家庭综合能源管理系统的设计与实现

1、总第47卷第537期 2010年第眇期电测与仪表Electrical Measurement&InstrumentationVoI.47N0.§37 Sep.2010面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现章鹿华,王思彤,易忠林,袁瑞铭,周晖,殷庆铎(华北电网有限公司计量中心,北京100045摘要:以国家电网公司智能用电试点建设为依托,充分把握智能化电力需求侧管理的要求,基于面向智能电网 的高级计量架构(AMI的研究,设计并实现了面向电力用户的家庭综合能源管理系统。本系统是以智能电表、智 能交互终端、智能插座等智能设备组成家庭网络,能够支持分布式能源、电动汽车等系统或设

2、备的接入和计量, 综合家庭能耗监测和能源优化管理,家用电器智能控制,与用户双向互动等功能,进而构建了电网与用户能量 流、信息流、业务流实时互动的新型供用电关系,满足智能电网下智能用电对技术先进、经济高效、服务多样、灵 活互动和友好开放的要求。关键词:AMI;智能用电;家庭能源管理;双向互动中图分类号:TM933文献标识码:B 文章编号: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 言为适应未来经济社会发展的需要,全面支持清洁 能源和低碳经济发展、保障安全、经济、高效、可持续 的电力供应,提升供电质量和服务水平,在特高压输 电取得重大突破和以往研究实践的基础上,结合世界 电网发展新趋势以及我国电网发展的实际情况,国家 电网公司积极致力于推动电网技术的创新与发展,开 展了坚强智能电网的研究工作。从国际形势来看,智能电网建设尽管处于起步阶 段,但其发展代表了未来电力工

8、业发展的趋势,是新 的能源科技革命的重要组成部分。哪个国家能够掌握 智能电网的核心技术,就有可能成为世界电力T业新 的领导者,就有可能在未来的全球竞争中占据有利地 位。因此。智能电网的发展为我国电力工业实现跨越 式发展,建设世界一流电网提供了历史机遇。从国内形势来看,我国能源工业发展面临的安 一35总第47卷第537期 2010年第期电测与仪表Electrical Measurement&lnstrulnentationVoI。47No.537 Sep.2010全、效率与环境问题变得日益突出,需要通过建设坚 强智能电网以推动电网发展方式的转变,进而推动能 源开发、输送和利用方式的转变,

9、从而实现能源工业 的可持续发展。立足我国能源需求分布及我国电力工业发展的 实际,适应并促进新一轮能源变革,建设包含电力系 统各个环节、覆盖所有电压等级的坚强智能电网已成 为我国电网发展的新趋势。本文对华北电网有限公司智能用电方面相关研 究进行了介绍,在充分把握智能化电力需求侧管理的 要求的前提下,基于面向智能电网的高级计量架构 (AMI的研究,设计并实现了面向智能用电的家庭综 合能源管理系统,通过对以智能电表、智能交互终端、 智能插座等智能设备组成的系统相关功能特点和实 现方案的详细描述,展现了未来智能家庭的远景,本 系统也为电网公司和电力用户之间提供了友好开放 的双向交互门户,满足了智能用电

10、对营销管理和客户 服务的要求。1驱动因素随着用户的服务需求及能源利用形式变化,电力 用户逐渐从电网的被动参与者向主动参与者转变,对 电网公司的服务水平将提出更高的要求。用户从被动参与者向主动参与者的转变,是电网 发展的客观规律决定的。用户所要求的服务种类和需 求将发生变化。随着阶梯电价和峰谷电价的推行,用 户将获得更多的激励,使其改变用电行为,对用电成 本将更加敏感;用户希望获得更加及时准确的用电信 息,也对电网公司的服务水平提出了更高要求;提高 能效和环保将逐渐成为需求侧用电行为的重要考虑 因素。此外,随着用户能源利用方式的变化,家用分布 式发电、电动汽车等需求侧的电源将越来越多的接入 电网

