智能用电系统（精选12篇）
智能用电系统 篇1
1 智能用电信息釆集系统的概念
智能用电信息采集系统技术是一种新技术, 在我国还没有全部实现。该系统能实现电能计量数据的自动采集、传输与处理, 并能将其应用到电能供用与管理系统中, 为自动抄表、短信平台、自动查询、智能互动、个性服务等提供了强大的技术支撑, 是实现智能用电的基础。智能用电信息釆集系统的优势非常明显, 可以解决人工采集数据过程遇到的许多困难, 采集数据的效率与质量都很高, 不容易出错, 可解放大批人工采集的劳动力, 并推进电能计量管理技术向现代化进程迈向一大步。
2 智能用电信息采集系统的组成
2.1 采集用户及数据分类
随着通讯、微处理器和制造工艺等的迅猛发展, 系统的功能配置、结构形式和性能指标等在不断发展和完善。用电信息采集系统构架主要由集中器、采集器、主站前置机、智能电表等组成。用电信息采集系统的采集对象包括:第一, 大型/ 中型专用变压器电力用户, 用电容量在100k VA及以上/100k VA以下的专用变压器电力用户;第二, 三相/ 单相一般工商业电力用户, 包括低电压等级的商业、小容量、工作等用电性质的非居民三相/ 单相用电;第三, 居民电力用户;第四, 公用配变考核计量点, 考核公共设施供电变压器上的内部量测点。
由于用电信息采集系统的采集对象不同, 则出现了不同电力用户类型, 会产生不同的电力需求, 可能是用来生产, 也可能用来家用, 不同需求的用电量截然不同。而智能用电信息采集系统要实现不同需求电力用户与公用配变考核计量点用电信息的全面采集。通过需求分析, 按照电力用户电力需求的业务, 可以将用电信息系统采集的数据划分为六种类型, 包括电能数据、交流数据、运行状态数据、电能质量越限统计数据、事件发生记录数据、其他数据, 等等。
2.2 主站
主站是整个系统的管理中心, 管理全系统的数据创术、数据处理和数据应用及系统运行和系统安全, 并管理与其他系统的数据交换。主站需要全面整合原有关口电能量采集、大用户负荷管理、低压集中抄表、配变监测等系统业务应用, 为各省公司及地级公司采集电力数据提供强有力支撑。主站的接口能实现与外部系统用电数据的相互交换, 主站的总体架构分为四层, 现对其进行简要介绍。 (1) 表现层:直观面向使用用户且提供标准业务应用相关操作和信息界面显示功能, 并具有用于复杂逻辑操作的C/S模式和用于数据信息上传的B/S模式两种客户端。 (2) 业务层:包括数据采集子层、业务应用子层及对外接口三部分。通过多种类型通讯设备连接的采集子层, 将采集数据上传至处理数据及其他增值功能的业务应用子层, 该层是用电信息采集系统的核心部分。 (3) 支撑层:为业务层提供专业性技术支持, 通过信息、安全防范、通讯等模块实现该层自身的逻辑业务功能, 所以要求本层的通讯模块、安全模块以及信息模块应性能高效稳定, 以满足不同情况的需求。 (4) 数据层:通过建立大型数据库, 为采集到的数据进行储存、读取、计算等。
2.3 通信信道
智能用电信息采集系统通信信道连接主站、采集终端及电能表, 是信息交互的承载体。通过远程通信信道和本地通信信道两种通信信道完成电力数据的采集和传输。
远程通信是指采集终端和主站之间的数据通信。当前, 可供用电信息采集系统开展数据传输的远程通信资源主要有GPRS/CDMA无线公网、光纤专网、230MHz无线专网和中压电力线载波等。
本地通信是指采集终端和用户电能计量装置之间的数据通信, 在用电信息采集系统中主要是集中器和采集器、集中器和电能表、采集器和电能表之间的通信。当前, 用电信息采集系统使用本地通信方式, 主要有低压窄带电力线载波、低压宽带电力线载波、微功率无线和RS-485 等。
2.4 采集终端
釆集终端是对各信息釆集点的电能信息进行采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的控制命令的设备, 按使用场合分为厂站采集、专用变压器采集、公用变压器采集、低压集中抄表 (集中器和采集器) 、分布式电源测控等终端类型。
2.5 智能电表
智能电能表是新一代智能型高科技电能计量产品, 是智能电网高级计量体系中的重要设备, 它将有助于在消费者和电力公司之间实现实时通信, 使人们能给予环境和价格的考虑, 最大限度地优化能源用量。根据建设智能电网的要求, 所有关口、计费用户都需要安装智能电能表。
智能电能表有电流釆样电路、电压分压电路和集成计量电路组成的电能计量单元;有微控制器、数据内存卡、掉电检测和时钟组成数据处理单元。由电源、高能电池组成供电系统;由LCD显示器、通信口、按钮、外卡接口、时钟输出辅助端子组成输入输出系统。
3 智能用电信息采集系统主要功能
一般智能用电信息采集系统需要具备一些基础性的功能, 主要体现在采集处理、抄表付费、电力管理与维护及数据的共享等方面。笔者现对其进行分析总结。
3.1 数据处理功能
一般来说, 用电智能化以信息的实时、定时与主动采集为基础, 可以通过时间的设定进行定期采集与上报, 采集的内容包括与电力运行相关的电力质量、负荷、工况和事件等, 另外需要对采集到的数据进行原始分析、分类储存与管理, 从而保证数据的完整性与正确性, 同时根据数据的常规情况实时监测, 及时发现数据异常, 同时发出警示, 在一定程度上提供完备的数据备份与恢复方案。
3.2 抄表与付费功能
用电智能化信息采集系统需要实现电表的自动抄表上报与预付费扣费与充值功能, 其可以实时监控用户的用电量, 获得准确的用电数据, 然后对用户进行必要的预付费管理, 当用户用电量不足时, 主动提醒客户续费, 而当预存电量为零时, 主动执行跳闸控制。
3.3 有电管理功能
在一些特殊的电力管理与安全生产中, 可事先编制用电的限电控制方案, 并输入系统, 系统会自动识别用户的用电情况与负荷情况, 根据用电方案的要求进行监督, 一旦发现一些非法或非程序用电现象, 则可以实现对用户开关的控制。
3.4 常规的运行维护功能
这些功能较多, 且主要是为了维护系统基本功能的实现:其一, 保证系统设备时钟的准确性;其二, 对系统操作员进行密码与权限管理;其三, 建立必要的系统与终端档案;其四, 对系统的正常运行进行实时监测, 生成运行报告;其五, 根据不同需求进行各种数据的组合输出。
4 结语
总之, 智能用电信息采集系统具有很强的优势, 具有先进的电能计量数据自动采集、传输和处理能力, 不仅可以建立电力用户与电力管理的实时互动, 建立新型的供用电关系, 从而达到降低用户用电成本、提升可靠性、提高用电效率的目的, 同时将用户的智能家居设备统筹到用电管理中来, 实现用户的多角度用电需求, 同时推出一些增值服务。我国已在大力加强此类系统的建设, 而在不久的将来, 将进一步推进智能用电系统的发展与实现。
摘要：本文详细介绍了智能用电信息采集系统子站、通信信道、采集终端、智能电表的基本概况, 以及用电信息采集系统对采集用户和数据的分类情况, 并分析了系统各个功能单元的主要功能, 希望智能用电信息采集系统能有更广泛的应用。
关键词：用电采集系统,智能,功能
参考文献
[1]周金飞.用电信息釆集系统[J].农村电气化, 2012, (9) :26.
[2]陈盛, 吕敏.电力用户用电信息采集系统及其应用[J].供用电, 2011, (4) :45-49.
智能用电系统 篇2
内容提示：从事智能用电行业的研发与生产需要精通电力系统分析、信息技术、通信软件开发等方面的高素质复合型人才，还要具备相应的行业经验、技术经验的积累。
2、不利因素
（1）行业竞争较为激烈
2009 年以前，各地方电网公司进行自主招标，使得用电信息采集系统及终端产品生产企业数量较多、规模偏小，地域特征较为明显，在一定程度上制约了行业的发展。2009 年12 月7 日国网公司统一了产品的标准，各地网省公司进行统一招标；2011 年6 月，国家电网公司下发《关于进一步扩大公司集中采购范围的通知》（国家电网物资[2011]857 号）文件，用电信息采集系统将实行“总部直接组织实施”的采购模式，目前正在试点阶段；各厂商必将为了占领市场进行更为激烈的竞争，对行业有着一定的影响。
（2）研发投入不足、技术人才匮乏
坚强智能电网给建设用电信息采集系统提供了广阔的空间，但同时该领域属于新兴行业。目前，行业内的大部分企业研发投入较少，这是影响行业发展的重要因素。
智能用电系统 篇3
用电信息采集系统既对供电企业有利，又对用户有积极影响，所以供电企业有必要加强用电信息采集系统的建设和应用。用电信息采集系统在智能电网中的应用，不仅能够为供电企业提供可靠的信息和带来更多的经济效益，而且能够为用户提供稳定可靠的电，在智能电网中有着重要的作用和地位。用电信息采集系统在智能电网中的应用，推动供电企业的健康发展。
一、用电信息采集系统在智能电网中的作用
（一）收集信息数据
用电信息采集系统最主要的作用之一就是快速收集供电信息数据，为供电企业节省大量的人力和时间，使信息收集工作变得高效快捷。在用电信息采集系统下，我国电网更加智能化，不仅能够快速收集有用的信息数据，而且可以对采集到的数据信息进行灵活调整。此外，供电企业通过用电信息采集系统，能够满足业务的需要，并且使工作人员在规定时间完成相关任务，大大提高了工作人员的信息数据收集效率。由此可见，用电信息采集系统在智能电网中发挥着重要作用。
（二）管理信息数据
用电信息采集系统可以实现数据管理，在信息采集过程中，系统不仅能够对采集的信息进行分析、运算和存储，还可以对异常信息进行有效辨别，以验证信息的真实性，确保供电企业采集信息的可靠性。对于供电企业而言，其信息量庞大，倘若稍加不慎，必然会选中失真的信息数据，进而影响供电企业工作人员的进一步判断，既增加了工作人员的工作量，又对工作人员有错误导向。由此可见，用电信息采集系统在智能电网中的应用具有必要性，能够对信息数据有好的管理。
（三）能够控制电网
在电网运行过程中，需要供电企业有着良好的控制，以确保供电的安全可靠性。用电信息采集系统能够较好的控制电网。首先，用电信息采集系统能够控制电网功率。供电过程中，电网功率过大或过小，对供电企业和用户的使用都有一定的问题，并且为供电企业带来供电安全隐患，而该系统能够有效控制功率。其次，用电信息采集系统能够控制总用电量。随着我国用电用户的逐渐增多，用电总量不断增加，为供电企业带来较大的压力，而该系统能够有效控制用电总量。最后，该系统能够实现远程控制，为供电企业的工作开展提供方便。
（四）用电信息系统具有较多的功能
用電信息采集系统具有更多的职能，使得用电信息采集系统在智能电网中有更深入的应用。首先，能够有效对用电用户的付费行为进行管理。用户用电数量存在明显差异，需要支付的费用有不同，付费环节对于工作人员而言，其任务量较多，难度大。在用电信息采集系统的应用下，可以轻松实现管理。其次，能够自动向用户发送缴费信息，确保用户了解电费的使用情况。最后，在用电信息采集系统中，用户可以通过计算机实现在线支付电费，便于供电单位的管理。
二、用电信息采集系统在智能电网中的运用
（一）提高供电的安全可靠性
