用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)及其應(yīng)用

岳 明

（江蘇聯(lián)宏自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司，南京 210046）

1 用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)的功能

用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)的功能包括以下方面：電能分項(xiàng)分戶計(jì)量/3級(jí)計(jì)量，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，節(jié)能自動(dòng)化控制，能源審計(jì)，系統(tǒng)集成。

1.1 電能分項(xiàng)分戶計(jì)量/3級(jí)計(jì)量

主要包括建筑用電的分項(xiàng)分戶實(shí)時(shí)在線計(jì)量；企業(yè)總廠級(jí)（電能總表）、車間級(jí)、重點(diǎn)用電設(shè)備3級(jí)層次的電能實(shí)時(shí)在線計(jì)量；用能診斷；節(jié)能潛力分析和節(jié)能效果驗(yàn)證。

1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

主要包括配電回路無(wú)功功率、功率因數(shù)、諧波、溫度、壓力等有關(guān)電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

1.3 節(jié)能自動(dòng)化控制

主要包括供配電系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制；泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能控制；余熱回收利用；空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制；照明系統(tǒng)節(jié)能控制。

1.4 能源審計(jì)

主要包括全面核對(duì)用能數(shù)據(jù)；能源量平衡計(jì)算；對(duì)重點(diǎn)用能設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能分析；提出節(jié)能技術(shù)改造建議。

1.5 系統(tǒng)集成

主要包括與ERP企業(yè)資源計(jì)劃、MIS管理信息系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)有效完善的集成。

2 用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的、安全可靠的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分布式高速實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品構(gòu)建，系統(tǒng)分為3個(gè)層次，從下至上分別為：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層（感知層）、通信網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)應(yīng)用層。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層（感知層）為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)的傳感設(shè)備和控制器，即智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備，包括用于配電回路計(jì)量和控制的多功能電力監(jiān)控終端、用于辦公建筑分項(xiàng)計(jì)量的能源管理終端、用于照明監(jiān)控的照明智能監(jiān)控終端、用于空調(diào)節(jié)能控制的控制器、用于電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的智能變頻器等。該層是對(duì)用能點(diǎn)直接采集和控制的基礎(chǔ)設(shè)備層。

通信網(wǎng)絡(luò)層是解決現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和系統(tǒng)應(yīng)用層之間構(gòu)成承上啟下的數(shù)據(jù)傳輸層次。通信網(wǎng)絡(luò)層包括2個(gè)層次，一是現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)；二是系統(tǒng)主干光纖環(huán)網(wǎng)。

系統(tǒng)應(yīng)用層是面向客戶需求的行業(yè)信息化系統(tǒng)，包括流程化監(jiān)控界面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制功能，以及電能統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測(cè)和調(diào)度等功能。

用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)可根據(jù)客戶需求設(shè)立用戶側(cè)本地監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用戶能耗數(shù)據(jù)本地采集與存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本地實(shí)時(shí)監(jiān)管與分析。通過(guò)用戶側(cè)本地服務(wù)器，將用戶側(cè)能耗數(shù)據(jù)上傳至省、市電力需求側(cè)管理服務(wù)平臺(tái)。如不設(shè)立用戶側(cè)本地監(jiān)管平臺(tái)，用戶側(cè)能耗數(shù)據(jù)則直接上傳至省、市電力需求側(cè)管理服務(wù)平臺(tái)。用戶通過(guò)使用提供的授權(quán)賬號(hào)與密碼，登陸省、市電力需求側(cè)服務(wù)平臺(tái)查看相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)與分析。

系統(tǒng)除了進(jìn)行電能管理，還具備很好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)可對(duì)天然氣、水進(jìn)行分類分項(xiàng)3級(jí)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)能源信息化管理，組成能源管理系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)可以對(duì)客戶用天然氣進(jìn)行計(jì)量、監(jiān)測(cè)，用以分析設(shè)備的能耗。同時(shí)，對(duì)各主要用水點(diǎn)（計(jì)量到車間級(jí)）進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量，建立水平衡系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析管網(wǎng)的工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)跑、冒、滴、漏等異常狀況，避免能源的無(wú)謂浪費(fèi)。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 動(dòng)態(tài)電力需求側(cè)響應(yīng)

