基于微网接入及风光储系统的用能管理系统建设及应用效果

陆 忞，周 昊，周达洪，钱亚东

（1.南京供电公司，南京 210019；2.江苏苏源高科技有限公司，南京 210008）

基于微网接入及风光储系统的用能管理系统建设及应用效果

陆 忞1，周 昊1，周达洪1，钱亚东2

（1.南京供电公司，南京 210019；2.江苏苏源高科技有限公司，南京 210008）

着眼于智能电网技术发展整体方向和电力企业发展整体战略的前瞻性考虑，南京供电公司以生产调度大楼建设为契机，从节能减排入手，分别对于微网接入及风光储系统、用能管理系统进行了深入探索和实践。该系统于2011年3月正式投运，实现了清洁能源稳定发电以及配电网与大型电力网并联运行，从而提高清洁电能在终端能源消费中的比重，同时进行有效负荷预测，发挥系统削峰填谷调节功能。

微网；风光储；清洁能源；用能管理；节能减排

作为分布式发电的重要形式之一，微网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型电网的联合运行系统，也可以独立地为当地提供电力需求。该模式大大提高了供电灵活性、可靠性。风光储系统则展示新型能源作为未来电网的一个重要组成部分，具备环保及经济特性。

智能楼宇用能管理系统基于用电信息采集系统与终端功能、技术方案、组网方案、通信规约、安全防护策略等方面的研究，包括了实时监控主站、超级集中器、区域集中器、采集控制设备。

作为江苏省内首个楼宇实用化风光储项目，南京供电公司微网接入及风光储系统满足了高起点智能化楼宇分布式新能源应用的要求。2010年12月，“基于微网控制的风光储应用研究”与“精益化楼宇智能管理系统开发与应用”经南京市科委组织的科技成果鉴定，达到国内先进水平。

1 设计目标以及功能

微网内电源包含有光伏发电、小型风力发电机和储能设备，构成风光储微网系统。通过微网控制系统监控分布式能源运行数据，调整运行策略，控制运行状态。

风光储微网系统独立运行时，储能设备作为微网独立运行时的主电源。

考虑到微网独立运行的可靠性，假设光伏发电系统和风力发电系统全部退出运行时，主电源的功率大于微网内所有负荷的功率时，微网系统会根据实际情况对所供负载进行容量调节和超限保护。

对于主从控制的微网，如果其他分布式电源的出力大于负载，则有可能出现多余功率倒送给主电源的情况，因此在微网独立运行时，微网控制系统可以根据实际情况调节部分分布式电源出力的控制策略。

用能管理系统通过智能空气开关回路终端、智能插座、智能用电采集设备，实现用电量实时/历史数据、环境监测数据、设备运行实时数据、设备运行状态数据、设备故障数据、电能质量数据的实时采集与监测，以合理用能、集中控制、精细管理为目标，建设自动化、可量化、可控制的绿色低碳的生态办公楼宇，实现大楼的实时能效采集，有效控制大楼能源使用。

系统功能包括以下7项：①实现大楼各区域实时用电对比分析；②实现分量用电实时数据的对比分析；③实现重点能耗设备实时用电的对比分析；④实现各智能插座实时用电数据的对比分析；⑤通过能效数据分析，为用能管理提供决策依据；⑥实现环境参数（各房间及公共区域的温度、湿度）实时采集管理；⑦实现气象参数（本区域内每天的温度、湿度、天气状况等一系列气候参数）实时采集管理。

2 系统总体结构及原理

2.1 微网接入及风光储系统

储能设备、光伏发电和风力发电并列接入交流低压母线。微网与外部电网有一个统一的联络开关。控制策略采用主从控制设计，即在并网运行时，主电网作为主电源；在孤网运行时，蓄电池储能设备作为主电源。图1为微网接入及风光储系统原理图。

通过微网控制系统监控分布式能源运行数据，调整运行策略，控制运行状态。主电源的功率大于微网内所有负荷的功率时，微网系统会根据实际情况对所供负载进行容量调节和超限保护。在微网独立运行时，微网控制系统可以根据实际情况调节部分分布式电源出力的控制策略，通过基于3D技术的微网监测平台，全方位实时展示分布式电源运行状态、风、光信息及微网运行过程。图2为系统结构设计图。图3为微网系统结构图。

图1 微网接入及风光储系统原理图

图2 系统结构设计

图3 微网系统结构图

基于微网控制的风光储系统综合了交直流微网的优点，采用了交直流混合结构方案。系统将风力发电机所发电力，经风机逆变器转变为交流，提供给微网控制器进行离网、并网控制，蓄电池组和光伏阵列共用一台三相逆变装置，一路30.6 kW光伏和一路50 kW储能分别通过两路DC/DC电路升压。光伏发电经光伏控制器对蓄电池进行充电，蓄电池充放电管理由控制及数据采集系统统一控制管理。逆变器输出端接入蓄电池输出端，经由蓄电池稳压直接供给微网逆变器。逆变器采用并网与离网逆变器并联运行模式，系统可以方便地在并网与离网之间进行切换，并可以在市电与逆变之间进行切换。当市电发生故障以后，可以自动切换至逆变后离网供电。