用电信息采集系统在智能电网中的应用，能够提高供电的安全可靠性。首先，该系统能够有效采集信息数据，并且对信息数据做好处理，为工作人员尽可能的清除信息安全隐患，确保为工作人员提供可靠的信息。其次，该系统能够确保用户用电的有序性。随着用电用户数量的不断增加，用电高峰期往往为工作人员带来了更为繁重的任务量，为了避免用户用电过程中出现差错，确保用电有序性具有必要性。最后，该系统能够实现远程控制，使工作人员通过远程控制对用户用电量进行远程统计，既能提高工作人员的工作效率，又能节省供电企业的人力资源开支。
（二）增强了管理的有效性
首先，用电信息采集系统在智能电网中的应用，能够避免人工抄表所带来的弊端，且提高工作人员的工作效率。其次，由于供电企业抄表周期相对较短，所以在电费环节可能存在较多不必要的麻烦，增加供电企业的安全风险，采用该系统，能够有效降低电费回收风险。最后，在该系统的应用下，能够增强用户与供电企业之间的联系，使供电企业不断获取用户的建议或意见，并加以改正或完善，从而实现可持续发展。
（三）为供电企业减少经济成本
首先，传统供电企业条件下，工作人员需要逐户进行抄表工作，其工作步骤十分繁琐，并且浪费大量的人力和时间、精力，而在用电信息采集系统条件下，能够有效减少人力、物力和财力。其次，该系统能够对人为偷电行为进行有效监控，防止此行为的发生，既维护了供电企业的合法权益，又能为供电企业减少经济损失，提高企业的经济效益。
结论
总而言之，用电信息采集系统在智能电网中的应用，对实现节能目标发挥着重要作用，不仅提高了电的利用率，而且能够较大程度的减少电能的浪费。现阶段，用电信息采集系统在我国智能电网中的应用现状良好，且对供电企业的发展发挥着促进作用。笔者相信，在不久的将来，用电信息采集系统不仅能够在智能电网中有更好的应用，而且能够更加广泛的应用于其它领域。
智能用电系统 篇4
为了面对日渐凸显的全球资源环境问题以及更高的用户服务质量要求所带来的前所未有的挑战,全球电力行业都在积极研究并提出电力行业未来的发展方向,而建设智能电网已经成为全球电力行业应对各自挑战,实现可持续发展的共同选择。
智能用电,作为电力“发、输、调、变、配、用”的重要环节,是社会公众感知电网智能化服务的关键所在,智能用电是智能电网的重要组成部分[1]。2011年11月,国家能源局颁布的国家能源科技“十二五”规划中,明确提出了建设智能电网技术研发平台,大力研发智能用电技术,智能电网用户端设备及系统测试技术等智能电网关键技术[2]。国家电网公司发布的《智能电网关键设备(系统)研制规划》中也明确提出了智能家庭网关,家庭能量管理系统,智能开关,智能互动终端等相关设备的研发任务[3]。因此,在智能电网的建设过程中,智能用电技术受到了广泛的关注和重视。
近年来,随着智能用电逐步成为研究的热点,一些研究成果也越来越多的出现。例如,在专利CN102130507A中提出了一种智能家居系统及能效管理方法,支持将新能源接入智能电网中[4];文献[5]提出了基于实时电价的智能用电系统,分析了电价政策对智能用电的影响;总之,智能用电的研究都围绕一个指导思想,即采用信息化手段,利用价格杠杆,通过互动化策略,调动电力用户参与需方响应,实现电力负荷需求的理想化[6,7]。
本文侧重于用户侧,对家庭智能用电体系进行研究并开发了适用于家庭智能用电的相关装置—智能控制器。智能控制器是连接电器与电源的中间设备。一方面,它可以实时采集用电设备的电压、电流、功率、耗电量等用电信息,并将这些信息通过Zig Bee无线网络传给互动终端或高级量测体系(AMI),为电力公司提供详细的用电信息。另一方面,智能控制器可接收电网侧传来的电价信息或互动终端发送的指令,控制用电设备的运行。这样,用户可参与电网的需求响应和双向互动,减少电费开支,提高家庭耗能效率。
本文第二部分设计了家庭智能用电系统的结构架构,并介绍了各组成部分的功能。第三部分提出了智能控制器的硬件、软件设计,并实现了其基本功能。第四部分搭建一套模拟系统,用PC模拟互动终端,设计人机界面,并验证智能控制器的效果及功能。第五部分提出结论并展望未来发展前景。
1 家庭智能用电系统
家庭智能用电系统作为整个智能用电系统中的一部分,所面向的主要对象是用户侧,它由智能电表、智能互动终端、家庭户内网络(HAN)、智能控制器或智能家电、小型分布式电源、储能设备、电动汽车等组成。系统如图1所示。家庭智能用电系统是智能电网最末端与客户直接联系的环节,能够支持分布式能源、电动汽车等系统或设备的接入和计量,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[8]。此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,满足了智能用电对营销管理和客户服务的要求。
1.1 智能电表
智能电表是基于最新的计算机技术,现代通信技术及计量技术的高级量测设备,是高级量测体系(AMI)的基础单元[9]。其设计应遵循如下三个原则:考虑分布式能源的接入;考虑通信信道的实际承受能力;考虑用户互动的便捷性。智能电表主要功能有:
1)电能计量。
有功电能和无功电能双向计量,支持分布式能源用户的接入。
2)电能监管。
具备阶梯电价,预付费及远程通断电功能。支持需求侧管理,与智能互动终端配合对用电设备及分布式电源进行管理,帮助电网削峰填谷,提高电力供应可靠性。
3)双向通信。
在双向通信模式下,接收电网侧的指令信息发布给用户,如实时费率,用电策略;同时将采集的家庭耗能数据传给电网侧[10]。
1.2 智能互动终端
智能互动终端,作为电网(力)公司与用户的交互门户,是用户感知智能电网新特性的主要体现点之一。用户通过该平台了解电能使用信息,并结合实时费率等资讯,对各用电器用电情况进行控制,调整自己的用电方案[11,12]。其主要功能如下:
1)接收智能电表,智能控制器发送的大量数据信息并进行实时显示,使用户可获取详细的电能使用情况及其他相关信息。
2)对家用分布式能源和电器进行统一监控管理,实时获取家庭能耗状态并进行家庭能效分析管理。
1.3 家庭局域网络(HAN)
家庭局域网是AMI中重要的结构基础。HAN将智能电能表、智能互动终端和各种可控的用电设备连接起来,组成局域网络,可以实现多种能源管理功能[13]。HAN可采用有线和无线两种通信方式,相比有线网络,无线网络安装维护更为简便可靠。目前有三种常用的短距离无线通信技术:Wi Fi,蓝牙和Zig Bee技术,它们主要特性如表1所示。Zig Bee是一种新兴的短距离、低功率无线网络技术,它是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术[14]。由于Zig Bee技术具有低功耗、低成本和支持网络节点多的优势,因此家庭智能用电系统中多采用Zig Bee无线技术构建HAN。
1.4 智能控制器
目前,在家庭智能用电中,为了实现家庭能效分析管理,指导用户合理、经济用电,获取负荷级别的详细用电信息并实现各用电设备的组网是非常有必要的。然而,由于现阶段电器的智能化尚无法满足这种要求,并且智能电器的普及也不能一蹴而就,因此这就需要一个中间设备来实现这些功能[15]。智能控制器(智能开关)作为连接普通用电器与电源的独立设备,可以满足上述要求。本研究着重开发了这种智能控制器,利用其采集负荷用电信息并对用电设备进行控制,使家用电器更好地参与需求响应。其具体功能如下:
1)计量功能。
实时测量并采集各电器设备的用电信息(电压、电流、功率、耗电量等)、工作状态。
2)通信功能。
采用无线Zig Bee通信,实现家庭内各电器设备与互动终端的组网,上报电器的用电信息并使各电器接收互动终端的统一管理。
3)控制功能。
接收互动终端的指令,对家电进行调节、控制等操作。
2 智能控制器开发
2.1 硬件设计
在硬件上,智能控制器主要由电源模块、电量测量模块、微处理器模块、通信模块、LCD显示模块、开关电路、实时时钟电路以及外部接口电路组成,结构图如图2所示。
电源模块将交流220 V转换为直流5 V、3.3 V,为其他模块提供电源支持。电量测量模块(2)包括电压采集电路A、电流采集电路B,计量单元C。电压采集电路采用分压原理,电力线220 V电压信号经过分压电阻和滤波电容,变换为小直流电压信号,作为ADE7763的V2P的输入。电流信号经分流器Shunt也转换为一个小直流电压信号,经滤波电容作为ADE7763的V1P和V1N端输入。测量单元由计量芯片ADE7763组成。ADE7763具有两个二阶模拟数字转换器、一个数字积分器(通道1)、系统校准电路、温度传感器和和具有计算功能的高速信号处理电路。ADE7763工作原理如下:ADE7763将输入的电压、电流信号通过各自的模数转换器变成数字信号后,进行相乘,计算出瞬时功率p(t),再通过低通滤波器LPF2后,得到有功功率P,利用功率偏差校准寄存器APOS的值对有功功率进行校准,放入采样波形数据寄存器中,然后对采样波形数据寄存器的值进行累加,将功率累加值(电能值)存放在电能寄存器AENERGY中[16]。最终,ADE7763实现电器设备电压、电流、功率、耗电量的测量。
智能控制器采用Microchip公司的一款16位的单片机PIC24FJ128GB206作为微处理器。PIC24FJ128GB206拥有充足的存储空间,并具有强大的外设,用作器件与外界的接口,如SPI,UART接口。PIC微处理器主要完成以下任务:(1)上电时,对ADE7763进行初始化设置,使其精确测量。(2)读取ADE7763的电能数据并存储在其数据存储器中。(3)通过UART接口及外接RS485收发器与Zig Bee模块进行串口通信,获取Zig Bee模块从互动终端接收的控制命令并执行,将响应信息通过Zig Bee模块以无线方式返回给互动终端。(4)向LCD输出数据,控制LCD屏显示。(5)根据接收命令控制继电器通断,进而控制电器设备的运行。微处理器作为智能控制器的核心,控制各模块协调运行,使智能控制器实现其基本功能。智能控制器实物如图3所示。
2.2 软件设计
智能控制器的软件设计主要由主程序,中断程序和执行程序组成,各流程图如图4所示。主程序运行过程如下:(1)智能控制器上电,微处理器对SPI,UART,定时器,IO口,ADE7763,LCD等进行初始化操作。(2)设置并使能串口和定时器中断。(3)通过SPI通信,周期性地从计量芯片ADE7763中读取数据并计算各电量实际值,调用显示子函数将各电量信息显示在LCD屏上。(4)等待UART端口接收数据和消息帧,多个字符数据组成一个消息帧,如果一条消息接收完成执行下一步,否则,返回到(3)。(5)对接收的消息帧进行校验,如校验正确则执行相应命令,并产生响应信息返回到互动终端;否则返回到(3),依次循环执行。
中断程序包含串口接收中断和定时器中断子程序。串口接收中断用于将接收到的字符数据缓存到接收寄存器中,定时器中断用于判断一条消息帧接收完毕。在智能控制器中,MCU与Zig Bee模块之间的串口通信采用Mod Bus-Rtu通信规约,Mod Bus-Rtu通信规约的软件实现中使用串口接收中断和定时器中断。Mod Bus-Rtu帧数据格式如表2所示。
