基于智能電網(wǎng)的家庭用電系統(tǒng)研究

李群（河海大學(xué)，江蘇南京，211100）

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基于智能電網(wǎng)的家庭用電系統(tǒng)研究

李群
（河海大學(xué)，江蘇南京，211100）

智能電網(wǎng)迅速發(fā)展，家庭用電系統(tǒng)不僅是電網(wǎng)的重要組成部分，也是智能化發(fā)展的重點(diǎn)，其必須與電網(wǎng)智能化協(xié)調(diào)一致。本文通過(guò)分析智能電網(wǎng)特點(diǎn)與要求，闡述了家庭用電系統(tǒng)智能化的構(gòu)成，包括家庭分布式電源、家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能電表、智能用電設(shè)備等。本文的研究對(duì)我國(guó)家庭用電智能化發(fā)展有借鑒作用。

智能電網(wǎng)；家庭用電系統(tǒng)；智能化

引言

智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)新能源、新設(shè)備、新材料、新技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控等技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)操作，新技術(shù)和裝備的運(yùn)用可以更好地保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行［1］。

2009年國(guó)家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)初具部分智能化功能，電力系統(tǒng)還在朝著智能方向發(fā)展中。同時(shí)，智能家居和智能電器的發(fā)展，光伏、風(fēng)電以及各種自然發(fā)電的發(fā)展，以及儲(chǔ)能裝置的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭用電“節(jié)約化”、“儲(chǔ)能化”和“智慧化”發(fā)展，家庭用電智能化在電網(wǎng)發(fā)展中占有重要位置［2，3］。

智能電網(wǎng)與家庭“智慧用電”系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展成為家庭用電發(fā)展方向。本文研究了兩者協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)系。

1　智能電網(wǎng)與家庭“微電網(wǎng)”的組成

家庭“微電網(wǎng)”是智能電網(wǎng)的具體實(shí)現(xiàn)，我國(guó)已有部分地區(qū)開(kāi)始試驗(yàn)。2010年起，北京、重慶等地開(kāi)展智能小區(qū)試點(diǎn)。由于居住環(huán)境限制，目前我國(guó)城市中家庭或辦公樓以光伏發(fā)電為主，但成本較高，投資回報(bào)需要較長(zhǎng)時(shí)間。農(nóng)村家庭適用于光伏發(fā)電和小型風(fēng)力發(fā)電，但同樣由于初期投入大，回收成本困難。所以要進(jìn)一步研究家庭“微電網(wǎng)”，設(shè)法降低成本，提高收益。家庭“微電網(wǎng)”構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2　家庭用電系統(tǒng)構(gòu)成

2.1家庭分布式電源

不可再生能源日益減少，使用新能源發(fā)電、儲(chǔ)電已成為趨勢(shì)。

分布式電源是在負(fù)荷側(cè)安裝的發(fā)電裝置，它具有體積小、成本低、容量小、效率高、使用方便等特點(diǎn)，使用太陽(yáng)能、風(fēng)能、空氣能等發(fā)電方式的分布式電源發(fā)展迅速。

家庭分布式電源主要包括光伏、太陽(yáng)能電池板和小型風(fēng)力發(fā)電，在北方一些地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)家庭用電自給自足。

發(fā)展家庭分布式電源，并將其富裕的電能接入電網(wǎng)（也稱(chēng)入網(wǎng)），是智能電網(wǎng)發(fā)展中的重要組成。分布式電源可提高供電穩(wěn)定性，為電網(wǎng)提供大量備用電源，當(dāng)輸電線路某處發(fā)生故障時(shí)，分布式電源可以向電網(wǎng)供電，減少停電時(shí)間與停電范圍。同時(shí)，利用新能源發(fā)電，可以降低發(fā)電成本，減少輸電損耗。

2.2家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)是利用蓄電池組等儲(chǔ)能裝置，將多余電能存儲(chǔ)起來(lái)的系統(tǒng)［4］。家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)與分布式電源結(jié)合使用，在天氣條件有利情況下，將太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，在負(fù)荷高峰期將電能釋放出來(lái)。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可從電網(wǎng)獲取電能，起到對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷“削峰填谷”的作用。

智能電網(wǎng)對(duì)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求在于：

（1）使用壽命長(zhǎng)。家庭分布式電源的特性要求蓄電池組長(zhǎng)期工作在充放電過(guò)程中，而長(zhǎng)期充放電將對(duì)蓄電池組儲(chǔ)能容量產(chǎn)生影響。當(dāng)蓄電池組達(dá)到一定充放電次數(shù)時(shí)，就要對(duì)電池進(jìn)行更換。如果更換電池次數(shù)過(guò)于頻繁，將使儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本提高，經(jīng)濟(jì)性下降。

