電力需求側管理在火力發(fā)電廠的應用

楊宏鵬

【摘要】 發(fā)電廠作為電能轉化企業(yè)，既是電力的生產(chǎn)者，也是電力的需求側。電能監(jiān)測平臺是應用物聯(lián)網(wǎng)技術和智能電網(wǎng)理念，結合現(xiàn)代電力需求側電能管理思想，為電力用戶構建的電能管理系統(tǒng)。本文介紹了寧夏京能寧東發(fā)電有限責任公司火力發(fā)電廠電能監(jiān)測平臺結構、能效管理模式及平臺建設的創(chuàng)新點、技術難點和解決方案。

【關鍵詞】 電力需求側管理 電能監(jiān)測平臺 輔機單耗 廠用電率

電力需求側管理（Power Demand Side Management，DSM）指在政府法規(guī)和政策支持下，采取有效的激勵和引導措施以及適宜的運作方式，通過電網(wǎng)企業(yè)、能源服務企業(yè)、電力用戶等共同協(xié)力，提高終端用電效率和改變用電方式，在滿足同樣用電功能的同時減少電力消耗和電力需求，為達到節(jié)約資源和保護環(huán)境，實現(xiàn)社會效益最優(yōu)、各方受益、成本最低的能源服務所進行的管理活動。發(fā)電廠作為電能轉化企業(yè)，既是電力的生產(chǎn)者，也是電力的需求方；以2013年度為例，寧夏京能寧東發(fā)電有限責任公司（以下簡稱寧夏京能電廠）全年發(fā)電量為75.02億kWh，盡管廠用電率4.95%，但是耗電量仍高達3.69億kWh（相當于中型鋼廠的年耗電量規(guī)模）。寧夏京能寧東發(fā)電有限責任公司電能監(jiān)測平臺一方面實現(xiàn)與自治區(qū)電能監(jiān)測平臺的對接，實現(xiàn)為政府在區(qū)域的能源優(yōu)化，節(jié)能調度等方面提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，作為宏觀層面的決策支撐；同時廠級平臺根據(jù)現(xiàn)場實際情況，實現(xiàn)企業(yè)級需求，將廠用電率能效管理的理念融入其中，開發(fā)了廠用電率分析系統(tǒng)、輔機設備單耗分析系統(tǒng)及電能平衡分析系統(tǒng)，實現(xiàn)廠用電精細化管理，降低廠用電率。

一、國內外電力需求側管理的應用現(xiàn)狀

電力需求側管理的提出是與電力產(chǎn)業(yè)的技術特征精密相連的。1981年美國學者C.W.Gellings第一次提出DSM的思想，它改變了傳統(tǒng)規(guī)劃中單純以供應滿足需求的思路，將需求側節(jié)約的電力和電量也作為一種資源，供方與需求方兩種資源綜合比較，按最小費用的原則尋求最優(yōu)方案，使其產(chǎn)生最大的社會效益及經(jīng)濟效益。目前DSM已成為國際上先進的能源管理活動和發(fā)達國家可持續(xù)發(fā)展的重要手段，在法國、德國、韓國、美國、加拿大、意大利等30個國家和地區(qū)取得了成功實施，并越來越受到關注。

我國在上世紀90年代末開展電力需求側管理，目前江蘇、寧夏、河北建立了省級平臺，以電力需求側管理開展較早的江蘇為例，電力需求側管理平臺已覆蓋全省 18萬家企業(yè)、可控負荷4000多萬千瓦。根據(jù)江蘇省電力公司對其開展的能效電廠項目統(tǒng)計，2011-2013年完成43.8億千瓦時節(jié)約電量，取得顯著節(jié)電效果。

二、電廠電能監(jiān)測平臺系統(tǒng)架構

平臺由三個部分組成：一是數(shù)據(jù)采集單元；二是數(shù)據(jù)存儲處理單元，是系統(tǒng)的核心部分；三是數(shù)據(jù)發(fā)布單元。

