微網電機系統能效監控技術研究

馮東升， 陳偉華， 張金輝

(上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

微網是指多個分布式電源或局部電網及其相關負載按照一定的拓撲結構組成的網絡，并通過靜態開關關聯至常規電網。利用一次能源，使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控，可冷、熱、電三聯供，同時配有儲能裝置，并使用電力電子裝置進行能量調節。微網電機系統能效監控構建的是集能效檢測、能效分析、費用計量、能源調度管理和節能裝置控制于一體的網絡系統，實現對電機系統的綜合節能運行智能化控制，及最低折合排碳量能源調度，使整個微網系統或局域范圍內節能減排效果達到最佳、折算排碳量最低。它能滿足從更廣范圍、更高層面為用戶提供節能減排裝置。因此，實施的效果是局域微網整體節能。

1 能效監測微網系統建立的重要性和迫切性

電機系統是節能減排的重要領域，高性能的電機系統能效監控、管理系統是確保節能效果的重要手段。

電機系統的應用范圍十分廣泛，其用電量約占工業系統總用電量的75%，占全國總發電量的50%以上，是當今國際高度關注和重點研究的領域，也是我國“十一五”乃至“十二五”期間實施節能減排既定國策的重點關注領域。

面對電機系統節能的巨大潛力和迫切的市場需求，發達國家政府和國際組織都已大力推動，國際領先企業已投入了大量人力、物力、財力，在電機系統節能技術研究和產品的推廣應用方面取得了突破性進展。因此，我國急需開展相關技術研究和產品開發，否則國內中、高端電機系統節能市場將喪失殆盡。

目前，我國在系統能效檢測分析技術、系統節能減排整體解決方案及管理技術、節能效果和性價比達到最佳匹配的系統節能技術等方面還處于空白，節能項目的實施主要以個別設備的節能為目標，缺乏整體節能改造和運行管理的技術手段。現有電機系統節能工程實施中存在著一系列問題，如:對任何負載都使用通用的高效電機和高效水泵、風機、空壓機組合;或采用加裝變頻器的做法;或采用電機和控制器分別設計、制造，高效產品的簡單組合等。現有電機系統節能工程缺乏系統能效檢測技術和裝備、節能減排整體解決方案專家系統、能效綜合調度、控制等有效手段，以及減少碳排放量的管理系統等。造成系統節能效果不佳、節能成本大大增加，碳排放量居高不下，致使我國電機系統節能工程實施進展緩慢。

統計數據表明:發達國家的電機的運行效率比我國高3% ～5%，系統運行效率要高25% ～30%。以2008年全年電機系統耗電計算，若改造現有電機系統的一半，使之平均提高運行效率25%，則可節約用電2 575億kWh/年以上，折合標煤1.04億t以上，相當于三峽2008年發電總量的2倍，既可節約電能，又可節約建電站的投資和相應配套設施的投資，還大大減少了CO2等有害氣體的排放。

鑒于此，電機系統能效監測微網系統的研究已顯得十分迫切和必要，這是一個集能效實時檢測、分析、控制策略為一體的綜合節能減排研究。研究中從綜合節能、降低運營成本的角度提供更廣范圍、更高層面的局域微網整體節能解決方案，是充分考慮到綜合能效監測管理的網絡運行和控制策略，是節能控制改造實施從微觀到宏觀控制的新階段。

隨著國家相關節能政策的實施，對電機系統整個微網或局域范圍內的能效監控管理產品顯得更加重要，市場需求更加緊迫。因此，本研究的開展對提高電機及系統能源利用率，節約能源、保護環境、實現我國工業領域的快速可持續發展具有非常重要的意義。

2 電機系統能效監測微網系統

電機系統能效監測微網系統主要涉及電量、非電量數據檢測裝置的研究，節能減排整體解決方案專家系統的建立，能效檢測分析、管理控制系統的研究。所有設備網絡運行，結合具有檢測數據分析、控制策略選擇、能源調度等功能的控制平臺，實現局域微網范圍內綜合排碳量最低的節能目標，圖1為電機系統能效監測微網的構成。

2.1 能效檢測裝置的研究

圖1 電機系統能效檢測微網系統構成

研究電量、非電量數據的檢測裝置，通過能效檢測、分析，得到整個微網系統或局域范圍內的所有設備的實時能效情況。

2.1.1 電能參數檢測裝置

電能參數采集裝置主要實現電能參數的實時、智能采集和處理;滿足電能輸入計量和各級設備實際消耗量計量;并通過網絡傳輸至中央控制器，計算得到耗能參數;實現對能源傳輸、變換等設備的效率實時檢測監控，提供給綜合能效管理系統能效檢測數據作為控制依據。

