宁海市需求侧智能用电管理系统的设计研究

杨跃平 王 骁 钱建慧 刘晓芳 徐金灵

（1.国网浙江宁海县供电公司，浙江 宁海 315600；2.浙江新能量科技有限公司，杭州 310000）

随着我国工业经济快速的发展，对电力的需求持续增加。宁海县作为浙江省的经济强县之一，供需矛盾突出。据国家电网宁海供电公司相关负责人介绍，近年来，宁海地区的社会用电量一路飚升，接连突破上一年度的最高用电负荷，使得原本就严峻的用电形势更趋维艰。

电力需求侧管理是缓解供需矛盾的重要手段，传统的需求侧管理重点关注的是以政府为主导的有序用电，借此削减高峰时段电网调峰的压力、提高供电可靠性。随着电力需求侧管理工作的逐层深入和用户对于精细化管理认知水平的提高，建立为电力用户能效管理服务的需求侧智能用电管理系统是今后电力需求侧管理的发展趋势。为此，宁海供电公司提出需求侧智能用电管理系统研究项目，在研究宁海地区用电结构、负荷特点的基础上，一方面为电网公司的电力需求侧管理工作提供了技术手段，也为电能用户提供了有效的用电管理工具。

1 需求侧智能用电管理系统的设计思路

宁海需求侧智能用电管理系统以信息化和智能化为基础，以物联网技术和移动应用为依托，将分布式采集需求侧变电站、主要用电设备有机整合为一体的智能化网络系统。该系统的结构设计图如图1所示。现场采集层利用智能采集装置覆盖末端用户侧的变配电站、高低压用电线路和主要用电设备，实现分布式实时采集需求侧的用电数据，为精细化用电管理提供技术支撑。传输层采用先进的有线/无线组网技术，利用智能通讯设备实现现场采集装置与主站服务器的数据交换。主站服务器部署在宁海供电公司内，用以存储用户侧上传的电力数据并提供数据分析和应用访问服务。

图1 需求侧智能用电管理系统结构设计图

2 系统关键技术介绍

智能用电管理系统实现电能管理四化（即可视化、数字化、网络化、专业化）和高可操作性，为构建并促进电力需求侧智能用电管理工作，提供技术支持。该系统的主要的技术设计如下。

1）智能检测和控制技术[1]

智能检测和控制技术以计算机为核心部件，将各分支信号检测采集器采集到的数据通过中间转换线路后利用485、Zigbee 等通信方式与计算机进行实时通信，Zigbee 作为一种微功率无线通信方式具有抗干扰能力强、自组网、网络自愈等众多优点，近年来发展迅速。该先进的传感和智能转换技术实现方案如图2智能检测技术结构设计图所示。

图2 智能检测技术结构设计图

2）云计算技术[2]

云计算以新兴的共享基础架构的方法，通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计 算分析之后将处理结果回传给用户。通过这项技术，广泛开展应用于搜寻引擎、网络信箱等，使用者只要输入简单指令即能得到大量信息。与物联网技术相结合，采用云计算方式构建智能用电的基础数据处理平台，可以适应大规模用户的用电数据并行处理、分析、挖掘，能够高效、低成本的管理海量数据。

3）物联网技术[3]

物联网技术是将众多需求侧用户末端设备通过各种有线（或无线）的长距离（或短距离）在联网环境下进行信息通信，基于应用大集成、手机扫描和云计算等实现互联互通，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、报警、定位、远程控制、在线升级、统计报表、决策支持等管理和服务功能。以此技术构建的需求侧智能用电管理系统的监测网络可以全面感知用电设备的运行状态。使用各类传感器监测企业电力设备、车间厂房的全景状态信息，为智能用电的各项功能奠定数据基础。

4）移动APP 技术[4]

移动物联网（Mobile Internet）是将移动通信和物联网二者结合，借助移动终端（手机、PDA、上网本）通过网络访问用电管理系统。移动物联网的出现与无线通信技术“移动宽带化，宽带移动化”的发展趋势密不可分。目前该技术支持基于智能手机的移动电能管理应用，用电管理人员可通过手机直接访问电能管理中心，掌握各项电能数据，实现电能可视化。

