用户侧电能管理系统及其应用

岳 明

（江苏联宏自动化系统工程有限公司，南京 210046）

1 用户侧电能管理系统的功能

用户侧电能管理系统的功能包括以下方面：电能分项分户计量/3级计量，电能质量监测，节能自动化控制，能源审计，系统集成。

1.1 电能分项分户计量/3级计量

主要包括建筑用电的分项分户实时在线计量；企业总厂级（电能总表）、车间级、重点用电设备3级层次的电能实时在线计量；用能诊断；节能潜力分析和节能效果验证。

1.2 电能质量监测

主要包括配电回路无功功率、功率因数、谐波、温度、压力等有关电能质量的数据实时在线监测。

1.3 节能自动化控制

主要包括供配电系统优化节能控制；泵、风机、空压机等电机系统节能控制；余热回收利用；空调系统节能控制；照明系统节能控制。

1.4 能源审计

主要包括全面核对用能数据；能源量平衡计算；对重点用能设备或系统进行节能分析；提出节能技术改造建议。

1.5 系统集成

主要包括与ERP企业资源计划、MIS管理信息系统、GIS地理信息系统、视频监控系统有效完善的集成。

2 用户侧电能管理系统结构

用户侧电能管理系统采用先进的、安全可靠的、具有自主知识产权的分布式高速实时控制网络核心技术和关键产品构建，系统分为3个层次，从下至上分别为：现场设备层（感知层）、通信网络层、系统应用层。

现场设备层（感知层）为现场监控点的传感设备和控制器，即智能节点设备，包括用于配电回路计量和控制的多功能电力监控终端、用于办公建筑分项计量的能源管理终端、用于照明监控的照明智能监控终端、用于空调节能控制的控制器、用于电机系统节能的智能变频器等。该层是对用能点直接采集和控制的基础设备层。

通信网络层是解决现场设备联网的关键环节，在现场设备层和系统应用层之间构成承上启下的数据传输层次。通信网络层包括2个层次，一是现场智能节点设备组成的现场控制网络；二是系统主干光纤环网。

系统应用层是面向客户需求的行业信息化系统，包括流程化监控界面、实时监测和控制功能，以及电能统计、分析、预测和调度等功能。

用户侧电能管理系统可根据客户需求设立用户侧本地监管平台，实现用户能耗数据本地采集与存储，从而实现系统本地实时监管与分析。通过用户侧本地服务器，将用户侧能耗数据上传至省、市电力需求侧管理服务平台。如不设立用户侧本地监管平台，用户侧能耗数据则直接上传至省、市电力需求侧管理服务平台。用户通过使用提供的授权账号与密码，登陆省、市电力需求侧服务平台查看相关的能耗数据与分析。

系统除了进行电能管理，还具备很好的可扩展性。系统可对天然气、水进行分类分项3级计量，实现能源信息化管理，组成能源管理系统。能源管理系统可以对客户用天然气进行计量、监测，用以分析设备的能耗。同时，对各主要用水点（计量到车间级）进行实时计量，建立水平衡系统，实时分析管网的工作状况，及时发现跑、冒、滴、漏等异常状况，避免能源的无谓浪费。

系统整体结构如图1。

图1 用户侧电能管理系统结构图

3 动态电力需求侧响应

3.1 响应流程

在电力用户侧建立电能管理系统后，根据电力需求侧响应需求，制订需求侧响应措施，将各分项用电回路根据重要性和紧急程度分为不可中断负荷、可中断负荷和可控负荷。如:商业建筑、公共区域的照明用电、通风、电梯等动力用电属于不可中断负荷，景观照明用电属于高峰可中断负荷，空调用电属于可控负荷。

在接到调峰指令后，用户侧管理系统实现主动响应，在保证不可中断负荷的用电回路安全运行的前提下，对可中断负荷和可控负荷采取自动化调控手段。

（1）高峰限电时切断可中断负荷回路，如：景观照明回路。

（2）高峰限电时自动将空调末端温度升高或降低，如：夏季从26℃升高到28℃，则系统总负荷可降低10%以上，在对工作和生活环境不造成过大影响的情况下，即可实现在用电高峰期的削峰。

