基于電力物聯網的社區綜合能源系統

俞佳濤，張 梁，李海峰，陳智偉，周廷冬，盧光陽

（1.國網浙江省電力有限公司 紹興供電公司，浙江 紹興 312099；2.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著電動汽車的興起，用電量劇增，這對現有街區電力系統的設計提出了極大的挑戰。若是通過簡單的拓展線路、增設變壓器來實現擴容，必將產生巨大的實施成本，并且后期的運營成本也將提高。在社會高速發展的推動下，可再生能源、分布式電源、電動汽車及儲能等新興需求改變了原有的電網形態[1]。

近些年，許多學者聚焦于應用電力物聯網的能源系統的研究，也提出了很多相當寶貴的意見。文獻[2]從戰略管理層面出發，提出了電力物聯網的商業模式；文獻[3]深入探討了電力物聯網的一些關鍵技術；文獻[4]則在電力物聯網平臺的典型應用場景上進行了分析；文獻[5-6]提出利用可再生能源和電力物聯網系統實現能源的轉型。

現有的電力物聯網社區能源系統方案在一定程度上能夠實現社區電力系統的智能化管理，但是在技術上依然存在著以下不足之處：第一，未考慮到未來社區的電網負載問題，沒有考慮到電動汽車的充電需求對電網的影響；第二，不能實現小區光伏系統的就地管理，小區的屋頂光伏系統不能就地消化，造成了小區光伏電的傳輸損耗；第三，小區電力系統的故障檢測依賴于用戶的反饋，不能做到防患于未然。

為解決現在技術存在的上述問題，本文提出一種兼顧了未來社區電動汽車的充電需求、未來小區屋頂光伏系統的管理需求、社區原電力設備的智能化需求方案，可以實現小區電力荷載動態分配，屋頂光伏系統就近利用，電力設備狀態檢測的基于電力物聯網的社區綜合能源系統。

1 電力物聯網概念及基本特征

在人類文明的發展過程中，誕生了許多推動社會前進的人工系統。在這些系統中電力系統有著極其重要的地位，電力系統結構非常復雜，而且隨著社會的發展，人們對電網在安全性、可靠性、經濟性上的要求越來越高，對電網系統進行智能化的升級已成為全球共識[7]。

1.1 電力物聯網概念

電力物聯網是一種智慧服務系統，通過移動互聯、人工智能等現代信息技術，實現電力系統各環節的智能交互，具有狀態感知、高效便捷的特征[8]。電力物聯網通過“大云物移智”和邊緣計算、區塊鏈等先進技術，將所有與電網相關的人、事和設備連接起來，實現對內“數據一個源、電網一張圖、業務一條線”推動數據共享融通、業務全面貫通[8]。同時，對外廣泛連接多樣服務，延伸業務范圍，拓展服務對象，創新商業模式，積極培育和發展新興業態[8]。

1.2 電力物聯網基本特征

電力物聯網將電網系統實體與互聯網通信技術結合在一起，可實現多種能源系統在物理、時空、商業三個不同維度的有機融合。電力物聯網主要具備以下4個特征，分別為：全息感知、泛在連接、開放共享、融合創新。全息感知是指對物品信息進行識別，動態獲取用戶的信息；泛在連接將電力系統中所有設備、用戶的信息和數據進行連接；開放共享指在統一平臺上利用智能技術對數據進行共享和管理，提高數據質量，挖掘有效信息；融合創新實現了電網安全穩定運行并且促進了電力改革[9-10]。

2 智慧社區能源系統總體架構和功能體系

基于電力物聯網的社區綜合能源系統是未來社區的組成單元之一，其聚焦人本化、生態化、數字化三維價值坐標，以滿足人們美好生活向往為目標，結合前沿的物聯網技術，實現綠色低碳、智能便捷的社區建設。電力物聯網社區能源系統主要由4部分功能組成，分別為：智能表箱系統、屋頂光伏系統、智能充電樁系統、智能配電運檢系統。同時，各個用能設備互聯互通，通過“網上國網”APP實現數據的匯總，圖1為智慧社區能源系統結構圖。其中，智能表箱系統暫未接入“網上國網”APP，這里采用一個獨立的APP進行監控。

