用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)及其應用

岳 明

（江蘇聯(lián)宏自動化系統(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：電能分項分戶計量/3級計量，電能質(zhì)量監(jiān)測，節(jié)能自動化控制，能源審計，系統(tǒng)集成。

1.1 電能分項分戶計量/3級計量

主要包括建筑用電的分項分戶實時在線計量；企業(yè)總廠級（電能總表）、車間級、重點用電設備3級層次的電能實時在線計量；用能診斷；節(jié)能潛力分析和節(jié)能效果驗證。

1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測

主要包括配電回路無功功率、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)實時在線監(jiān)測。

1.3 節(jié)能自動化控制

主要包括供配電系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制；泵、風機、空壓機等電機系統(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

主要包括全面核對用能數(shù)據(jù)；能源量平衡計算；對重點用能設備或系統(tǒng)進行節(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)采用先進的、安全可靠的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分布式高速實時控制網(wǎng)絡核心技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品構(gòu)建，系統(tǒng)分為3個層次，從下至上分別為：現(xiàn)場設備層（感知層）、通信網(wǎng)絡層、系統(tǒng)應用層。

現(xiàn)場設備層（感知層）為現(xiàn)場監(jiān)控點的傳感設備和控制器，即智能節(jié)點設備，包括用于配電回路計量和控制的多功能電力監(jiān)控終端、用于辦公建筑分項計量的能源管理終端、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、用于電機系統(tǒng)節(jié)能的智能變頻器等。該層是對用能點直接采集和控制的基礎設備層。

通信網(wǎng)絡層是解決現(xiàn)場設備聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場設備層和系統(tǒng)應用層之間構(gòu)成承上啟下的數(shù)據(jù)傳輸層次。通信網(wǎng)絡層包括2個層次，一是現(xiàn)場智能節(jié)點設備組成的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡；二是系統(tǒng)主干光纖環(huán)網(wǎng)。

系統(tǒng)應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、實時監(jiān)測和控制功能，以及電能統(tǒng)計、分析、預測和調(diào)度等功能。

用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)可根據(jù)客戶需求設立用戶側(cè)本地監(jiān)管平臺，實現(xiàn)用戶能耗數(shù)據(jù)本地采集與存儲，從而實現(xiàn)系統(tǒng)本地實時監(jiān)管與分析。通過用戶側(cè)本地服務器，將用戶側(cè)能耗數(shù)據(jù)上傳至省、市電力需求側(cè)管理服務平臺。如不設立用戶側(cè)本地監(jiān)管平臺，用戶側(cè)能耗數(shù)據(jù)則直接上傳至省、市電力需求側(cè)管理服務平臺。用戶通過使用提供的授權(quán)賬號與密碼，登陸省、市電力需求側(cè)服務平臺查看相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)與分析。

系統(tǒng)除了進行電能管理，還具備很好的可擴展性。系統(tǒng)可對天然氣、水進行分類分項3級計量，實現(xiàn)能源信息化管理，組成能源管理系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)可以對客戶用天然氣進行計量、監(jiān)測，用以分析設備的能耗。同時，對各主要用水點（計量到車間級）進行實時計量，建立水平衡系統(tǒng)，實時分析管網(wǎng)的工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)跑、冒、滴、漏等異常狀況，避免能源的無謂浪費。

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 動態(tài)電力需求側(cè)響應

3.1 響應流程

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)響應需求，制訂需求側(cè)響應措施，將各分項用電回路根據(jù)重要性和緊急程度分為不可中斷負荷、可中斷負荷和可控負荷。如:商業(yè)建筑、公共區(qū)域的照明用電、通風、電梯等動力用電屬于不可中斷負荷，景觀照明用電屬于高峰可中斷負荷，空調(diào)用電屬于可控負荷。

在接到調(diào)峰指令后，用戶側(cè)管理系統(tǒng)實現(xiàn)主動響應，在保證不可中斷負荷的用電回路安全運行的前提下，對可中斷負荷和可控負荷采取自動化調(diào)控手段。

（1）高峰限電時切斷可中斷負荷回路，如：景觀照明回路。

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

系統(tǒng)響應流程如圖2。

3.2 指令傳遞過程

用戶側(cè)管理系統(tǒng)指令傳遞過程如圖3所示。

圖2 用戶側(cè)管理系統(tǒng)響應流程

圖3 用戶側(cè)管理系統(tǒng)指令傳遞過程

4 現(xiàn)場控制網(wǎng)絡技術(shù)

