家庭綜合能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、總第47卷第537期 2010年第眇期電測與儀表Electrical Measurement&InstrumentationVoI.47N0.§37 Sep.2010面向智能用電的家庭綜合能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)章鹿華,王思彤,易忠林,袁瑞銘,周暉,殷慶鐸(華北電網(wǎng)有限公司計(jì)量中心,北京100045摘要:以國家電網(wǎng)公司智能用電試點(diǎn)建設(shè)為依托,充分把握智能化電力需求側(cè)管理的要求,基于面向智能電網(wǎng) 的高級(jí)計(jì)量架構(gòu)(AMI的研究,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向電力用戶的家庭綜合能源管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以智能電表、智 能交互終端、智能插座等智能設(shè)備組成家庭網(wǎng)絡(luò),能夠支持分布式能源、電動(dòng)汽車等系統(tǒng)或設(shè)

2、備的接入和計(jì)量, 綜合家庭能耗監(jiān)測和能源優(yōu)化管理,家用電器智能控制,與用戶雙向互動(dòng)等功能,進(jìn)而構(gòu)建了電網(wǎng)與用戶能量 流、信息流、業(yè)務(wù)流實(shí)時(shí)互動(dòng)的新型供用電關(guān)系,滿足智能電網(wǎng)下智能用電對技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效、服務(wù)多樣、靈 活互動(dòng)和友好開放的要求。關(guān)鍵詞:AMI;智能用電;家庭能源管理;雙向互動(dòng)中圖分類號(hào):TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):10011390(2010090035-04The Design and Implementation of Family ComprehensiveEnergy Management System Facing the Smart PowerZHANG Lu-

3、hua,WANG Sitong,YI Zhong-lin,YUAN Rui-ming,ZHOU Hui,YIN Qingduo(Metering Center,North China Grid Company Limited,Beijing 100045,China.Abstract:Relying on the construction of intelligent electrical pilot in the state grid corporation of China,this paper fully grasps the requirements of intelligent po

4、wer demand management.And based on the research of smart grid oriented Advanced Metering Infrastructure (AMI,we design and realize the family comprehensive energy management system for the power users.Based on the family network which are composed of smart meters,intelligent terminals,intelligent so

5、ckets and other smart devices,the system can access and measure distributed power sources and electric cars,monitor the comprehensive energy consumption and optimize the family energy management,realize intelligent control of household appliances and the two-way interaction with users.AMI system pro

6、vides powerful technical support for the construction of new interactive relationship in which energy information and traffic flows real-timely between company and customers,and meet the demand of the advanced technology,economic efficiency, flexible and diverse services,the requirements of opening,

7、friendly to actively development.Key words:AMI,smart power,family energy management,two-way interaction0引 言為適應(yīng)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要,全面支持清潔 能源和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可持續(xù) 的電力供應(yīng),提升供電質(zhì)量和服務(wù)水平,在特高壓輸 電取得重大突破和以往研究實(shí)踐的基礎(chǔ)上,結(jié)合世界 電網(wǎng)發(fā)展新趨勢以及我國電網(wǎng)發(fā)展的實(shí)際情況,國家 電網(wǎng)公司積極致力于推動(dòng)電網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展,開 展了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的研究工作。從國際形勢來看,智能電網(wǎng)建設(shè)盡管處于起步階 段,但其發(fā)展代表了未來電力工

8、業(yè)發(fā)展的趨勢,是新 的能源科技革命的重要組成部分。哪個(gè)國家能夠掌握 智能電網(wǎng)的核心技術(shù),就有可能成為世界電力T業(yè)新 的領(lǐng)導(dǎo)者,就有可能在未來的全球競爭中占據(jù)有利地 位。因此。智能電網(wǎng)的發(fā)展為我國電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越 式發(fā)展,建設(shè)世界一流電網(wǎng)提供了歷史機(jī)遇。從國內(nèi)形勢來看,我國能源工業(yè)發(fā)展面臨的安 一35總第47卷第537期 2010年第期電測與儀表Electrical Measurement&lnstrulnentationVoI。47No.537 Sep.2010全、效率與環(huán)境問題變得日益突出,需要通過建設(shè)堅(jiān) 強(qiáng)智能電網(wǎng)以推動(dòng)電網(wǎng)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變,進(jìn)而推動(dòng)能 源開發(fā)、輸送和利用方式的轉(zhuǎn)變,