在RTU模式中,新的信息总是以至少3.5个字符的静默时间开始,整帧的信息必须以一个连续的数据流进行传输[17]。当有新数据接收,则转入串口接收中断子程序,缓存接收的数据并计数,刷新启动定时器计时。当定时器达到预定时间,响应定时器中断,消息帧接收标志位置1,计数器清零,关闭定时器,这时一个消息帧接收完成,进行下一步操作。
执行程序主要是实现以下功能:读取电量信息、电器工作状态,控制继电器通断,产生遵循Mod Bus-Rtu数据帧格式的响应信息并发送。依照Mod Bus-Rtu通讯规约,执行程序中所用部分功能码定义如表3所示。命令执行前,先判定接收消息中的功能码值,根据功能码定义,调用并执行相应的功能子函数,创建响应信息并传给互动终端。
2.3 装置测试结果
为了测试该装置测量数据的准确性,本文利用日置3193功率计(可达±0.2%的高精度计量)搭建了一套测量平台,分别通过上位机采集智能控制器与日置3193功率计在同一时间测量的负荷数据并进行比较,测试数据如表4所示。智能控制器与3193功率计所测负荷电压、电流、功率比较结果分别如图5、图6、图7所示。该装置中所采用继电器额定电流为10 A,因此该装置需在电流为0~10 A的范围内工作。由测试数据及所测电压、电流、功率比较结果可知,在正常工作电流范围内,智能控制器与日置3193标准表所测数据相对误差较小,测量精确度较高。
3 演示模拟系统
智能用电强调用户的参与,鼓励电网与用户的双向互动,峰谷电价、实时电价等措施的实施可使用户更积极的参与电力需求响应,在电网高峰时实现负荷转移[18]。本文设想了一种家庭智能用电模型,在此模型中,电力公司提供两种用电模式—错峰响应模式与自由模式,当电网处于用电高峰时,启用错峰响应模式的用户需关闭一部分负荷,但可从电力公司获得一定的补贴作为补偿,自由模式用户不需关闭负荷,则无补贴。用户自主选择开启哪种模式。
在此模型基础上,建立了一套演示系统来模拟家庭智能用电并测验智能控制器的功能,如图8所示。演示系统由一个智能控制器、一台饮水机、一台模拟互动终端的PC和一个与PC连接的Zig Bee通讯模块组成。智能控制器实时采集饮水机的用电信息、运行状态并可控制其通断。此外,还在PC上安装了力控公司的组态软件Force Control6.1,并利用该软件设计了一套人机交互界面,如图9所示。模拟系统可以方便地监测饮水机等用电设备的实时用电信息、工作状态。此模拟系统中,在用户选择错峰响应用电模式的情况下,还可以根据电价(或峰谷)因素控制用电设备的运行,模拟用电设备参与需求响应。图10为错峰响应模式下考虑电价(或峰谷)因素时饮水机的运行方式。
图10中,横轴表示时间,纵轴表示有功功率(实线)和电价(虚线)。由图10可知,当负荷处于用电高峰时,电价较高,智能控制器接收互动终端指令关闭饮水机;当用电高峰过去后,电价降低,智能控制器再次启动饮水机工作。这样,智能控制器就可以使用电设备参与需求响应与双向互动,为电网削峰填谷,提高家庭能效,对于热水器、洗衣机等柔性负荷,采用智能控制器负荷转移效果更为明显。
目前,更为完善的智能用电模拟系统及相应的机制策略正在进一步的研究中。
4 结论
本文提出了家庭智能用电系统的结构框架并介绍了各组成部分的功能。重点开发了一种适用于家庭智能用电的智能控制器。还搭建了一套演示系统模拟家庭智能用电,并测试了智能控制器的性能,在演示系统中,还模拟了错峰响应模式下负荷基于电价的需求响应运行方式,验证得出智能控制器可以减少用户开支,帮助用户有效节能。
用电营销中智能电网技术论文 篇5
对消费者的具体用电情况进行收集、测量、分析以及储存，能够有效实现信息采集、实时通信、数据综合分析、需求响应以及双向计量。高级量测体系技术是智能营销基础技术、能源分布式接入以及用户双向互动的基础保障和重要技术支持。量测数据管理系统、通信网络以及智能电表是目前我国智能电网高级量测体系技术的主要组成部分。
二、智能电网技术在用电营销中的应用
（一）智能化抄表
随着我国智能电网技术的不断发展，智能化抄表不断应用于我国电力营销中，有效提高了我国用电营销效率。远程抄表和抄表设备智能化是目前我国电力营销中智能化抄表的主要体现。远程抄表即是利用智能电表上的后台控制系统和数据采集模块，采用低压配电线、通信网络、现场总线以及串口数据传输等通讯技术，远程自动抄录、统计用户智能电表用电表数据，同时进行自动计费。对于一些未能实施远程抄表的地区，抄表人员可以携带准确可靠、便于操作的智能化抄表设备进行实地抄表，及时掌握用户的用电信息。
（二）智能化自动配电系统
智能化自动配电系统即是综合运用微机控制技术、电力网络技术以及通讯网络技术，构建用电营销智能化系统，提升用电营销效率。目前，我国用电营销中的智能化自动配电系统具有覆盖范围广、供电可靠性高以及监控实时性强的优势，同时为远程抄表提供了信息交流基础。目前，我国智能化自动配电系统在功能方面不断完善，已能够兼容GPRS通讯网络，同时也有效实现了用电营业管理信息系统与自动抄表系统之间资源共享，有效提升了我国用电营销管理水平。
（三）营配信息通信一体化平台
营配信息通信一体化平台即是在拓扑关系、基础资源、客户资料模型以及电网设施的基础上，采用先进现代化信息传输技术，构建用户停屈媛媛国网陕西省电力公司电力科学研究院陕西西安710000电管理、供电稳定性管理、报装业扩辅助以及线损管理和电网CIS一体化的信息服务平台。主、辅、补充相结合的信道组合是目前我国营配信息通信一体化平台的主要传输通道，该传输线路以光纤为主要通道，宽带无线网络为辅助通道，并在传输过程中采用公共信息网络进行有效补充。目前，我国营配信息通信一体化平台了公共有效确保用户用电信息传输的正确性、完整性以及及时性，同时也便于电力企业对电力营销的实时监控和维护，推动了我国电力营销的不断发展。
（四）智能交互仪表
智能交互仪表即是利用网络将采集到的有价值的客户用电信息自行向电力相关部门传递的设备。智能交互仪表为双向交流沟通渠道，电力相关部门能够实时、准确地跟踪和监控电力传输和营销，对于电力运输及储存过程中出现的耗损情况和环节能够及时发现，同时采取相关解决措施，有效避免电网出现盗电现象。
三、结束语
厦门智能用电园区的解决方案 篇6
关键词：智能园区；智能用电；互动平台
中图分类号：TM769 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0009-02
1 智能用电现状概述
智能用电是依托坚强电网和现代管理理念，利用先进智能量测、高效控制、高速通信、快速储能等技术，构建电网与客户能量流、信息流、业务流实时互动的新型供用电关系，达到市场响应迅速、计量公正准确、数据采集实时、收费方式多样、服务高效便捷的目标。智能用电园区建设就是基于上述智能用电关键技术，实现信息在电力系统基础设施和高级应用中的深度渗透。
2 智能用电园区的解决方案
2.1 智能用电园区的建设内容
智能用电园区主要建设内容为用户能源管理系统，根据不同的应用功能分别部署在电网侧主站端、园区侧子站与园区企业侧子站，主体用户有三类分别为电网、园区管理者、园区内企业，如图1所示。系统分为四个模块：智能用电园区通信网络、智能用电服务子系统、智能信息互动服务平台、统一展示平台。
四大模块的功能如下：
①通信网络实现电网侧、园区侧与园区内企业之间的数据传输和通信，是用户能源管理系统应用的基础条件。
②智能用电服务子系统实现对园区企业内具体用能设备的监控，智能化决策用能方式的应用。
③互动服务平台强调是用能信息的双向互动，针对园区用电特性和客户需求的不同，实现电量电费的信息查询、信息定制与推送、业务办理、负荷监测、用电咨询等服务，满足园区内企业的智能化需求，互动示意图如图2所示。
④统一展示平台利用园区内新建的通信网络与电力公司原有网络的无缝融合，将采集的终端信息、用户的基本情况、园区用电结构、园区用电负荷、电力公司能源管理政策等信息，通过各类移动终端实时展示。
2.2 智能园区的技术方案
智能用电园区通信网络子系统（光纤网络），电力公司侧主站（电力公司用能管理主站）、园区子站（包含园区子站用能管理系统和展示平台子系统）、企业子站（包含企业内部现场用能采集设备及网络、智能交互终端和企业用能管理子站）、智能信息互动服务平台贯穿于整个系统，形成完整采集、监测、分析、控制体系。
2.2.1 通信网络
园区光纤通信网络主要通过应用服务器、接口服务器、各种中继器、终端、监控计算机组成。所使用的通信协议见表1。
2.2.2 智能用电服务子系统
本子系统主要对用电设备、负荷运行状态等用能信息，建立完善能耗监测系统，为能效分析平台提供详细的第一手企业用能数据，方便第三方专业厂商有针对性地对用户能效分析评估或为节能服务提供有效支撑，方便政府对企业用能情况进行对比，为出台新的用能政策提供佐证数据。
2.2.3 智能信息互动服务平台
采用统一的应用集成平台与营销业务应用、95598互动平台、用电信息采集等进行数据交换和通信，实现电力资讯、服务指南、停电公告、绿色电能、政策法规、自助营业厅、互动服务中心、智能用电等功能。
2.2.4 统一展示平台
统一展示平台可由多点触摸互动显示屏、移动终端等设备构成，实现园区信息的综合展示，展示信息包括园区配网自动化、用能信息采集、企业用能信息、企业设备运行状态等内容。
3 厦门智能用电园区试点建设
3.1 厦门智能用电园区建设
厦门某高新技术园区位于厦门本岛东北部五缘湾片区，总建筑面积约260万m2，园区主要功能定位为高新技术园区和企业营运中心。
规划电源为一座220 kV变电站和一座110 kV变电站。园区内划分为6个供电分区，规划设置10 kV开关站12座，电源切换单元5座，预测园区最大10 kV负荷为8.8万 kW。
园区涵盖用户类型典型，规模达标，是很好的智能用电资源。根据园区内企业的用电情况和节能空间，选取了2家节能潜力和节能意愿比较大的企业用户参与，所选用户分别为某全球家居生活大卖场和某贵金属研发中心。
3.2 试点企业的改造内容
某全球家居生活大卖场重新规划设计了整个大楼的电能量测体系，量测体系按照三级布控的原则，分为低压变压器出口一级计量，低压配电室负荷出线汇总处安装二级计量，重要负荷终端安装三级计量，通过改造可以有效地为企业提供实时用电信息，便于提升企业用电管理水平。
某贵金属研发中心利用用户已建能源管理系统的设施，对部分重要支路加装能够检测电能质量的表计，具体加装情况为：在2#变压器支路的几台用电负荷较大的烧结炉的出线加装2块电能质量表，在4#变压器支路的自动磁场压机和日本双室横型蒸汽处理炉处加装2块电能质量表，建设信息通讯通道汇入到现有系统通讯通道，实现对用户的电能质量重点监测的目标。采集和控制设备安装如图3所示。
4 结 语
本文主要介绍了智能用电园区用户能源管理集成系统的技术解决方案，同时介绍了智能用电在厦门某高新技术园区应用情况。本次试点项目建设的用户能源管理系统实现对厦门某高新技术园区内企业大型耗能的空调、变配电系统、照明系统等设备统一调度，集成优化，满足用户随外界环境条件变化自动调节用能方式，支撑电网绿色高效运行。
参考文献：
[1] 黄莉，卫志农.智能用电互动体系和运营模式研究[J].电网技术，2013，（8）.