2.2 用能管理系统

用能管理系统逻辑图、数据流转结构分别如图4、图5所示。

3 建设方案

图4 用能管理系统逻辑图

图5 用能管理系统数据流转结构图

针对南京供电公司生产调度大楼周边自然环境的实际情况，微网接入及风光储系统包括4个部分。①光伏发电系统：本项目包括30.6 kW光伏发电系统；②风力发电系统：本项目包括15 kW屋顶风力发电系统；③蓄电池储能系统：铅酸蓄电池储能系统，使微网既可并网运行，也可独立孤网运行；④监控系统：系统可以监控分布式能源运行数据，调整运行策略，控制运行状态。微网接入及风光储系统运行模式控制示意图见图6。

图6 微网接入及风光储系统运行模式控制示意图

用能管理系统面向楼宇自动化。采用子系统集成模式、集监控与管理系统于一体的平台开发软件，具有使用简单、性能可靠、速度快、系统开放等特点，为大楼智能化建设提供完整的解决方案。

在统一的系统平台上实现各系统间的有效通信和连接，采用统一的方式实现系统信息交换和共享。

4 实践效果与效益分析

式中：PPV为工作点的输出功率，标准额定条件STC（standard test condition，STC）是指太阳辐照度GSTC为1 000 W/m2、电池温度TSTC为25℃、相对大气光学质量为AM1.5的条件；Gc为工作点的辐照度；k为功率温度系数；PSTC为标准额定条件下光伏的额定输出功率；Tc为工作点的电池温度。

现忽略环境温度的影响，考虑光伏发电的转换效率η以及太阳板倾斜角的影响α，最终光伏输出的功率P，可表示为

现有数据为全天每分钟光照和发电量数据，共24×60=1 440个点。

可先计算出每小时的平均光照强度，进而计算出本小时的发电量，将全天24 h发电量相加即得到全天的发电量，可表示为

4.1 改变用能方式，提高清洁电能在终端能源消费中比重

光伏输出功率可由标准额定条件下的输出功率、光照强度、环境温度得到

综合实际数据分析，其中η取0.7，α取0.9，t为点数。表1为光伏发电理论值与实际值比对情况。

表1 光伏发电理论值与实际值比对情况

4.2 倡导减排理念，降低温室气体排放量

本项目清洁能源预计年平均发电量18 274.8 kWh，每年减排二氧化碳18 529.68 kg。与相同发电量的火电厂相比，每年可为电网节约标准煤7 126.8 kg，在其经济使用寿命25年使用期内，共计节省标准煤178.2 tce，风光储系统发电月度统计表见表2。

4.3 有效预测负荷，实现削峰填谷调节功能

基于用能管理系统中的数据对比分析功能，能够进行有效的负荷预测，并在一定程度上实施削峰填谷的调节功能；提高供电效率与供电质量，有效降低供电成本，实现楼宇用电的精益化管理。

以2011年7月15日生产调度大楼分类用电量为例，其中空调用电量为4 924 kWh，占用电总量52.82%，大楼分类用电统计也证明了空调能耗在大楼的整体能耗中占有相当大的比例，通过合理支配空调系统的能量消耗可以降低大楼整体能耗。

目前，南京供电公司生产调度大楼物业管理部门通过统一开关机实现7：30～21：00开放新风。用能系统中7月1日至15日空调用电量日曲线显示，将空调制冰等高耗能操作安排在夜间进行。根据《江苏省居民客户峰谷分时电价政策实施方案》，城镇以及农村居民高峰时段为8：00～21：00，电价为0.558 3元/kWh；低谷时段为21：00～次日8：00，电价为0.358 3元/kWh，从而在节约大楼运营成本的同时，充分利用谷电，实现削峰填谷。

5 结束语

通过采集设备运行、负荷电能消耗、报警及历史数据等信息，结合实际满足负荷需求和运用电价政策以及新的能源供电模式和新型的用电设备配置，选择和制定能耗控制管理方案，在整体上对供用电设备进行协调控制，以实现楼宇用电的智能化，能够让终端用户直接感受到智能电网带来的经济效益和社会效益。如果所取得的效应在更广泛的社会范围（如：小区、写字楼、工厂）内推广，不仅能优化资产使用和客户服务，也可推动用户侧的节能环保。

表2 风光储系统发电月度统计表(2011年4至11月)

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Energy consumption management system construction based on microgrid access and wind⁃solar storage

LU Min1，ZHOU Hao1，ZHOU Da⁃hong1，Qian Ya⁃dong2
（1.Nanjing Power Supply Company,Nanjing 210019,China；2.Jiangsu Suyuan High⁃Tech Limited Company,Nanjing 210008,China）

In consideration of the smart grid technology devel⁃opment direction and the electric power enterprise development strategy,this paper probes into exploration and practice of Nanjing power supply company in microgrid access&wind⁃solar storage sys⁃tem and energy management system settled in the production&scheduling building.The entire system was formally put into opera⁃tion in 2011 March,realized the clean energy power generation and distribution and the stability of large power network operating in parallel,improved the clean energy in terminal energy consumption proportion;at the same time,realized effective load forecasting,played flat peak regulation function.

microgrid;wind⁃solar storage;clean energy;ener⁃gy management;energy⁃saving and environmental protection

F407.61；TK018

B

1009-1831（2012）06-0023-04

2012-02-23

陆忞（1983），女，江苏无锡人，硕士研究生，工程师，从事电力信息运维及软件系统研发工作;周昊（1981），男，江苏南京人，工程师，从事基建工程建设管理工作;周达洪（1965），男，江苏兴化人，高级工程师，从事电力信息化管理工作;钱亚东（1970），男，江苏苏州人，博士研究生，高级工程师，主要从事企业信息化研究。