數(shù)據(jù)采集單元由分布在客戶配網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集裝置組成，采集到的用能數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸，轉換，存儲到數(shù)據(jù)存儲處理單元。采集單元由SIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成及電能質量監(jiān)測系統(tǒng)兩部分級成。SIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成是通過SIS系統(tǒng)采集發(fā)電量、廠用電量、煤耗、鍋爐效率等指標數(shù)據(jù)。電能質量監(jiān)測系統(tǒng)通過電能質量監(jiān)測儀表采集主要用電設備及供電線路的電能質量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲處理單元是系統(tǒng)的核心，基于高速實時數(shù)據(jù)庫技術，數(shù)據(jù)存儲模塊負責存儲各類客戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理結果。數(shù)據(jù)處理模塊負責數(shù)據(jù)處理模塊是在采集的海量基礎數(shù)據(jù)之上，滿足需求側管理功能進行的數(shù)據(jù)計算，加工等二次處理，如基本報警，同比，環(huán)比，峰谷平值，不平衡度等。數(shù)據(jù)處理實時進行，一旦檢測到數(shù)據(jù)超過預置條件，立即觸發(fā)報警。數(shù)據(jù)處理模塊提供的報表可按照用戶的自定義條件定時生成。

主要工作內容及程序如下：

數(shù)據(jù)發(fā)布單元是整個系統(tǒng)與用戶的人機交互界面，是系統(tǒng)功能的最終體現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)布單元嚴格基于B/S架構，用戶無需安裝任何軟件，包括瀏覽器插件，即可通過瀏覽器管理電能管理信息，系統(tǒng)支持智能手機，平板電腦訪問。數(shù)據(jù)發(fā)布單元有嚴格的授權系統(tǒng)，任何未經(jīng)授權的訪問將被拒絕。

三、平臺功能設計

1、與省/區(qū)級平臺對接的功能設計：電能監(jiān)測平臺不僅需要實現(xiàn)電廠自身廠用電的管理，實現(xiàn)政府在區(qū)域用電綜合管理，節(jié)能調度的作用。平臺設計數(shù)據(jù)篩選、加密、上報系統(tǒng)，原始數(shù)據(jù)直接采集到廠級電能管理平臺，廠級電能管理平臺對數(shù)據(jù)處理后，將政府監(jiān)管所需要的數(shù)據(jù)按照自治區(qū)電能監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)格式要求打包，開發(fā)對接功能模塊，將數(shù)據(jù)上傳。

2、電能監(jiān)測基本功能設計：平臺基本功能包括電力監(jiān)測、電能質量監(jiān)測和廠用電量監(jiān)測。電力監(jiān)測功能實時統(tǒng)計監(jiān)測廠用電系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)，主要用電設備（包括關鍵用電設備）的電力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括電流、電壓、頻率、有功功率等，以圖表及實時運行圖等可視化方式呈現(xiàn)。電能質量監(jiān)測功能實時統(tǒng)計監(jiān)測廠用電6kv段的電能質量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括諧波畸變率，三相不平衡度等。電量監(jiān)測功能實現(xiàn)日、月、年各設備及廠用的系統(tǒng)峰谷平時電量的統(tǒng)計對比。

3、性能計算及預警功能設計：此項功能是電力需求側管理在電廠引用的重點內容，通過用電數(shù)據(jù)和廠用電煤耗、水耗等其他能源數(shù)據(jù)的集成，建設廠用電平衡模塊，輔機耗能分析模塊和耗電率分析模塊。

