基于微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的用能管理系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用效果

陸 忞，周 昊，周達(dá)洪，錢亞東

（1.南京供電公司，南京 210019；2.江蘇蘇源高科技有限公司，南京 210008）

基于微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的用能管理系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用效果

陸 忞1，周 昊1，周達(dá)洪1，錢亞東2

（1.南京供電公司，南京 210019；2.江蘇蘇源高科技有限公司，南京 210008）

著眼于智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展整體方向和電力企業(yè)發(fā)展整體戰(zhàn)略的前瞻性考慮，南京供電公司以生產(chǎn)調(diào)度大樓建設(shè)為契機(jī)，從節(jié)能減排入手，分別對(duì)于微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)、用能管理系統(tǒng)進(jìn)行了深入探索和實(shí)踐。該系統(tǒng)于2011年3月正式投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了清潔能源穩(wěn)定發(fā)電以及配電網(wǎng)與大型電力網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，從而提高清潔電能在終端能源消費(fèi)中的比重，同時(shí)進(jìn)行有效負(fù)荷預(yù)測(cè)，發(fā)揮系統(tǒng)削峰填谷調(diào)節(jié)功能。

微網(wǎng)；風(fēng)光儲(chǔ)；清潔能源；用能管理；節(jié)能減排

作為分布式發(fā)電的重要形式之一，微網(wǎng)既可以通過配電網(wǎng)與大型電力網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，形成一個(gè)大型電網(wǎng)與小型電網(wǎng)的聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，也可以獨(dú)立地為當(dāng)?shù)靥峁╇娏π枨蟆Ｔ撃Ｊ酱蟠筇岣吡斯╇婌`活性、可靠性。風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)則展示新型能源作為未來電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，具備環(huán)保及經(jīng)濟(jì)特性。

智能樓宇用能管理系統(tǒng)基于用電信息采集系統(tǒng)與終端功能、技術(shù)方案、組網(wǎng)方案、通信規(guī)約、安全防護(hù)策略等方面的研究，包括了實(shí)時(shí)監(jiān)控主站、超級(jí)集中器、區(qū)域集中器、采集控制設(shè)備。

作為江蘇省內(nèi)首個(gè)樓宇實(shí)用化風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目，南京供電公司微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)滿足了高起點(diǎn)智能化樓宇分布式新能源應(yīng)用的要求。2010年12月，“基于微網(wǎng)控制的風(fēng)光儲(chǔ)應(yīng)用研究”與“精益化樓宇智能管理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用”經(jīng)南京市科委組織的科技成果鑒定，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)以及功能

微網(wǎng)內(nèi)電源包含有光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能設(shè)備，構(gòu)成風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)。通過微網(wǎng)控制系統(tǒng)監(jiān)控分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)整運(yùn)行策略，控制運(yùn)行狀態(tài)。

風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備作為微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的主電源。

考慮到微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的可靠性，假設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全部退出運(yùn)行時(shí)，主電源的功率大于微網(wǎng)內(nèi)所有負(fù)荷的功率時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)所供負(fù)載進(jìn)行容量調(diào)節(jié)和超限保護(hù)。

對(duì)于主從控制的微網(wǎng)，如果其他分布式電源的出力大于負(fù)載，則有可能出現(xiàn)多余功率倒送給主電源的情況，因此在微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)部分分布式電源出力的控制策略。

用能管理系統(tǒng)通過智能空氣開關(guān)回路終端、智能插座、智能用電采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用電量實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備故障數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，以合理用能、集中控制、精細(xì)管理為目標(biāo)，建設(shè)自動(dòng)化、可量化、可控制的綠色低碳的生態(tài)辦公樓宇，實(shí)現(xiàn)大樓的實(shí)時(shí)能效采集，有效控制大樓能源使用。

系統(tǒng)功能包括以下7項(xiàng)：①實(shí)現(xiàn)大樓各區(qū)域?qū)崟r(shí)用電對(duì)比分析；②實(shí)現(xiàn)分量用電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析；③實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)能耗設(shè)備實(shí)時(shí)用電的對(duì)比分析；④實(shí)現(xiàn)各智能插座實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)的對(duì)比分析；⑤通過能效數(shù)據(jù)分析，為用能管理提供決策依據(jù)；⑥實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)（各房間及公共區(qū)域的溫度、濕度）實(shí)時(shí)采集管理；⑦實(shí)現(xiàn)氣象參數(shù)（本區(qū)域內(nèi)每天的溫度、濕度、天氣狀況等一系列氣候參數(shù)）實(shí)時(shí)采集管理。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

2.1 微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)