智能用电系统 篇7
1 检测系统的功能作用
1.1 采集终端所处位置及作用
用电信息采集系统源于自动抄表系统 (AMR) , 对用户的用电信息进行采集、处理和实时监控, 实现用电数据的自动抄收、计量异常监测、电能质量监测、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能, 最终达到自动抄表、错峰用电、用电检查、负荷预测及节约用电成本的目的。用电信息采集系统的结构见图1, 有主站、通信信道、采集终端和计量仪表组成, 其中主站是系统的指挥调度和数据处理中心。通信信道是抄表数据传输的媒介, 主要包括通用分组无线业务 (GPRS) 、码分多址 (CDMA) 、230 MHz无线专网、公共开关电话网络 (PSTN) 、非对称数字用户环线 (ADSL) 、光纤专网及电力线载波等。计量仪表是系统的基础数据来源。采集终端是整个系统数据缓存和传输的中继站。采集终端按应用场所分为专变采集终端、集中抄表终端 (包括集中器、采集器) , 实现电能表数据的采集、数据管理、数据双向传输以及转发和执行控制命令。
1.2 采集终端检测的必要性
采集终端作为用电信息采集系统的中间环节, 是联系计量仪表和主站的桥梁, 起着承上启下的重要作用。以黑龙江省电力公司用电信息采集系统为例, 目前接入采集终端5万多台, 涉及生产厂家近百家。如此数量众多的采集终端一旦存在问题, 将影响整个用电信息采集系统的可用性和信息采集的准确可靠性。同时, 对安装到现场的采集终端进行调试升级等处理, 势必将造成大量人力、物力浪费。另外, 采集终端厂家繁多, 其技术水平与生产水平参差不齐, 很可能出现产品标准不统一、产品形式五花八门、产品质量合格率偏低等问题。由此, 建设统一、高效、全面的检测系统就势在必行。
2 检测系统设计方案
2.1 检测系统结构组成
检测系统是对整个采集终端检测过程进行管理和控制, 实现采集终端各项性能和功能自动化检测的系统。检测系统的逻辑组成结构如图2所示, 和用电信息采集系统的结构相仿, 主要有主站、通信信道、待检测采集终端和虚拟表组成。其中主站主要包括检测服务器、检测密码机和检测台体。通信信道主要包括GPRS/CDMA、以太网、串口、电力线载波、RS485等。虚拟表是通过计算机、通信技术模拟现场各类电能表的软件。
检测系统软件包括采集终端检测软件 (包括专变终端检测软件、集中器检测软件和采集器检测软件) 、虚拟表软件及外围接口。采集终端检测软件通过控制检测台体, 如改变检测台体输出的电压电流等, 对采集终端性能和功能进行自动化检测, 具有支持多种上行协议、方案配置灵活、操作便捷易用等特点。虚拟表通过计算机、通信技术模拟各类电能表, 具有支持多种表计规约、支持多通道并发处理、支持数据存储等特点。外围接口包括与用电信息采集系统接口和与生产调度平台接口等, 实现接收检测任务和上传及共享检测结果等目的。
2.2 检测流程
采集终端检测的流程包括接收检测任务、检测设备申请、检测设备出库、检测设备核对、设备性能检测、设备功能检测、检定任务完成等。在设备性能检测和设备功能检测环节又可根据具体检测的性能或功能项分解成更小更细的流程, 如图3所示。
以检测终端抄收冻结数据功能为例:首先, 需要在自动化检测之前预设终端的电表参数及相关抄表参数 (此步骤只需配置一次, 采集终端检测软件会记忆使用者对此部分的修改或更新, 减少使用者重复性的操作) 。其次, 采集终端检测软件通过终端注册, 一方面是读取待检设备的比较重要的参数并存储, 另一方面从设备管理的角度只有经过识别注册的终端才是软件需要管理和检测的设备。在前两个步骤完成后, 就可以进入到自动检测环节, 首先启动检测脚本设置电表参数及相关抄表参数;接下来设置终端时钟, 时钟要求必须是某月最后一日的23时58分, 以保证终端过日过月, 启动抄收电表冻结数据。检查终端时钟是否设置成功是非常关键的一个步骤, 如果终端时钟设置失败, 整个检测将立即结束。最后采集终端检测软件等待一定的终端抄表周期后, 读取终端日冻结和月冻结数据并与虚拟表联动校验数据的真实性。
3 检测系统的关键技术
3.1 批量自动化检测
为缩短采集终端的检测时间, 提高检测工作效率, 终端检测应是并发、批量、自动化的。检测系统采用J2EE作为基础技术架构, 而Java语言提供功能强大多线程编程的API。Java虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。但在一个Java虚拟机里创建太多的线程可能会导致系统因过度消耗引起资源不足而发生崩溃, 即程序需要采取有效方法来限制任何时刻处理请求的线程数量[2]。因此系统软件采用池化技术来管理线程。线程池通过对多个并发任务重用线程来分摊对资源的开销, 并且通过调整线程池中的活动的线程数量来控制并发。
实现自动化检测的前提是用户可以根据自己的实际需要设计灵活可变、任意合理的检测方案, 这对系统软件的实现无疑是个很大的难题。在充分理解用户的实际需求和细致分析每个检测环节后, 系统软件创建了一个完善的检测流程模型。模型将检测终端某个具体性能或功能项定义为步骤, 检测流程是各个步骤的任意组合。模型又将流程描述和执行过程分开, 用户定义的只是一个流程描述。系统软件通过XML技术、Io C模式来实现此模型。XML是一种元标注语言, 定义了用于定义其他特定领域有关语义的、结构化的标记语言。XML能够更精确地声明内容, 提供了一种描述结构数据的格式, 并作为数据交换的标准格式, 因此它常被称为智能数据文档。这正契合了用户自定义检测流程描述的需求。而Io C设计模式中最基本的Java技术就是“反射”编程。通过“反射”可以将描述检测流程的XML文件转化成可执行程序代码。另外, 为使用户更加方便快捷的操作软件, 系统软件会记忆存储用户对检测方案的修改或更新。此部分的实现主要应用了Java对象序列化技术及内存数据库技术。
3.2 支持多种上下行协议
上行协议是指采集终端与采集终端检测软件的主站通信协议, 目前支持IEC 62056和Q/GDW 376.1协议。下行协议是指采集终端与虚拟表软件的电表通信协议, 目前支持DL/T 645—1997、DL/T 645—2007、IEC 62056-21、DLMS、Mk6E协议。对上下行通信协议的软件实现可以说是设计开发检测系统的核心工作。系统软件采用组件化的设计思路, 每个组件实现了一组服务 (每个服务可理解为一组接口) , 同时符合系统软件订立的规范, 例如, 初始化、配置、销毁。系统软件把不同协议的解析程序划分若干个完整的组件, 为界面应用程序提供一组服务接口。这样, 系统软件根据用户对上下行协议的实际需求通过拼接的方式将协议解析组件与界面应用程序整合在一起。此部分的实现主要应用了Java RMI技术。Java RMI能够让在某个Java虚拟机上的对象调用另一个Java虚拟机中的对象上的方法, 是J2EE中最简单、最有效的底层接口技术。
3.3 支持多种通信方式
采集终端与采集终端检测软件的通信方式有GPRS/CDMA、230 MHz无线专网、以太网和RS232串口。检测系统采用Socket技术实现采集终端与采集终端检测软件的TCP通信。相对于以太网, 采集终端每次连接到GPRS/CDMA无线网络时, 都会被分配一个不同的IP地址, 这就使采集终端检测软件不能通过固定的IP地址创建连接来访问采集终端。所以, 采集终端需要主动与采集主站创建Socket连接并且通过周期性的发送心跳来保持这个连接。那么, 采集终端检测软件就需要有效的管理这些建立好的Socket连接与采集终端进行通信[3]。传统的方式是通信程序创建一个Server Socket实例, 通过监听某个端口来提供Socket通信服务。这会产生两个问题, 一是建立连接前会造成阻塞, 二是过多的连接请求时会导致CPU使用率过高和大量内存被占用。所以, 采集终端检测软件采用java.nio.channels包中的最新的实现Socket技术的API来完成Socket的创建、断开、销毁等管理。对于230 MHz和RS232串口通信, 采集终端检测软件通过第三方组件将其转化为Socket方式来实现通信。
4 结语
检测系统是使采集终端无缝接入主站的前提, 是保证采集终端功能实现可靠性、合理性、一致性的重要手段。通过实时接口将采集终端检测结果上传至主站或其他生产系统, 避免未经检测设备非法接入, 实现检测与生产的闭环管理。检测系统与以往系统相比具有很多优势, 为各电力公司在采集终端检测方面提供了一种合理有效的解决方案。同时检测系统在对现场设备在线检测、远程集控等方面仍有待进一步完善。随着国内智能电网建设的逐步深入, 此系统一定会得到更加广泛的应用和发展。
摘要：针对智能用电信息采集系统建设、运行和应用中可能出现的未经检测设备非法接入、监测生产闭合性能不佳等问题, 结合系统建设和系统应用实际, 提出基于IEC62056协议的智能用电信息采集终端检测系统方案, 探讨了智能用电信息采集终端检测系统的设计方案及关键技术, 为国内智能用电信息采集终端检测提供有益的指导和借鉴。
关键词：智能电网,用电信息采集系统,终端检测系统
参考文献
[1]张文亮, 刘壮志, 王明俊, 等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术, 2009, 33 (13) :1-11.
[2]李永茂.网络化远程自动抄表系统的设计及实现[J].现代电子技术, 2010 (19) :38-40.
