智能用电小区及其关键技术研究

邢兆群，陈春，侍必胜，郭振东

(1.山西太原供电分公司，山西 太原 030012;2.国网电力科学研究院，江苏 南京 210061)

0 引言

随着经济的不断发展和科技水平的不断提高，先进的通信、信息和控制技术渗入到生活的各个领域，同时改变了人们的生活理念，影响了生活习惯，提高了生活品质。同时，人们也开始追求智能化和信息化的居住环境，营造安全、舒适、高效和便捷的绿色住宅，在这种形势下，智能用电小区应运而生[1]。

智能住宅的概念在欧美等发达国家得到了广泛认同和发展。美国政府围绕智能电网建设，在创造高渗透性能源配送和充电网络条件的过程中发展安全、高效和可靠性强的保护和控制性技术，发展运作支持工具技术等[2]。

2006年法国、比利时、德国等欧盟国家选择1000户家庭住宅进行以住宅节能和减少碳排放为目标的实证研究[3－4]。在日本开展的智能家居研究项目中，主要实现家庭能源管理系统[5]。2008年荷兰阿姆斯特丹启动了智能用电小区相关建设工作，包括智能供用电、智能表计、电动汽车充电站、太阳能屋顶、LED路灯改造等17项试点工作[6]。

近几年，我国智能住宅小区的发展很快，国家电网公司提出智能电网概念并积极开展智能小区相关的各类技术研究[7]。2009年6月，国家电网公司在北京、浙江开展以光纤和电力线宽带等通信技术构筑的网络为基础的示范展示工作。2010年在重庆、上海、河北等地开展了智能用电小区的试点工程建设，并取得一系列的成果[8]。

智能用电小区是适应分布式电源广泛应用、电动汽车充电装置发展、居民和小区物业对供电服务日趋多样的要求，以及现代控制技术应用和国家“三网融合”战略的实施而发展起来的现代化居住示范区。为居民和物业提供安全可靠、清洁环保和便捷高效的居住场所，集中展现智能用电成果，提高小区内能源利用效率[9]。

目前我国智能电网第一阶段建设已经完美收官，多个智能小区示范工程建设完成并投入运行，但智能用电小区还存在系统集成性低、互动性低、硬件环境复杂、管理混乱等诸多问题。本文从研究智能电网如何应用于居住区和探索智能用电小区建设目标的角度出发，将智能用电小区内所有系统集成到统一平台上，提出智能用电小区综合应用互动集成系统，详细阐述了智能用电小区的系统架构、通信网络建设及智能用电小区关键技术。

1 智能用电小区的内涵及建设目标

1.1 智能用电小区的内涵

智能用电是智能电网的重要组成部分，智能用电技术的快速发展，赋予了智能小区新的内涵，开展智能小区试点建设工作，是为了探索我国智能小区的发展方向和建设模式，应用和验证关键技术，展示智能电网研究成果，达到宣传智能用电先进理念、提升供电服务水平和促进智能小区有序发展的目的[10－13]。

1.2 智能用电小区的建设目标

智能用电小区实现对小区内电力应用及社区应用无盲点的监测和控制，实现实时和非实时信息的高度集成、共享与利用。智能用电小区充分展示国网公司在智能配电、清洁能源开发、智能用电、智能家居、用能综合利用及用能管理方面的能力、实力及效果让居民最终感受到智能电网带来的生活品质的提高，进而引导相关应用的规范、有序发展，深入推进智能配用电的研究、建设和发展。

1.2.1 实现电网与客户互动，提供多样化供电服务

统筹应用实施95598互动网站、用电信息采集系统、客户用能服务系统、分布式电源与储能管理系统、电动汽车充电管理系统、营销业务应用系统等，通过电脑、自助终端、智能交互终端、智能监控终端、电话、手机等互动渠道，为居民客户提供多样化供电服务。

1.2.2 实现能效智能化管理，提高终端用能效率

及时响应客户自由用电需求，为居民家庭、小区公共设施提供科学用电指导;客户可根据电网发布的实时电价信息和负荷信息，选择最佳用能方案，自主做出用电需求响应;加快高耗电产品淘汰和节电新产品、智能电器的推广应用，实现家用电器实时监测和运行智能控制;降低居住区整体能耗，提高终端用能效率和电能占终端能源消费的比重。

1.2.3 开展增值服务，探索电力光纤到户商业运营模式

采用光纤复合低压电缆等技术，构建小区通信信息网络，积极开展增值服务，拓宽营销服务市场，提升供电服务能力和水平;服务国家“三网融合”战略的实施，积极探索电力光纤到户的商业运营模式。

2 综合应用互动集成系统

智能用电小区综合应用互动集成系统是一套大型应用集成系统，将整个智能用电小区用到的系统集成到统一平台上。系统的集成解决了多套系统硬件环境复杂、管理混乱的问题，方便用户使用和管理者管理。