儲(chǔ)能設(shè)備、光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電并列接入交流低壓母線。微網(wǎng)與外部電網(wǎng)有一個(gè)統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)開關(guān)?？刂撇呗圆捎弥鲝目刂圃O(shè)計(jì)，即在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主電網(wǎng)作為主電源；在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備作為主電源。圖1為微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)原理圖。

通過微網(wǎng)控制系統(tǒng)監(jiān)控分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)整運(yùn)行策略，控制運(yùn)行狀態(tài)。主電源的功率大于微網(wǎng)內(nèi)所有負(fù)荷的功率時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)所供負(fù)載進(jìn)行容量調(diào)節(jié)和超限保護(hù)。在微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)部分分布式電源出力的控制策略，通過基于3D技術(shù)的微網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，全方位實(shí)時(shí)展示分布式電源運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)、光信息及微網(wǎng)運(yùn)行過程。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。圖3為微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)原理圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于微網(wǎng)控制的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)綜合了交直流微網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，采用了交直流混合結(jié)構(gòu)方案。系統(tǒng)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電力，經(jīng)風(fēng)機(jī)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?，提供給微網(wǎng)控制器進(jìn)行離網(wǎng)、并網(wǎng)控制，蓄電池組和光伏陣列共用一臺(tái)三相逆變裝置，一路30.6 kW光伏和一路50 kW儲(chǔ)能分別通過兩路DC/DC電路升壓。光伏發(fā)電經(jīng)光伏控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池充放電管理由控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)一控制管理。逆變器輸出端接入蓄電池輸出端，經(jīng)由蓄電池穩(wěn)壓直接供給微網(wǎng)逆變器。逆變器采用并網(wǎng)與離網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行模式，系統(tǒng)可以方便地在并網(wǎng)與離網(wǎng)之間進(jìn)行切換，并可以在市電與逆變之間進(jìn)行切換。當(dāng)市電發(fā)生故障以后，可以自動(dòng)切換至逆變后離網(wǎng)供電。

2.2 用能管理系統(tǒng)

用能管理系統(tǒng)邏輯圖、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5所示。

3 建設(shè)方案

圖4 用能管理系統(tǒng)邏輯圖

圖5 用能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)南京供電公司生產(chǎn)調(diào)度大樓周邊自然環(huán)境的實(shí)際情況，微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)包括4個(gè)部分。①光伏發(fā)電系統(tǒng)：本項(xiàng)目包括30.6 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)；②風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：本項(xiàng)目包括15 kW屋頂風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；③蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)：鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，使微網(wǎng)既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可獨(dú)立孤網(wǎng)運(yùn)行；④監(jiān)控系統(tǒng)：系統(tǒng)可以監(jiān)控分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)整運(yùn)行策略，控制運(yùn)行狀態(tài)。微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行模式控制示意圖見圖6。

圖6 微網(wǎng)接入及風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行模式控制示意圖

用能管理系統(tǒng)面向樓宇自動(dòng)化。采用子系統(tǒng)集成模式、集監(jiān)控與管理系統(tǒng)于一體的平臺(tái)開發(fā)軟件，具有使用簡(jiǎn)單、性能可靠、速度快、系統(tǒng)開放等特點(diǎn)，為大樓智能化建設(shè)提供完整的解決方案。

在統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的有效通信和連接，采用統(tǒng)一的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息交換和共享。

4 實(shí)踐效果與效益分析

式中：PPV為工作點(diǎn)的輸出功率，標(biāo)準(zhǔn)額定條件STC（standard test condition，STC）是指太陽輻照度GSTC為1 000 W/m2、電池溫度TSTC為25℃、相對(duì)大氣光學(xué)質(zhì)量為AM1.5的條件；Gc為工作點(diǎn)的輻照度；k為功率溫度系數(shù)；PSTC為標(biāo)準(zhǔn)額定條件下光伏的額定輸出功率；Tc為工作點(diǎn)的電池溫度。

現(xiàn)忽略環(huán)境溫度的影響，考慮光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率η以及太陽板傾斜角的影響α，最終光伏輸出的功率P，可表示為

現(xiàn)有數(shù)據(jù)為全天每分鐘光照和發(fā)電量數(shù)據(jù)，共24×60=1 440個(gè)點(diǎn)。

可先計(jì)算出每小時(shí)的平均光照強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算出本小時(shí)的發(fā)電量，將全天24 h發(fā)電量相加即得到全天的發(fā)電量，可表示為

4.1 改變用能方式，提高清潔電能在終端能源消費(fèi)中比重

光伏輸出功率可由標(biāo)準(zhǔn)額定條件下的輸出功率、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度得到