公寓用电智能管理系统设计与实现 篇8
一、单片机的选型
单片机是单片微型计算机的简称,它是微型计算机发展的产物。随着大规模和超大规模集成电路的出现和发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、多种I/O口和定时器/计时器集成在一片芯片上,形成了芯片级的计算机,因此单片机早期的含义称为单片微型计算机(single chip microcomputer),直译为单片机,沿用至今。AT89C52单片机与AT89C51单片机相比,AT89C52的RAM空间和内部FLASH更大,而且中断源也多。因此,本设计采用AT89C52单片机作为此系统的控制核心。
二、硬件电路设计
系统整体方案设计:系统的电路组成,分别是采样电路、显示和查询电路、保存电路、自动复位电路和单片机控制电路。采样电路分别对三个房间的电量进行采集,A/D转换,为单片机提供数字电能采样信号。单片机控制电路是本设计的重点电路。
(一)采样电路
三个房间的用电器都使用滑动变阻器来代替,改变滑动变阻器的阻值,就代表使用不同的用电器。三个房间分别对应各自的A/D转换器,每个房间输出的电压都将经过A/D转换器转换为一个数字信号,在采样电路中使用ADC0832芯片,然后送到单片机内。
(二)显示和查询电路
显示部分采用LCD显示屏,“切换”键控制显示的是每个房间的电量、电流、电压和功率。“查询1”键、“查询2”键、“查询3”键分别控制显示三个房间的电量。“清空”键则将三个房间的电量都清零。
(三)保存电路
电量的采集、显示后需要把它保存起来,本次设计采用的是24C02C芯片,即是一种带电可擦可编程只读存储器芯片。它具有掉电后数据不丢失的功能。
(四)自动复位电路
电路采用时间继电器控制每个房间的自动断送电,控制条件为每个房间的功率。设置最大功率为4000W,当超过此值时,则控制的相应电路自动断电。超过4000W的即为恶性负载,当恶性负载消除,即将变阻器的功率调到4000W以下,则电路自动复位,接着之前的度数继续显示房间的用电量。
(五)单片机控制电路
单片机的P0口通过排阻分别与按键和继电器相连;P1口接LCD显示屏的D0~D7口;P2口接A/D转换器;P3口接24C02C的串行数据和串行时钟端口,以及显示屏的使能端、寄存器选择端和读写信号端。
1. 晶振电路
XTAL1和XTAL2是晶体振荡电路反相放大器输入端和输出端,通常外接一个晶振和两个电容。选了33pf和30pf两个电容起微调作用。单片机的运行速度取决于晶振的频率,选择11.0592MHz(晶振的振荡频率范围通常是1.2MHz-12MHz)。
2. 复位电路
上电瞬间时,电容充电可视为短路,这样RST等效于接Vcc,电容充电时间由R、C的值决定,10 u F、1 K可满足单片机复位时间要求(2周期的高电平),即实现高电平复位。电容充电完毕后,RST等效与通过1K接地,为低电平,单片机完成复位动作,开始执行程序。
三、软件程序设计
主程序设计:在主程序中调用A/D转换子程序、按键子程序、显示子程序、保存子程序等程序来完成系统的采集、查询、显示和保存等功能。
(一)按键子程序设计
每个按键的功能都不相同,用户可以根据不同的按键来显示想要知道房间的信息。“按键1”控制显示每个房间电量、电流、电压、功率的显示。刚运行时,显示的是房间1的信息,然后依次循环显示房间2、房间3、房间1的信息。“按键2”“按键3”“按键4”只控制显示对应房间的用电量。“按键5”清空每个房间的用电量。“退出”则表示系统停止运行,LCD显示屏熄灭。
(二)A/D转换子程序设计
每个房间输出的电压都要经过A/D转换器转换为数字信号才能够输出。ADC0832是一种8位分辨率、双通道的A/D转换器,在工作时要进行通道选择。它具有双数据输出,可作为数据校验,减少误差。
(三)显示子程序设计
采用LCD1602显示屏显示各房间的用电量。LCD显示有两种模式,一种是切换模式,显示房间的电量、电流、电压和功率;一种是查询模式,只显示房间的用电量。
(四)保存子程序设计
学生在宿舍内使用功率过大的电器时,电路会自动断电,这就需要把每次计算得出的电量保存起来,以方便查询。用C语言将电量值送到24C02C芯片片中保存起来。
四、调试
可以根据主程序流程图,将模拟调好的程序送入存储器进行调试,检查程序的运行是否符合流程图的规定和活动状态的正确变化,驱动负载相应的变化。及时根据现实的需要修改程序,写入他们实际的设定值,对相应的硬件和软件做相对应的调整。假如存在一些不成功或者不满意的地方,通过反复检查编写的控制程序,一直调试扫描通电检查接线故障,直到一个满意的控制系统。
如今学生公寓等后勤设施不完善,管理水平有待提高,仍然是制约高等教育发展的一个关键因素。公寓用电智能管理系统主要针对这一现状对公寓安全用电系统进行智能化改造。该设计虽有很多不完善之处,但单片机与智能用电系统的结合必将是将来智能化系统的主要趋势。
参考文献
上海世博园智能用电信息采集系统 篇9
1 智能用电信息采集建设情况
上海世博园智能用电信息采集系统示范工程严格遵循国家电网公司用电信息采集系统相关标准,以实现世博园区实施范围内用户的“全覆盖、全采集、支持全费控”为建设目标,力求提高世博园区内电能计量管理、自动抄表、用电稽查等营销业务处理的自动化程度,并为上海市电力公司提供及时、准确、完整的数据支撑,以满足各部门对用电信息的需求。
上海世博园智能用电信息采集系统按照国家电网公司采集系统相关标准的要求,进行主站、通信信道、通信采集终端及智能电能表等建设。该系统覆盖世博园区内57户用户,包括35 kV用户7户(共14个计量点)、10 kV用户45户(共80个计量点,其中光伏发电用户3户)、380 V三相低压用户5户(共5个计量点)。同时,系统主站接入原有大用户集抄系统和居民集抄系统的用电信息数据。在整个系统的建设过程中,还对高级量测技术、安全防护技术、海量数据处理能力等多个关键性技术进行了深入细致的研究。
2 智能用电信息采集系统的结构
2.1 全系统物理结构
世博园智能用电信息采集系统从物理结构上主要包括采集系统主站、通信信道和智能通信采集终端3个部分,如图1所示。
在图1中,系统主站网络的物理结构主要由数据库服务器、磁盘阵列、应用服务器、前置采集服务器、接口服务器、通信接口机、工作站、防火墙等网络设备以及安全防护设备等构成。而通信信道指系统主站与通信采集终端之间的远程通信信道,主要包括光纤专网信道、第3代移动通信技术/通用分组无线服务技术(3G/GPRS)无线公网信道等。智能通信采集终端设备是指安装在现场的终端及计量设备,主要包括专用变压器终端、集中器、采集器以及智能电能表等。
2.2 全系统逻辑结构
世博园智能用电信息采集系统的逻辑结构如图2所示,整个系统分为采集层、通信层、主站层3层。
1)
采集层中的采集设备负责收集和提供整个系统的原始用电信息,并及时、安全可靠地在计量设备与系统之间实现数据的相互传递。采集系统的信息来源是通过采集终端和智能电能表获取数据,主要来源对象有大用户、工商业用户、居民用户等。
2)
通信层中的通信通道考虑到今后智能电网的需求和系统安全防护的要求,因此同时支持多种通信方式。这些通信方式或单独,或以组合形式出现,用于保证底层数据快速、安全、完整的双向传输。主要通道包括:光纤专网、3G/GPRS无线公网、230 MHz无线专网等。
3)
主站层(即应用层)包括满足用电信息采集业务的基本功能和基于采集数据基础上的扩展功能:
(1) 基本功能是信息采集系统的基础和核心,是完成系统功能所必须的业务应用部分。
重点是对采集状态分析,采集数据的自校验功能和数据质量分析等。
(2) 扩展功能是指基于采集数据基础上的数据整理、统计和分析,是采集系统的高级应用部分。
根据上海的实际要求,扩展应用功能的重点应放在计量装置在线检测功能和计量比对功能,同时兼顾配电业务管理、线损分析和增值业务等。
根据上海市电力公司管理要求和营销业务应用系统的部署情况,用电信息采集系统采用集中部署模式,即全市仅部署一套主站系统,一个统一的通信接入平台,统一采集全市范围内的所有采集终端和智能电能表的数据,集中处理信息采集、数据存储和业务应用。下属的各供电公司不设立单独的主站,用户统一登录到上海市电力公司的主站系统,根据各自权限访问数据和执行本地区范围内的运行管理职能。
下文将分别介绍主站系统、通信通道和智能通信采集终端的相关功能。
3 主站系统
主站系统设计为浏览器/服务器(B/S)架构,用户界面和报表通过浏览器访问、操作和展示,如图3所示。
在主站系统中,用户使用客户端通过HTTP协议访问主站应用服务程序。而主站应用服务程序则部署在独立的Web 应用服务器上,并采用J2EE架构;主站应用服务程序通过TCP协议与应用服务器AP进行通信,通过Oracle JDBC或者OCI与Oracle数据库服务器通信;应用服务器AP则通过CDMA、GPRS、光纤等各种采集信道,直接控制基于智能采集终端和智能电能表构建的数据采集网络。
3.1 主站软件架构
为了构建高可用性、安全性、可靠性、可伸缩性和扩展性的智能用电信息采集系统,主站软件采用了成熟、标准的J2EE企业平台架构搭建,并采用多层的分布式应用模型、组件再用、一致化的安全模型及灵活的事务控制。系统具有了更好的移植性,可适应用电信息采集系统应用环境复杂、业务规则多变、信息发布的需要,以及系统将来扩展的需要。
主站软件架构分表现层、应用层、服务层、数据层共4层(见图4)。主站软件通过对外接口与外系统交互。各层的主要功能如下。
1) 表现层:
提供统一的业务应用操作界面和信息展示窗口,是系统直接面向操作用户的部分。
2) 应用层:
实现具体业务逻辑,是系统主站的核心层,根据系统的应用特点,业务层可分为采集子层、业务子层、对外接口等。
3) 服务层:
提供全局通用的业务服务、安全服务等组件服务支持,并实现本系统专用的业务逻辑服务,为业务层提供通用的技术支撑。
4) 数据层:
实现海量信息的存储、访问和整理,为系统提供数据的管理支持。数据层通过大型关系型数据库实现。
3.2 主站软件主要功能
主站软件功能分为基本应用、高级应用、运行管理、统计查询、系统管理5项,每一项功能由多个不同的功能模块来实现。
1) 基本应用:
(1) 采集点设置,包括采集点设计方案审查;采集点勘查;安装方案确定。
(2) 数据采集管理,包括采集任务编制;采集质量检查;设备监测;数据召测;批量巡测;数据发布管理。
(3) 接口管理。
2) 高级应用:
(1) 检测设备管理,包括检测设备维护;检测设备参数维护;检测数据采集;检测数据展示。
(2) 计量比对。
3) 运行管理:
(1) 档案管理,包括档案同步;客户档案;参数档案;集中抄表设备档案;电能表档案。
(2) 运行状况管理,包括主站运行状态;终端设备运行状态;电能表运行状态;通信信道监测;操作监测。
(3) 异常处理,包括系统异常;现场设备异常;数据异常;实时事件监视;实时事件过滤规则。
(4) 值班日志,包括值班日志查询;填写值班日志。
(5) 现场管理,包括现场消除缺陷;现场调试;终端参数设置。
4) 统计查询:
(1) 数据查询分析,包括数据查询分析;昨日地区电量分布;地区用电大户排名;重点行业周用电量趋势;当日用电负荷监测;居民用电查询。
(2) 采集点综合查询,包括采集点覆盖情况;各地采集覆盖率;负荷监测统计信息;采集质量统计;异常告警信息。