四、系統(tǒng)設計實現(xiàn)注意問題

1、系統(tǒng)運行安全問題：電廠內的DSC系統(tǒng)是專門為工業(yè)環(huán)境而設計的監(jiān)控裝置，由于它直接與現(xiàn)場的I/O設備相連，外來系統(tǒng)很容易通過電源或接口對其產(chǎn)生信號干擾，同時電廠大量的電氣設備構成復雜的電磁環(huán)境，所以電廠的電能監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾處理非常重要。電能監(jiān)測平臺服務器安置在電廠專用的電子間，服務器安裝屏使用防干擾屏蔽式設計。數(shù)據(jù)傳輸全部采用有線傳輸方式，通訊前置機與平臺服務器采用光纖進行數(shù)據(jù)傳輸。

2、數(shù)據(jù)傳輸方式選擇：廠級電能監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸中需要經(jīng)過多次隔離，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕?jīng)過多次隔離會影響數(shù)據(jù)的實時性。經(jīng)過多次研究，最終選定數(shù)據(jù)通過SIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)出口與平臺服務器進行對接采集，所需的相關數(shù)據(jù)通過SIS系統(tǒng)進行采集補全。廠級電能監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布需先經(jīng)過數(shù)據(jù)打包、加密，再經(jīng)過電廠統(tǒng)一的防火墻系統(tǒng)，然后上傳到自治區(qū)電能監(jiān)測平臺。

3、實時數(shù)據(jù)分析：電廠的廠用電系統(tǒng)平衡計算涉及全廠的用電設備基礎數(shù)據(jù)采集，能耗分析不僅涉及到設備的用電數(shù)據(jù)，同時需要整合電廠的煤耗、水量、氧量、熱量等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息量大，運行公式復雜，數(shù)據(jù)報表準確度、實時性要求高。電能監(jiān)測平臺對廠用電率、鍋爐效率、熱耗率進行分類設備數(shù)據(jù)關聯(lián)，在平臺架構設計之初，就要考慮到大數(shù)據(jù)的實時性，研發(fā)數(shù)據(jù)存儲與轉發(fā)引擎和內存實時數(shù)據(jù)庫技術，減少了數(shù)據(jù)庫的運行壓力，提高了數(shù)據(jù)的實時性，數(shù)據(jù)刷新周期可達到5s以內。

4、與SIS接口開發(fā)：SIS系統(tǒng)對外傳輸接口為非標準化私有協(xié)議，無法通過現(xiàn)有的標準協(xié)議驅動配置采集，這在數(shù)據(jù)采集中是一個難點，現(xiàn)有的標準的OPC，MODBUS通用協(xié)議轉化網(wǎng)關也沒有相應協(xié)議選項，為此定制開發(fā)了SIS系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)采集驅動，實時采集測點數(shù)據(jù)。

5、大數(shù)據(jù)下的數(shù)據(jù)檢索問題：由于長期運營后，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)龐大，在后期報表生成過程中，如果檢索方式不得當，很容易造成系統(tǒng)運行緩慢甚至停機。為了解決這一問題，寧夏京能電廠電能監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)庫采取了集群數(shù)據(jù)庫理念，將定期歸檔按時間戳分解數(shù)據(jù)庫，后期當使用歷史數(shù)據(jù)庫時同樣按時間戳檢索，這樣提高了檢索效率，降低了系統(tǒng)壓力。

五、系統(tǒng)創(chuàng)新性

1、將能效管理思想融入到電能監(jiān)測平臺。電能監(jiān)測平臺融入了能效管理的思想，建設廠用電平衡模塊，輔機耗能分析模塊和耗電率分析模塊。廠用電系統(tǒng)平衡是電廠一直重點關注的項目，以前需要人工進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總，數(shù)據(jù)的實時性差、誤差大，且現(xiàn)場工作量大，電能監(jiān)測平臺開發(fā)專門的平衡分析軟件，自動整合數(shù)據(jù)，實時顯示廠用電系統(tǒng)平衡圖，提高了數(shù)據(jù)準確度，減輕了現(xiàn)場的工作量。輔機耗能分析是電廠控制廠用電率的重要手段，每月均需要現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理，在發(fā)送給各個負責人，電能監(jiān)測平臺根據(jù)設定的周期進行數(shù)據(jù)的同比、環(huán)比。