系统响应流程如图2。

3.2 指令传递过程

用户侧管理系统指令传递过程如图3所示。

图2 用户侧管理系统响应流程

图3 用户侧管理系统指令传递过程

4 现场控制网络技术

对于电力用户侧的电能管理系统，由于关注的对象众多，而且分散面广，不能采用普通的I/O板卡采集模式，因为那样意味着大量的电缆、数量众多的I/O板卡和体积庞大的控制柜，所以现场控制网络是实现大量分散的测控点需求的电力用户侧管理系统的关键技术。Lonworks现场控制网络是符合物联网概念中感知层、网络层和应用层的3层结构体系的通信技术。基于Lonworks控制网络，可真正实现计量、监测和控制一体化的能源管控目标。

5 系统化节能控制技术

5.1 供配电系统优化节能控制和电力需求侧响应

对用能单位内部变配电所实施配电自动化，实现遥控、遥信、遥测、遥调、遥视，提高供配电系统管理的自动化水平，实现配电系统优化运行，能够及时处理事故，减少事故停电时间，更好地保证供配电系统的安全经济运行。

通过配电自动化运行，为电力需求侧管理提供技术支撑手段，可根据电力负荷控制要求执行需求侧响应指令，降低用电负荷，通过动态需求侧响应达到削峰填谷的目的。

5.2 泵、风机、空压机等电机系统节能控制

根据用能单位生产工艺上的能源实际需量，动态地调节风量、水量、气量，以实现节能的目的。针对的能耗设备包括风机、水泵、空气压缩机等。主要节能措施是采用电动机变频技术，变频节能的目的是让装置工作在效率最高、最经济的状态，而不是一直“全速运行”。

5.3 余热回收利用

空气压缩机在进行空气压缩时，循环油和排气温度高达85℃至90℃，蕴含大量的热能，其中70%至80%可回收利用。常规情况下，机器将这些热量排放到空气中散发掉。空气压缩机热能回收系统将其发出的热量回收，加以利用，经济价值非常高。

压缩机热回收效率可以达到60%以上，平均1 kW的轴功率每年大约可以节省2 700元。

5.4 空调系统节能控制

（1）中央空调系统节能控制

实现包括从冷冻主机在线监控到房间末端的温度实时监控和远程设置等，实现空调系统的动态优化。

·冷水机组。根据冷冻水供水温度和冷冻机负荷，对冷水机组采用自动台数控制。供水温度达不到设定温度，则加载运行的冷冻机台数；单台冷冻机负载达不到50%，则减载运行的冷冻机台数。

·冷冻水泵。根据冷冻水供回水压差，对冷冻水泵采用自动台数控制和变频控制，实现恒压差控制。

·冷却水泵。根据冷却水供水温度，对冷却水泵采用自动台数控制和变频控制。

·冷却塔。根据冷却水回水温度，对冷却塔风机采用自动台数控制和变频控制。

·新风机。根据出风温度自动调节风门开度和新风机转速。

·风机盘管温控器。对末端楼层、房间的风机盘管控制器实现集中控制和管理，可远程设定节能运行模式，设定温度、风机转速，按照工作时间表对风机实现自动启动和关闭。

通过对中央空调系统空调末端即风机盘管、新风机组、空调箱、冷冻站、冷却塔风机等环节的系统化节能控制，在不影响舒适度的前提下，可永久性降低部分中央空调负荷。

（2）变冷媒流量多联空调系统（VRV）节能控制

通过对VRV空调主机的远程管理，实现对于每个房间温度、风速等在内的集中控制和管理。

通过对房间温度、风速的集中控制，与政府电力需求侧管理平台实现实时通信，在用电高峰期自动响应削峰指令，强制节能运行，实现动态需求侧响应。如:在夏季自动将房间内空调温度设置提高2℃，从而临时性降低电力负荷。

（3）单体空调节能控制

通过智能插座实现对单体空调的用电计量、定时控制、温度控制等功能。

系统具备实时通信功能，通过互联网与政府电力需求侧管理平台实现交互通信，可对公共建筑、居民小区等采取动态需求侧管理，在用电高峰期自动响应削峰指令。

5.5 照明系统节能控制

（1）高效灯具

大型厂房内的灯具包括高棚灯、支架灯等。灯具常用反光材料的反射率基本在70%以下，造成灯具实际效率不高。

本技术基于先进反光膜材料技术，采用的灯具改造技术突破了传统LED光源改造思路，采用光学反射膜材料，对灯具进行改造，反射率提高到98%。

采用反光膜技术的高棚灯与传统金卤灯节能效果对比如表1所示。

表1 采用反光膜技术的高棚灯与传统金卤灯节能效果对比

（2）智能控制

·路灯照明控制：根据经纬度控制；定时控制；光照度控制；变功率控制；人工远程控制；应急控制等。

·室内照明控制：声光控；工作时间计划控制；光照度控制等。

6 系统实时集中管理技术

用户侧电能管理系统系统应用软件具有图形化的全中文人机界面，Windows的操作风格，模块化结构，易于使用，配置灵活，操作便捷，人机交互简单清晰，便于扩展，可广泛应用于电力需求侧管理的分布式自动化监控与集中管理。