9、從而實(shí)現(xiàn)能源工業(yè) 的可持續(xù)發(fā)展。立足我國能源需求分布及我國電力工業(yè)發(fā)展的 實(shí)際,適應(yīng)并促進(jìn)新一輪能源變革,建設(shè)包含電力系 統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)、覆蓋所有電壓等級(jí)的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)已成 為我國電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢。本文對華北電網(wǎng)有限公司智能用電方面相關(guān)研 究進(jìn)行了介紹,在充分把握智能化電力需求側(cè)管理的 要求的前提下,基于面向智能電網(wǎng)的高級(jí)計(jì)量架構(gòu) (AMI的研究,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向智能用電的家庭綜 合能源管理系統(tǒng),通過對以智能電表、智能交互終端、 智能插座等智能設(shè)備組成的系統(tǒng)相關(guān)功能特點(diǎn)和實(shí) 現(xiàn)方案的詳細(xì)描述,展現(xiàn)了未來智能家庭的遠(yuǎn)景,本 系統(tǒng)也為電網(wǎng)公司和電力用戶之間提供了友好開放 的雙向交互門戶,滿足了智能用電

10、對營銷管理和客戶 服務(wù)的要求。1驅(qū)動(dòng)因素隨著用戶的服務(wù)需求及能源利用形式變化,電力 用戶逐漸從電網(wǎng)的被動(dòng)參與者向主動(dòng)參與者轉(zhuǎn)變,對 電網(wǎng)公司的服務(wù)水平將提出更高的要求。用戶從被動(dòng)參與者向主動(dòng)參與者的轉(zhuǎn)變,是電網(wǎng) 發(fā)展的客觀規(guī)律決定的。用戶所要求的服務(wù)種類和需 求將發(fā)生變化。隨著階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)的推行,用 戶將獲得更多的激勵(lì),使其改變用電行為,對用電成 本將更加敏感;用戶希望獲得更加及時(shí)準(zhǔn)確的用電信 息,也對電網(wǎng)公司的服務(wù)水平提出了更高要求;提高 能效和環(huán)保將逐漸成為需求側(cè)用電行為的重要考慮 因素。此外,隨著用戶能源利用方式的變化,家用分布 式發(fā)電、電動(dòng)汽車等需求側(cè)的電源將越來越多的接入 電網(wǎng)

11、,并對電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來影響,例如:新型電源產(chǎn) 生的額外電能送回電網(wǎng)所產(chǎn)生的雙向潮流問題;電動(dòng) 汽車充電需要增加饋線的承載容量,還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的 晚間用電高峰問題;分布式發(fā)電、需求響應(yīng)及電動(dòng)汽 車引起的負(fù)荷曲線變化問題。因此,建設(shè)與用戶友好互動(dòng)的智能電網(wǎng),為用戶 提供及時(shí)準(zhǔn)確的用電信息,實(shí)現(xiàn)用戶的自主選擇,滿 足多元化客戶需求,提升電網(wǎng)公司的服務(wù)質(zhì)量,將是 未來智能用電的發(fā)展方向。華北電網(wǎng)有限公司高度重視智能電網(wǎng)建設(shè),2009年初,公司智能電網(wǎng)建設(shè)全面展開,并在3月份啟動(dòng)了 面向智能電網(wǎng)的高級(jí)計(jì)量架構(gòu)(AMI研發(fā)工作。根據(jù)一36一國家電網(wǎng)公司建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略和“統(tǒng)一 規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一

