俞佳濤，張 梁，李海峰，陳智偉，周廷冬，盧光陽

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 紹興供電公司，浙江 紹興 312099；2.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著電動汽車的興起，用電量劇增，這對現(xiàn)有街區(qū)電力系統(tǒng)的設計提出了極大的挑戰(zhàn)。若是通過簡單的拓展線路、增設變壓器來實現(xiàn)擴容，必將產(chǎn)生巨大的實施成本，并且后期的運營成本也將提高。在社會高速發(fā)展的推動下，可再生能源、分布式電源、電動汽車及儲能等新興需求改變了原有的電網(wǎng)形態(tài)[1]。

近些年，許多學者聚焦于應用電力物聯(lián)網(wǎng)的能源系統(tǒng)的研究，也提出了很多相當寶貴的意見。文獻[2]從戰(zhàn)略管理層面出發(fā)，提出了電力物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式；文獻[3]深入探討了電力物聯(lián)網(wǎng)的一些關鍵技術；文獻[4]則在電力物聯(lián)網(wǎng)平臺的典型應用場景上進行了分析；文獻[5-6]提出利用可再生能源和電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)能源的轉型。

現(xiàn)有的電力物聯(lián)網(wǎng)社區(qū)能源系統(tǒng)方案在一定程度上能夠實現(xiàn)社區(qū)電力系統(tǒng)的智能化管理，但是在技術上依然存在著以下不足之處：第一，未考慮到未來社區(qū)的電網(wǎng)負載問題，沒有考慮到電動汽車的充電需求對電網(wǎng)的影響；第二，不能實現(xiàn)小區(qū)光伏系統(tǒng)的就地管理，小區(qū)的屋頂光伏系統(tǒng)不能就地消化，造成了小區(qū)光伏電的傳輸損耗；第三，小區(qū)電力系統(tǒng)的故障檢測依賴于用戶的反饋，不能做到防患于未然。

為解決現(xiàn)在技術存在的上述問題，本文提出一種兼顧了未來社區(qū)電動汽車的充電需求、未來小區(qū)屋頂光伏系統(tǒng)的管理需求、社區(qū)原電力設備的智能化需求方案，可以實現(xiàn)小區(qū)電力荷載動態(tài)分配，屋頂光伏系統(tǒng)就近利用，電力設備狀態(tài)檢測的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)概念及基本特征

在人類文明的發(fā)展過程中，誕生了許多推動社會前進的人工系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中電力系統(tǒng)有著極其重要的地位，電力系統(tǒng)結構非常復雜，而且隨著社會的發(fā)展，人們對電網(wǎng)在安全性、可靠性、經(jīng)濟性上的要求越來越高，對電網(wǎng)系統(tǒng)進行智能化的升級已成為全球共識[7]。

1.1 電力物聯(lián)網(wǎng)概念

電力物聯(lián)網(wǎng)是一種智慧服務系統(tǒng)，通過移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的智能交互，具有狀態(tài)感知、高效便捷的特征[8]。電力物聯(lián)網(wǎng)通過“大云物移智”和邊緣計算、區(qū)塊鏈等先進技術，將所有與電網(wǎng)相關的人、事和設備連接起來，實現(xiàn)對內(nèi)“數(shù)據(jù)一個源、電網(wǎng)一張圖、業(yè)務一條線”推動數(shù)據(jù)共享融通、業(yè)務全面貫通[8]。同時，對外廣泛連接多樣服務，延伸業(yè)務范圍，拓展服務對象，創(chuàng)新商業(yè)模式，積極培育和發(fā)展新興業(yè)態(tài)[8]。

1.2 電力物聯(lián)網(wǎng)基本特征

電力物聯(lián)網(wǎng)將電網(wǎng)系統(tǒng)實體與互聯(lián)網(wǎng)通信技術結合在一起，可實現(xiàn)多種能源系統(tǒng)在物理、時空、商業(yè)三個不同維度的有機融合。電力物聯(lián)網(wǎng)主要具備以下4個特征，分別為：全息感知、泛在連接、開放共享、融合創(chuàng)新。全息感知是指對物品信息進行識別，動態(tài)獲取用戶的信息；泛在連接將電力系統(tǒng)中所有設備、用戶的信息和數(shù)據(jù)進行連接；開放共享指在統(tǒng)一平臺上利用智能技術對數(shù)據(jù)進行共享和管理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，挖掘有效信息；融合創(chuàng)新實現(xiàn)了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行并且促進了電力改革[9-10]。

2 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)總體架構和功能體系

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)是未來社區(qū)的組成單元之一，其聚焦人本化、生態(tài)化、數(shù)字化三維價值坐標，以滿足人們美好生活向往為目標，結合前沿的物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)綠色低碳、智能便捷的社區(qū)建設。電力物聯(lián)網(wǎng)社區(qū)能源系統(tǒng)主要由4部分功能組成，分別為：智能表箱系統(tǒng)、屋頂光伏系統(tǒng)、智能充電樁系統(tǒng)、智能配電運檢系統(tǒng)。同時，各個用能設備互聯(lián)互通，通過“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總，圖1為智慧社區(qū)能源系統(tǒng)結構圖。其中，智能表箱系統(tǒng)暫未接入“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP，這里采用一個獨立的APP進行監(jiān)控。