對于電力用戶側(cè)的電能管理系統(tǒng)，由于關(guān)注的對象眾多，而且分散面廣，不能采用普通的I/O板卡采集模式，因為那樣意味著大量的電纜、數(shù)量眾多的I/O板卡和體積龐大的控制柜，所以現(xiàn)場控制網(wǎng)絡是實現(xiàn)大量分散的測控點需求的電力用戶側(cè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。Lonworks現(xiàn)場控制網(wǎng)絡是符合物聯(lián)網(wǎng)概念中感知層、網(wǎng)絡層和應用層的3層結(jié)構(gòu)體系的通信技術(shù)。基于Lonworks控制網(wǎng)絡，可真正實現(xiàn)計量、監(jiān)測和控制一體化的能源管控目標。

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

對用能單位內(nèi)部變配電所實施配電自動化，實現(xiàn)遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、遙視，提高供配電系統(tǒng)管理的自動化水平，實現(xiàn)配電系統(tǒng)優(yōu)化運行，能夠及時處理事故，減少事故停電時間，更好地保證供配電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。

通過配電自動化運行，為電力需求側(cè)管理提供技術(shù)支撐手段，可根據(jù)電力負荷控制要求執(zhí)行需求側(cè)響應指令，降低用電負荷，通過動態(tài)需求側(cè)響應達到削峰填谷的目的。

5.2 泵、風機、空壓機等電機系統(tǒng)節(jié)能控制

根據(jù)用能單位生產(chǎn)工藝上的能源實際需量，動態(tài)地調(diào)節(jié)風量、水量、氣量，以實現(xiàn)節(jié)能的目的。針對的能耗設備包括風機、水泵、空氣壓縮機等。主要節(jié)能措施是采用電動機變頻技術(shù)，變頻節(jié)能的目的是讓裝置工作在效率最高、最經(jīng)濟的狀態(tài)，而不是一直“全速運行”。

5.3 余熱回收利用

空氣壓縮機在進行空氣壓縮時，循環(huán)油和排氣溫度高達85℃至90℃，蘊含大量的熱能，其中70%至80%可回收利用。常規(guī)情況下，機器將這些熱量排放到空氣中散發(fā)掉。空氣壓縮機熱能回收系統(tǒng)將其發(fā)出的熱量回收，加以利用，經(jīng)濟價值非常高。

壓縮機熱回收效率可以達到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

實現(xiàn)包括從冷凍主機在線監(jiān)控到房間末端的溫度實時監(jiān)控和遠程設置等，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化。

·冷水機組。根據(jù)冷凍水供水溫度和冷凍機負荷，對冷水機組采用自動臺數(shù)控制。供水溫度達不到設定溫度，則加載運行的冷凍機臺數(shù)；單臺冷凍機負載達不到50%，則減載運行的冷凍機臺數(shù)。

·冷凍水泵。根據(jù)冷凍水供回水壓差，對冷凍水泵采用自動臺數(shù)控制和變頻控制，實現(xiàn)恒壓差控制。

·冷卻水泵。根據(jù)冷卻水供水溫度，對冷卻水泵采用自動臺數(shù)控制和變頻控制。

·冷卻塔。根據(jù)冷卻水回水溫度，對冷卻塔風機采用自動臺數(shù)控制和變頻控制。

·新風機。根據(jù)出風溫度自動調(diào)節(jié)風門開度和新風機轉(zhuǎn)速。

·風機盤管溫控器。對末端樓層、房間的風機盤管控制器實現(xiàn)集中控制和管理，可遠程設定節(jié)能運行模式，設定溫度、風機轉(zhuǎn)速，按照工作時間表對風機實現(xiàn)自動啟動和關(guān)閉。

通過對中央空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)末端即風機盤管、新風機組、空調(diào)箱、冷凍站、冷卻塔風機等環(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)負荷。

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

通過對VRV空調(diào)主機的遠程管理，實現(xiàn)對于每個房間溫度、風速等在內(nèi)的集中控制和管理。

通過對房間溫度、風速的集中控制，與政府電力需求側(cè)管理平臺實現(xiàn)實時通信，在用電高峰期自動響應削峰指令，強制節(jié)能運行，實現(xiàn)動態(tài)需求側(cè)響應。如:在夏季自動將房間內(nèi)空調(diào)溫度設置提高2℃，從而臨時性降低電力負荷。

