控，并將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至后臺進行分析。圖2為電能質量監(jiān)測系統(tǒng)結構圖。

圖2 電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)體系結構圖

電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的相關技術問題有以下幾個方面:1)監(jiān)測點應選擇主要的母線，如主變的高壓側、10 kV配變母線以及諧波污染嚴重的供電線路，如有大功率電力電子器件的生產線路、光伏等新能源并網(wǎng)點等；2)在線監(jiān)測終端應符合國家相關標準，如《電能質量監(jiān)測終端技術規(guī)范》、《電能質量監(jiān)測設備通用要求》等，具有統(tǒng)計所有電能質量穩(wěn)態(tài)指標以及電壓暫降、短時中斷等暫態(tài)指標功能，精度應不低于0.5級；3)通訊網(wǎng)絡可采用廠內以太網(wǎng)，或GPS，CDMA等無線網(wǎng)絡。

2.2 負荷監(jiān)控管理

負荷監(jiān)控管理是對用戶的供電設備、重要生產負荷的監(jiān)控，監(jiān)控指標包括電網(wǎng)及設備運行狀況、電壓電流狀況等，監(jiān)控數(shù)據(jù)可從電能質量監(jiān)測模塊及計量表獲取。根據(jù)負荷類型的不同可將負荷分為重要生產負荷、廠用一般動力負荷、廠用照明負荷等，可采用不同監(jiān)控管理模式，分別建立重要安全等級，根據(jù)監(jiān)控情況，對可能發(fā)生的狀況及時發(fā)布預警信息，并制定相應的應對措施，避免引起安全生產事故。

對重要生產負荷的監(jiān)控管理模式可采用以下方式:1)根據(jù)設備運行信息判斷設備是否正常運行；2)根據(jù)電壓、電流、功率以及功率因數(shù)等信息量判斷負荷生產階段及效果，以此采取有載調壓、投退諧波治理與無功補償設備；3)正常運行時，能及時發(fā)布預警信息，實現(xiàn)監(jiān)控主站與生產現(xiàn)場的信息交互；在設備存在故障時，能實現(xiàn)對設備的及時有效控制。

2.3 設備能耗監(jiān)控分析

能耗分析是通過技術手段掌握工業(yè)用戶主要供電設備、生產線路的能耗情況，通過分析幫助用戶查找導致能耗增加的設備、工藝和管理缺陷，以期在技術改進、生產工藝、以及管理等多方面提出降低能耗、合理用電的措施，達到節(jié)約用電、提高效益、節(jié)約電費的目的，同時也能為大電網(wǎng)的安全運行提供保障。

能耗監(jiān)控可采用在線采集的模式，以大功率整流系統(tǒng)為例，其能耗采集系統(tǒng)結構如圖3所示。由于應監(jiān)測各供電設備的實時功率，因此需在各測點安裝采集終端，并采用同步觸發(fā)采集機理，確保設備效率、能耗計算的正確與合理性。采集的數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)傳至監(jiān)控與管理主站。

圖3 設備及系統(tǒng)能耗采集系統(tǒng)結構圖

根據(jù)能耗監(jiān)控分析結果，結合負荷情況、用電需求、經(jīng)濟成本及國家相關政策，有針對性地采取智能、高效用電措施，如通過調節(jié)開關檔位調壓、調節(jié)可控器件的控制方式等提高設備運行效率，減少設備損耗；提高生產工藝，根據(jù)負荷特性采用不同的控制方式，降低產品單位能耗；調整生產時段與方案，錯開用電高峰期，在產量不變的情況下減少電費支出；開展諧波治理投入的經(jīng)濟性評價，制定最優(yōu)的諧波治理裝置投退策略。該功能可通過交互的模式為電力用戶提供高效的用電控制與管理，實現(xiàn)各類能耗指標、能源利用率評價、用電經(jīng)濟性評價等方面的綜合分析。

2.4 光伏能源發(fā)儲配管理

近幾年來，隨著國家對光伏等新能源的大力支持，光伏在工業(yè)用戶中取得了迅速發(fā)展。但由于光伏發(fā)電的波動性、周期性等特點，光伏的高效利用一直是一個難題，因此光伏儲能應運而生。儲能技術主要有蓄電池儲能、超級電容儲能、飛輪儲能和超導磁儲等集中形式，在微網(wǎng)中可實現(xiàn)需求側管理、削峰填谷、降低供電成本，以及促進可再生能源應用、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質量的功能。

可在以下幾方面開展光伏能源儲配管理應用研究:1)根據(jù)用戶需求及成本，探討儲能系統(tǒng)產生的經(jīng)濟效益與建設儲能系統(tǒng)的成本關系，合理選取儲能配置設備；2)結合用戶負荷情況，合理選擇光伏發(fā)電的儲能控制策略，兼顧用電可靠性、電能質量和電網(wǎng)的削峰填谷，實現(xiàn)光伏的高效利用；3)加強儲能設備狀態(tài)監(jiān)控管理，實現(xiàn)最優(yōu)化的儲能系統(tǒng)運作模式。

3 結論

用電是電力供配中最關鍵的環(huán)節(jié)之一，用戶的智能用電，特別是高耗能工業(yè)用戶的智能用電，是智能電網(wǎng)建設不可或缺的一部分，對智能電網(wǎng)建設、節(jié)能降耗均具有重要意義。文中通過對工業(yè)用戶的電能質量監(jiān)測、設備能耗監(jiān)控分析、負荷監(jiān)控管理以及光伏能源發(fā)儲配管理等智能需求的研究，提出了一套工業(yè)用戶智能用電監(jiān)控與管理系統(tǒng)，在實現(xiàn)高耗能行業(yè)的節(jié)能降耗、電能高效利用、保護環(huán)境等方面將具有重要的推動作用。

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Monitoring and management system of industrial customers’smart power utilization

NING Zhihao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The smart power utilization demands of power quality monitoring，analysis of electrical equipments energy consumption，loads monitoring and management，and power generation storage and distribution of photovoltaic new energy are introduced.Then，a monitoring and management system of smart power utilization is established for industry customers.It will contribute to smart grid construction，energy saving and proving electric power consuming efficiency of the industry customers. Key words:smart power utilization；industry customers；energy saving；power quality

TM727；F407.6

B

1008-0198(2016)01-0001-03

寧志毫(1983)，男，河南洛陽人，博士，工程師，主要從事電能質量分析與控制、新能源并網(wǎng)測試與評估等。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.001

2015-06-15

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目(5216A514003G)