智能电网技术在智能小区中的应用研究

党存禄，吴青峰，葛智平

（1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050；2.甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050）

随着我国经济的发展，能源危机的加剧，智能电网技术的兴起，利用分布式清洁能源、电动汽车、配电自动化、电力光纤通信等智能电网技术构建的智能小区因具有低碳环保、安全舒适、能提供更高的供用电服务质量等优点，越来越受到人们的重视。智能小区的建设，能够研究如何将智能电网先进技术应用在小区，探索如何建设符合我国国情智能小区，展现了智能电网研究成果，使坚强智能电网先进理念得到宣传，电网智能化水平和用电服务能力得到提高，全新的业务模式得到检验[1]。目前国内外对智能电网和智能小区进行了一些研究[2-4]，本文在前人研究的基础上，根据《智能用电小区试点工程建设导则》[5]、《居民小区智能用电服务功能规范》[6]等国家发布的技术要求，本着实用性、先进性、前瞻性、示范性、推广性的原则，提出了一种智能小区设计方案，并对其中的智能电网技术进行了研究。

1 智能小区的概念及其特点

将智能电网技术应用于居民居住区而构建的新型小区，简称智能小区[7]。它是计算机技术、信息技术、智能电网技术等现代高科技的完美结合[8]，为用户提供了一种更加方便快捷、环保、智能的生活方式。智能小区有以下几个特点：1）友好互动。通过部署智能交互终端、自助用电服务终端、等智能设备，能够提供给用户缴纳电费、受理业务、故障检修等多种互动双向服务。通过提供用电优化策略，能够对用户用电行为进行引导，使得电力供应变的更加经济。2）节能环保。在智能小区中，通过柔性充电控制技术的应用，建设了电动汽车充电桩，能够促进电动汽车的普及。电动汽车因零排放、低噪音，是解决能源和环境问题的重要手段[9]。此外，根据小区内的自然环境，部署光伏发电、风力发电等分布式电源，在用电高峰或停电时刻，通过分布式电源向用户供电，达到节能环保的目的。3）安全可靠。通过对小区电能质量及供用电设备运行状况的监控，实现故障自动检测，故障发生时向配电自动化系统和95598互动网站等报送或转送故障信息给电力部门，电力部门及时获知故障情况，能快速处理故障，尽快恢复供电。

2 智能小区的框架结构

智能小区整体设计方案（见图1）集成了用电信息采集、配电自动化、电动汽车充电桩、智能家居、光伏发电系统等智能电网技术。实现了小区各种信息的采集、分析、处理、控制，相关子系统信息的综合利用，与小区物业管理子系统和智能用电小区95598网上互动业务实现集成。通过通信网络连接，实现智能用电功能集中展示及电力部门和客户之间的双向互动；采用电力光纤到户（Power Fiber to the Home，PFTTH）技术和以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）通信技术[10-11]实现光纤到户，服务三网融合，为低压配电自动化、用电信息等提供通道；通过每个小区物业展示大厅的电子公示屏，实现了对智能用电小区系统的综合展示；智能家电和光伏发电的各种信息可以在智能交互终端进行综合展示。

3 智能小区中的智能电网技术分析

3.1 用电信息采集

智能小区用电采集系统具有宽带通信信息网络特征，能够全方位采集电力客户的用电信息。小区采用“EPON+电能表”方式对用电信息进行采集，数据采用光纤通信方式。在居民区隔几层设置一个ONU，对于独立放置的计量点可单独设置一个ONU；小区通信信道采用电能表、宽带载波采集器、集中器相结合的方式，实现了宽带载波通信。将宽带集中器安装在配变处，利用电能表接口直接对配变关口表进行采集，利用采集器采集居民单/三相电能表和一般工商业客户的数据。采集器连接到置于小区配电室的集中器，进行数据采集，由集中器传至供电部门内网进行采集，用电信息采集覆盖小区所有客户。

图1 基于智能电网的智能小区整体设计方案Fig.1 The overall intelligent community design plan based on smart grid