3 系统主要功能的设计

基于需求侧智能用电管理系统具有远程双向通信、计量控制、智能抄表、事件实时报警等功能，借此实现电网用电设备的信息交互，满足用电信息智能在线检测、数据的查询、分析和处理、用电设备信息及参数设置与显示等功能需求，通过合理调整的用电负荷，引导用户少用高峰、尖峰电，多用低谷电，实现负荷转移，使负荷曲线更平坦，以此提高供电效率、优化用电方式。

3.1 有序用电管理

根据近年来宁海用电负荷趋势来看，夏季是该地区用电量最大的季节，每年都需要及时制定有序用电响应与实施方案。结合宁海地区有序用电的响应与实施方案和需求侧智能用电管理的要求，由有序用电工作督导站办公室负责维护、稳定有序用电下的供用电秩序，推动企业生产有序用电、努力实现全县节能降耗目标。

1）在电力供应紧张时启动有序用电下的用电负荷控制功能。

根据需求侧用电负荷特性，预先设定的安保负荷、可中断负荷和不可中断负荷，将其依次设置一、二、三级负荷，确定需求响应的负荷类型、数量，建立有序用电预警制度，在迎峰度夏等电力供应紧张时段，根据需求侧智能用电管理在线监测系统的数据最大限度的挖掘电力调峰能力。

2）根据有序用电预案，批量下达、执行并实时显示方案执行前后用电负荷对比报表。

如果实时负荷超过负荷上限，则根据预先设定的出线负荷等级，拉掉三级负荷和二级负荷。当实际负荷下降至负荷上限的90%（可以设定）以下时，系统自动按照优先级恢复二级负荷、三级负荷的供电。当实际负荷下降至负荷上限的90%（可以设定）以下时，系统自动按照优先级恢复二级负荷、三级负荷的供电。

3.2 智能在线监测

为了便于需求侧用电管理，系统提供了智能在线监测功能。该技术功能的实现是通过安装在需求侧末端设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量和诊断系统的技术。该监测系统由采集/汇集器、计算机、手机通信、集成应用及云计算组成，通过终端实时读取远程集中负荷和用户侧重点企业关键用电设备、生产工序的电能数据，并以通信手段将其传至控制中心，自动生成用电量、用电负荷报表和曲线等数据，便于在线监视、管理和控制。

1）用电负荷实时监测

负荷实时在线监测系统通过用电负荷实时采集装置并将用电负荷数据实时发送到至控制中心的负荷在线监测系统中，实现实时掌握设备的用电量、负荷等参数指标。监测系统可根据需要在设置查询时间段内查看多条（单条）用电线路的日、月负荷曲线、负荷率曲线等信息，并将数据集中汇总成一条的方式进行展现，展示的内容包括：线路负荷曲线，线路运行状态、线路电量统计和线路尖峰谷图。

2）电能质量在线监测

利用系统的信息采集功能，测量分析公用电网供到用户受电端的交流电能质量，通过上传数据比对、统计分析供电频率偏差、供电电压偏差、供电三相电压允许不平衡度，从而为诊断电能的电压或负荷越限、功率因数越限报警提供依据，并结合用电负荷、负荷率、电能量、三相平衡度、负荷预测支持等指标，实现用电实时监测。

3）数据处理和分析

由采集装置将终端各用电设备的运行参数，包括：电流、电压、有功电度、无功功率、功率因数和隔离开关的分合闸状态等信息进行实时采集。计算机控制中心对采集装置所采集的实时数据进行统计、计算与处理，并将数据进行定时存储和分析。

（1）数据查询与处理

采集装置实时采集并掌握生产企业各生产单元、各设备的数据，并形成报表，为其用电情况提供跟踪、查询和处理。对同一用电单位不同时期、不同用电单位同一时期的负荷、电量、功率因数、变压器负载率等参数进行统计。历史日数据处理是按日统计、计算各种历史数据并生成明细表保存的，而历史月数据处理是利用终端将采集的数据在月末23 点生成各种月明细表并保存的。