（2）成本低，便于更換。當(dāng)蓄電池組達(dá)到使用壽命后，必須進(jìn)行更換。將蓄電池組成本降低，才能發(fā)揮蓄電池組的經(jīng)濟(jì)性。

（3）轉(zhuǎn)化效率高。轉(zhuǎn)化效率是蓄電池組充電電能與放電電能的比值，通過(guò)優(yōu)化控制提高蓄電池組充放電速率，可提高其轉(zhuǎn)化效率。

新型蓄電池研究眾多，發(fā)展迅速。鉛炭電池、全釩液流電池等新型電池出現(xiàn)，它們儲(chǔ)能容量大、充放電次數(shù)多，已在電力系統(tǒng)得到一定應(yīng)用。

2.3智能電表

智能電表是智能電網(wǎng)在用戶端的計(jì)量元件，在電網(wǎng)與家庭用電系統(tǒng)中起到樞紐作用。智能電表需要具備的功能有：

（1）電能計(jì)量：家庭有功功率消耗計(jì)量是電表的基本功能，智能電表在計(jì)量有功功率的基礎(chǔ)上還應(yīng)可測(cè)量電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等信息，為用戶提供更加豐富的用電信息，同時(shí)為電網(wǎng)的精密調(diào)度提供信息來(lái)源。

（2）數(shù)據(jù)傳輸：傳統(tǒng)的電能表僅有電能計(jì)量功能，需要人工讀表，耗費(fèi)人力物力。智能電表采用雙向通信系統(tǒng)，通過(guò)通信線路，將電能數(shù)值傳輸?shù)焦芾碇行模瑫r(shí)管理中心也可以向各個(gè)智能電表傳送控制指令。這種方式便于統(tǒng)計(jì)計(jì)費(fèi)，節(jié)約成本。與“智慧城市”建設(shè)相配合，當(dāng)城市無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋后，還可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息傳輸。

（3）實(shí)時(shí)電價(jià)：電力市場(chǎng)改革進(jìn)程中，實(shí)時(shí)電價(jià)制度將成為電能收費(fèi)的主要形式。控制中心將實(shí)時(shí)電價(jià)通過(guò)通信線路傳輸?shù)接脩舳?，智能電表可直觀顯示當(dāng)前電價(jià)，便于用戶制定合理的用電計(jì)劃。同時(shí)可與家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)相互配合，當(dāng)電價(jià)較低時(shí)從電網(wǎng)向蓄電池組充電，在電價(jià)較高時(shí)優(yōu)先使用家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電能。

3　系統(tǒng)管理

基于智能電網(wǎng)家庭用電系統(tǒng)有兩種系統(tǒng)管理方式，分別為用戶自主管理和系統(tǒng)協(xié)助管理。

3.1用戶自主管理

智能用電設(shè)備的管理。隨著技術(shù)的發(fā)展，家用電器的種類(lèi)和功能逐漸增多，為智能用電設(shè)備的發(fā)展提供基礎(chǔ)。智能電器集成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)，能夠便捷、智能地管理家庭用電，優(yōu)化家電運(yùn)行［5］。智能用電設(shè)備主要有以下功能：

（1）接入網(wǎng)絡(luò)。智能用電設(shè)備必須接入通信線路才能實(shí)現(xiàn)控制功能。家庭無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展迅速，部分家電如電視機(jī)、空調(diào)等新產(chǎn)品已可以通過(guò)專(zhuān)用模塊接入網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線局域網(wǎng)安裝方便，覆蓋范圍可達(dá)整個(gè)家庭，故使用無(wú)線局域網(wǎng)接入最佳。

（2）統(tǒng)一控制終端。部分家電設(shè)備已具備網(wǎng)絡(luò)接口，但大多數(shù)只能與同一品牌家電互聯(lián)，使用一個(gè)控制終端，不同品牌家電需要使用不同的終端控制，用戶使用很不方便，且難以發(fā)揮最佳控制功能。所以，需要使用統(tǒng)一控制終端來(lái)改變這種現(xiàn)狀。只要是同一家庭的智能用電設(shè)備，都能接入這一控制終端，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。這種控制終端可以有多種形式，如網(wǎng)站、手機(jī)客戶端等。