3.2 配电自动化

小区通过配电自动化系统具备配电数据采与监视控制、馈线自动化、与相关应用系统互连、视频监控等功能，可以监视和控制小区低压配电网的运行。系统主要由配电主站、配电子站、配电终端、安防设备和通信通道等部分组成。通过配电终端，实现对配电房高低压线路上的三相电流、三相电压、有功、无功、频率、功率因数等线路参数的采集；还可以实现线路上开关位置、储能、过负荷、三相故障、零序过流、零序过压、蓄电池活化、交流输入异常等遥信信息的采集。也可以通过信息输入实现对线路上遥信和遥测或者某些保护信息的采集，运行监控信息的图形化管理和状态自动报警功能。配电终端设备采集遥信信息，由配电网子站和主站服务器负责转发信息。通过以太网通讯、光纤通讯等多种方式，配电终端将采集到的信息发送给配电子站，配电子站可以对多台配电终端的信息和控制命令同时发送和接收，通过配电主站进行通讯，可以对配电主站的信息和命令进行转发，从而使配电主站能够监控配电房线路。小区配电自动化系统能够对配电系统的故障进行自动诊断、自动隔离，以将故障停电范围降到最低，将非故障段供电恢复，及时告知小区客户故障信息，并协调各部门进行快速故障处理。在小区配电室等重要区域需要安装监控设备，并把监控信息传递到小区监控中心以实现对重要区域的监控。

3.3 分布式电源的运行控制

小区内的分布式电源是小区微电网的重要组成部分，主要包括电动汽车和光伏发电两种。电动汽车充电桩是电动汽车大规模商业化后不可缺少的电动汽车能源服务基础设施[12-13]。根据电动车充电桩建设计划，小区共建设25个电动汽车充电桩。充电桩和充电桩管理控制子系统、计量计费子系统组成了电动汽车充电系统（见图2）。后台、充电桩和通讯管理机组成了充电桩管理系统。充电桩管理系统能够对充电桩运行状态进行实时保护和监测，具备对充电计量和充电过程进行控制、避免短路等功能。计量部分和计费部分组成了计量计费系统，交流电能表和用电采集终端组成了计量部分；计费工作站与服务器组成了计费部分。用电采集终端通过对各个交流电能表的实时电量信息进行采集，然后将这些信息送入后台，在后台完成对整个电动汽车充电站的总电量、各充电桩的每次充电电量等信息的处理，同时将计费信息和电量信息存储到数据库服务器中。

图2 电动汽车充电系统结构Fig.2 Structure of the electric vehicle charging system

为了充分利用清洁的太阳能，小区样板间建设主要由太阳能电池板、并网逆变器、智能开关、电能表、操作终端、防雷装置等设备构成光伏发电装置[14]（如图3所示）。该装置通过把太阳能转化为电能，通过并网逆变器转换为220 V工频交流电，为样板间供电，试点利用清洁的分布式能源。太阳能电池板主要用于吸收阳光，将太阳能转换为电能；逆变器可把太阳能电池板转换成的电能送入电网，具有可靠性高、多种并网保护功能等特点，并可以实现远程监控；系统采取防雷措施以保证系统在雷雨等恶劣天气下能够安全运行；在电能表箱内装设的智能电能表，可以实现光伏发电系统发电电能量计量。在样板间的个人计算机可以显示并网逆变器电压、电流、历史发电量等信息。