（2）数据分析

根据终端用电的负荷特性，结合现场环境、生产能力和历史数据等因素综合分析、查找用电环节中的异常数据。按照预先确定的规则对负荷、电量、电能质量等进行统计分析，以Excel 格式导出所需的统计表后，整理并清晰的反映终端用户的用电构成，辅助开展线损计算，消除各类不合理用电现象，为管理提供决策依据。

3.3 移动通信应用

在无互联网的情况下需求侧用电管理人员可通过手机在系统中查看远程实时上传采集的用电数据，以图形化方式展示各路进出线开关状态和实时电能信息，并实时展现在线运行状态。根据手机查看各类实时和历史数据、报警信息的功能，提升异常情况的反应速度，提高电网的运行安全性，并能为远程监测运行和无人值守提供技术支撑。同时根据管理者不同需求的查看不同的功能，如：查看适合电力用户自身或企业的功能，该类功能都可由超级管理者定义（或预定义）分配的不同管理人员角色和功能，以满足角色的不同需求。移动应用的部分功能如图3、图4所示。

3.4 电量统计、考核应用功能

1）电量自动抄表

图3 移动应用——用电回路和报警信息

图4 移动应用——企业的电能和负荷图表

根据需求查看或以Excel 格式导出自动采集系统内各供电点和受电点的电能量数据，并实时自动 统计、计算生成分区域、分线的变、线损。根据统计明细表，可按日、月固定周期或自定义时间段查看各类统计数据。

2）电能管理和考核

根据需求帮助管理者对各用电出线和用电考核企业的用电量按不同的时间段进行查询和对比操作，并可使用此功能对企业内部各级的单元的用电量进行分层、分时统计管理和考核，其包括尖峰谷用电统计、电费和平均电价计算、用电定额管理、电能考核等。

3）能效管理

面向电力用户自身可通过对各级变配电系统受总、出线开关和企业配电网络的电能数据监测，计算并分析变配电系统效率，如变压器负载率、功率因数、三相平衡度等，并根据终端采集设备事故信息及时间上至控制中心，通过手机变电站维护人员能在第一时间确定运行状态和定位异常，以便及时发现重要事件（设备）故障情况。

（1）根据变电站自动运行和负荷监控的各类参数，确定配电房经济运行方案，降低变配电系统损耗、提高用电效率、延长设备使用寿命。

（2）根据变电站自动运行和负荷监控的各类参数，报告功率因数等电能质量数据，辅助制定（或整改）投切电容器方案，提高功率因数、降低电能损耗。

面对需求侧的企业可通过对工序、设备能效进行采集和分析，实现工序、设备能效管理，并在此过程中找到用能不合理的生产环节，为后续进一步采取技术措施改善能效提供数据支撑。

（1）根据实际生产工序流程，配置各生产工序的逻辑关系，以图形化生成的工序能耗流程图，并能够根据需要自定义所需展示的各类能耗数据，实现能耗分析统计。

（2）根据设备的运行状态监测，实现不同设备之间的实时能效对比、设备能效和标称能效、地方标准之间的对比，对同类设备能效进行排序，在生产能力有富余时，优先使用高能效设备。

4 结论

本文设计面向需求侧的智能用电管理系统，为宁海供电局提供了一个可以实时掌握地区用电需求的平台，智能显示需求侧用电状况，实时上报、生成和显示各条线路的电能源消耗信息的同时上报故障、维护等信息；通过对采集转化设备的管理，利用互联网、手机APP 等方式实现对终端设备的远程监视与控制，并指导电力用户合理用电、节约能耗。

目前，该套系统还嘉兴、广州等地，为当地开展需求侧智能用电管理建设提供重要技术支撑和指导，达到了预期的目标。通过智能化的综合能效分析，深化了智能用电环节的技术实现方式，并为制订能效策略和节能方案，提供借鉴的依据。

[1] 王仲生.智能检测与控制技术[M].西安:西北工业大学出版社,2002.

[2] 何 伟,刘晓芳.基于云服务技术的企业能效管理研究与实例[J].电力需求侧管理,2013(2).

[3] 冷鹏.物联网中的RFID 技术及其在校园中的应用探讨[J].信息与电脑(理论版),2012(2).

[4] 周莹,冷锦,刘中华.物联网与移动通信网的融合发展研究[J].邮电设计技术,2011(7).