圖1 智慧社區能源系統結構圖

2.1 智能表箱系統

表箱安裝智能防火裝置，實時監測表計線纜與表箱空間溫度，溫度超過閾值時系統自動推送報警。當溫度激增導致火情瞬時突發時，裝置能自動啟動滅火程序進行滅火，防止火勢擴大，保障社區用電安全。

2.2 智能光伏系統

社區屋頂光伏系統主要為社區提供電能、儲備電能、就地使用電能。屋頂光伏系統包括設置于屋頂的光伏發電單元、社區光伏發電站站房。社區光伏發電站站房內設置有光伏發電管理系統及儲能設備。社區內光伏就地消納功率與接入的變配電設備損耗相近，可基于設備損耗對分布式能源實現就地消納，從而實現無損社區建設，集供、儲、用電為一體。

2.3 智能充電樁系統

智能充電樁系統的功能是為社區的電動汽車提供快充以及共享數據給車聯網平臺。智能充電樁系統包括若干個充電樁和充電樁管理系統，充電樁的電力電路與社區公共電站內的功率控制設備連通，充電樁管理系統分別與車聯網平臺、“網上國網”APP通信連接。“網上國網”APP可為電動汽車主提供汽車充電線上服務，助力構建未來交通出行圈。

2.4 智能配電運檢系統

智能配電運檢系統用于實現社區用戶的多元化電力綜合服務及監控社區電力系統各個設備及負載情況，預測設備故障的可能性，將高危設備預警發送給運檢人員。用戶通過手機APP可實現通電、交費、辦電、能源服務等業務“一網通辦”。

3 智慧社區能源系統技術設計

智慧社區能源系統各個部分的系統功能主要通過表箱防控技術、光伏新能源技術、智能充電樁技術以及“網上國網”APP實現。表箱防控技術通過溫度報警以及火災滅火達到維護社區用電安全的目的；光伏新能源技術通過屋頂的太陽能硅板實現了社區電能就地消納；智能充電樁技術與物聯網技術相結合，將數據接入車聯網平臺，實現了住戶的便捷出行。

3.1 表箱防控技術

表箱集成了智能溫控與自動滅火系統。如圖2所示為智能表箱智能溫控與自動滅火系統框圖。當溫感線束或紅外測溫模塊監測到溫度超過預先設定的安全溫度范圍上限時，防火控制器會通過電力物聯網向APP發送設備溫度異常預警，等待用戶發出指令控制斷路器切斷箱體節點總閘，并打開電控氦氣釋放閥門釋放氦氣以及打開電控排氣閥門排出空氣，對表箱內部進行阻燃。

圖2 智能表箱智能溫控與自動滅火系統框圖

溫度傳感器為表箱溫控功能的核心器件之一，本文采用德國賀力士鍍鉑鎳線高精度的PT100溫度傳感器，該傳感器能夠在-50～200 ℃溫度范圍內長期工作。自動滅火裝置采用一種新型氣溶膠自動滅火裝置，自動滅火裝置的溫感線束可以探測線束路徑上的環境溫度。當線束感應溫度達到或超過160 ℃時，線束觸發滅火裝置自動噴發出氮氣、二氧化碳等惰性氣體，實現相對封閉空間內的自動滅火。

表箱內安裝了數據傳輸終端，負責數據的收集和傳輸，可以將溫度傳感器獲取到的環境數據傳輸到物聯網云，同時對自動滅火裝置的狀態進行實時監控。當自動滅火裝置觸發時，數據傳輸終端會第一時間進行火災報警，通過物聯網云發送到管理員手機上。

3.2 智能充電樁技術

充電樁按照新國標下電動汽車充電接口及通信協議設計，具有通用性。充電接頭采用上出線口的設計，可節省操作者體力；充電樁內部強電和弱電進行了隔離保護，避免因為內部短路造成充電樁短路或者人體觸電，提高了安全性。此外，充電樁整體進行了防水設計，達到了IP65級別的防護。