图3 光伏发电系统结构图Fig.3 PV system structure diagram

3.4 智能用电服务互动平台

智能用电互动服务平台以业务应用和智能服务为目标，为客户提供智能用电服务和社会增值服务。互动服务平台系统由网络服务器、数据服务器、防火墙、隔离装置、数据库管理系统、电脑操作系统、服务器平台软件组成。小区的信息系统由外网和内网构成。小区用电服务互动信息通过内网中间库和外网数据库连接到智能用电服务互动平台。通过智能家庭网关、智能交互终端、智能交互机顶盒等设备，以营销业务应用系统、电能量按采集系统为支撑，利用95598互动网站、短信、语音等多种渠道，实现电网与用户的双向互动。根据定制要求，自助用电服务终端能够为各类缴费者提供快捷方便、安全、轻松、可靠的缴费环境，兼容各种射频卡、磁卡，为企业节省费用，提高服务质量。并将预付费电表卡自助充值、自助缴纳电费、自助打印、历史记录查询的功能合为一体。自助用电服务终端提供了自助缴费、自助查询、业务信息发布和实时监控等功能。支持本地远程两种售电方式，实现了现金和银联卡两种缴费方式。智能用电双向互动服务向用户提供信息查询、便捷缴费、智能分析与远程控制等灵活多样的服务，提高能量利用效率，推广低碳经济的发展。

3.5 智能家居

智能家居一般是指将家庭中各种与信息有关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，以实现监视、控制和家庭事务性管理，并保证这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调[15]。在小区设置一个两室一厅结构的智能家居展示样板间。样板间系统由智能电器、智能交互设备、安保系统、电子显示屏等子系统构成，通过PFTTH方式与小区通信网络进行。最终样板间能够实现以下功能：1）实现智能用电服务的有关功能，如家庭用电分析、设备耗能分析、绿色用电指数、用电贴士发布等；2）实现对水气表、电能表数据进行自动采集，如果有需求可以对历史记录进行调用，进行用能展示等；3）可以通过电话、交互机顶盒、互联网等方式对家电进行远程控制和管理。

3.6 统一展示平台

为便于集中展示智能用电小区的各项试点项目，在小区内设置了统一展示平台（如图4所示）。统一展示平台由各个子系统的数据接口软件、综合展示软件、数据服务器、显示屏、工作站等部分组成，实现小区信息的综合展示。通过ONU连接到四个不同的工作站，KVM将工作站视频信号切换展示到社区电子公告屏上。展示了包括来自电动汽车充电管理系统、用电信息采集、配电自动化系统、物业管理系统的用电信息、用能信息、电网负荷和设备状态等信息。

图4 智能小区统一展示平台Fig.4 The unified display platform of intelligent community

4 实际应用效果

本文提出的基于智能电网智能小区的设计方案及其一些智能电网技术已经在兰州某示范智能小区得到应用，并达到了以下效果：早晨，居民在背景音乐设备的悠扬乐声中醒来，电动窗帘拉开，开始美好的一天。智能家电通过家居的智能管理系统，可以做到更加方便地操控各种电器设备。从烧菜煮饭的智能电饭锅到样样精通的智能微波炉，给生活带来更多的便利体验。在外出之前，居民只要按一个键就可以关闭家中所有的灯和电器。在办公室或在出差时只需登录网络或打一个电话，家中的安全设备和家用电器立即尽在掌握，可以方便地控制家里的电器开关。不管是洗衣服还是煮饭，都可远程控制实现。如果家里有煤气泄漏或者其他突发状况，安防系统会自动向物业管理系统发送报警。下班后，当居民回到家中，随着门锁被开启，家中的安防系统自动解除室内警戒，走廊灯缓缓点亮，空调、新风系统按照设定的情景模式自动启动，最喜欢的背景交响乐轻轻奏起，欢迎主人回家。在家中，只需一个遥控器就能控制家中所有的电器。安防系统、空调系统、背景音乐、视频分布器、房门开关都被智能的无线装置控制。实现感应式控制，通过红外感应设备，交互终端应能主动感应人体所在的活动范围，并控制所在范围内照明设备的启动或关闭。智能交互终端可以查询自家的用电、用水、用气信息，知道每个家电的用电情况。根据智能交互终端的用电策略建议，可以做个更聪明更省钱的电力客户。

5 结论

本文提出了一种适应我国国情的基于智能电网技术的智能小区建设方案。对小区用电采集技术、配电自动化等应用于智能小区的智能电网技术进行了详细研究，部分研究成果已经在兰州某智能小区中得到应用，应用效果达到了《智能用电小区建设导则》中的要求，验证了该方案的可行性，以期推动智能电网和智能小区在我国的发展。

[1]林弘宇，田世明.智能电网条件下的智能小区关键技术[J].电网技术，2011，35（12）：1-7.LIN Hong-yu，TIAN Shi-ming.Research on key technologies for smart residential community[J].Electrical Machinery Technology，2011，35（12）：1-7（in Chinese）.