(3) 工单查询。
5) 系统管理:
(1) 组织和授权管理,包括单位和员工;系统功能定义;用户组权限。
(2) 编码管理。
(3) 模板管理,包括采集数据项模板配置;异常事件配置。
4 通信通道
通信通道(下称信道)的建设主要包括远程信道和本地信道两方面。
考虑到该用电信息采集系统建设是上海世博园智能电网综合示范工程之一,在保证业务应用的前提下,远程信道建设采用了光纤专网、3G(TD-SCDMA)、GPRS无线公网相结合的方式,保证了远程信道的实时、高速、可靠;而本地信道建设则考虑到现场的实际情况,分别采用了电力线载波、RS-485、光电复合缆、无源光网络(EPON)等方式。
4.1 世博园区的通信方案
整个世博园区的通信网络结构如图5所示。
世博园区中的世博村1号地块为35 kV用户,目前已实现光纤到户,该地块的专用变压器采集终端通过光纤以太网直接接入到220 kV的变电站骨干光纤网络,从而实现与主站的通信;其专用变压器采集终端通过RS-485接口与用户智能电能表连接,实现数据采集。
世博园区其他35 kV用户和10 kV用户,则通过3G/GPRS无线方式实现与主站的通信;相应的专用变压器采集终端通过RS-485接口与用户智能电能表连接,实现数据采集。
世博园区的380 V用户通过3G/GPRS无线方式实现与主站的通信,集中器通过RS-485接口直接与用户智能电能表连接,实现数据采集。
4.2 智能用电小区通信方案
上海世博园智能电网综合示范工程中所包含的智能用电小区的通信网络总体示意图如图6所示。其中,智能用电小区的高层居民楼3、4、5单元已经实现了光纤到户,每个单元都安装一个集中器,集中器通过光纤以太网直接接入到市东供电分公司的骨干光纤网络,从而实现与主站的通信。集中器下行通过RS-485与EPON的OLT相连,再经过EPON连接到用户侧的ONU上;ONU则通过RS-485连接用户智能电能表,实现数据采集。
智能用电小区的地下配电室所连接的商铺用户,主要通过3G/GPRS无线方式实现与主站的通信。利用集中器和RS-485接口与安装在每个单元配电间的采集器相连,采集器再通过RS-485接口与用户侧智能电能表连接,实现数据采集。
5 智能通信采集终端
智能用电信息采集系统建设遵循国家电网公司最新的用电信息采集系统和智能电能表相关标准,率先将最新标准的专用变压器采集终端、集中器、采集器、智能电能表等采集设备应用到实际工程当中。通过对各种类型采集设备的研究,结合上海世博园信息采集系统建设的实际需要,选定适合于该项目的采集设备类型,具体选型如下。
1) 专用变压器采集终端选择国家电网公司标准的Ⅲ型,型号为FKXA42(温度等级C2),远程通信模块支持3G/GPRS(可自动切换)、光纤以太网接入;本地通信支持2路RS-485接入;额定电压分57.7、220 V两种,接线方式为三相四线;终端可实现费控功能,满足相关的技术规范和功能要求。专用变压器采集终端针对50 kW及以上三相电力用户。
2) 集中器型号为DJGX22(温度等级C2);远程通信模块支持3G/GPRS(可自动切换)、光纤以太网接入;本地通信支持2路RS-485接入和电力线载波通信;无交互采集功能。集中器针对50 kW以下三相电力用户和低压电力用户。
3) 采集器选择国家电网公司标准的Ⅰ型,型号为DCXL22(温度等级C2),2路RS-485接口,采集器与集中器可以通过RS-485、电力线载波通信,采集器与智能电能表通过RS-485通信。
4) 智能电能表根据不同的用户类型,分别选择不同智能电能表,主要有:0.2S级三相智能电能表;0.5S级三相智能电能表;1级三相智能电能表;1级三相CPU卡费控智能电能表;2级单相CPU卡费控智能电能表。所有智能电能表均为RS-485通信方式,功能满足标准中智能电能表的基本功能要求。
6 智能用电信息采集系统与原有电能采集系统的比较
在开展智能电网建设之前,上海市电力公司在20世纪90年代中期建设了一套电能采集系统。该系统以采集用户用电信息为基本建设目标,包括大用户电能信息采集系统、用电负荷管理系统、中小用户集中抄表系统3个组成部分。
上海世博园智能用电信息采集系统与电能采集系统相比较,主要在以下几个方面有了很大的进步。
1) 电能采集系统以区级(供电公司)为平台采集。供电公司通过Modem池与采集集中器通信进行数据采集。而智能用电信息采集系统在全市仅部署一套主站系统,采用统一的通信接入平台,统一采集全市范围内的所有采集终端和智能电能表的数据,集中处理信息采集、数据存储和业务应用,从组织构架上保证了所有用户用电信息采集的同时性和统一性。
2) 电能采集系统的通信通道主要是GPRS无线公网和230 MHz无线专网两种方式,不能对普通居民用户的用电信息进行实时采集。而智能用电信息采集系统则应用了EPON光纤专网、3G(TD-SCDMA)、GPRS无线公网相结合的方式,在通信技术、通信质量和容量等各方面来讲,智能用电信息采集系统的通信通道都具有无可比拟的优势。
3) 电能采集系统的通信终端主要是计量设备,其功能主要是采集电能量数据,不具备智能控制、实时电价计量等功能。而智能用电信息采集系统中的智能电能表不仅采集精度高、抗干扰能力强,关键是具备实时通信、双向数据传输与控制的拓展功能或者相关的功能接口,而且理论上可以实时采集普通居民的用电信息,并按照实时电价进行电能计量。
4) 受所采集数据的种类、规模以及采集实时性的限制,电能采集系统主站软件的高级应用主要放在网损分析方面。而智能用电信息采集系统的主站软件其高级应用功能涵盖了设备运行管理、计量管理、数据采集管理和需求侧管理等多个方面,并且支持营销、运行、调度等多个部门对相关数据的查询与统计。
7 结语
智能用电信息采集系统的研究建设是一个漫长复杂的过程,涉及电力公司、电能表生产厂家、通信设备生产企业等相关产业,涵盖了电力、计量、通信、IT等相关技术,该系统的研究建设必将促进相关产业的发展。而随着智能用电信息采集系统建设的逐步推广,也必将对相关的技术提出更高的要求,促使相关产业单位加大对新技术研究的投入,从而推动智能用电信息采集系统相关技术的科研创新。
摘要：上海世博园智能用电信息采集系统遵循国家电网公司用电信息采集系统相关标准进行建设。分析了该系统的结构,并详细阐述了主站系统、通信通道和通信采集终端的功能和组成。最后与上海原电能采集系统比较,分析了智能用电信息采集系统的优越性。
关键词：用电信息采集,通信通道,主站系统,通信采集终端
参考文献
[1]孟宇,殷树刚,张宇.用电信息采集系统反窃电功能现状及发展趋势[J].电网技术,2008,32(2):177-178.
智能用电系统 篇10
1 智能电能表的技术特点
1.1 电能表的智能网络化特点
网络化智能作为常规电能表与智能电能表最主要的区别, 可以通过互联网区域对不同场合的电力数据进行分析、采样以及数据存储, 并且通过无线或者有线的通讯网络, 对相关数据进行共享传输, 进而保障供电单位对不同的管理部门以及用电信息进行非实时或者实时测量与运算分析, 帮助管理人员对调度工作进行合理、科学的决策。在PLC电力载波、无线公网中, 通过安装智能电能表将用户终端和电能表有机的联系起来, 并且通过Internet网络确保用电数据远程传输与信息共享, 从而进一步提高供电单位人性化工作力量, 让电力系统的电能资源更加经济、优质、可靠。
1.2 智能化电能表具有良好的可靠性
在电力系统中, 智能电能表作为电网系统实时电力信息采集的设备以及远程电网信息集控或者通信共享的设备, 不仅要保障法定检查室程序, 更要在对应的周期内保障较高的准确性。同时, 它要求整个终端信息能够为电网调度、SCADA采集、系统监控、CMS营销管理、MS计量以及负荷管理系统提供更加完整、及时、准确的数据信息, 这也是为电力用户提供准确、优质的电力服务的保障。当智能电能表拥有了较高的可靠性后, 不仅能减小电能运营资金, 还能有助于相关部门及时掌握结算信息以及购售电信息, 进而达到节能降耗的目标。另一方面, 如果智能电能表拥有准确有效的信息数据, 就能为电费结算提供对应的依据, 让电能贸易以及结算过程更加公平、公正, 保障电力用户可靠、高质的服务质量。
2 智能电能表在智能用电系统的作用
2.1 电能计量
和常规电能表计量相比, 智能化电表是一种具有记忆、编程以及自动分析与存储的电表, 除了拥有常规智能化电能表作用外, 还能进行自能质量检测、备用电检查、电价转换、远程费控一级信息循环等作用。智能电能表作为远程费控一级信息采集的重要载体, 电网调度、结算、稽查一级营销服务都来自于智能电能表。所以智能电能表与远程费控信息采集具有密切的联系。在实际应用中, 它不仅能优化能源用电秩序, 通过先进、安全、智能的测量, 还能为智能电网提供更加可靠、真实的数字化信息数据, 帮助智能电网应用。通过应用先进的智能表, 不仅能帮助人们更好的运用太阳能、风能;通过功能强大、分布广泛的智能网络, 还能指导能源调度过程, 让新能源更好的为居民服务。通过智能电网数字化信息与智能指挥系统, 能够及时保障系统自身互动、防窃以及自愈功能, 从而让整个系统更加坚强、牢靠。
2.2 电量评估与动态管理
在电力系统中, 智能电表通过分时段以及双向的电能需求, 能够最大限度的显示持续时间以及最大量日期, 在自动存储的同时, 进一步保障用电数据。并且它还能通过动态监视, 保障电能工作, 一旦发现有谐波或者电压波动过大时, 就能将用电信息反馈到信息集控中, 从而帮助管理人员对相关状况进行正确的分析与判断, 确保供电可靠性与安全性。
在用电数据管理中, 智能电能表必须根据预设要求对有功功率、频率、电压、电流以及功率因素进行记录, 并且根据相关标准进行动态冻结。
2.3 工况性能的监控
通过高度信息化的计量系统, 在遍布系统计量节点的同时, 优化资源配置, 让电网运行效率和可靠性更高。在智能电能表专用的加密模块中, 它不仅能保障电能表信息运算、存储、传输, 还能通过通信技术, 将相关信息进行快速处理, 让计量信息的处理、传输、获取更加实时化和一体化。在先进的数字化信息处理中, 它不仅能有效解决数据监测、通讯、存储, 还能对计量装置进行有效监控。一般情况下, 它能连续记录10个以上结算日的合格率, 并且提供动态测量需要的三相电压、畸变率和谐波分量, 从而为电网技术、规划, 提供科学的分配和判断依据。另外, 监视电网的动态参数与测量, 也能为电网运行提供有效的数据, 通过故障分析、调度以及管理决策, 为其提供良好的数据参考。
3 结束语
智能电能表作为一种智能化、网络化、精确化的信息计量计, 具有及时高效响应的作用, 所以能够对其进行全面反馈。通过供电单位提供的营销策略以及用电计划, 在提高电能资源综合运用过程的同时, 达到降耗节能的目标, 并且推动电网智能化升级以及可持续运营。因此, 在实际工作中, 必须加大研究力度, 在对相关技术进行开发研究的同时, 推动智能用电系统发展。
摘要：智能电能表作为智能用电系统的重要部分, 它能够为信息化、自动化、互动化、智能化、坚强化的智能电网提供有力的控制或者测量数据。本文结合我国智能电能表在智能用电系统中的应用, 对智能电能表技术以及在智能用电系统中的应用优点进行了简要的探究和阐述。
关键词：智能电能表,用电系统,重要性
参考文献
[1]王黎军, 陆东林.浅谈智能电能表在智能用电系统中的重要性[J].科学之友, 2012, (5) :139, 141.
