基于需求侧响应的电力数据采集系统的设计

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(上海电力学院 自动化工程学院, 上海 200090)

随着我国经济的快速发展,电力需求量持续增加,而电力供需形式却持续紧张,用电形势十分严峻.通过引入先进综合资源规划中的电力需求侧管理,能有效缓解电力能源紧缺问题.需求侧响应是电力需求侧管理的一项重要内容,通过智能化的网络信息系统和市场机制建设,让每个用户能够按照自身意愿参与自动化调节用电负荷,是缓解电力供需矛盾、实现有序用电工作转型升级的重大创新举措.

国内外学者对电力需求侧管理进行了一些研究,例如:文献[1]介绍了一种数据采集的需求响应评估方法,确定用电的峰平谷时段,通过聚类分析的方法评估用户的需求响应能力;文献[2]采用了电力低压载波技术实现数据传递和信息交换,即高频的通信信号与电力工频电流通过占用不同的频段来共用电力线网络进行传输;文献[3-4]都使用了需求响应终端,通过传统稳定可靠的RS485通信进行有线的数据传输,但存在数据传输不稳定、可靠性不强或无法实现远距离传输要求的问题;文献[5]实现了智能建筑的能耗监测,但其重点放在软件平台的建设且没有实现负荷实时采集功能;文献[6]基于组态软件的能源数据采集与计量,实现了数据的实时采集,具有一定的实用性,但没有介绍终端数据采集与传输的方式.

本文设计了一种新的基于需求侧响应的电力数据采集系统.在该系统中,现场层采用了RS485有线数据传输方式,平台层采用可以远距离传输的4G无线网络.本文设计的系统既解决了底层采集系统的稳定性,同时能满足数据的远距离传输要求.

1 需求侧响应与电能数据采集

需求响应(Demand Response,DR)是指用户对价格或者激励信号做出响应,并改变正常电力消费模式,从而实现用电优化和系统资源的综合优化配置[7].简单地说,就是通过用户来影响电价水平,改变传统的单边售电方式,促进用户端的电能节约,同时对电网的削峰填谷、维持电网稳定起到重要作用.通过电力需求侧响应,需求侧可以积极主动地与供给侧共同维持电力系统的稳定性和可靠性[8].电力数据的现场采集作为需求侧响应的首要前提,传统的电力数据采集是通过安装传统电表进行的,但大多不具有通信功能,不能满足数据传输的要求.同时也给抄表带来诸多不便,耗费大量人力资源.目前,通过安装智能电表,就可将现场的数据通过网络传到远端,同时采集的电力参数也更为全面准确.

电能的数据采集要满足以下要求.

(1) 稳定可靠性 稳定性是系统长期正常运行的基本保证,系统所采用的软、硬件平台应保证系统的稳定性毫无问题.为确保程序正常运行,要对系统进行全面的测试,最低限度地降低系统的不正常因素;由于要求系统运行具有连续性和实时性,所建的系统必须运行可靠.

(2) 经济实用性 系统实用性好,才有真正的价值,处理好实用性与先进性的关系,保护现有资源,要考虑到系统的整体性、扩展性、兼容性和生命周期,而且还必须具有应变能力,以适应未来变化的环境和需求.

(3) 标准化与开放性 在设计计算机系统总体结构时,软件的开发必须坚持标准化原则,选择符合开放性和国际标准化的技术协议;同时,必须考虑与其他系统的接口兼容问题.

(4) 易用性 系统的用户界面应该简洁明了,引导用户迅速掌握系统的操作方法,保证使用的方便性.

2 电能采集系统的结构与功能

基于需求侧响应的电力数据采集系统可以分为3层结构:底层的采集终端、中间层的采集服务器,以及平台层的需求侧管理平台.系统的网络构架如图1所示.

图1 系统网络结构

系统底层的采集终端使用带有联网功能的智能电表来采集设备的电能数据,通过485转换器将采集到的数据传到采集服务器.采用带联网功能的计量表具,实现数据实时采集且按照需求的电能参数上传.中间层的采集服务器对收到的数据进行存储,并发送至需求侧管理平台.在网络信号较弱时,带有存储功能的采集服务器能够存储发送的数据,使得传输过程中数据不丢失,保证了数据传输的可靠性.同时采集服务器能够降低数据的传输容量,避免造成网络堵塞.平台层的需求侧管理平台主要是对采集服务器上传的电能数据进行处理,其中包括数据实时在线显示、需求响应的策略方法和报表的自动生成等.