圖1 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)結構圖

2.1 智能表箱系統(tǒng)

表箱安裝智能防火裝置，實時監(jiān)測表計線纜與表箱空間溫度，溫度超過閾值時系統(tǒng)自動推送報警。當溫度激增導致火情瞬時突發(fā)時，裝置能自動啟動滅火程序進行滅火，防止火勢擴大，保障社區(qū)用電安全。

2.2 智能光伏系統(tǒng)

社區(qū)屋頂光伏系統(tǒng)主要為社區(qū)提供電能、儲備電能、就地使用電能。屋頂光伏系統(tǒng)包括設置于屋頂?shù)墓夥l(fā)電單元、社區(qū)光伏發(fā)電站站房。社區(qū)光伏發(fā)電站站房內(nèi)設置有光伏發(fā)電管理系統(tǒng)及儲能設備。社區(qū)內(nèi)光伏就地消納功率與接入的變配電設備損耗相近，可基于設備損耗對分布式能源實現(xiàn)就地消納，從而實現(xiàn)無損社區(qū)建設，集供、儲、用電為一體。

2.3 智能充電樁系統(tǒng)

智能充電樁系統(tǒng)的功能是為社區(qū)的電動汽車提供快充以及共享數(shù)據(jù)給車聯(lián)網(wǎng)平臺。智能充電樁系統(tǒng)包括若干個充電樁和充電樁管理系統(tǒng)，充電樁的電力電路與社區(qū)公共電站內(nèi)的功率控制設備連通，充電樁管理系統(tǒng)分別與車聯(lián)網(wǎng)平臺、“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP通信連接?！熬W(wǎng)上國網(wǎng)”APP可為電動汽車主提供汽車充電線上服務，助力構建未來交通出行圈。

2.4 智能配電運檢系統(tǒng)

智能配電運檢系統(tǒng)用于實現(xiàn)社區(qū)用戶的多元化電力綜合服務及監(jiān)控社區(qū)電力系統(tǒng)各個設備及負載情況，預測設備故障的可能性，將高危設備預警發(fā)送給運檢人員。用戶通過手機APP可實現(xiàn)通電、交費、辦電、能源服務等業(yè)務“一網(wǎng)通辦”。

3 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)技術設計

智慧社區(qū)能源系統(tǒng)各個部分的系統(tǒng)功能主要通過表箱防控技術、光伏新能源技術、智能充電樁技術以及“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP實現(xiàn)。表箱防控技術通過溫度報警以及火災滅火達到維護社區(qū)用電安全的目的；光伏新能源技術通過屋頂?shù)奶柲芄璋鍖崿F(xiàn)了社區(qū)電能就地消納；智能充電樁技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，將數(shù)據(jù)接入車聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)了住戶的便捷出行。

3.1 表箱防控技術

表箱集成了智能溫控與自動滅火系統(tǒng)。如圖2所示為智能表箱智能溫控與自動滅火系統(tǒng)框圖。當溫感線束或紅外測溫模塊監(jiān)測到溫度超過預先設定的安全溫度范圍上限時，防火控制器會通過電力物聯(lián)網(wǎng)向APP發(fā)送設備溫度異常預警，等待用戶發(fā)出指令控制斷路器切斷箱體節(jié)點總閘，并打開電控氦氣釋放閥門釋放氦氣以及打開電控排氣閥門排出空氣，對表箱內(nèi)部進行阻燃。

圖2 智能表箱智能溫控與自動滅火系統(tǒng)框圖

溫度傳感器為表箱溫控功能的核心器件之一，本文采用德國賀力士鍍鉑鎳線高精度的PT100溫度傳感器，該傳感器能夠在-50～200 ℃溫度范圍內(nèi)長期工作。自動滅火裝置采用一種新型氣溶膠自動滅火裝置，自動滅火裝置的溫感線束可以探測線束路徑上的環(huán)境溫度。當線束感應溫度達到或超過160 ℃時，線束觸發(fā)滅火裝置自動噴發(fā)出氮氣、二氧化碳等惰性氣體，實現(xiàn)相對封閉空間內(nèi)的自動滅火。

表箱內(nèi)安裝了數(shù)據(jù)傳輸終端，負責數(shù)據(jù)的收集和傳輸，可以將溫度傳感器獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云，同時對自動滅火裝置的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。當自動滅火裝置觸發(fā)時，數(shù)據(jù)傳輸終端會第一時間進行火災報警，通過物聯(lián)網(wǎng)云發(fā)送到管理員手機上。