11、,并对电网运行控制带来影响,例如:新型电源产 生的额外电能送回电网所产生的双向潮流问题;电动 汽车充电需要增加馈线的承载容量,还会导致严重的 晚间用电高峰问题;分布式发电、需求响应及电动汽 车引起的负荷曲线变化问题。因此,建设与用户友好互动的智能电网,为用户 提供及时准确的用电信息,实现用户的自主选择,满 足多元化客户需求,提升电网公司的服务质量,将是 未来智能用电的发展方向。华北电网有限公司高度重视智能电网建设,2009年初,公司智能电网建设全面展开,并在3月份启动了 面向智能电网的高级计量架构(AMI研发工作。根据一36一国家电网公司建设坚强智能电网的发展战略和“统一 规划、统一标准、统一

12、建设”的要求,公司主动承担了 智能用电小区试点建设任务,并成为电力用户用电信 息采集系统建设第一批试点单位。以智能用电小区试 点为契机,积极开展智能用电小区的相关技术研究, 满足智能电网下智能用电对技术先进、经济高效、服 务多样、灵活互动和友好开放的要求,是智能用电建 设的重中之重。2家庭综合能源管理系统的研究2.1概述面向智能用电的家庭综合能源管理系统是高级 计量架构(AMI的重要组成部分,也是在智能家庭用 电领域重要、积极的探索。家庭综合能源管理系统利 用高级量测、高效控制、高速通信、快速储能等技术, 建立强有力的智能用电技术支持平台和双向互动平 台,构建电网与客户能量流、信息流、业务流实

13、时双向 互动的新型供用电关系,有利于全面提升供电质量和 服务水平。2.2家庭综合能源管理系统总体设计智能家庭综合能源管理系统是以数字化和网络 技术为基础,以高级计量架构(AMI为依托,将各种 家用数字设备有机整合为一体的智能化网络系统。这 些家用数字设备,包括数字化信息设备、家用电器、安 全监控设备等,通过有线或无线的方式连接在一起, 共同为家庭用户提供安全、可靠、智能化的综合服务, 系统实现方案如图1所示。基于AMI的智能家庭综合能源管理系统具有如 下功能特色:(1供丰富的能源信息。通过可靠的通信网络, 用户可方便地获得各类能源消耗信息,可全面的掌握 家庭能源消耗情况,包括用电量信息、分布式

14、能源发 电量信息、家电耗电量信息、水/气/热消耗信息等。 (2具备强大的控制能力。通过智能电表和智能 显示终端组成的交互门户,家庭用电设备均可以建立 与远程通信终端(手机、计算机等联系,用户可由此 实现对家庭用电设备远程控制,提高生活质量。(3支持可扩展性的金融服务。足不出户财务管 理和消费方式已经被越来越多的人接受,在AMI智能 家庭中,可足不出户实现预付费,通过智能电表和显 示终端提供的可靠通信方式即可实现辅助性经济交 易,享受电力公司提供的增值服务。(4实现分布式能源的接入。智能家庭中可再生 分布式能源的使用体现了节约环保的生活理念。用户 可通过安装分布式能源获得收益,可通过家庭储能装总

15、第47卷第537期 2010年第眇期电测与仪表Electrical Measurement&InstrumentationV试。们No期 Sep.2010图1家庭综合能源管理系统结构设计图 Fig.1Family comprehensive energy management systemstructure diagram置,更好的与电力公司实现需求响应功能,削峰填谷, 提高供电可靠性,达到社会效益和经济效益的双丰 收。2.3主要设备功能设计智能家庭综合能源管理系统是需求侧管理的重 要依托。系统中智能电表、智能显示终端、智能插座等 设备组成的家庭网络,能够支持分布式能源、电动汽 车等系

16、统或设备的接人和计量,家用电器智能控制, 综合家庭能耗监测和能源优化管理等功能。主要设备 的功能设计如下:自主研发的单相智能电表及相关辅助设备是家 庭能源管理系统中高级量测与控制的核心。其功能设 计如图2所示。智能电表技术特点主要有:(1采用双向宽量程计量技术,实现了580A(16倍量程、有功双向和无功四象限的高精度计量;图2智能电表功能框架图Fig.2Smart meter function structure diagram(2实现了电压、电流、功率因数以及电能质量的 实时监测;(3内置大功率磁保持继电器,支持远程拉合闸, 实现了预付费管理对智能电表开断的要求;(4智能电表同时支持复费率和