12、建設(shè)”的要求,公司主動(dòng)承擔(dān)了 智能用電小區(qū)試點(diǎn)建設(shè)任務(wù),并成為電力用戶用電信 息采集系統(tǒng)建設(shè)第一批試點(diǎn)單位。以智能用電小區(qū)試 點(diǎn)為契機(jī),積極開展智能用電小區(qū)的相關(guān)技術(shù)研究, 滿足智能電網(wǎng)下智能用電對技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效、服 務(wù)多樣、靈活互動(dòng)和友好開放的要求,是智能用電建 設(shè)的重中之重。2家庭綜合能源管理系統(tǒng)的研究2.1概述面向智能用電的家庭綜合能源管理系統(tǒng)是高級(jí) 計(jì)量架構(gòu)(AMI的重要組成部分,也是在智能家庭用 電領(lǐng)域重要、積極的探索。家庭綜合能源管理系統(tǒng)利 用高級(jí)量測、高效控制、高速通信、快速儲(chǔ)能等技術(shù), 建立強(qiáng)有力的智能用電技術(shù)支持平臺(tái)和雙向互動(dòng)平 臺(tái),構(gòu)建電網(wǎng)與客戶能量流、信息流、業(yè)務(wù)流實(shí)

13、時(shí)雙向 互動(dòng)的新型供用電關(guān)系,有利于全面提升供電質(zhì)量和 服務(wù)水平。2.2家庭綜合能源管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)智能家庭綜合能源管理系統(tǒng)是以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)為基礎(chǔ),以高級(jí)計(jì)量架構(gòu)(AMI為依托,將各種 家用數(shù)字設(shè)備有機(jī)整合為一體的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這 些家用數(shù)字設(shè)備,包括數(shù)字化信息設(shè)備、家用電器、安 全監(jiān)控設(shè)備等,通過有線或無線的方式連接在一起, 共同為家庭用戶提供安全、可靠、智能化的綜合服務(wù), 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示?；贏MI的智能家庭綜合能源管理系統(tǒng)具有如 下功能特色:(1供豐富的能源信息。通過可靠的通信網(wǎng)絡(luò), 用戶可方便地獲得各類能源消耗信息,可全面的掌握 家庭能源消耗情況,包括用電量信息、分布式

14、能源發(fā) 電量信息、家電耗電量信息、水/氣/熱消耗信息等。 (2具備強(qiáng)大的控制能力。通過智能電表和智能 顯示終端組成的交互門戶,家庭用電設(shè)備均可以建立 與遠(yuǎn)程通信終端(手機(jī)、計(jì)算機(jī)等聯(lián)系,用戶可由此 實(shí)現(xiàn)對家庭用電設(shè)備遠(yuǎn)程控制,提高生活質(zhì)量。(3支持可擴(kuò)展性的金融服務(wù)。足不出戶財(cái)務(wù)管 理和消費(fèi)方式已經(jīng)被越來越多的人接受,在AMI智能 家庭中,可足不出戶實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi),通過智能電表和顯 示終端提供的可靠通信方式即可實(shí)現(xiàn)輔助性經(jīng)濟(jì)交 易,享受電力公司提供的增值服務(wù)。(4實(shí)現(xiàn)分布式能源的接入。智能家庭中可再生 分布式能源的使用體現(xiàn)了節(jié)約環(huán)保的生活理念。用戶 可通過安裝分布式能源獲得收益,可通過家庭儲(chǔ)能裝總