2.1 系统硬件结构

综合应用互动集成系统的硬件主要包括一个一台前置/SCADA服务器、一台数据服务器、一台WEB发布服务器、三台交换机、一台硬件防火墙和一台纵向安全认证装置。

综合应用互动集成系统硬件分布在二个安全区中:电力网安全区和公网区，两者之间通过一个防火墙进行安全隔离，系统硬件结构如图1所示。

2.2 系统软件结构

综合应用互动集成系统的软件由操作系统、服务应用平台和信息发布平台共三个层次组成。其中:操作系统包括Unix、Linux和Windows;服务应用平台主要负责数据采集和处理;服务应用平台包括基本的通用业务服务和具体业务处理两部分，信息发布平台采用B/S结构，实现人机接口界面，系统软件层次结构如图2所示。

3 智能用电小区通信网络

智能小区系统架构是在通信网络支撑下由各业务系统相互关联而构成的。小区网络建设分为电力专网和电力公网两种。电力专网为电力业务提供通信支撑网络，各信息采集点均实现了光纤接入，提供宽带通信网络。电力公网为小区用户实现智能家居、Internet、电话等业务提供通信网络平台，两种网络分别建立一套光纤网络，采用同缆不同芯的方式建设两套EPON系统，使两种业务实现物理隔离，保证数据传输安全、稳定。总体结构分为主站系统、变电站、小区配电室和业务接入点四层，如图3所示。

4 智能用电小区关键技术

智能电网条件下智能小区关键技术包括6种业务功能和1个综合管理系统，分别为综合应用互动集成系统、用电信息采集、小区配电自动化、分布式电源接入、电动汽车充电桩、智能家居、智能社区和综合应用互动集成系统。

4.1 小区配电自动化

智能配电是智能电网建设各类成果在用户端的集中体现，是联系电力用户和智能电网的枢纽，是智能电网优越性的最终体现环节，应实现的功能如下:

(1)小区配电系统运行监控 实现小区配电系统及公共用电设施的遥信、遥测、遥控等，实现运行监控信息的图形化管理和状态自动报警功能。

图3 智能用电小区通信网结构

(2)故障自动检测与隔离 小区配电自动化系统对配电系统的故障进行自动诊断和自动隔离，以减少故障停电范围，恢复非故障段供电。及时告知小区用户故障信息，并协调各部门进行故障处理。

4.2 分布式电源

小区分布式电源是小区微电网的重要组成部分，分布式电源的可靠接入是配电网系统的有益补充。小区微电网是小区各种分布式电源、储能单元、负荷监控以及保护装置组成的集合体，应实现的功能如下:

(1)小区分布式能源系统运行监控 实现小区光伏发电、储能的遥信、遥测、遥控等，实现运行监控信息的图形化管理和状态自动报警功能。

(2)分布式能源系统运行模式控制 微电网从并网模式切换到独立运行模式，以及微电网从独立运行模式重新切换回并网模式;并网设置上限模式，储能削峰填谷模式之间的切换，各种运行模式下定值和计划值的修改。

(3)小区分布式能源系统运行统计 统计分布式能源的小时、日、月和年度发电量，各种累计发电量，各种运行统计，储能转换效率，储能充放电计量统计。

4.3 电动汽车充电桩

根据智能用电小区的建设需求并结合国网公司“统一标准、统一规范、统一标识、优化分布、安全可靠、适度超前”的电动汽车充电设施的建设原则，实现充电桩监控信息的集中传输，完成信息与综合应用互动集成系统下电动汽车充电桩管理子系统的互联，应实现的功能如下:

(1)充电桩控制调节功能 系统向充电桩下发控制命令，遥控充电机起停、校时、紧急停机、远方设定充电参数等，系统可以按照预定策略选择定时、定额等方式对电动汽车充电进行控制管理。

(2)充电数据采集功能 采集充电桩工作状态、故障信号、功率、电压、电流等。

(3)图形化操作界面 系统可以显示充电数据实时(以及历史)曲线图、棒图、系统运行工况图(包括充电机运行状态、通道状态)、实时数据表格等不同种类的画面。

4.4 智能家居交互

智能家居以住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术和无线技术，提供友好的智能家居远程管理界面将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起。智能用能服务系统是智能电网用电能效提升的关键，应实现的功能如下:

(1)提供智能家居用能信息的查询 支持以日、月、年和时间段的查询方式，查询的用能信息结果以曲线图、棒图、饼图和表格数据的形式展现。

(2)提供用能分析结果查询 通过用能分析界面可以查询智能家居的用能比例、用能同比、分时用能、阶梯用能和用能评测。

(3)根据智能家居的用能情况 综合阶梯峰谷电价、小区气象环境、分布式电源接入、家居待机能耗、用户用电习惯等因素，提供用能建议和用能策略;实现能耗远程分析，让能源管理不再受地域和时间的限制。

5 结束语

本文在明确智能用电小区建设目标的基础上提出了智能用电小区的综合应用互动集成系统架构、通信网络结构和关键技术。研究成果已经有了实际应用的实例，为智能用电小区建设提供了重要参考，目前综合应用互动集成系统用于智能用电小区试点工程建设，在今后的研究中还需要对系统进一步优化，一方面提升系统性能，另一方面加强智能用电服务系统与小区智能系统集成，实现互联互通、业务协调和信息共享。

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