綜合實(shí)際數(shù)據(jù)分析，其中η取0.7，α取0.9，t為點(diǎn)數(shù)。表1為光伏發(fā)電理論值與實(shí)際值比對(duì)情況。

表1 光伏發(fā)電理論值與實(shí)際值比對(duì)情況

4.2 倡導(dǎo)減排理念，降低溫室氣體排放量

本項(xiàng)目清潔能源預(yù)計(jì)年平均發(fā)電量18 274.8 kWh，每年減排二氧化碳18 529.68 kg。與相同發(fā)電量的火電廠相比，每年可為電網(wǎng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7 126.8 kg，在其經(jīng)濟(jì)使用壽命25年使用期內(nèi)，共計(jì)節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤178.2 tce，風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)電月度統(tǒng)計(jì)表見表2。

4.3 有效預(yù)測(cè)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)削峰填谷調(diào)節(jié)功能

基于用能管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析功能，能夠進(jìn)行有效的負(fù)荷預(yù)測(cè)，并在一定程度上實(shí)施削峰填谷的調(diào)節(jié)功能；提高供電效率與供電質(zhì)量，有效降低供電成本，實(shí)現(xiàn)樓宇用電的精益化管理。

以2011年7月15日生產(chǎn)調(diào)度大樓分類用電量為例，其中空調(diào)用電量為4 924 kWh，占用電總量52.82%，大樓分類用電統(tǒng)計(jì)也證明了空調(diào)能耗在大樓的整體能耗中占有相當(dāng)大的比例，通過合理支配空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗可以降低大樓整體能耗。

目前，南京供電公司生產(chǎn)調(diào)度大樓物業(yè)管理部門通過統(tǒng)一開關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)7：30～21：00開放新風(fēng)。用能系統(tǒng)中7月1日至15日空調(diào)用電量日曲線顯示，將空調(diào)制冰等高耗能操作安排在夜間進(jìn)行。根據(jù)《江蘇省居民客戶峰谷分時(shí)電價(jià)政策實(shí)施方案》，城鎮(zhèn)以及農(nóng)村居民高峰時(shí)段為8：00～21：00，電價(jià)為0.558 3元/kWh；低谷時(shí)段為21：00～次日8：00，電價(jià)為0.358 3元/kWh，從而在節(jié)約大樓運(yùn)營成本的同時(shí)，充分利用谷電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

5 結(jié)束語

通過采集設(shè)備運(yùn)行、負(fù)荷電能消耗、報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)等信息，結(jié)合實(shí)際滿足負(fù)荷需求和運(yùn)用電價(jià)政策以及新的能源供電模式和新型的用電設(shè)備配置，選擇和制定能耗控制管理方案，在整體上對(duì)供用電設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)樓宇用電的智能化，能夠讓終端用戶直接感受到智能電網(wǎng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如果所取得的效應(yīng)在更廣泛的社會(huì)范圍（如：小區(qū)、寫字樓、工廠）內(nèi)推廣，不僅能優(yōu)化資產(chǎn)使用和客戶服務(wù)，也可推動(dòng)用戶側(cè)的節(jié)能環(huán)保。

表2 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)電月度統(tǒng)計(jì)表(2011年4至11月)

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Energy consumption management system construction based on microgrid access and wind?solar storage

LU Min1，ZHOU Hao1，ZHOU Da?hong1，Qian Ya?dong2
（1.Nanjing Power Supply Company,Nanjing 210019,China；2.Jiangsu Suyuan High?Tech Limited Company,Nanjing 210008,China）

In consideration of the smart grid technology devel?opment direction and the electric power enterprise development strategy,this paper probes into exploration and practice of Nanjing power supply company in microgrid access&wind?solar storage sys?tem and energy management system settled in the production&scheduling building.The entire system was formally put into opera?tion in 2011 March,realized the clean energy power generation and distribution and the stability of large power network operating in parallel,improved the clean energy in terminal energy consumption proportion;at the same time,realized effective load forecasting,played flat peak regulation function.

microgrid;wind?solar storage;clean energy;ener?gy management;energy?saving and environmental protection

F407.61；TK018

B

1009-1831（2012）06-0023-04

2012-02-23

陸忞（1983），女，江蘇無錫人，碩士研究生，工程師，從事電力信息運(yùn)維及軟件系統(tǒng)研發(fā)工作;周昊（1981），男，江蘇南京人，工程師，從事基建工程建設(shè)管理工作;周達(dá)洪（1965），男，江蘇興化人，高級(jí)工程師，從事電力信息化管理工作;錢亞東（1970），男，江蘇蘇州人，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事企業(yè)信息化研究。