17、费率阶梯电价;(5具有可热拔插的通信模块,可采用宽带无线 (McWiLL、电力线载波(PLC、无线公网(GPRS和短 距离无线(RF的方式与主站双向通信。可采用短距离 无线、RS485、红外通信等方式与智能显示终端、智能 手持终端双向通信。支持其它通信技术无缝接入,模 块更换后,具备自动识别功能。通过高精度、宽量程、大负载开断能力智能电表 主要实现有功双向、无功四象限电能计量、需量测量、 阶梯电价、费率和时段、冻结、预付费功能、参数设置、 事件记录及上报、远程通信、本地通信、数据采集存 储、编程、电价计费、电能质量监测与分析、远程和本 地控制等功能,满足智能电网量测及控制的智能化要 求。自主研

18、发的智能显示终端是智能家庭管理系统 的交互门户,其功能框架如图3所示。基于智能终端的管理系统具有下列特点:(1面向电网公司,通过RS485、短距离无线,智 能显示终端可与智能电能表、智能手持终端通信。在 户内,通过短距无线等方式,与智能插座、水气表等设 备通信。(2用户可方便获得、全面掌握家庭能源消耗情 况,包括用电量、分布式发电量、家电耗电量信息、水/气,热消耗信息等。(3通过智能电表和智能显示终端组成的交互门 户,家电设备可与远程终端(如,手机、计算机 联系,进而远程控制家电设备,提高生活质量。 (4用户可足不出户实现电力等能源商品 的交易与结算。作为电网(力公司与用户的交互门户,智 能显

19、示终端町实现综合能源(水、气、热数据的 抄读、显示与上报,支持信息的双向交流;实现 了家用分布式能源的监控与管理;以智能显示 终端与无线智能插座为核心的智能家居网络, 实现了对家电的控制、能耗监测与能效诊断,指 导用户有序、经济用电,满足智能电网下智能化 需求侧管理的要求。根据世界分布式能源联盟的定义,分布式 一37 图3智能显示终端功能框架图Fig.3Smart display terminal function structure diagram能源是分布在用户端的独立的各种产品和技术。包 括:高效的热电联产系统,分布式可再生能源,如光伏 发电系统等。其意义在于:提高能源利用效率、减少输

20、配电损失、减少用户能源成本、减少二氧化碳和污染 物排放等。 本系统用户侧分布式能源采用光伏发电系统,家 庭管理系统能够实现发电量数据的实时采集、定时自 动采集和自动补抄,为用户展示分布式电源当前/日/月电量数据信息及接入状态信息等,参见图4。 力用户合理用电、节约能耗;通过智能电表一显示终 端一智能插座间的通信网络,用户可以利用互联网、手 机等方式实现对家用电器的远程监控;智能显示终端 内置射频读卡装置,能够使用户足不出户地实现预付 费操作。本文设计并实现的面向智能用电的家庭综合能 源管理系统,对华北电网有限公司智能用电小区建设 提供重要技术支撑和指导,深化了智能用电环节的技 术实现方式,丰富

21、了AMI系统的内涵和技术实现手段,为智能用电建设提供了重要参考。 作者衙介:章鹿华(1980一,男,硕士研究生,工程师,华北电网有限公司计量中心。主要从事电能计量和电磁测量方面研究。Email:luhua-zhang163.c鲫王思彤(1967一,男,硕士研究生,高级工程师,华北电网有限公司计量中心,主要从事电能计量和电磁测量方面研究。易忠林(1972一,男,硕士研究生。高级工程师,华北电网有限公司计量图4分布式能源接入方案 中心,主要从事电能计量和电磁测量方面研究。Fig.4Distributed energy access scheme 袁瑞铭(1974-,男.博士研究生。高级工程师,华北电网有限公司计量 3结束语 中心主要从事电能计量和电磁测量方面研究。家庭综合能源管理系统为电力用户与电网公司呈萎基裟署蒜黧焉鬈北电网有限公司计量帆h 提供了双向交互的门户,智能显示终端能够抄读、上 殷庆铎(1983一,男,硕士研究生,t程师,华北电网有限公司计量中 报和显示家庭电、水、气等能源消耗信息,上报故障、 心,主要从事电能计量和电磁测量方面研究。维护等信息,能够接收并显示主站下发的公告信息 收稿H够I:201007-01等,实现与用户双向互动;通过对无线智能插座的管 (田春雨绢发 理,实现对家用电器用电