基于分布式能源发电上网的电能 计量模型设计

王丽

（广东电网公司湛江供电局，广东 湛江 524000）

近些年来，随着我国经济的持续高速发展，工业和第三产业对能源的需求也在逐年增加，常规的化石能源消耗的越来越快，存量越来越少，从某种程度上来说，快速的能源消耗和高速的经济发展已经成为一对不可调和的矛盾，改变能源生产利用方式已经迫在眉睫[1]。我国地域辽阔，可再生能源分布极其广泛，利用其进行发电能够有效解决当前的能源问题，并且可再生能源环境污染小，具有可持续发展的潜力，大力发展分布式可再生能源意义重大。如何对分布式可再生能源发电上网的电能进行有效计量至关重要，本文进行了基于分布式能源发电上网的电能计量模型设计与应用研究。

1 可再生分布式能源的发电原理

分布式电源通常具有3 种运行方式，分别为独立的运行方式、与大电网并网的运行方式及与大电网的互补运行方式[2]。一般情况下采用与大电网并网的运行方式。与大电网并网又可分为交流并网和直流并网两类[3]。在国内所建设的分布式电源中，其并网方式包括与低压配电网进行并网和与用户的配电网络进行并网两种情况。第一种情况的模型如图1所示，此时分布式能源可与低压配电网配置统一的储能装置，并由电网企业统一进行发电的采购，这种模式主要在法国进行应用。

图1 分布式电源接入低压配电网结构图

第二种情况分布式电源直接接入用户的用电网络中，模型如图2所示，其所生产的电能首先供用户使用，其次所剩的电量才售给电网企业。分布式能源所剩电量送至大电网时会有逆向的潮流产生。

图2 分布式电源接入户内用电网络结构图

2 可再生分布式能源计量的技术特点分析

可再生分布式能源进行计量与传统的化石能源计量相比，其主要特点如下：

1）分布式电源的负荷整体波动性较大，如风电受风力影响较大、太阳能受日照幅度影响较大，潮汐发电受地月位置关系影响较大，且分布式电源所输出的电能具有随机性，稳定性较差。

2）分布式电源并网时负荷的流动具有双向性，在分布式能源模型的框架下，用户是用电端同时也是发电端，负荷整体的流动性受用户需求影响很大。

3）分布式电源的整体电能质量需要受到有效的监控：由于用户端进行发电，其并入到大电网的整体电能质量需要得到有效的监控。对于相关的电能质量无法达到其标准要求时应对分布式电源进行禁止其运行，进而对大电网整体的电能可靠性和安全性进行保证。

4）由于含有分布式电源的电网中用户既是供电端又是受电端，因此需要保障计量装置的可靠性和准确性。

根据可再生分布式电源的上述特点，所设计的分布式电源发电上网电能计量装置需满足以下要求：首先是具备双向的计量性，能够对用户供电和受电的双向潮流进行有效计量；其次应能够实时显示出基本的电气参数，满足用户对实时电气信息的掌握；最后是要有效支持两套费率的阶梯电价，同时具有可修改性，能够满足电价模型修改的需要。

3 分布式电能计量系统的设计

本文根据传统的电能计量模型，将分布式电能计量系统分为4 个模块，即站端的遥测计量系统、计量监测系统、负荷管理系统及负荷集抄系统。同时引入家庭大数据能量管理系统，对用户的分布式电源进行有效管理。主要模块如下。

1）计量子系统

根据当前最新的计量系统模型，采用智能电表模型作为计量模型，利用交互的终端进行多路的控制，保证相关通讯功能的实现。同时构建了大数据能量管理系统对分布式电源进行管理，大数据能量管理系统如图3所示。

图3 分布式电源接入低压配电网型 户内能源管理系统

对于分布式能源发电上网直接入户内用电网络的情况，所构建的系统计量模型如图4所示。

图4 分布式电源接入户内用电网络型 户内能源管理系统

所设计的图3和图4表示了分布式能源发电计量系统和用户大数据能量管理系统，其是用户未来智能配电网的重要组成部分。随着智能配电网的逐步建设，智能交互终端一定会将分布式电源进行充分利用，形成电能计量的信息采集及集中控制的一体化，所构建局域的大数据能量管理系统如图5所示。其分为4 个层次，包括系统控制层、通信层、传感器层及设备层。

设备层包括用户所用的各种电气设备及所安装的分布式电源装置，传感器层主要是对智能用电终端信息进行收集，进而有效实现高级的通信及控制功能，通信层主要对交互的终端及传感器进行信息有效传输，构建局域的通信网络，系统控制层主要是有效实现能源优化及管理，构建系统的信息交互内网。

图5 户内能源管理系统层次构架

2）核心的技术设备

本文所构建的分布式能源发电上网电能计量模型核心的技术设备主要有：

（1）智能插座设备

本文所采用的智能插座所实现的功能主要包括：对计量装置的遥控、定时，有效对用电设备的功耗进行降低，实现远程通信，并具有防止雷击、短路、漏电能保护功能。通过智能插座能够实现与终端的智能交互，其通信方式有多种，包括WIFI、无线及蓝牙等，实现对数据信息的有效分享。

（2）智能终端设备

智能的交互终端用来实现家庭之间用电设备的智能化，其能够对家庭内的用电设备进行统一的管理与监控，并实时对用电信息及电能质量进行采集和有效分析，对用户用电进行合理的指导，有效对电网的峰谷负荷进行调节，最大限度地实现电网与用户之间的互动。

如何有效利用最优算法实现分布式能源发电的合理利用是一个难点。本文采用现代优化算法对最佳用电方案进行了设计，如图6所示。

图6 最优化算法计算流程图

首先将系统的输入分为3 种主要情况，第一种是电价的参数，即分时的阶梯上网电价，在对相关用电曲线电价参数进行确定的条件下可将其转换为分段函数来进行有效的表达；第二种是各个测量点的用电曲线信息及相应的历史天气情况，对这种情况用二次函数来进行有效的拟合；第三种是对相关用电设备信息进行有效的描述，包括设备的整体信息，运行时段的假设条件等。

4 结论

伴随着智能配电网的逐步建设，分布式能源发电系统逐步在配电网中得到应用，对分布式能源发电上网的电能进行计量有效计量意义重大，本文构建了一种含分布式能源的配电计量模型的物理架构、分析了核心设备的接入方式，为后续研究奠定了坚实的基础。

[1] 王晓蔚,王雅丽,等.电能量远程采集和分析系统数据库结构设计[J].电气自动化,2002,24(6): 65-67.

[2] 罗志坤,万全,徐植坚.基于虚拟仪器的谐波电能计量与分析系统的研制[J].电测与仪表,2006(6): 24-25.

[3] 杨晓科,张怀中,等.谐波下的电能计量及电能质量分析方法[J].电测与仪表,2004,41(8): 16-19.