[2]吕丽.智能电能表在电网系统中的应用探讨[J].数字技术与应用, 2012, (10) :209.
[3]电力用户用电信息采集系统及智能电能表系列标准修订工作正式启动[J].电气技术, 2012, (4) :25-25.
智能用电系统 篇11
社会经济的飞速发展使得电能需求量不断增加，缺电现象日益严峻，为保障正常有序的供电，供电企业利用信息采集技术进行用电管理，合理的分配电力资源，维护供电的正常次序。信息采集系统实现了用电信息的智能采集，对用电情况进行动态监测、分析，成为供电企业的有效管理系统。信息采集系统逐渐进步、完善，其使用范围得到极大拓展，在反窃电这一工作中也得到了应用，用电信息采集系统对用电情况进行实时監测，进行有效分析，形成了智能用电管理模式，很大程度上遏制了窃电这一违法行为。
用电信息采集智能反窃电技术的概念
在用户信息采集系统支持下的智能反窃电技术，主要是指在全面收集用户日常用电信息后，通过原本的收集渠道再一次进行传播，当打开用户的电能表后，系统会将收集的信息反馈到服务器中，其在智能核实信息后，会将最终结果发送到电力工作人员的手机或者电脑终端，具体的构成模块如表1所示。通过此种途径收集窃电情况，并及时予以制止。该种反窃电技术有利于实时监督电力系统的运行情况，可更好地保护电能资源。
智能反窃电技术在用电信息采集系统支持下的应用方式
供电企业已经加大了对智能反窃电技术的重视力度，用电信息采集系统逐步趋于完善，在分析用电情况时，企业不仅须依靠用电信息采集系统，还需应用SG186营销软件系统、营销监控软件系统等，通过此三种系统的综合运用，不仅能够有效发现窃电行为，还可全面保护电力系统。
确定系统高线损台区域。用电信息采集系统中有一个线损子系统，工作人员可利用这一系统，确定电能运输过程的高线损台区域，或者在某个时间段收集整理线损报表，统计电能的高线损台区。完成此项工作后，工作人员可借助SG186营销软件系统，比对高线损台区域与用电客户的信息，如果发现两者不一致，则说明有其他类型的用户出现在用电信息采集系统中，在提取此类用户信息后，再一次与高线损台区域相比，分析系统的线损问题，其结果仍然显示“高线损台”，可进行下一轮的工作。
科学核查窃电范围。完成全面的排查工作后，工作人员应再次核查窃电范围，筛选用电客户信息，借助用电信息采集系统，利用其“透抄”模块功能，输入系统显示异常的用户信息，并通过查询用户开表盖的次数，确定其是否存在擅自使用电表的情况，当结果现实用户有擅自打开的情况或者三相电流与零线有较大误差，都需要进行现场核查，以缩小窃电范围，确认窃电用户。反之，如果没有擅自打开的情况，工作人员可通过用电信息采集系统，检查不同区域的抄表信息。
查询系统电能数据。确定窃电范围后，工作人员应利用用电信息采集系统，直接远距离对电能表信息进行抄录，把用户对应的电能使用标号输进系统中，调取用户每个月、每个时段的用电情况，查看用户信息是否存在异常的问题，在确定没有问题的情况下，再排查供电线路，该种方式不仅有利于科学缩减工作人员任务量，还可降低人工失误出现的机会。
开展全面巡查工作。通过以上排查工作后，工作人员已经基本能够确认窃电行为的发生范围，还可判断三相与零线电流直接的差异，针对不同的问题，供电企业领导层应马上下达巡查命令，进行智能反窃电工作。
对于擅自打开电能表盖的用户区域，其主要是在电能表内部重新接线，使得使用的电能不被记录，因此，工作人员在检查电能计量表时，应重新检查其计封签、计量表内部结构，确定其计量结果是否存在误差；对于三相电流与零线误差较大的用户区域，工作人员应特别注意表外接线的情况，通常其都会借助反接电能表、重加火线等方式来实施窃电，该种窃电行为最为普遍，要求工作人员根据用电信息采集系统，科学进行智能反窃电，避免此类窃电行为。
智能反窃电技术在用电信息采集系统支持下的报警方式
监测报警系统。当用电信息采集系统收集到窃电情况后，会发出自动报警的信号，而关闭此信号大多有两种途径：一是工作人员拆除报警装置，二是借助用电信息采集系统重新调节报警器。通过报警系统槛车电表箱的运行状态时，工作人员需要把报警系统改装为电能表，确保智能反窃电。该监测报警系统可有效收集用电信息，防范系统的窃电行为，可有效规范用户使用电能的行为。
智能报警方式。随着科学技术越来越先进，报警方式也日趋多样化，智能报警方式大多以用户信息采集系统为主，借助远程控制装置，在接收到对应的报警信息后，直接将其收集并传输到服务器中，渠道有无线传播通道、载波通道、光纤通道等。
智能用电系统 篇12
有序用电是需求侧管理的重要组成部分,指在电力供应不足、突发事件等情况下,通过行政措施、 经济手段、技术方法,依法控制部分用电需求,维护供用电秩序平稳的管理工作,具体措施包括:错峰、避峰、节电和拉闸[1,2]。近年来,我国电力消费保持高速增长,季节性电力紧缺连年发生,迎峰度夏(冬)期间电力供需矛盾突出[3]。有序用电工作在保障居民生活和重要用户用电,抑制高耗能、高排放行业用电过快增长,促进电力供需平衡,维护良好的供用电秩序等方面发挥了积极作用,有力地支撑了电力系统安全与可靠运行[4]。
目前应用的有序用电软件系统功能主要包括人工编制方案辅助、方案执行(错避峰与释放)监督与考核、方案演练、控制后节电效果分析等[5,6,7,8]。系统存在的问题在于:1) 仍需要人工编制缺口指标分配方案[9],电网用户数量巨大[10],导致有序用电方案编制工作量巨大,工作效率低;2) 有序用电方案实际执行时,临时调整方案的现象时有发生,由于没有赋予用户之间互动的权力,致使无充足时间让用户准备,引起用户不满,也加大了操作人员的执行难度和出错概率;3) 系统智能化程度低,学习能力较弱,无法做出自适应的迭代改进。上述问题直接导致了目前有序用电工作精细化程度不高,执行较粗放,方案的科学性、合理性、安全性、公平性以及用户的满意度仍有待提高。
所谓智能代理(Agent),是一个充分自治的、具有独立决策制定和行为控制能力的软、硬件系统或其他系统,是分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligence)领域的一个主要内容[11]。多代理系统(Multi-agent System),顾名思义,是一种由多个智能代理共同合作组成的能够智能和灵活地对工作条件的变化和周围过程的需求进行响应的系统。为达到某一全局目标,多代理系统通过协调一组拥有分布式知识(知识、意图、策略、规划和行为等)的智能代理,使其相互协商与协作,完成对问题求解[12]。该技术目前在电力系统多个领域,如电力系统调度[13,14]、电力市场[15]、暂态稳定[16]、继电保护[17,18]、故障分析[19]、拓扑分析[20]、微电网控制[21,22,23]领域内,已经获得了广泛的应用,然而在有序用电领域却鲜有应用。
本文将智能多代理系统技术应用在有序用电领域,提出了一种有序用电智能多代理系统架构与协商机制:建立了覆盖空间上多层电网的有序用电智能多代理系统架构,并在智能代理中内嵌了学习机制,提出了鼓励用户互济的代理协商机制,实现了有序用电缺口指标的多层次、自适应、交互式分配。
1 有序用电智能多代理系统
1.1 系统架构
提出了覆盖空间上多层电网的有序用电智能多代理系统架构,如图1 所示。首先根据电网物理结构将其分为“系统—节点—用户”式结构,一个节点包含多个用户,系统则包含电网内所有节点;其次分别为系统、节点和用户建立智能代理模型,实现对有序用电工作实体的数学抽象;最终通过代理之间的分工与协作共同完成有序用电缺口指标的多层次、自适应、交互式分配。
不同层级代理的功能设计如下:
(1)系统代理
系统代理负责计算系统缺口指标,从各节点代理收集下属各节点的节电特性(一般包含节电潜力和节电损失系数等),根据各地市的节电特性,调用有序用电缺口指标分配算法,将缺口指标分配到各个节点代理。
(2) 节点代理
节点代理一方面向系统代理上报自身的节电特性,另一方面在从系统代理得到分配的缺口指标后,从下属各用户代理收集节电特性,依此将缺口指标分配到各用户代理。
(3) 用户代理
用户代理是这一层次化代理结构中的最底层,完成对用户的抽象,负责收集用户节电特性并上报给节点代理以及代理用户执行的有序用电方案。
1.2 指标分配机制
因为电网中用户具有海量性,直接将缺口指标分配到海量用户,这一问题规模太大,数学优化算法往往难以在有限的时间内求得指标分配的最优解。以我国某省为例,2014 年参与有序用电的大用户数目达到23 万,因此在有序用电指标静态分配算法中,这一问题的决策变量数目至少在23 万以上,目前即使最成熟的商业数学优化软件IBM/CPLEX也难以求解。
基于上述有序用电智能多代理系统架构建立一种基于分解协调的有序用电缺口指标分配流程,如图2 所示:1) 由下至上,每层代理都需要向上层代理上报自己的节电特性,以便上层代理汇总生成等效的节电特性;2) 由上而下,上层代理在获取下层代理的节电特性后,再根据自身分配得到的有序用电缺口指标,逐层分解完成由本级到下级的缺口指标分配任务。
分解协调方法的物理本质是将一个大规模的规划问题根据问题的物理背景划分为若干个“子空间”(如本文研究中将系统按照各个节点划分,再将节点按照各个用户划分),在各个“子空间”中充分挖掘其内部决策变量之间的组合优化效益,从而得到各个“子空间”的等效外特性;然后根据各个“子空间”的等效外特性,在上层主问题中进一步挖掘各个“子空间”之间的组合优化效益。
这个过程可以形象地称为“优化空间分解”。区域内部的用户形成优化“子空间”,和其他节点的“子空间”进行协调优化,这样能够避免所有用户统一建模优化,减少决策变量的数目,从而极大地提升大规模规划问题的求解效率。如图3 所示,原始优化空间 Ω 的可行域是2N,通过优化空间分解为r个优化子空间后,每个子空间的可行域分别为2N1, 2N2,L, 2Nr(N1,N2,… ,Nr之和为N ), 极大地降低了寻优空间的大小,提高了寻优效率。