2.1.2 非電量數據檢測裝置

電機系統運行中非電量如:熱、冷、轉速、壓力、轉矩、流量等能量的檢測是系統能效檢測的關鍵，通過對這些非電量參數的檢測，將可得到實際生產中需求的能量。裝置是完成非電量數據智能實時采集和處理的采集裝置，并通過網絡傳輸至中央控制器，計算得到能源利用參數。

由于電量、非電量的檢測主要是為了體現系統的整體用能情況，因此檢測設備的精度不必很高，數據采集周期約為5 s即可。

2.2 能效檢測分析、管理控制系統的研究

為保證節能減排裝置運行的綜合最佳效果，開發了能效檢測分析、管理控制系統，根據能效檢測裝置的實時監測數據，以及建立的節能減排裝置數學模型，形成節能減排解決方案計算專家庫，并采用全壽命周期成本分析法，選擇全壽命周期成本最低的節能方案及產品;計算各裝置和整個系統的能效情況，根據模擬運行結果，以整個微網或局域綜合能效最高為目標進行節能裝置運行綜合管理控制;對于多能源輸入系統，軟件能根據能源的折算排碳量和能源的最大供應量，實現最低折算排碳量調度管理控制。

能效分析、管理控制系統實現以下功能:

(1)檢測數據進行采集、存儲與匯總分析;

(2)根據檢測數據，通過專家系統，提供微網節能工程實施方案;

(3)實現用能實時檢測、能效分析;

(4)實現微網內能源運行管理和運行控制;實現能源費用計量計算及費用報表形成。

總之，整個系統是通過網絡技術實現的，可達到實時、有效、智能化運營。

3 電機系統微網技術的特色和水平

電機系統能效監測微網技術是處于國內領先地位的節能技術。它集能效檢測、分析、綜合節能控制、能源調度管理和整體解決方案專家系統為一體，最終建立的監控網絡如圖2所示，它很好地體現了綜合節能控制和最小折算排碳量控制等特點及優勢，解決了長期困擾電機系統節能減排領域的技術瓶頸，其主要特色水平如下:

(1)通過全方位的監測和數據匯總，監測局域范圍內的綜合能耗和能效情況，充分了解整體能效情況。

(2)采用了新的節能理念。全壽命周期成本分析法，充分考慮折算排碳量這一重要指標，提供全壽命周期成本最低的整體節能減排解決方案。

(3)應用了全新的控制策略。局域綜合節能控制，通過控制使微網或局域節能效果最佳，達到局域范圍內的最佳節能控制目標。

(4)引入了全新的管理方法。最低折算排碳能源調度管理，通過能源調度管理使局域范圍內達到最小折算排碳量控制目標。

圖2 監控系統網絡運行系統圖

(5)在節能減排產品的基礎上，向用戶提供更進一步從綜合節能和折算排碳量的角度進行能源調度和節能控制;是結合智能電網技術、節能減排技術、能效管理技術上的綜合技術;是全新的節能與減排相結合、綜合能效管理和能源調度控制相結合的最新的符合節能減排目標的控制。

4 結語

本研究適用范圍大，可廣泛應用于制造業、鋼鐵、石化、紡織工業等各領域的采用電能轉化設備的耗能用戶，可用于一臺設備、一條生產線、一個車間、一個工廠、一棟大樓、一個商務區、一個區域，甚至可用到更大的范圍內的整體能效管理和節能控制，擁有十分廣泛的用戶群體。

本研究是從綜合節能和折算排碳量的角度進行能源調度和節能控制的新技術，是結合智能電網技術、節能減排技術、能效管理技術上的綜合技術，是綜合能效管理和能源調度控制相結合的技術，是最新的、最符合節能減排目標的產品。本研究從能源設備管理、運營調度、全壽命周期成本分析、整體節能等角度全面降低企業生產運營成本、降低局域微網的綜合排碳量，具有廣闊的市場前景。

［1］鄭漳華，艾 芊.微電網的研究現狀及在我國的應用前景［J］.電網技術，2008(16):27-31.

［2］陳珍萍，歐陽名三.基于無線傳感網絡的電能質量監測系統［J］.低壓電器，2011(8):43-46.

［3］上海市能效中心.上海市電機系統節能技術匯編［G］.2010.