智能电网用户端管理系统的应用

傅益君，周 宏

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)

智能电网用户端管理系统的应用

傅益君，周 宏

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)

傅益君(1960—)，女，研究员，从事建筑电气方面的研究。

随着我国经济的快速发展，智能电网用户端的技术得到较快的发展。简述了智能电网用户端系统的构架，结合工程设计实例描述了智能电网用户端系统涉及的共性和关键技术，并介绍了相关的能耗管理系统。指出智能电网用户端能源管理系统可以帮助用户更加合理地利用能源，提高配电系统的安全性、可靠性和智能化管理水平。

智能电网;用户端管理系统;能耗管理系统;分布式网络结构

0 引言

随着电力工业和自动化产业的迅速发展，智能电网已经成为推进国家能源转型、促进国民经济发展的高新领域。智能电网的含义也早已突破输配电范畴，从能源输送解决方案层面跨越到电能的能效管理、新能源利用、低碳经济产业振兴，进而跨入国家发展战略竞争层面。电力系统用户端是指用户变配电设备受电的末端，主要有工矿企业、建筑楼宇、基础设施等用户。电网80%以上的电能是用户端消耗的。随着经济的飞速发展，能源消耗猛增，给节能减排和环境保护带来巨大的压力，迫切需要一种接入并有效利用新能源的方式。另外，电力市场运行因素对电网运行的影响也日益显著。高峰时段用电负荷的猛增，造成了发电机组全年高空置率与巨额的建设维护投入之间的矛盾。如何让用户感受智能电网的成效和收益，已成为智能电网建设能否取得成效的关键之一。因此，世界各国都将用户端系统建设列为首要实现的目标之一。用户端系统涉及的关键技术多，如何突破关键技术、平衡电网负荷的峰谷差、完善智能电网用户端管理系统，从而形成用户端整体解决方案已经成为电力行业共同关心的问题。

1 智能电网用户端系统

1.1 系统概念

智能电网用户端是电力系统的末端，通常包括电力公司计量电表出口以下，从电力变压器到用电设备之间，对电能进行传输、分配、控制、保护和能源管理的所有设备及系统，涉及工矿企业、商用楼宇和居民住宅三大类用户。

智能电网用户端将先进信息技术与传统物理电网相结合，通过计算机和通信网络进行电力系统的测量、控制、信号采集、故障分析、负荷控制和运行管理，实现配电管理的透明化，极大地提高配电系统的安全性、可靠性和智能化管理水平。智能电网用户端管理系统能提高电能质量，减少运行维护费用和各种损耗，提高管理水平和劳动生产率，从而使电网更加安全、高效与环保。该系统尤其适应新能源的快速发展，达到刺激经济复苏、节能减排、推动绿色高效经济模式和生活方式的目标。未来电动汽车、分布式储能和小型分布式可再生能源都将通过用户端接入电网，在电力公司与用户之间建立互动，基于实时电价机制，采用市场方式引导用户避开用电高峰，实现电能的削峰填谷，大幅提高发电和输电设备的效率，减少碳排放。

1.2 系统构架

智能电网用户端能源管理系统集成和融合了智能配电、智能表计、设备监控、智能家居控制、储能设备接入、分布式能源设备接入、汽车充电设备接入等方面的技术，能进行低碳运行、需量控制、需求响应等管理，形成针对商用楼宇、工矿企业的智能电网用户端能源管理系统解决方案，实现用户端电网供配电和用电情况的实时监控。在常规能源、风电、太阳能等分布式能源接入电网时，用户端能源管理系统对各种电能参数的实时传感和计量，并结合可编程控制器、多协议的通信适配器形成多总线的系统组网架构，通过上位机实现电能数据的分析和管理，对电网能耗实时监控分析、评估和报表，得出能源消耗的变化趋势以及波动，及时发现能耗异常情况。同时，系统可以和生产管理系统进行数据交换，统计单产能耗、班组能耗等多种分析数据，为企业制定生产计划及成本核算提供数据支持，有效控制电网能源的损耗，使得电能计量与控制可以渗透进各种工业通信控制系统中，为促进能源管理系统的规范化应用和市场化推广提供有力的技术支撑。

智能电网用户端管理系统由智能监测、智能调节、智能控制、智能保护四个模块组成。采用最新的计算机技术、网络通信技术、工业控制技术、电力自动化技术和电力继电保护技术，通过各种智能保护控制器及智能开关控制元件，采集各级配电装置运行状态及各种电量数据，通过通信网络传输到计算机管理系统，将分布采集的数据汇总、分析、报表等，出现故障状况时根据预先设定的条件进行预警、报警甚至自动完成某些操作功能。含有智能控制的设备还能自动检测、分析电网及用电设备的各种情况，并据此对有关负荷进行自动控制，包括对储能设备、可再生能源设备的控制，降低常规人工电力管理的强度，极大地提高配电系统的安全性、可靠性和智能化管理水平。