15、第47卷第537期 2010年第眇期電測與儀表Electrical Measurement&InstrumentationV試。們No期 Sep.2010圖1家庭綜合能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 Fig.1Family comprehensive energy management systemstructure diagram置,更好的與電力公司實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)功能,削峰填谷, 提高供電可靠性,達(dá)到社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙豐 收。2.3主要設(shè)備功能設(shè)計(jì)智能家庭綜合能源管理系統(tǒng)是需求側(cè)管理的重 要依托。系統(tǒng)中智能電表、智能顯示終端、智能插座等 設(shè)備組成的家庭網(wǎng)絡(luò),能夠支持分布式能源、電動(dòng)汽 車等系

16、統(tǒng)或設(shè)備的接人和計(jì)量,家用電器智能控制, 綜合家庭能耗監(jiān)測和能源優(yōu)化管理等功能。主要設(shè)備 的功能設(shè)計(jì)如下:自主研發(fā)的單相智能電表及相關(guān)輔助設(shè)備是家 庭能源管理系統(tǒng)中高級(jí)量測與控制的核心。其功能設(shè) 計(jì)如圖2所示。智能電表技術(shù)特點(diǎn)主要有:(1采用雙向?qū)捔砍逃?jì)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)了580A(16倍量程、有功雙向和無功四象限的高精度計(jì)量;圖2智能電表功能框架圖Fig.2Smart meter function structure diagram(2實(shí)現(xiàn)了電壓、電流、功率因數(shù)以及電能質(zhì)量的 實(shí)時(shí)監(jiān)測;(3內(nèi)置大功率磁保持繼電器,支持遠(yuǎn)程拉合閘, 實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)管理對智能電表開斷的要求;(4智能電表同時(shí)支持復(fù)費(fèi)率和

17、費(fèi)率階梯電價(jià);(5具有可熱拔插的通信模塊,可采用寬帶無線 (McWiLL、電力線載波(PLC、無線公網(wǎng)(GPRS和短 距離無線(RF的方式與主站雙向通信?？刹捎枚叹嚯x 無線、RS485、紅外通信等方式與智能顯示終端、智能 手持終端雙向通信。支持其它通信技術(shù)無縫接入,模 塊更換后,具備自動(dòng)識(shí)別功能。通過高精度、寬量程、大負(fù)載開斷能力智能電表 主要實(shí)現(xiàn)有功雙向、無功四象限電能計(jì)量、需量測量、 階梯電價(jià)、費(fèi)率和時(shí)段、凍結(jié)、預(yù)付費(fèi)功能、參數(shù)設(shè)置、 事件記錄及上報(bào)、遠(yuǎn)程通信、本地通信、數(shù)據(jù)采集存 儲(chǔ)、編程、電價(jià)計(jì)費(fèi)、電能質(zhì)量監(jiān)測與分析、遠(yuǎn)程和本 地控制等功能,滿足智能電網(wǎng)量測及控制的智能化要 求。自主研

18、發(fā)的智能顯示終端是智能家庭管理系統(tǒng) 的交互門戶,其功能框架如圖3所示?；谥悄芙K端的管理系統(tǒng)具有下列特點(diǎn):(1面向電網(wǎng)公司,通過RS485、短距離無線,智 能顯示終端可與智能電能表、智能手持終端通信。在 戶內(nèi),通過短距無線等方式,與智能插座、水氣表等設(shè) 備通信。(2用戶可方便獲得、全面掌握家庭能源消耗情 況,包括用電量、分布式發(fā)電量、家電耗電量信息、水/氣,熱消耗信息等。(3通過智能電表和智能顯示終端組成的交互門 戶,家電設(shè)備可與遠(yuǎn)程終端(如,手機(jī)、計(jì)算機(jī) 聯(lián)系,進(jìn)而遠(yuǎn)程控制家電設(shè)備,提高生活質(zhì)量。 (4用戶可足不出戶實(shí)現(xiàn)電力等能源商品 的交易與結(jié)算。作為電網(wǎng)(力公司與用戶的交互門戶,智 能顯

