基于微網接入及風光儲系統的用能管理系統建設及應用效果

陸 忞，周 昊，周達洪，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）

基于微網接入及風光儲系統的用能管理系統建設及應用效果

陸 忞1，周 昊1，周達洪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）

著眼于智能電網技術發展整體方向和電力企業發展整體戰略的前瞻性考慮，南京供電公司以生產調度大樓建設為契機，從節能減排入手，分別對于微網接入及風光儲系統、用能管理系統進行了深入探索和實踐。該系統于2011年3月正式投運，實現了清潔能源穩定發電以及配電網與大型電力網并聯運行，從而提高清潔電能在終端能源消費中的比重，同時進行有效負荷預測，發揮系統削峰填谷調節功能。

微網；風光儲；清潔能源；用能管理；節能減排

作為分布式發電的重要形式之一，微網既可以通過配電網與大型電力網并聯運行，形成一個大型電網與小型電網的聯合運行系統，也可以獨立地為當地提供電力需求。該模式大大提高了供電靈活性、可靠性。風光儲系統則展示新型能源作為未來電網的一個重要組成部分，具備環保及經濟特性。

智能樓宇用能管理系統基于用電信息采集系統與終端功能、技術方案、組網方案、通信規約、安全防護策略等方面的研究，包括了實時監控主站、超級集中器、區域集中器、采集控制設備。

作為江蘇省內首個樓宇實用化風光儲項目，南京供電公司微網接入及風光儲系統滿足了高起點智能化樓宇分布式新能源應用的要求。2010年12月，“基于微網控制的風光儲應用研究”與“精益化樓宇智能管理系統開發與應用”經南京市科委組織的科技成果鑒定，達到國內先進水平。

1 設計目標以及功能

微網內電源包含有光伏發電、小型風力發電機和儲能設備，構成風光儲微網系統。通過微網控制系統監控分布式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態。

風光儲微網系統獨立運行時，儲能設備作為微網獨立運行時的主電源。

考慮到微網獨立運行的可靠性，假設光伏發電系統和風力發電系統全部退出運行時，主電源的功率大于微網內所有負荷的功率時，微網系統會根據實際情況對所供負載進行容量調節和超限保護。

對于主從控制的微網，如果其他分布式電源的出力大于負載，則有可能出現多余功率倒送給主電源的情況，因此在微網獨立運行時，微網控制系統可以根據實際情況調節部分分布式電源出力的控制策略。

用能管理系統通過智能空氣開關回路終端、智能插座、智能用電采集設備，實現用電量實時/歷史數據、環境監測數據、設備運行實時數據、設備運行狀態數據、設備故障數據、電能質量數據的實時采集與監測，以合理用能、集中控制、精細管理為目標，建設自動化、可量化、可控制的綠色低碳的生態辦公樓宇，實現大樓的實時能效采集，有效控制大樓能源使用。

系統功能包括以下7項：①實現大樓各區域實時用電對比分析；②實現分量用電實時數據的對比分析；③實現重點能耗設備實時用電的對比分析；④實現各智能插座實時用電數據的對比分析；⑤通過能效數據分析，為用能管理提供決策依據；⑥實現環境參數（各房間及公共區域的溫度、濕度）實時采集管理；⑦實現氣象參數（本區域內每天的溫度、濕度、天氣狀況等一系列氣候參數）實時采集管理。

2 系統總體結構及原理

2.1 微網接入及風光儲系統

儲能設備、光伏發電和風力發電并列接入交流低壓母線。微網與外部電網有一個統一的聯絡開關。控制策略采用主從控制設計，即在并網運行時，主電網作為主電源；在孤網運行時，蓄電池儲能設備作為主電源。圖1為微網接入及風光儲系統原理圖。

通過微網控制系統監控分布式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態。主電源的功率大于微網內所有負荷的功率時，微網系統會根據實際情況對所供負載進行容量調節和超限保護。在微網獨立運行時，微網控制系統可以根據實際情況調節部分分布式電源出力的控制策略，通過基于3D技術的微網監測平臺，全方位實時展示分布式電源運行狀態、風、光信息及微網運行過程。圖2為系統結構設計圖。圖3為微網系統結構圖。

圖1 微網接入及風光儲系統原理圖

圖2 系統結構設計

圖3 微網系統結構圖

基于微網控制的風光儲系統綜合了交直流微網的優點，采用了交直流混合結構方案。系統將風力發電機所發電力，經風機逆變器轉變為交流，提供給微網控制器進行離網、并網控制，蓄電池組和光伏陣列共用一臺三相逆變裝置，一路30.6 kW光伏和一路50 kW儲能分別通過兩路DC/DC電路升壓。光伏發電經光伏控制器對蓄電池進行充電，蓄電池充放電管理由控制及數據采集系統統一控制管理。逆變器輸出端接入蓄電池輸出端，經由蓄電池穩壓直接供給微網逆變器。逆變器采用并網與離網逆變器并聯運行模式，系統可以方便地在并網與離網之間進行切換，并可以在市電與逆變之間進行切換。當市電發生故障以后，可以自動切換至逆變后離網供電。