3.1 響應(yīng)流程

在電力用戶側(cè)建立電能管理系統(tǒng)后，根據(jù)電力需求側(cè)響應(yīng)需求，制訂需求側(cè)響應(yīng)措施，將各分項(xiàng)用電回路根據(jù)重要性和緊急程度分為不可中斷負(fù)荷、可中斷負(fù)荷和可控負(fù)荷。如:商業(yè)建筑、公共區(qū)域的照明用電、通風(fēng)、電梯等動(dòng)力用電屬于不可中斷負(fù)荷，景觀照明用電屬于高峰可中斷負(fù)荷，空調(diào)用電屬于可控負(fù)荷。

在接到調(diào)峰指令后，用戶側(cè)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)響應(yīng)，在保證不可中斷負(fù)荷的用電回路安全運(yùn)行的前提下，對(duì)可中斷負(fù)荷和可控負(fù)荷采取自動(dòng)化調(diào)控手段。

（1）高峰限電時(shí)切斷可中斷負(fù)荷回路，如：景觀照明回路。

（2）高峰限電時(shí)自動(dòng)將空調(diào)末端溫度升高或降低，如：夏季從26℃升高到28℃，則系統(tǒng)總負(fù)荷可降低10%以上，在對(duì)工作和生活環(huán)境不造成過(guò)大影響的情況下，即可實(shí)現(xiàn)在用電高峰期的削峰。

系統(tǒng)響應(yīng)流程如圖2。

3.2 指令傳遞過(guò)程

用戶側(cè)管理系統(tǒng)指令傳遞過(guò)程如圖3所示。

圖2 用戶側(cè)管理系統(tǒng)響應(yīng)流程

圖3 用戶側(cè)管理系統(tǒng)指令傳遞過(guò)程

4 現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

對(duì)于電力用戶側(cè)的電能管理系統(tǒng)，由于關(guān)注的對(duì)象眾多，而且分散面廣，不能采用普通的I/O板卡采集模式，因?yàn)槟菢右馕吨罅康碾娎|、數(shù)量眾多的I/O板卡和體積龐大的控制柜，所以現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)大量分散的測(cè)控點(diǎn)需求的電力用戶側(cè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。Lonworks現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)是符合物聯(lián)網(wǎng)概念中感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的3層結(jié)構(gòu)體系的通信技術(shù)?；贚onworks控制網(wǎng)絡(luò)，可真正實(shí)現(xiàn)計(jì)量、監(jiān)測(cè)和控制一體化的能源管控目標(biāo)。

5 系統(tǒng)化節(jié)能控制技術(shù)

5.1 供配電系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制和電力需求側(cè)響應(yīng)

對(duì)用能單位內(nèi)部變配電所實(shí)施配電自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、遙視，提高供配電系統(tǒng)管理的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，能夠及時(shí)處理事故，減少事故停電時(shí)間，更好地保證供配電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

通過(guò)配電自動(dòng)化運(yùn)行，為電力需求側(cè)管理提供技術(shù)支撐手段，可根據(jù)電力負(fù)荷控制要求執(zhí)行需求側(cè)響應(yīng)指令，降低用電負(fù)荷，通過(guò)動(dòng)態(tài)需求側(cè)響應(yīng)達(dá)到削峰填谷的目的。

5.2 泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能控制

根據(jù)用能單位生產(chǎn)工藝上的能源實(shí)際需量，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)風(fēng)量、水量、氣量，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。針對(duì)的能耗設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等。主要節(jié)能措施是采用電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)，變頻節(jié)能的目的是讓裝置工作在效率最高、最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)，而不是一直“全速運(yùn)行”。

5.3 余熱回收利用

空氣壓縮機(jī)在進(jìn)行空氣壓縮時(shí)，循環(huán)油和排氣溫度高達(dá)85℃至90℃，蘊(yùn)含大量的熱能，其中70%至80%可回收利用。常規(guī)情況下，機(jī)器將這些熱量排放到空氣中散發(fā)掉。空氣壓縮機(jī)熱能回收系統(tǒng)將其發(fā)出的熱量回收，加以利用，經(jīng)濟(jì)價(jià)值非常高。

壓縮機(jī)熱回收效率可以達(dá)到60%以上，平均1 kW的軸功率每年大約可以節(jié)省2 700元。

5.4 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制

（1）中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制

實(shí)現(xiàn)包括從冷凍主機(jī)在線監(jiān)控到房間末端的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