（3）遠(yuǎn)程控制。通過(guò)統(tǒng)一控制終端，用戶可以方便地實(shí)現(xiàn)家電遠(yuǎn)程控制。在任何地方，只要手機(jī)或移動(dòng)電腦接入網(wǎng)絡(luò)，打開(kāi)控制客戶端，便可控制家中各智能用電設(shè)備的開(kāi)啟或關(guān)閉。這種方式使用戶生活更加方便，也節(jié)約能源，有利于降低電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差。

用戶自主管理是指用戶根據(jù)自己的意愿使用各種家用電器［6］。這種方式與現(xiàn)階段用戶家庭用電方式大致相同，但普通家庭用電系統(tǒng)中用戶必須通過(guò)開(kāi)關(guān)手動(dòng)打開(kāi)各種用電設(shè)備，而智能家庭用電系統(tǒng)中可通過(guò)控制終端遠(yuǎn)程控制用電設(shè)備。用戶可以通過(guò)手機(jī)客戶端為各種智能用電設(shè)備設(shè)置打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間。這種方式保障了用戶用電的隨意性，可以滿足用戶在不同情況下的用電需求。

3.2系統(tǒng)協(xié)助管理

系統(tǒng)協(xié)助管理是為了保證電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，必要時(shí)對(duì)家庭用電設(shè)備進(jìn)行短時(shí)調(diào)度，但一定程度上會(huì)影響用戶使用用電設(shè)備。根據(jù)用戶需求不同，可將用電負(fù)載分為可調(diào)度負(fù)載和不可調(diào)度負(fù)載?？烧{(diào)度負(fù)載包括空調(diào)、洗衣機(jī)、電熱水器、電動(dòng)汽車(chē)等用電設(shè)備，可短時(shí)停電，對(duì)用戶的影響較小。不可調(diào)度負(fù)載包括照明系統(tǒng)、電視機(jī)、臺(tái)式電腦等，一旦停電立即會(huì)對(duì)用戶正常生活產(chǎn)生影響，需要保證其供電可靠性。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電側(cè)發(fā)電量過(guò)大時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)啟一部分可調(diào)度負(fù)載；當(dāng)負(fù)荷側(cè)用電量過(guò)大時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)短時(shí)關(guān)閉一部分可調(diào)度負(fù)載，這樣可以使電能供需保持平衡，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

用戶自主管理和系統(tǒng)協(xié)助管理兩種方式各有利弊，二者相互結(jié)合，既保證了用戶的正常使用，也為電力系統(tǒng)提供一部分備用負(fù)荷或備用電源，保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。

4　結(jié)語(yǔ)

家庭用電系統(tǒng)智能化是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。在智能電網(wǎng)大發(fā)展環(huán)境下，家庭用電系統(tǒng)逐步智能化，從單一負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)榧植际诫娫?、?chǔ)能系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、用電設(shè)備為一體的系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)“微電網(wǎng)”。智能家庭用電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要各方配合完成，仍有許多問(wèn)題有待解決，期待同行共同加以研究。

［1］項(xiàng)勝，何怡剛，王金平. 家庭智能用電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014（3）:40-44.

［2］扈顯琦，吳效，曲鋒.全釩液流電池在風(fēng)電中的應(yīng)用前景［J］.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)， 2014（6）:41-44.

［3］張國(guó)靜，張俊玲.智能電網(wǎng)中的WiFi無(wú)線智能家庭系統(tǒng)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2013（11）:128-129.

［4］張延宇，曾鵬，臧傳治.智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 ，2014（18）:144-154.

［5］陽(yáng)小丹.基于智能用電技術(shù)的家庭需求響應(yīng)研究［D］.東南大學(xué)，2014.

［6］牟龍華，朱國(guó)鋒，朱吉然.基于智能電網(wǎng)的智能用戶端設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2010（21）:53-56.

李群（1995-），男，漢族，山東煙臺(tái)人，河海大學(xué)，本科。研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

E-mail: liqunlq1995@sina.com

Research Intelligent of Household Electricity System Based on Smart Grid

Qun li
（Hehai University ，Nanjing， Jiangsu， 211100， China）

Intelligent on household electricity system is the important part of power grid， it must be adapted to the rapid development of Smart Grid. Through the analysis of the Smart Grid，this article introduces the structure of household electricity system，including household distributed power supply，household energy storage system， smart electricity meters and smart electricity equipment.The research of this paper is helpful on household intelligent development.

Intelligent； Smart Grid； Household Electricity System

TM925

A

2095-8412 （2016） 03-554-04