3 电能数据的采集

采集的电能数据主要包括电量、电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数等数据.所采集的这些数据不仅要保存到现场的采集服务器中,还要通过无线4G网络传输到需求侧管理平台,为用户的需求响应提供交互的条件.底层的数据采集使用RS485数据通信协议,电能表的性能指标见表1.数据采集流程见图2.

表1 电能表的性能指标

图2 电能数据采集流程

4 实际应用案列

本文根据上海某造纸厂的工艺要求研究其需求侧响应的电能数据采集系统.该工厂占地面积4.0×104m2.能源计量工作量及电力消耗量均较大.为提高企业能源管理水平,减少管理成本,同时满足需求侧响应的要求,对工厂大功率生产设备实现智能化的数据采集和计量.通过智能电表和网络技术取代繁琐的人工抄表工作.

4.1 计量点位统计

该工厂由1路10 kV供电、1路低压总开关、16路380 V出线到各车间.需求侧响应要求计量的大功率设备共7台.目前厂区安装的电表类型有DT862-2型和DT862-4型,均为机械表,不具备网络通信功能.通过本文设计的采集系统,能够准确掌握各用电点位的用能情况,查找耗能较高的设备使用情况,实现用电的实时监控.

根据需求侧响应的要求将大功率设备计入数据采集的范围.同时将不可调节的负荷去除,为用户需求侧响应创造条件.该厂区的大功率设备见表2.该工厂的一次电气图如图3所示.

表2 大功率设备 kW

通过分析该造纸厂的电气图以及大功率设备的分布情况,可以统计出该厂区包括的电能数据采集的点位.总的电能数据采集点位有24处,其中,变电站包括1路低压总开关和16路低压出线,车间包括7台大功率设备.

4.2 实时数据采集

该厂区内部不存在网络点位,因此变电所所有出线点位的计量均通过能效终端进行数据的采集与转发,同时厂区内部的大功率设备的采集数据通过数据采集器统一传送到厂区办公室共用网络设备机柜,再通过4G无线路由器将数据上传至需求侧管理平台.厂区的网络拓扑图见图4.

该系统实施的电能采集数据,通过本地4G信号的无线传输实现了远距离的数据采集.由于数据采集量较大,现列出部分出线设备的单相电能采集的相关数据,见表3.

图3 某造纸厂一次电气示意

图4 某造纸厂数据采集网络拓扑示意

4.3 案例实施效果

通过该系统方案的实施,在需求侧管理平台可以在线观测到用户的实时用能概况以及历史用电信息等.用户能够实时掌握企业的生产、生活用电,便于其安排生产计划,降低生产成本.

系统实施的部分效果如图5和图6所示.

表3 某造纸厂部分采集数据

图5 实时总负荷线

5 结 语

需求侧响应的电能数据采集系统具有其特有的需求响应要求,并不对所有用电设备进行采集.本文设计了一种新的电能数据采集系统,它通过现场层RS485通信方式采集数据,实现数据采集

的稳定可靠;同时由于需求侧管理平台的要求,现场采集的数据通过4G无线方式进行远距离传输.该采集系统满足了电力用户和电力公司双方的要求,具有现实可行的使用价值.但该系统也存在不足,如当现场采集点位较多时,会带来布线的不便,此时应采取有线与无线相结合的方式,以保证数据采集的稳定可靠.

[1] 任炳俐,张振高.基于用电采集数据的需求响应削峰潜力评估方法[J].电力建设,2016,37(11):64-70.

[2] 刘世飞.居民用户电力需求响应控制器的研究与设计[D].北京:华北电力大学,2016.

[3] 王世超.电力需求侧管理数据采集与处理的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2012.

[4] 靳磊.实时用电采集系统的设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2011.

[5] 沈立.智能建筑能源监测系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2010.

[6] 梁伟文,田文超.基于组态软件的能源计量点数据采集与处理系统研究[J].中国电力,2001,46(S1):92-94.

[7] 张建飞.低压电力抄表系统集中器部分的设计与实现[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[8] 孙云霄,陈颖.RS485总线在数据采集系统中的应用[J].工矿自动化,2006,29(4):75-76.