基于电力物联网的社区综合能源系统

俞佳涛，张 梁，李海峰，陈智伟，周廷冬，卢光阳

（1.国网浙江省电力有限公司 绍兴供电公司，浙江 绍兴 312099；2.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

随着电动汽车的兴起，用电量剧增，这对现有街区电力系统的设计提出了极大的挑战。若是通过简单的拓展线路、增设变压器来实现扩容，必将产生巨大的实施成本，并且后期的运营成本也将提高。在社会高速发展的推动下，可再生能源、分布式电源、电动汽车及储能等新兴需求改变了原有的电网形态[1]。

近些年，许多学者聚焦于应用电力物联网的能源系统的研究，也提出了很多相当宝贵的意见。文献[2]从战略管理层面出发，提出了电力物联网的商业模式；文献[3]深入探讨了电力物联网的一些关键技术；文献[4]则在电力物联网平台的典型应用场景上进行了分析；文献[5-6]提出利用可再生能源和电力物联网系统实现能源的转型。

现有的电力物联网社区能源系统方案在一定程度上能够实现社区电力系统的智能化管理，但是在技术上依然存在着以下不足之处：第一，未考虑到未来社区的电网负载问题，没有考虑到电动汽车的充电需求对电网的影响；第二，不能实现小区光伏系统的就地管理，小区的屋顶光伏系统不能就地消化，造成了小区光伏电的传输损耗；第三，小区电力系统的故障检测依赖于用户的反馈，不能做到防患于未然。

为解决现在技术存在的上述问题，本文提出一种兼顾了未来社区电动汽车的充电需求、未来小区屋顶光伏系统的管理需求、社区原电力设备的智能化需求方案，可以实现小区电力荷载动态分配，屋顶光伏系统就近利用，电力设备状态检测的基于电力物联网的社区综合能源系统。

1 电力物联网概念及基本特征

在人类文明的发展过程中，诞生了许多推动社会前进的人工系统。在这些系统中电力系统有着极其重要的地位，电力系统结构非常复杂，而且随着社会的发展，人们对电网在安全性、可靠性、经济性上的要求越来越高，对电网系统进行智能化的升级已成为全球共识[7]。

1.1 电力物联网概念

电力物联网是一种智慧服务系统，通过移动互联、人工智能等现代信息技术，实现电力系统各环节的智能交互，具有状态感知、高效便捷的特征[8]。电力物联网通过“大云物移智”和边缘计算、区块链等先进技术，将所有与电网相关的人、事和设备连接起来，实现对内“数据一个源、电网一张图、业务一条线”推动数据共享融通、业务全面贯通[8]。同时，对外广泛连接多样服务，延伸业务范围，拓展服务对象，创新商业模式，积极培育和发展新兴业态[8]。

1.2 电力物联网基本特征

电力物联网将电网系统实体与互联网通信技术结合在一起，可实现多种能源系统在物理、时空、商业三个不同维度的有机融合。电力物联网主要具备以下4个特征，分别为：全息感知、泛在连接、开放共享、融合创新。全息感知是指对物品信息进行识别，动态获取用户的信息；泛在连接将电力系统中所有设备、用户的信息和数据进行连接；开放共享指在统一平台上利用智能技术对数据进行共享和管理，提高数据质量，挖掘有效信息；融合创新实现了电网安全稳定运行并且促进了电力改革[9-10]。

2 智慧社区能源系统总体架构和功能体系

基于电力物联网的社区综合能源系统是未来社区的组成单元之一，其聚焦人本化、生态化、数字化三维价值坐标，以满足人们美好生活向往为目标，结合前沿的物联网技术，实现绿色低碳、智能便捷的社区建设。电力物联网社区能源系统主要由4部分功能组成，分别为：智能表箱系统、屋顶光伏系统、智能充电桩系统、智能配电运检系统。同时，各个用能设备互联互通，通过“网上国网”APP实现数据的汇总，图1为智慧社区能源系统结构图。其中，智能表箱系统暂未接入“网上国网”APP，这里采用一个独立的APP进行监控。