3.3 光伏新能源技術

光伏能源技術基于光伏效應將太陽輻射的能量轉換為電能，利用開關站和配電房屋頂，建設光伏系統，實現電能就地消納。光伏發電的清潔能源抵消住宅小區變配電設備的損耗，打造無損、綠色社區。太陽能利用采用單晶硅太陽能電池板，采用并網型設計，與公共電網相連，采用并聯型光伏發電系統。為了減少逆變損失，采用組串逆變方式進行逆變，使用多臺并網逆變器，能夠非常好地應對社區電網的相位和電壓波動。

3.4 “網上國網”APP

“網上國網”APP是國家電網公司的官方線上服務入口，主要具備5大功能：住宅、電動車、店鋪、企事業、新能源。因此，“網上國網”APP能提供多個不同場景下用戶的電力服務，滿足用戶的個性化需求。同時，電力運營方可以構建客戶側信息的全景展示平臺，依據“網上國網”APP采集的用戶用電信息，對用戶用電行為特性、能源消費習慣開展分析，為客戶提供優化用電建議等服務。后臺根據收集的數據進行相應分析，掌握社區群體的用電習慣，實現社區電力的“削峰補谷”，避免增設電力設備。圖3為“網上國網”APP功能界面。

圖3 “網上國網”APP功能界面

4 智慧社區能源系統實際應用驗證

該系統在紹興濱海新區進行了試點應用，完成了智能光伏系統、智能充電樁系統、智能表箱防控系統的建設，并通過網上國網APP匯總數據并進行分析，從而實現智能社區。

4.1 智能充電樁實際應用

在已初步建成的社區交流充電樁系統中，共有7 kW交流充電樁10個，投運后，未來每年可節省石油約6.3萬升。借助“網上國網”APP，依托物聯網技術，將充電樁運行信息接入省電動汽車公司車聯網平臺，為小區電動汽車車主提供智能找樁、智慧充電、共享停車等一站式多元化智慧有序充電的“新平臺”。如圖4所示為安裝完成的小區交流充電樁系統。

圖4 安裝完成的小區交流充電

4.2 表箱滅火裝置實際應用

表箱滅火防火裝置在試點小區覆蓋率達到100%，直接受益居民2 000余人，該設備可實時管控用戶側表箱溫度，運維人員通過手機APP或查看監控平臺即可了解實時溫度數據。

當表箱溫度激增或超過閥值引發明火時，智能防火裝置可快速動作，在發送短信告警的同時釋放環保性類惰性氣體撲滅明火，將火災隱患扼殺在萌芽狀態，為居民的用電安全和社會安全提供保障。圖5為安裝完成的小區表箱防火裝置。

圖5 安裝完成的小區表箱防火裝置

4.3 智能光伏系統實際應用

在試點小區3個公配房與1個開關站屋頂完成了共16 kW光伏的安裝工作，投入運行后，預計每年可減少標準煤17.23 t，是無損社區、綠色社區的“新領地”。圖6為安裝完成的小區智能光伏系統。

圖6 安裝完成的小區智能光伏系統

5 結 語

本文智慧社區能源系統采用了光伏新能源的一體化建設，結合儲能及智能光伏控制技術，可以平滑后與市電系統聯網運行，不僅彌補了電網損耗，還增加了新能源利用率，提高了電網的經濟效益。采用了基于泛在物聯網的智能表箱，集成了智能溫控、報警與自動滅火功能，提高了電網的安全效益。運維數據和用戶數據都接入物聯網云端，完成數據的遠程實時共享與運維分析，實現了社區居民用電業務足不出戶“一網通辦”，并且整合了智能尋找空閑的電動汽車充電樁等功能，提高了管理效率，極大方便了社區居民。雖然本文提出的基于電力物聯網的綜合能源系統在我國的應用尚處于起步階段，但卻有著十分廣闊的發展前景，市場潛力巨大。項目成果為浙江省政府首批的未來社區建設提供借鑒意義，通過不斷改進和完善，后續可以在更多小區進行推廣應用。