（3）單體空調(diào)節(jié)能控制

通過智能插座實現(xiàn)對單體空調(diào)的用電計量、定時控制、溫度控制等功能。

系統(tǒng)具備實時通信功能，通過互聯(lián)網(wǎng)與政府電力需求側(cè)管理平臺實現(xiàn)交互通信，可對公共建筑、居民小區(qū)等采取動態(tài)需求側(cè)管理，在用電高峰期自動響應削峰指令。

5.5 照明系統(tǒng)節(jié)能控制

（1）高效燈具

大型廠房內(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，造成燈具實際效率不高。

本技術(shù)基于先進反光膜材料技術(shù)，采用的燈具改造技術(shù)突破了傳統(tǒng)LED光源改造思路，采用光學反射膜材料，對燈具進行改造，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)能效果對比

（2）智能控制

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

·室內(nèi)照明控制：聲光控；工作時間計劃控制；光照度控制等。

6 系統(tǒng)實時集中管理技術(shù)

用戶側(cè)電能管理系統(tǒng)系統(tǒng)應用軟件具有圖形化的全中文人機界面，Windows的操作風格，模塊化結(jié)構(gòu)，易于使用，配置靈活，操作便捷，人機交互簡單清晰，便于擴展，可廣泛應用于電力需求側(cè)管理的分布式自動化監(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、分項和分戶管理，儀表信息管理等功能。

（2）數(shù)據(jù)采集與存儲功能

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

（3）供配電系統(tǒng)實時模擬

對供配電系統(tǒng)進行模擬，實時準確的顯示變電所供電各回路的各種運行狀態(tài)與各項電能數(shù)據(jù)，對供配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時監(jiān)控、故障檢測、報警，使系統(tǒng)運行始終處于監(jiān)控狀態(tài)。

（4）報警管理功能

對所有監(jiān)測中的儀表進行報警管理，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)出報警聲音及時提醒管理人員，可以手動對報警信息進行處理。

（5）能耗數(shù)據(jù)定時上報功能

定時啟動數(shù)據(jù)打包程序，從數(shù)據(jù)庫中抽取需要上報的數(shù)據(jù)，按照接口標準封裝成XML格式的數(shù)據(jù)包，并壓縮數(shù)據(jù)包。

向上一級數(shù)據(jù)中心服務器發(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)用上一級數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡服務（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

對經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的分項能耗數(shù)據(jù)進行分析匯總和整合，通過靜態(tài)表格或者圖表方式將能耗數(shù)據(jù)展示出來，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)管平臺系統(tǒng)軟件采用圖形化人機界面，軟件界面體現(xiàn)整個企業(yè)能源節(jié)能監(jiān)管平臺的系統(tǒng)模擬圖，在操作界面上可直觀地反映出整個系統(tǒng)的概貌、運營情況以及控管點的地理分布。

在系統(tǒng)模擬圖上點擊各不同功能模塊可進入相應子系統(tǒng)和訪問相應子系統(tǒng)的詳細數(shù)據(jù)。

在模擬圖通過點擊相應的圖標可對監(jiān)控對象實施遙信、遙測、遙控，而且能夠調(diào)用到更為具體的監(jiān)控信息。

（8）實時能耗數(shù)據(jù)展示功能

系統(tǒng)軟件應用可以實時顯示所監(jiān)測的實時及歷史能耗數(shù)據(jù)及各種電力參數(shù)的變化趨勢曲線。系統(tǒng)軟件實時性能好，數(shù)據(jù)刷新間隔頻率可達到1 s/次，數(shù)據(jù)存儲間隔頻率可達到10 s/次。

（9）能耗數(shù)據(jù)處理功能

對采集的能耗實時數(shù)據(jù)進行解析存儲，并調(diào)用數(shù)據(jù)分析功能對采集的原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，生成數(shù)據(jù)倉庫記錄。

（10）節(jié)能控制功能

根據(jù)區(qū)域的工作時間，對重點用能設備實施遙測、遙信和遙控，實現(xiàn)自動化節(jié)能控制。

7 系統(tǒng)集成

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

電能管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡層提供了OPC接口。OPC規(guī)范是工業(yè)控制領域最流行的系統(tǒng)互連接口，國際主流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

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)化解決方案通過實時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，實現(xiàn)電力需求側(cè)管理降低電力負荷，加強負荷調(diào)控能力，為電力需求側(cè)管理工作提供強有力的技術(shù)支撐。

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