2.2 用能管理系統

用能管理系統邏輯圖、數據流轉結構分別如圖4、圖5所示。

3 建設方案

圖4 用能管理系統邏輯圖

圖5 用能管理系統數據流轉結構圖

針對南京供電公司生產調度大樓周邊自然環境的實際情況，微網接入及風光儲系統包括4個部分。①光伏發電系統：本項目包括30.6 kW光伏發電系統；②風力發電系統：本項目包括15 kW屋頂風力發電系統；③蓄電池儲能系統：鉛酸蓄電池儲能系統，使微網既可并網運行，也可獨立孤網運行；④監控系統：系統可以監控分布式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態。微網接入及風光儲系統運行模式控制示意圖見圖6。

圖6 微網接入及風光儲系統運行模式控制示意圖

用能管理系統面向樓宇自動化。采用子系統集成模式、集監控與管理系統于一體的平臺開發軟件，具有使用簡單、性能可靠、速度快、系統開放等特點，為大樓智能化建設提供完整的解決方案。

在統一的系統平臺上實現各系統間的有效通信和連接，采用統一的方式實現系統信息交換和共享。

4 實踐效果與效益分析

式中：PPV為工作點的輸出功率，標準額定條件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℃、相對大氣光學質量為AM1.5的條件；Gc為工作點的輻照度；k為功率溫度系數；PSTC為標準額定條件下光伏的額定輸出功率；Tc為工作點的電池溫度。

現忽略環境溫度的影響，考慮光伏發電的轉換效率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

現有數據為全天每分鐘光照和發電量數據，共24×60=1 440個點。

可先計算出每小時的平均光照強度，進而計算出本小時的發電量，將全天24 h發電量相加即得到全天的發電量，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中比重

光伏輸出功率可由標準額定條件下的輸出功率、光照強度、環境溫度得到

綜合實際數據分析，其中η取0.7，α取0.9，t為點數。表1為光伏發電理論值與實際值比對情況。

表1 光伏發電理論值與實際值比對情況

4.2 倡導減排理念，降低溫室氣體排放量

本項目清潔能源預計年平均發電量18 274.8 kWh，每年減排二氧化碳18 529.68 kg。與相同發電量的火電廠相比，每年可為電網節約標準煤7 126.8 kg，在其經濟使用壽命25年使用期內，共計節省標準煤178.2 tce，風光儲系統發電月度統計表見表2。

4.3 有效預測負荷，實現削峰填谷調節功能

基于用能管理系統中的數據對比分析功能，能夠進行有效的負荷預測，并在一定程度上實施削峰填谷的調節功能；提高供電效率與供電質量，有效降低供電成本，實現樓宇用電的精益化管理。

以2011年7月15日生產調度大樓分類用電量為例，其中空調用電量為4 924 kWh，占用電總量52.82%，大樓分類用電統計也證明了空調能耗在大樓的整體能耗中占有相當大的比例，通過合理支配空調系統的能量消耗可以降低大樓整體能耗。

目前，南京供電公司生產調度大樓物業管理部門通過統一開關機實現7：30～21：00開放新風。用能系統中7月1日至15日空調用電量日曲線顯示，將空調制冰等高耗能操作安排在夜間進行。根據《江蘇省居民客戶峰谷分時電價政策實施方案》，城鎮以及農村居民高峰時段為8：00～21：00，電價為0.558 3元/kWh；低谷時段為21：00～次日8：00，電價為0.358 3元/kWh，從而在節約大樓運營成本的同時，充分利用谷電，實現削峰填谷。

5 結束語

通過采集設備運行、負荷電能消耗、報警及歷史數據等信息，結合實際滿足負荷需求和運用電價政策以及新的能源供電模式和新型的用電設備配置，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，能夠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。如果所取得的效應在更廣泛的社會范圍（如：小區、寫字樓、工廠）內推廣，不僅能優化資產使用和客戶服務，也可推動用戶側的節能環保。

表2 風光儲系統發電月度統計表(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，從事電力信息運維及軟件系統研發工作;周昊（1981），男，江蘇南京人，工程師，從事基建工程建設管理工作;周達洪（1965），男，江蘇興化人，高級工程師，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，高級工程師，主要從事企業信息化研究。