图1 智慧社区能源系统结构图

2.1 智能表箱系统

表箱安装智能防火装置，实时监测表计线缆与表箱空间温度，温度超过阈值时系统自动推送报警。当温度激增导致火情瞬时突发时，装置能自动启动灭火程序进行灭火，防止火势扩大，保障社区用电安全。

2.2 智能光伏系统

社区屋顶光伏系统主要为社区提供电能、储备电能、就地使用电能。屋顶光伏系统包括设置于屋顶的光伏发电单元、社区光伏发电站站房。社区光伏发电站站房内设置有光伏发电管理系统及储能设备。社区内光伏就地消纳功率与接入的变配电设备损耗相近，可基于设备损耗对分布式能源实现就地消纳，从而实现无损社区建设，集供、储、用电为一体。

2.3 智能充电桩系统

智能充电桩系统的功能是为社区的电动汽车提供快充以及共享数据给车联网平台。智能充电桩系统包括若干个充电桩和充电桩管理系统，充电桩的电力电路与社区公共电站内的功率控制设备连通，充电桩管理系统分别与车联网平台、“网上国网”APP通信连接。“网上国网”APP可为电动汽车主提供汽车充电线上服务，助力构建未来交通出行圈。

2.4 智能配电运检系统

智能配电运检系统用于实现社区用户的多元化电力综合服务及监控社区电力系统各个设备及负载情况，预测设备故障的可能性，将高危设备预警发送给运检人员。用户通过手机APP可实现通电、交费、办电、能源服务等业务“一网通办”。

3 智慧社区能源系统技术设计

智慧社区能源系统各个部分的系统功能主要通过表箱防控技术、光伏新能源技术、智能充电桩技术以及“网上国网”APP实现。表箱防控技术通过温度报警以及火灾灭火达到维护社区用电安全的目的；光伏新能源技术通过屋顶的太阳能硅板实现了社区电能就地消纳；智能充电桩技术与物联网技术相结合，将数据接入车联网平台，实现了住户的便捷出行。

3.1 表箱防控技术

表箱集成了智能温控与自动灭火系统。如图2所示为智能表箱智能温控与自动灭火系统框图。当温感线束或红外测温模块监测到温度超过预先设定的安全温度范围上限时，防火控制器会通过电力物联网向APP发送设备温度异常预警，等待用户发出指令控制断路器切断箱体节点总闸，并打开电控氦气释放阀门释放氦气以及打开电控排气阀门排出空气，对表箱内部进行阻燃。

图2 智能表箱智能温控与自动灭火系统框图

温度传感器为表箱温控功能的核心器件之一，本文采用德国贺力士镀铂镍线高精度的PT100温度传感器，该传感器能够在-50～200 ℃温度范围内长期工作。自动灭火装置采用一种新型气溶胶自动灭火装置，自动灭火装置的温感线束可以探测线束路径上的环境温度。当线束感应温度达到或超过160 ℃时，线束触发灭火装置自动喷发出氮气、二氧化碳等惰性气体，实现相对封闭空间内的自动灭火。

表箱内安装了数据传输终端，负责数据的收集和传输，可以将温度传感器获取到的环境数据传输到物联网云，同时对自动灭火装置的状态进行实时监控。当自动灭火装置触发时，数据传输终端会第一时间进行火灾报警，通过物联网云发送到管理员手机上。

3.2 智能充电桩技术

充电桩按照新国标下电动汽车充电接口及通信协议设计，具有通用性。充电接头采用上出线口的设计，可节省操作者体力；充电桩内部强电和弱电进行了隔离保护，避免因为内部短路造成充电桩短路或者人体触电，提高了安全性。此外，充电桩整体进行了防水设计，达到了IP65级别的防护。