智能电网用户端管理系统主要由主控制系统及可接入的七个子系统构成，如图1所示。

图1 智能电网用户端管理系统示意图

2 智能电网用户端系统应用

2.1 项目概况

某食品药品检测技术中心工程项目由二栋主楼和地下室组成，主要以检测实验室和办公室为主，由市政引入二路10 kV电源至地下室的10 kV配变电所，大楼配电系统和开关柜等设备均位于该配变电所内。每路10 kV各带一台1 600 kVA和1 250 kVA变压器。高压系统采用单母线分段方式运行。低压系统采用母线分段运行，母线之间设置低压联络开关。

在配变电所内设置智能电网用户端管理系统，监控范围包括配变电站内的高低压配电柜、直流屏、变压器、分项用电干线上的楼层总开关及双电源转换控制器电参数检测。在1F监控室内设置了管理系统显示终端。管理系统以手动控制为主，用户端电能管理中心远程遥测、遥信，预留遥控、遥调的功能。智能电网用户端管理系统采用的设备均按照24 h连续运行设计，系统无故障运行时间大于20 000 h。

2.2 系统组织架构

在现场控制站中配置现场控制单元，包括可编程控制器(前置通信机)和15英寸触摸屏，用于对现场设备的监视。现场控制站中除10 kV高压开关柜的综合继电保护直接采用以太网进行数据通信外，其余设备通过协议转换器由Modbus通信协议变成Modbus/TCP协议后，与可编程控制器进行数据通信，再上传至监控上位计算机。10 kV变电站现场控制单元配置如图2所示。

图2 10kV变电站现场控制单元配置

智能电网用户端管理系统采用分层、分布式结构，由现场设备层、通信控制层和管理应用层组成。

(1)现场设备层主要由各种电力控制器及智能仪表组成，如智能化开关设备，包括带智能化脱扣器或保护装置的断路器及电动机变频控制器、电力变压器监测装置、智能照明控制器等，通过互感器或直接与监控设备相连，对现场数据测量和采集，通过现场总线方式与通信控制层进行数据交换。

(2)通信控制层通过通信网关、串口服务器、交换机、通信适配器等远程数据终端(RTU)设备，在监控系统中完成现场设备与整个系统的通信。智能化的RTU还可用于存储与处理数据、执行计算、分析配电网的性能以及监控电能质量等。

(3)管理应用层主要对远程数据终端通过网络上传来的数据进行实时计算处理、保存，并根据用户需要生成各类报表。同时监控站还能根据授权处理操作人员的请求，并预留远程起停现场设备的功能。

智能电网用户端管理控制系统网络图如图3所示。

2.3 系统设备组成

2.3.1 设备选型

该工程选用PMAC720系列表计，变频器选用ACS510系列控制器，ATS双电源转换选用D型系列控制器，功率因数控制器选用NRC系列控制器，智能火灾剩余电报警器选用PMAC503系列控制器，变电所电力监控装置选用REF615系列。

这些仪表和控制器均采用Modbus通信协议，即现场控制单元与通信协议转换器之间采用Modbus/TCP协议，RJ-45接口。在RS-485(或RS-232C)回路控制器和其他RS-485串行通信回路中设备的通信规则遵照主/从方式。在这种方式下，信息和数据在单个主站及最多32个从站(监控设备)之间传递。

主机设备组成如表1所示。

图3 智能电网用户端管理控制系统网络图

表1 主机设备组成

2.3.2 数据采集和监控

智能电网用户端管理系统主要对10 kV开关柜、直流屏、变压器温度测量、低压配电柜、ATS双电源转换控制器、功率因数控制器、变频控制器、火灾剩余电流报警器等设备进行监控。

上述设备通过现场通信网络接收现场控制保护单元采集的保护动作、测量、报警等信号，以及断路器分/合闸状态信号、断路器总故障信号、控制保护单元装置故障信号和低配部分有关信号，经过数字滤波、数据有效性检查、工程系数转换等，检出事件、故障和状态的变位信号以及模拟量正常及越限复位信息等，实时更新数据库，为系统实现其他功能提供必需的运行信息。数据库能对采集的信息进行必要的处理，并实时更新其数据库。经处理后的全部信息分类存储，便于检索，同时可根据运行需要进行扩充和修改。

(1)10 kV变电所高低压柜监控内容。每台10 kV开关柜配有1台智能式综合继电保护装置，综合继电保护装置与协议转换器之间采用Modbus协议、RS-485接口，并预留软件接口，用于对相关开关的远程控制。现场控制单元与通信协议转换器之间采用Modbus/TCP协议、RJ-45接口。I/O信息点参数通过小型PLC，再经过以太网接入智能电网用户端管理系统。10 kV的I/O信息点如下:10 kV进线柜，包括手车工作位置、跳闸回路断线、预告警总信号(含弹簧未储能);10 kV压变避雷器柜，包括PT回路断线、电压(三相)、分闸/合闸;10 kV馈线柜，包括本柜手车工作位置、跳闸回路断线、预告警总信号(含弹簧未储能)、事故跳闸总信号、就地/遥控、分闸/合闸。