19、示終端町實(shí)現(xiàn)綜合能源(水、氣、熱數(shù)據(jù)的 抄讀、顯示與上報(bào),支持信息的雙向交流;實(shí)現(xiàn) 了家用分布式能源的監(jiān)控與管理;以智能顯示 終端與無線智能插座為核心的智能家居網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)了對家電的控制、能耗監(jiān)測與能效診斷,指 導(dǎo)用戶有序、經(jīng)濟(jì)用電,滿足智能電網(wǎng)下智能化 需求側(cè)管理的要求。根據(jù)世界分布式能源聯(lián)盟的定義,分布式 一37 圖3智能顯示終端功能框架圖Fig.3Smart display terminal function structure diagram能源是分布在用戶端的獨(dú)立的各種產(chǎn)品和技術(shù)。包 括:高效的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),分布式可再生能源,如光伏 發(fā)電系統(tǒng)等。其意義在于:提高能源利用效率、減少輸

20、配電損失、減少用戶能源成本、減少二氧化碳和污染 物排放等。 本系統(tǒng)用戶側(cè)分布式能源采用光伏發(fā)電系統(tǒng),家 庭管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、定時(shí)自 動(dòng)采集和自動(dòng)補(bǔ)抄,為用戶展示分布式電源當(dāng)前/日/月電量數(shù)據(jù)信息及接入狀態(tài)信息等,參見圖4。 力用戶合理用電、節(jié)約能耗;通過智能電表一顯示終 端一智能插座間的通信網(wǎng)絡(luò),用戶可以利用互聯(lián)網(wǎng)、手 機(jī)等方式實(shí)現(xiàn)對家用電器的遠(yuǎn)程監(jiān)控;智能顯示終端 內(nèi)置射頻讀卡裝置,能夠使用戶足不出戶地實(shí)現(xiàn)預(yù)付 費(fèi)操作。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的面向智能用電的家庭綜合能 源管理系統(tǒng),對華北電網(wǎng)有限公司智能用電小區(qū)建設(shè) 提供重要技術(shù)支撐和指導(dǎo),深化了智能用電環(huán)節(jié)的技 術(shù)實(shí)現(xiàn)方式,豐富

21、了AMI系統(tǒng)的內(nèi)涵和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段,為智能用電建設(shè)提供了重要參考。 作者衙介:章鹿華(1980一,男,碩士研究生,工程師,華北電網(wǎng)有限公司計(jì)量中心。主要從事電能計(jì)量和電磁測量方面研究。Email:luhua-zhang163.c鯽王思彤(1967一,男,碩士研究生,高級(jí)工程師,華北電網(wǎng)有限公司計(jì)量中心,主要從事電能計(jì)量和電磁測量方面研究。易忠林(1972一,男,碩士研究生。高級(jí)工程師,華北電網(wǎng)有限公司計(jì)量圖4分布式能源接入方案 中心,主要從事電能計(jì)量和電磁測量方面研究。Fig.4Distributed energy access scheme 袁瑞銘(1974-,男.博士研究生。高級(jí)工程師,華北電網(wǎng)有限公司計(jì)量 3結(jié)束語 中心主要從事電能計(jì)量和電磁測量方面研究。家庭綜合能源管理系統(tǒng)為電力用戶與電網(wǎng)公司呈萎基裟署蒜黧焉鬈北電網(wǎng)有限公司計(jì)量帆h 提供了雙向交互的門戶,智能顯示終端能夠抄讀、上 殷慶鐸(1983一,男,碩士研究生,t程師,華北電網(wǎng)有限公司計(jì)量中 報(bào)和顯示家庭電、水、氣等能源消耗信息,上報(bào)故障、 心,主要從事電能計(jì)量和電磁測量方面研究。維護(hù)等信息,能夠接收并顯示主站下發(fā)的公告信息 收稿H夠I:201007-01等,實(shí)現(xiàn)與用戶雙向互動(dòng);通過對無線智能插座的管 (田春雨絹發(fā) 理,實(shí)現(xiàn)對家用電器用電