2、預警功能與專家分析系統(tǒng)結合。電能監(jiān)測平臺將線上設備預警功能與線下專家分析團隊相結合，形成獨特的專家分析系統(tǒng)。平臺對廠用電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異常報警事先分析錄入，當用電設備出現(xiàn)異常報警，系統(tǒng)自動提示報警并提示預先錄入的原因及可能引起的異常，供現(xiàn)場進行排查，當現(xiàn)場排場與提示信息不吻合，立即啟動線下專家分析，通過分析找出原因并錄入系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自學習，為下次預警提供信息提示。

六、成果推廣

在寧東電廠的成功經(jīng)驗將逐步推廣到自治區(qū)其它電廠，同時將監(jiān)測目標擴展至水，煤等耗能工質，應用前景廣闊，下一步推廣可以分三階段進行：

第一階段：電能監(jiān)測平臺推廣至自治區(qū)其它電廠。按照自治區(qū)政府在電力需求側管理工作中的鼓勵優(yōu)惠政策，發(fā)電企業(yè)自身對用電精細化管理，節(jié)約發(fā)電能耗也有迫切的需求，寧東電廠在電能監(jiān)測平臺已經(jīng)有成功的經(jīng)驗，本系統(tǒng)在應用過程中根據(jù)廠里的實際情況也得到了不斷的改進，在這幾方面的契合下，第一階段將把電能監(jiān)測平臺推廣到自治區(qū)的其它電廠，為第二階段積累大數(shù)據(jù)分析做準備。

第二階段：各電廠積累監(jiān)測數(shù)據(jù)到一定階段后，對各電廠在統(tǒng)一平臺上進行大數(shù)據(jù)的分析。目前各家電廠雖都有和電力相關的信息化系統(tǒng)，如廠級實時監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS），分布式控制系統(tǒng)（DCS），電氣控制系統(tǒng)（ECS），各系統(tǒng)都與廠用電有關，但又不側重于廠用電，并且各平臺是單獨系統(tǒng)，數(shù)據(jù)雖然經(jīng)過多年積累，但數(shù)據(jù)可用性，利用率不大，難以在統(tǒng)一平臺上進行大數(shù)據(jù)分析。在統(tǒng)一平臺上，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，可以對各家電廠進行對比分析，經(jīng)過半年到一年的數(shù)據(jù)積累，初步具備大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)基礎，通過挖掘分析，政府在監(jiān)管層面對各家電廠做出指導，提出改進意見，電廠根據(jù)反饋的專業(yè)意見并結合自已的實際情況，組織專家會診，確定解決方案，最終實現(xiàn)節(jié)能減排目標。

第三階段：將電力監(jiān)測應用經(jīng)驗推廣到用水，用煤等能源，建立企業(yè)級能源管理中心。

火電企業(yè)作為高耗能企業(yè)，在電能監(jiān)測平臺應用方面有其固有的特殊性，作為企業(yè)能耗管理的“CT機”，如果應用得當，將大大提升電廠的精細化管理水平，為企業(yè)進一步節(jié)能減排工作提供有力保障，其經(jīng)濟效益和社會效益都將非常顯著，希望通過寧夏京能電廠的電力需求側試點工作經(jīng)驗，被國內其它發(fā)電企業(yè)的下一步節(jié)能工作有所借鑒。

參 考 文 獻

[1]周昭茂.《電力需求側管理技術支持系統(tǒng)》.2007版.中國電力出版社

[2]向軍.《電力需求側管理在我國的應用現(xiàn)狀及相關建議》.2010年.徐州工程學院學報

[3]劉元輝 朱捷.《廠用電監(jiān)控管理系統(tǒng)在梅縣電廠中的應用》.2009年08期.《機電工程技術》

[4]江興 馬文欣 王乾坤.《火力發(fā)電廠降低廠用電率的方法》.2011年1月.云南電力技術