智能用電樓宇節能綜合控制的實現方式

1上海市電力公司 2國網電力科學研究院

朱彬若1 張慎明2 王 虎2

1 引言

國家電網公司現致力于建設堅強智能電網，主要涵蓋電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度六個環節，具有信息化、自動化、互動化的“智能”技術特征，其中樓宇智能用電技術是智能電網用電環節的重要組成部分。

恰逢世博會于2010年5月在上海召開，同時國家電網公司企業館在地下一至三層新建了110kV蒙自智能變電站（內設包含冰蓄冷系統、地源熱泵系統、吸附式空調系統在內的新型空調及通風系統等），地面兩層企業館配備了風電光伏裝置、V2G系統、電梯、空調通風系統、空氣質量檢測系統、樓宇自控系統等，為探索用戶側的新型用電方式提供了良好的契機，為樓宇智能用電的展示提供了完善的軟硬件基礎。

樓宇智能用電能量管理系統以上海世博園國家電網企業館為建設對象，以經濟性、環保性、便利性、人性化為設計指導思想，通過實時采集設備運行狀態、負荷電能消耗信息、電能質量信息及報警事件信息等，向用戶展示場館的供用電信息，通過綜合分析樓宇環境參數、歷史用電信息、電能質量、實際用電負荷和電價結構，選擇并制定用電控制管理策略以達到最經濟或最節能的目的，并通過遠程聯動控制實現各子系統的運行方案優化及系統間的協調運行。

2 系統架構

樓宇智能用電能量管理系統集成了以下五個子系統：

○展館樓宇自控系統（BA系統），包括空調通風系統、照明系統、太陽能增強通風系統、空氣質量檢測系統、電梯、配電監控系統等；

○風電光伏子系統，展示新型能源作為未來電網的一個重要組成部分，所具備的環保及經濟特性；

○V2G，展示電動汽車作為移動儲能單元接入電網，實現電網與車輛的雙向互動，達到削峰填谷、平衡負荷的目的；

○智能變電站系統，展現APF及SVG+技術所帶來的電能質量的大幅提高；

○空調系統，展現冰蓄冷系統、地源熱泵系統、吸附式空調系統作為新型負荷式用電設備所實現的智能用電理念及能量的綜合利用。

五個子系統的集成工作主要包括數據的采集與處理、分析、顯示3個功能，同時樓宇智能用電能量管理系統基于五個子系統的數據采集處理及分析結果制定用電策略，并通過聯動控制實現對于各子系統的遠程控制，最終達到節能減排的目的。

基于以上系統集成及功能需求，樓宇智能用電能量管理系統采用分層分布式結構，系統自上而下共分三層，如圖1所示。

1）監控管理層：為現場操作人員及管理人員提供充足的信息（包含全館供用電信息、電能質量信息、各子系統運行狀態及用電信息等），制定能量優化策略，優化設備運行，通過聯動控制實現能效管理，提高經濟效益及環境效益；

2）通信層：使用通信網關機將各個子系統所使用的非標準通信協議統一轉換為標準的Modbus TCP協議，將監測數據及設備運行狀態傳輸至樓宇智能用電能量管理系統；

3）現場設備層：指分布于高低壓配電柜中的測控保護裝置、儀表，以及各個子系統SCADA系統。

3 系統設計與實現

3.1 現場設備層設計與實現

表1 樓宇智能用電能量管理系統設備層集成設備清單

樓宇智能用電能量管理系統現場設備層是整個系統的硬件支撐平臺，是整個系統的數據源，設計清晰合理的現場設備層是樓宇智能用電能量管理系統實現的基礎。

針對上海世博園國網企業館實際建設情況，樓宇智能用電能量管理系統設備層需要集成的設備內容如表1所示。

表2 樓宇智能用電能量管理系統集成設備信息表

需要說明的是這里所指的設備既包含采集用電量信息的智能儀表和各類運行設備，同時也包括各類第三方系統，如上表中的BA自控系統。

樓宇智能用電能量管理系統現場設備層物理拓撲結構如圖2所示。

3.2 通信層設計與實現

如表一所示，樓宇智能用電能量管理系統接入的設備種類多樣，所使用的物理接口類型及協議類型極為復雜，所傳輸數據種類也不盡相同，詳情見表2。

為了確保樓宇智能用電能量管理系統的可維護性和可擴展性，所有的設備均將測量數據及設備運行狀態等送至通信網關機，通信網關機使用對應的通信協議進行解析，并將所有數據按照設定的順序打包為標準的Modbus TCP協議，送至樓宇智能用電能量管理系統監控管理層，結構如圖3所示。