3.3 光伏新能源技术

光伏能源技术基于光伏效应将太阳辐射的能量转换为电能，利用开关站和配电房屋顶，建设光伏系统，实现电能就地消纳。光伏发电的清洁能源抵消住宅小区变配电设备的损耗，打造无损、绿色社区。太阳能利用采用单晶硅太阳能电池板，采用并网型设计，与公共电网相连，采用并联型光伏发电系统。为了减少逆变损失，采用组串逆变方式进行逆变，使用多台并网逆变器，能够非常好地应对社区电网的相位和电压波动。

3.4 “网上国网”APP

“网上国网”APP是国家电网公司的官方线上服务入口，主要具备5大功能：住宅、电动车、店铺、企事业、新能源。因此，“网上国网”APP能提供多个不同场景下用户的电力服务，满足用户的个性化需求。同时，电力运营方可以构建客户侧信息的全景展示平台，依据“网上国网”APP采集的用户用电信息，对用户用电行为特性、能源消费习惯开展分析，为客户提供优化用电建议等服务。后台根据收集的数据进行相应分析，掌握社区群体的用电习惯，实现社区电力的“削峰补谷”，避免增设电力设备。图3为“网上国网”APP功能界面。

图3 “网上国网”APP功能界面

4 智慧社区能源系统实际应用验证

该系统在绍兴滨海新区进行了试点应用，完成了智能光伏系统、智能充电桩系统、智能表箱防控系统的建设，并通过网上国网APP汇总数据并进行分析，从而实现智能社区。

4.1 智能充电桩实际应用

在已初步建成的社区交流充电桩系统中，共有7 kW交流充电桩10个，投运后，未来每年可节省石油约6.3万升。借助“网上国网”APP，依托物联网技术，将充电桩运行信息接入省电动汽车公司车联网平台，为小区电动汽车车主提供智能找桩、智慧充电、共享停车等一站式多元化智慧有序充电的“新平台”。如图4所示为安装完成的小区交流充电桩系统。

图4 安装完成的小区交流充电

4.2 表箱灭火装置实际应用

表箱灭火防火装置在试点小区覆盖率达到100%，直接受益居民2 000余人，该设备可实时管控用户侧表箱温度，运维人员通过手机APP或查看监控平台即可了解实时温度数据。

当表箱温度激增或超过阀值引发明火时，智能防火装置可快速动作，在发送短信告警的同时释放环保性类惰性气体扑灭明火，将火灾隐患扼杀在萌芽状态，为居民的用电安全和社会安全提供保障。图5为安装完成的小区表箱防火装置。

图5 安装完成的小区表箱防火装置

4.3 智能光伏系统实际应用

在试点小区3个公配房与1个开关站屋顶完成了共16 kW光伏的安装工作，投入运行后，预计每年可减少标准煤17.23 t，是无损社区、绿色社区的“新领地”。图6为安装完成的小区智能光伏系统。

图6 安装完成的小区智能光伏系统

5 结 语

本文智慧社区能源系统采用了光伏新能源的一体化建设，结合储能及智能光伏控制技术，可以平滑后与市电系统联网运行，不仅弥补了电网损耗，还增加了新能源利用率，提高了电网的经济效益。采用了基于泛在物联网的智能表箱，集成了智能温控、报警与自动灭火功能，提高了电网的安全效益。运维数据和用户数据都接入物联网云端，完成数据的远程实时共享与运维分析，实现了社区居民用电业务足不出户“一网通办”，并且整合了智能寻找空闲的电动汽车充电桩等功能，提高了管理效率，极大方便了社区居民。虽然本文提出的基于电力物联网的综合能源系统在我国的应用尚处于起步阶段，但却有着十分广阔的发展前景，市场潜力巨大。项目成果为浙江省政府首批的未来社区建设提供借鉴意义，通过不断改进和完善，后续可以在更多小区进行推广应用。