3.2 智能充電樁技術

充電樁按照新國標下電動汽車充電接口及通信協(xié)議設計，具有通用性。充電接頭采用上出線口的設計，可節(jié)省操作者體力；充電樁內(nèi)部強電和弱電進行了隔離保護，避免因為內(nèi)部短路造成充電樁短路或者人體觸電，提高了安全性。此外，充電樁整體進行了防水設計，達到了IP65級別的防護。

3.3 光伏新能源技術

光伏能源技術基于光伏效應將太陽輻射的能量轉換為電能，利用開關站和配電房屋頂，建設光伏系統(tǒng)，實現(xiàn)電能就地消納。光伏發(fā)電的清潔能源抵消住宅小區(qū)變配電設備的損耗，打造無損、綠色社區(qū)。太陽能利用采用單晶硅太陽能電池板，采用并網(wǎng)型設計，與公共電網(wǎng)相連，采用并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。為了減少逆變損失，采用組串逆變方式進行逆變，使用多臺并網(wǎng)逆變器，能夠非常好地應對社區(qū)電網(wǎng)的相位和電壓波動。

3.4 “網(wǎng)上國網(wǎng)”APP

“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP是國家電網(wǎng)公司的官方線上服務入口，主要具備5大功能：住宅、電動車、店鋪、企事業(yè)、新能源。因此，“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP能提供多個不同場景下用戶的電力服務，滿足用戶的個性化需求。同時，電力運營方可以構建客戶側信息的全景展示平臺，依據(jù)“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP采集的用戶用電信息，對用戶用電行為特性、能源消費習慣開展分析，為客戶提供優(yōu)化用電建議等服務。后臺根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進行相應分析，掌握社區(qū)群體的用電習慣，實現(xiàn)社區(qū)電力的“削峰補谷”，避免增設電力設備。圖3為“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP功能界面。

圖3 “網(wǎng)上國網(wǎng)”APP功能界面

4 智慧社區(qū)能源系統(tǒng)實際應用驗證

該系統(tǒng)在紹興濱海新區(qū)進行了試點應用，完成了智能光伏系統(tǒng)、智能充電樁系統(tǒng)、智能表箱防控系統(tǒng)的建設，并通過網(wǎng)上國網(wǎng)APP匯總數(shù)據(jù)并進行分析，從而實現(xiàn)智能社區(qū)。

4.1 智能充電樁實際應用

在已初步建成的社區(qū)交流充電樁系統(tǒng)中，共有7 kW交流充電樁10個，投運后，未來每年可節(jié)省石油約6.3萬升。借助“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP，依托物聯(lián)網(wǎng)技術，將充電樁運行信息接入省電動汽車公司車聯(lián)網(wǎng)平臺，為小區(qū)電動汽車車主提供智能找樁、智慧充電、共享停車等一站式多元化智慧有序充電的“新平臺”。如圖4所示為安裝完成的小區(qū)交流充電樁系統(tǒng)。

圖4 安裝完成的小區(qū)交流充電

4.2 表箱滅火裝置實際應用

表箱滅火防火裝置在試點小區(qū)覆蓋率達到100%，直接受益居民2 000余人，該設備可實時管控用戶側表箱溫度，運維人員通過手機APP或查看監(jiān)控平臺即可了解實時溫度數(shù)據(jù)。

當表箱溫度激增或超過閥值引發(fā)明火時，智能防火裝置可快速動作，在發(fā)送短信告警的同時釋放環(huán)保性類惰性氣體撲滅明火，將火災隱患扼殺在萌芽狀態(tài)，為居民的用電安全和社會安全提供保障。圖5為安裝完成的小區(qū)表箱防火裝置。

圖5 安裝完成的小區(qū)表箱防火裝置

4.3 智能光伏系統(tǒng)實際應用

在試點小區(qū)3個公配房與1個開關站屋頂完成了共16 kW光伏的安裝工作，投入運行后，預計每年可減少標準煤17.23 t，是無損社區(qū)、綠色社區(qū)的“新領地”。圖6為安裝完成的小區(qū)智能光伏系統(tǒng)。

圖6 安裝完成的小區(qū)智能光伏系統(tǒng)

5 結 語

本文智慧社區(qū)能源系統(tǒng)采用了光伏新能源的一體化建設，結合儲能及智能光伏控制技術，可以平滑后與市電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行，不僅彌補了電網(wǎng)損耗，還增加了新能源利用率，提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。采用了基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的智能表箱，集成了智能溫控、報警與自動滅火功能，提高了電網(wǎng)的安全效益。運維數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)都接入物聯(lián)網(wǎng)云端，完成數(shù)據(jù)的遠程實時共享與運維分析，實現(xiàn)了社區(qū)居民用電業(yè)務足不出戶“一網(wǎng)通辦”，并且整合了智能尋找空閑的電動汽車充電樁等功能，提高了管理效率，極大方便了社區(qū)居民。雖然本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)在我國的應用尚處于起步階段，但卻有著十分廣闊的發(fā)展前景，市場潛力巨大。項目成果為浙江省政府首批的未來社區(qū)建設提供借鑒意義，通過不斷改進和完善，后續(xù)可以在更多小區(qū)進行推廣應用。