·冷水機(jī)組。根據(jù)冷凍水供水溫度和冷凍機(jī)負(fù)荷，對(duì)冷水機(jī)組采用自動(dòng)臺(tái)數(shù)控制。供水溫度達(dá)不到設(shè)定溫度，則加載運(yùn)行的冷凍機(jī)臺(tái)數(shù)；單臺(tái)冷凍機(jī)負(fù)載達(dá)不到50%，則減載運(yùn)行的冷凍機(jī)臺(tái)數(shù)。

·冷凍水泵。根據(jù)冷凍水供回水壓差，對(duì)冷凍水泵采用自動(dòng)臺(tái)數(shù)控制和變頻控制，實(shí)現(xiàn)恒壓差控制。

·冷卻水泵。根據(jù)冷卻水供水溫度，對(duì)冷卻水泵采用自動(dòng)臺(tái)數(shù)控制和變頻控制。

·冷卻塔。根據(jù)冷卻水回水溫度，對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)采用自動(dòng)臺(tái)數(shù)控制和變頻控制。

·新風(fēng)機(jī)。根據(jù)出風(fēng)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門開度和新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

·風(fēng)機(jī)盤管溫控器。對(duì)末端樓層、房間的風(fēng)機(jī)盤管控制器實(shí)現(xiàn)集中控制和管理，可遠(yuǎn)程設(shè)定節(jié)能運(yùn)行模式，設(shè)定溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，按照工作時(shí)間表對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉。

通過(guò)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)末端即風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)箱、冷凍站、冷卻塔風(fēng)機(jī)等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)化節(jié)能控制，在不影響舒適度的前提下，可永久性降低部分中央空調(diào)負(fù)荷。

（2）變冷媒流量多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)（VRV）節(jié)能控制

通過(guò)對(duì)VRV空調(diào)主機(jī)的遠(yuǎn)程管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)于每個(gè)房間溫度、風(fēng)速等在內(nèi)的集中控制和管理。

通過(guò)對(duì)房間溫度、風(fēng)速的集中控制，與政府電力需求側(cè)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，在用電高峰期自動(dòng)響應(yīng)削峰指令，強(qiáng)制節(jié)能運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)需求側(cè)響應(yīng)。如:在夏季自動(dòng)將房間內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置提高2℃，從而臨時(shí)性降低電力負(fù)荷。

（3）單體空調(diào)節(jié)能控制

通過(guò)智能插座實(shí)現(xiàn)對(duì)單體空調(diào)的用電計(jì)量、定時(shí)控制、溫度控制等功能。

系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)通信功能，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與政府電力需求側(cè)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)交互通信，可對(duì)公共建筑、居民小區(qū)等采取動(dòng)態(tài)需求側(cè)管理，在用電高峰期自動(dòng)響應(yīng)削峰指令。

5.5 照明系統(tǒng)節(jié)能控制

（1）高效燈具

大型廠房?jī)?nèi)的燈具包括高棚燈、支架燈等。燈具常用反光材料的反射率基本在70%以下，造成燈具實(shí)際效率不高。

本技術(shù)基于先進(jìn)反光膜材料技術(shù)，采用的燈具改造技術(shù)突破了傳統(tǒng)LED光源改造思路，采用光學(xué)反射膜材料，對(duì)燈具進(jìn)行改造，反射率提高到98%。

采用反光膜技術(shù)的高棚燈與傳統(tǒng)金鹵燈節(jié)能效果對(duì)比如表1所示。

表1 采用反光膜技術(shù)的高棚燈與傳統(tǒng)金鹵燈節(jié)能效果對(duì)比

（2）智能控制

·路燈照明控制：根據(jù)經(jīng)緯度控制；定時(shí)控制；光照度控制；變功率控制；人工遠(yuǎn)程控制；應(yīng)急控制等。

·室內(nèi)照明控制：聲光控；工作時(shí)間計(jì)劃控制；光照度控制等。

6 系統(tǒng)實(shí)時(shí)集中管理技術(shù)

用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有圖形化的全中文人機(jī)界面，Windows的操作風(fēng)格，模塊化結(jié)構(gòu)，易于使用，配置靈活，操作便捷，人機(jī)交互簡(jiǎn)單清晰，便于擴(kuò)展，可廣泛應(yīng)用于電力需求側(cè)管理的分布式自動(dòng)化監(jiān)控與集中管理。

（1）系統(tǒng)管理功能

靈活的用戶配置，區(qū)域管理，分類、分項(xiàng)和分戶管理，儀表信息管理等功能。

（2）數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)功能

分項(xiàng)電耗、分戶電耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，變電所供電回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)的實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)在電能監(jiān)管中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）供配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)模擬