[2]刘文，杨慧霞，祝斌.智能电网技术标准体系研究综述[J].电力系统保护与控制，2012，40（10）:120-126.LIU Wen，YANG Hui-xia，ZHU Bin.Review of research on smart grid technical standard system[J].Power System Protection and Control， 2012， 40（10）:120-126 （in Chinese）.

[3]施婕，艾芊.智能电网实现的若干关键技术问题研究[J].电力系统保护与控制，2009，37（19）：1-4.SHI Jie，AI Qian.Research on several key technical problems in realization of smart grid[J].Power System Protection and Control，2009，37（19）:1-4（in Chinese）.

[4]荣命哲，王小华，王建华.开关电器内涵的新发展探讨[J].高压电器，2010，46（5）.RONG Ming-zhe，WANG Xiao-hua，WANG Jian-hua.Disscussion on new development of connotation for intelligent switchgear[J].High Voltage Apparatus，2010，46（5）（in Chinese）.

[5]国家电网公司.智能用电小区试点工程建设导则[S].2010.

[6]国家电网公司.居民小区智能用电服务功能规范[M].北京：国家电网公司，2009.

[7]张素香.智能小区的商业智能[J].北京邮电大学学报，2012，35（5）：94-97.ZHANG Su-xiang.Business intelligence in the smart communit[J].Beijing University of Posts and Telecommunications，2012，35（5）：94-97（in Chinese）.

[8]张超敏.智能小区周界防盗报警系统的研究与设计[J].电气应用，2013，32（2）：36-39.ZHANG Chao-min.Smart cell perimeter anti-theft alarm system research and design[J].Electrical Applications，2013，32（2）：36-39（in Chinese）.

[9]胡泽春，宋永华，徐智威.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报，2012，32（4）:1-10.HU Ze-chun，SONG Yong-hua，XU Zhi-wei．Impacts and utilization of electric vehicles integration into power systems[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（4）:1-10（in Chinese）.

[10]王世文，谢波.EPON+PFTTH网络在智能小区应用[J].通信技术，2011，44（6）：100-104.WANG Shi-wen，XIE Bo.EPON+PFTTH network applications in intelligent community[J].Communications Technology，2011，44（6）：100-104（in Chinese）.

[11]李哲毓，崔逸群，颜渝坪.Profibus-DP现场总线控制系统MS0通信程序设计[J].热力发电，2013，42（7）：126-130.LI Zhe-yu，CUI Yi-qun，YAN Yu-ping.Design of MS0 communication program for Profibus-DP field bus control systems[J].Thermal Power Generation，2013，42（7）:126-130（in Chinese）.

[12]赵兴勇，赵艳秋．智能电网框架下电动汽车充电设施建设研[J]．电网与清洁能源，2012，28（11）：61-64．ZHAO Xing-yong，ZHAO Yan-qiu.Research on charging infrastructure layout for electric vehicles under smart grid[J].Power System and Clean Energy，2012，28（11）:61-64（in Chinese）.

[13]严辉，李庚银，赵磊，等.电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].电网技术，2009，33（12）：15-19.YAN Hui， LI Qing-yin， ZHAO Lei， et al．Electric vehicle charging station monitoring system design and implementation[J].Electrical Machinery Technology，2009，33（12）：15-19（in Chinese）.

[14]钟颖颖，束建，朱恺，等.太阳能光伏发电站防雷技术探讨[J].电瓷避雷器，2012（2）：100-104.ZHONG Ying-ying，SU Jian，ZHU Kai，et al.Discussion about lighting protect of solar photovoltaic power station[J].Insulators and Surge Arresters，2012（2）:100-104 （in Chinese）.

[15]马晓光．我国智能小区发展研究[D].北京：北京交通大学，2006．