除上述信息点外，其余信号均通过智能仪表经RS-485接入，如直流屏监测内容:交流输入三相电压/电流、直流输出电压/电流、电池充电系统故障报警、整流单元过电压报警信号、整流单元欠压报警信号、整流单元缺相报警信号、整流单元过流报警信号;低压进线柜监控内容:三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、、功率因数、3次及以上谐波电压、开关状态、故障信号、开关控制;低压馈线柜监控内容:三相电流、电能、开关状态、故障信号、400 A及以上塑壳断路器和万能式断路器开关控制。

(2)变压器监测内容。通过变压器温控器的通信接口采集变压器三相绕组的温度值、超温报警信号、超温跳闸信号、风机开/关状态、风机故障信号、温度传感器断线报警信号。

(3)电容补偿柜监测内容。通过功率因数补偿控制器的通信接口采集三相电压、三相电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率。

(4)楼层分类总配电箱的监控内容。包括单相及三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、谐波分量等。

(5)双电源自投切配电箱监控内容。通过ATS通信接口采集电源Ⅰ、电源Ⅱ的开关状态及欠压、过压、断相、脱扣、过流、(欠压、过压、过流)阈值，并可遥控开关进行投切。

(6)变频空调、变频排风机的监控内容。实验室采用全新风空调系统，设有大量变频空调器和变频排风机，因此通过智能变频控制器的通信接口，可以实时监控风机的运转工况，采集变频器输出频率、电流、转矩、功率、输出电压、速度等参数。

(7)智能剩余电流火灾监测内容。智能剩余电流火灾监控系统主要实时监测各级配电线路故障产生的剩余电流及各级配电箱内的运行温度状态，是一个完整的系统。剩余电流火灾监控系统通过智能仪表经RS-485接入智能电网用户端管理系统，遇有报警信号可在系统显示屏上弹出报警画面和地址，以便管理者及时处理故障，并将采集到的数据制成表格，发送给管理系统。

(8)智能照明控制系统监测内容。智能照明控制系统采用KNX/EIB总线，是一个独立的系统，通过网关转换成Modbus协议，现场控制单元与通信协议转换器之间采用Modbus/TCP协议，RJ-45接口，可监视智能照明系统的运行状态。

2.3.3 能耗分析与管理

能耗分析与管理模型用于系统管理和展示，可以帮助使用者和管理者快速了解大楼主要用能系统(包括配电系统、太阳能光伏系统、空调系统、给排水系统、雨水收集系统)的原理和运行方式，实时掌握用电、用水以及能效信息，以帮助管理者进行系统跟踪和优化运行。

能耗模型可反映企业主要能耗系统运行原理及关键指标的实时数据，支持系统历史数据查询。通过建立建筑内各种用能(电能)的性能指标，帮助管理者及时、直观地了解能效情况，以便做出各种应对措施。

系统可生成日、月、年负荷曲线图，同时可生成月、年分项负荷曲线及饼图。通过能耗分析与管理系统运算分析，及时调整应对措施，通过用电的削峰填谷，平衡电网负荷的峰谷差。

当日用电负荷曲线图如图4所示。

图4 当日用电负荷曲线图

分项用电负荷饼图如图5所示。

图5 分项用电负荷饼图

能耗分析趋势图如图6所示。

图6 能耗分析趋势图

3 结语

作为电气设计人员，既要为业主考虑今后发展的用电裕量，又要避免因变压器容量取值偏大带来的变压器空载损耗大、占用电网资源大等一系列问题。采用智能电网用户端管理系统进行能耗分析与管理，可以帮助用户更加合理地利用能源，进而达到节能目的。

［1］许晓慧.智能电网导论［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［2］周湘梅，刘立波.能源管理体系的建立与运行［M］.北京:中国标准出版社，2009.

Application of Client Management System in Smart Grid

FU Yijun，ZHOU Hong
(China Shipbuilding NDRI Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China)

With the rapid development of economy in our country，the client technology is growing rapidly.This paper elaborated the framework of client system.As an example of engineering design，the common and key technologies were described，and the related energy management system was introduced.It is pointed out that the client management system can help users to reasonably use the energy，and improve the security，reliability and intelligent management level of power distribution system.

smart grid;client management system;energy consumption management system;distributed network structure

TU 852

B

1674-8417(2015)11-0023-06

2015－10－20

周宏(1956—)，男，研究员，从事建筑电气设计。