對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行模擬，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示變電所供電各回路的各種運(yùn)行狀態(tài)與各項(xiàng)電能數(shù)據(jù)，對(duì)供配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障檢測(cè)、報(bào)警，使系統(tǒng)運(yùn)行始終處于監(jiān)控狀態(tài)。

（4）報(bào)警管理功能

對(duì)所有監(jiān)測(cè)中的儀表進(jìn)行報(bào)警管理，一旦儀表出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控畫面中都可以立刻顯示，并發(fā)出報(bào)警聲音及時(shí)提醒管理人員，可以手動(dòng)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理。

（5）能耗數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)功能

定時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)打包程序，從數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取需要上報(bào)的數(shù)據(jù)，按照接口標(biāo)準(zhǔn)封裝成XML格式的數(shù)據(jù)包，并壓縮數(shù)據(jù)包。

向上一級(jí)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器發(fā)送握手消息，建立連接狀態(tài)。如果連接不成功則再次發(fā)起連接。

調(diào)用上一級(jí)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Web Services），基于SOAP傳輸協(xié)議將壓縮后的XML數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

（6）能耗數(shù)據(jù)查詢打印功能

對(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總和整合，通過(guò)靜態(tài)表格或者圖表方式將能耗數(shù)據(jù)展示出來(lái)，并將展示的數(shù)據(jù)打印成紙質(zhì)文件。

（7）友好的圖形化操作界面

能源節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)軟件采用圖形化人機(jī)界面，軟件界面體現(xiàn)整個(gè)企業(yè)能源節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)的系統(tǒng)模擬圖，在操作界面上可直觀地反映出整個(gè)系統(tǒng)的概貌、運(yùn)營(yíng)情況以及控管點(diǎn)的地理分布。

在系統(tǒng)模擬圖上點(diǎn)擊各不同功能模塊可進(jìn)入相應(yīng)子系統(tǒng)和訪問(wèn)相應(yīng)子系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

在模擬圖通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)可對(duì)監(jiān)控對(duì)象實(shí)施遙信、遙測(cè)、遙控，而且能夠調(diào)用到更為具體的監(jiān)控信息。

（8）實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)展示功能

系統(tǒng)軟件應(yīng)用可以實(shí)時(shí)顯示所監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)及歷史能耗數(shù)據(jù)及各種電力參數(shù)的變化趨勢(shì)曲線。系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)性能好，數(shù)據(jù)刷新間隔頻率可達(dá)到1 s/次，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔頻率可達(dá)到10 s/次。

（9）能耗數(shù)據(jù)處理功能

對(duì)采集的能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析存儲(chǔ)，并調(diào)用數(shù)據(jù)分析功能對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)記錄。

（10）節(jié)能控制功能

根據(jù)區(qū)域的工作時(shí)間，對(duì)重點(diǎn)用能設(shè)備實(shí)施遙測(cè)、遙信和遙控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化節(jié)能控制。

7 系統(tǒng)集成

鑒于一些工業(yè)企業(yè)已經(jīng)建設(shè)了基于生產(chǎn)流程監(jiān)控的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如：DCS、PLC，不可避免地會(huì)產(chǎn)生某些能源數(shù)據(jù)和高能耗設(shè)備已經(jīng)由DCS/PLC實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。為此，在有必要的情況下，可實(shí)現(xiàn)電能管理系統(tǒng)與DCS/PLC的互通。

電能管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層提供了OPC接口。OPC規(guī)范是工業(yè)控制領(lǐng)域最流行的系統(tǒng)互連接口，國(guó)際主流DCS/PLC廠家的系統(tǒng)均支持OPC規(guī)范。基于OPC，不同系統(tǒng)之間的互操作和互用成為可能。

8 結(jié)束語(yǔ)

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)化解決方案通過(guò)實(shí)時(shí)在線的電能管理系統(tǒng)，為建筑、交通、工業(yè)電力用戶提供安全用電、節(jié)約用電、科學(xué)用電的工具，有效提高電力用戶電能管理水平。利用有效的技術(shù)和管理手段，為用能單位創(chuàng)造節(jié)能效益，實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)管理降低電力負(fù)荷，加強(qiáng)負(fù)荷調(diào)控能力，為電力需求側(cè)管理工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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