（1）系统管理功能

灵活的用户配置，区域管理，分类、分项和分户管理，仪表信息管理等功能。

（2）数据采集与存储功能

分项电耗、分户电耗数据实时采集，变电所供电回路电压、电流、功率、功率因数等电力参数的实时采集并存储在电能监管中心数据库。

（3）供配电系统实时模拟

对供配电系统进行模拟，实时准确的显示变电所供电各回路的各种运行状态与各项电能数据，对供配电系统的运行状态实时监控、故障检测、报警，使系统运行始终处于监控状态。

（4）报警管理功能

对所有监测中的仪表进行报警管理，一旦仪表出现异常情况，监控画面中都可以立刻显示，并发出报警声音及时提醒管理人员，可以手动对报警信息进行处理。

（5）能耗数据定时上报功能

定时启动数据打包程序，从数据库中抽取需要上报的数据，按照接口标准封装成XML格式的数据包，并压缩数据包。

向上一级数据中心服务器发送握手消息，建立连接状态。如果连接不成功则再次发起连接。

调用上一级数据中心的数据接收网络服务（Web Services），基于SOAP传输协议将压缩后的XML数据包发送出去。

（6）能耗数据查询打印功能

对经过数据处理后的分项能耗数据进行分析汇总和整合，通过静态表格或者图表方式将能耗数据展示出来，并将展示的数据打印成纸质文件。

（7）友好的图形化操作界面

能源节能监管平台系统软件采用图形化人机界面，软件界面体现整个企业能源节能监管平台的系统模拟图，在操作界面上可直观地反映出整个系统的概貌、运营情况以及控管点的地理分布。

在系统模拟图上点击各不同功能模块可进入相应子系统和访问相应子系统的详细数据。

在模拟图通过点击相应的图标可对监控对象实施遥信、遥测、遥控，而且能够调用到更为具体的监控信息。

（8）实时能耗数据展示功能

系统软件应用可以实时显示所监测的实时及历史能耗数据及各种电力参数的变化趋势曲线。系统软件实时性能好，数据刷新间隔频率可达到1 s/次，数据存储间隔频率可达到10 s/次。

（9）能耗数据处理功能

对采集的能耗实时数据进行解析存储，并调用数据分析功能对采集的原始数据进行统计分析，生成数据仓库记录。

（10）节能控制功能

根据区域的工作时间，对重点用能设备实施遥测、遥信和遥控，实现自动化节能控制。

7 系统集成

鉴于一些工业企业已经建设了基于生产流程监控的自动控制系统，如：DCS、PLC，不可避免地会产生某些能源数据和高能耗设备已经由DCS/PLC实现在线监控。为此，在有必要的情况下，可实现电能管理系统与DCS/PLC的互通。

电能管理系统在网络层提供了OPC接口。OPC规范是工业控制领域最流行的系统互连接口，国际主流DCS/PLC厂家的系统均支持OPC规范。基于OPC，不同系统之间的互操作和互用成为可能。

8 结束语

电力需求侧管理系统化解决方案通过实时在线的电能管理系统，为建筑、交通、工业电力用户提供安全用电、节约用电、科学用电的工具，有效提高电力用户电能管理水平。利用有效的技术和管理手段，为用能单位创造节能效益，实现电力需求侧管理降低电力负荷，加强负荷调控能力，为电力需求侧管理工作提供强有力的技术支撑。

[1]周伏秋,夏鑫.电力需求侧管理城市综合试点工作重点与财政激励政策[J].电力需求侧管理,2012(5):1-3.

[2]汪冰冰.基于LonWorks技术的电力需求侧管理系统的设计[J].仪器仪表标准化与计量,2012(4):40-42.

[3]姜海涛,赵月.需求侧负荷管理系统建设分析[J].华北电力技术,2006(10):20-22.