3.3 監控管理層設計與實現

監控管理層是樓宇智能用電能量管理系統的核心，它負責以圖形化的方式向用戶提供實時監測、數據分析、電能質量分析、能效評估等功能，并通過交互式技術向用戶提供用電策略制定及聯動控制等功能，具體功能如下所述：

1）實時信息監測

（1）全館實時供用電信息展示；

（2）突出展示清潔能源供電在整個展館用電中所占的比例，體現新型清潔能源的環保性和經濟性。圖4為清潔能源系統實時監測畫面；

（3）突出展示APF、SVG+等先進技術帶來的電能質量優化及動態補償等優點；

（4）突出展現新型負荷式用電設備對綜合能量的利用（冰蓄冷、地源熱泵、變壓器余熱）；

（5）突出展現V2G系統所引導的新型能源生活（電動汽車）；

（6）突出展現樓宇自控系統所帶來的舒適生活（調節環境參數）。

2）歷史用電情況分析

（1）各個用電系統不同時段用電量對比；

（2）各個用電系統能耗等級分析；

（3）根據用電量模擬多部制電價賬單；

（4）分析使用智能變電技術、清潔能源等新型技術及能量管理系統后能量節約等效的經濟效應（成本節約RMB）及環境效應（CO2排放量）；

（5）分析不同時段的電能質量信息，展示智能用電方式所帶來的電能質量的大幅提高。

3）能量優化控制策略

（1）通過互動展示基于不同電價結構，制定最經濟性用電策略，實現削峰填谷，減少電費支出；

（2）通過對全館用電負荷的分析，制定平衡負荷策略，降低電網壓力，提高發電設備效率、延長使用壽命；

（3）通過對歷史用電情況的分析，制定各子系統運行策略，確保用電設備的正常高效運行；

（4）對全館用電負荷 、電能質量及電價架構進行綜合分析，制定新能源并網策略及V2G系統充放電策略，實現節能減排。

4）聯動控制

聯動控制示意圖見圖5。

（1）提供互動模式，用戶自行定制當天用電策略，并實時分析、模擬用電策略，預測用電信息，為用戶制定用電策略提供數據支持；

（2）根據場館環境參數及當前用電負荷情況，調節BA系統中的空調及通風系統運行策略；

（3）根據能量優化控制策略實現對各個子系統的遠程控制，并通過運行結果說明能量優化控制策略的效果。

4 結束語

世博園國網企業館樓宇智能用電能量管理系統從電力專業的深度對電能消耗進行數字化和集成化，通過采集設備運行狀態、負荷電能消耗信息、報警及歷史數據等信息，結合實際運行負荷需求和電價政策，以及新的能源供電模式和新型的用電設備配置，從而科學選擇和制定能耗控制管理方案，在整體上對供用電設備進行協調控制，以實現樓宇用電的智能化，讓終端用戶直接感受到智能電網帶來的經濟效益和社會效益。

系統在設計過程中對場館的各個供用電系統進行了系統的劃分和分析，使用了分層分布式結構進行設計，成功集成了樓宇自控系統、風電光伏系統、V2G系統等多個閉環子系統，使用組態方式實現了數據采集、數據集成、數據分析及展示功能，確保了系統具備高可維護性及高可擴展性。

該系統的成功設計及實現向全世界充分展示了國網公司在智能用電、清潔能源開發、能量綜合利用及能效管理方面的能力、實力及效果；同時通過世博會這個廣闊平臺充分引領廣大用戶對科學用電、合理用電、節約用電、綜合節能、雙向互動、清潔能源等方面的認知和感受，引導廣大民眾感受智能電網帶來的切身變革、便利和實用性。