1.3 有序用电指标分配算法
有序用电指标分配工作的本质在于通过对用户峰荷时段用电进行削减以降低系统峰荷,保障电力系统安全运行。因此,有序用电指标分配的第一原则为降低系统峰荷,确保电力系统安全。在提升电力系统安全性的同时,有序用电指标分配还应尽可能降低给全社会带来的经济损失。站在电网企业角度上,不能为了追求很高的安全性而过度地限电,导致售电收入大幅下降;站在用户角度上,应尽可能降低用户的节电损失,减小给用户生产生活造成的影响。
(1) 目标函数
有序用电指标分配静态算法的优化目标是电网售电损失和用户节电损失最小化。
式中:ΔDi是第i个用户的节电负荷; N为用户数;fis(ΔDi)为由于用户i节电所造成的电网售电损失,一般为线性函数;为全网整体售电损失;fid(ΔDi)为第i个用户的节电损失函数,为非线性函数;是所有用户节电损失总和。
(2) 约束条件
a) 功率平衡约束
式中:ΔP是有序用电缺口指标;ΔDi是用户i的节电负荷; N为用户数。
b) 用户节电负荷上下限约束
式中,ΔDimin和ΔDimax分别是用户i节电负荷上下限。ΔDimin一般为0,ΔDimax为用户的总节电潜力。
c) 用户用电连续性约束
式中:(Di+ ΔDi)为用户i实施节电后的负荷;Di-和Di+则分别为超前或者滞后一个时段的用户负荷;ΔDiu和ΔDid分别为用户i的负荷增减速率限制。
d) 线路潮流安全约束
式中:ΨL为电网中阻塞线路集;Pl(i- j)、Pl( j -i)为阻塞线路l的正向潮流和反向潮流;Gl(i- j),k为线路l(i -j) 有功潮流对节点k有功的灵敏度,即发电机输出功率转移分布因子;而分别为线路l的正反向有功功率传输极限。
1.4 有序用电智能代理学习机制
有序用电的指标分配过程中,决定用户指标分配多少的主要因素为用户的节电潜力。用户的节电潜力的预测一般通过预测负荷曲线减去节电负荷曲线得到。这种评估方法主要依赖于历史数据的准确性、聚类算法的有效性,生成的节电负荷曲线有可能不符合用户用电的客观规律。
用户代理除具有与其他用户进行协商交互的能力外,其自身还具有一定的学习能力,反映在可根据用户实际节电曲线,对事先评估的节电负荷曲线进行改进,使其更符合真实的用电曲线。
当用户以接近节电潜力的缺口指标进行节电时,认为此情况下用户的实际用电曲线为其真实的节电负荷曲线。这里定义用户实际完成的缺口指标与节电潜力的接近程度为保生产节电深度,计算方法如式(6)。
节电深度反映了实际完成缺口指标与节电潜力的接近程度, 通过设置一定的上下阈值[δmin, δmax] 来判断用户实际完成缺口指标是否理论节电潜力。例如,当δmin=0.9 ,δmax=1.1 ,则用户的实际完成缺口指标位于节电潜力的90%~110%区间内,才认为实际用电曲线接近真实的节电负荷曲线,用户代理将学习此次用户的真实节电负荷曲线D*=D1*D2*DT*,T为时段数,并综合有序用电指标分配算法中上次采用的节电负荷曲线D=[D1D2DT]计算得到新的节电负荷曲线,将此曲线提供给下次指标分配算法使用。设用户的学习强度设为α ,新的节电负荷曲线计算公式如式(7)。
2 鼓励用户互济的代理协商机制
用户代理分配得到的缺口指标由节点代理分配得到,其分配指标的多少受到用户节电损失函数影响。当评估得到的用户节电特性与真实节电特性存在较大差别时,则容易出现用户分配缺口指标过大或过小的情况。用户分配缺口指标过大时,超过了用户的真实节电潜力,将导致用户无法执行有序用电方案的情况发生;用户分配缺口指标过小,则无法充分利用用户的真实节电潜力。这里提出一种鼓励用户互济的用户代理协商机制。用户代理协商机制的关键在于如何促使每个用户申报真实的节电潜力以及如何鼓励用户快速响应其他用户的支援请求。
在促使用户申报真实节电潜力方面,本机制通过为所有用户建立支援评分机制来实现。用户的支援评分设为用户在历史支援任务中的总贡献度,计算方法取其历史累计支援容量减去历史累计受援容量。用户支援评分越高,当其向协商代理提出支援请求时,代表用户对有序用电指标协商的历史贡献越高,其获取支援的优先级越高;相反,若用户评分越低,当其需要支援时,越晚获得支援。这种机制将鼓励存在“节电潜力剩余”的用户代理向协商代理申报其真实准确的剩余节电潜力,用以支援“节电潜力不足”的用户。
在鼓励用户快速响应其他用户的支援请求方面,协商机制将按照申报速度从快到慢依次安排用户支援,即申报越快的用户,其剩余节电潜力越优先参与支援,而申报越慢的用户,其剩余节电潜力将越后安排参与支援。
如图4 所示,具体协商机制步骤分为受援容量申报、支援容量申报、用户容量匹配3 个过程。
(1) 受援容量申报
受援用户i向协商代理申报受援容量Qi,按照历史支援评分高低Wi对受援用户进行排序,按照此顺序得到新的受援容量矩阵Q=[Q1Q2…Qm],m为受援用户数。由于评分越高的受援用户越先得到支援,因此Q1最先得到支援,其次为Q2,最后为Qn。
(2) 支援容量申报
支援用户向协商代理申报支援容量,按照支援用户申报时间排序,越早申报的支援用户越先参与支援,依此序给出支援容量矩阵S=[S1S2…Sn],n为支援用户数。
(3) 用户容量匹配
a) 判断受援容量矩阵Q或者支援容量矩阵S是否为∅ ,若二者都不为∅ ,则开始容量匹配,进入b),若二者任一为∅ ,则视为完成一轮协商,重新回到步骤a),开始用户容量申报。
b) 用户容量匹配的过程中,排序第一的受援用户Q1和排序第一的支援用户S1将会进行匹配。若受援用户容量Q1≥S1,进入c) ;若受援用户容量Q1<S1,进入d)。
c) 匹配之后支援用户容量S1将被用尽,支援用户分配的缺口指标和支援评分同时增加S1,受援用户的缺口指标和支援评分减小S1,Q1=Q1-S1,之后将S1从S中删除,回到a)。
d) 匹配之后受援用户容量Q1将被完全满足,受援用户分配的缺口指标和支援评分减小Q1,支援用户的缺口指标和支援评分增加Q1,S1=S1-Q1,之后将Q1从Q中删除,回到a)。
3 算例分析
这里采用IEEE-118 节点系统为测试算例,该系统共有118 个节点,54 台发电机,186 条线路,99个负荷节点,假设每个节点有100 个有序用电参与用户。因此该系统由上而下可被分为三层:系统层、节点层以及用户层。按照每一层的功能和结构特点,为每一层分别建立智能代理模型,整个系统可被剖分成为系统代理、节点代理以及用户代理。系统代理和节点代理之间、节点代理与用户代理之间,通过鼓励互济的代理协商机制,实现节点与节点、用户与用户之间相互支援剩余的节电容量。同时用户代理可根据用户实际节电曲线,对事先评估的节电负荷曲线进行改进,使其更符合真实的用电曲线。
3.1 代理互济仿真结果
鼓励互济的代理协商机制,既可适用于系统代理与节点代理之间的协商,也可适用于节点代理与用户代理之间的协商。这里以节点代理与用户代理之间的协商结果为例说明该机制。以系统中某节点为例,节点内含有100 个用户,选择两种典型场景进行分析。第一种场景为支援容量冗余场景,该场景中43 个用户为支援用户,总计支援容量为992.87k W,17 个用户为受援用户,总计受援容量为459.23k W,另有40 个用户未参与协商。第二种场景为支援容量不足场景,该场景中15 个用户为支援用户,总计支援容量为1 097.33 k W,42 个用户为受援用户,总计受援容量为487.85 k W,另有43 个用户未参与。如表1 所示。
(1) 支援容量冗余场景
在支援容量冗余场景中,因为支援容量超过了受援容量,供大于求,所有受援用户的容量均被满足,而只有部分支援用户的容量得以作用。如表1所示,为支援用户向协商代理申报支援容量、对应申报时间以及其实际支援容量。
用户ID按照用户申报时间排序,ID越小的用户代表申报时间越早,因此其支援容量优先被调用。如图5 所示,黑色柱形为用户1~43 的申报支援容量,灰色柱形为用户1~43 的实际支援容量。图中显示,最后一位参与支援的用户为第20 位用户,之后所有用户的支援容量均没有中标,这是因为该场景下支援容量冗余,申报时间早的用户优先中标,而申报时间晚的用户无法中标。
(2) 支援容量不足场景
在支援容量不足场景中,因为受援容量超过了支援容量,供不应求,所有支援用户的容量均被利用,而只有部分受援用户的容量得到满足。
用户ID按照用户支援评分排序,ID越小的用户代表支援评分越高,因此其受援容量优先被满足。如图6 所示,黑色柱形为用户1~42 的申报受援容量,灰色柱形为用户1~42 的实际受援容量。图中显示,最后一位被满足的受援用户为用户19,之后所有用户的受援容量均没有中标,这是因为该场景下支援容量不足,只有支援评分高的用户优先中标,而支援评分低的用户无法中标。
3.2 用户代理学习机制仿真结果
用户代理学习的原理在于,将用户真实的节电负荷曲线和指标分配算法中采用的理论节电负荷曲线进行加权综合,使理论节电负荷曲线逐步趋近真实的节电负荷曲线。其中学习率α 为真实节电负荷曲线的权重,而1-α 为理论节电负荷曲线的权重。α 位于[0,1]之间,其越趋近于1,则学习速度越快,其越趋近于0,学习速度越慢。当α=1时,用户代理学习速度最快,指标分配时采用的用户理论节电负荷曲线为其上一次有序用电时的真实节电负荷曲线;而当α=0 时,用户代理将不学习,节电潜力始终按照最初给定的理论节电负荷曲线计算。
这里设置α=0.5 、α=0.9 以及α=0.1,模拟峰荷时段某用户的节电负荷学习结果如图7 所示。该用户在峰荷时段的初始理论节电负荷为790 k W,而其真实节电负荷为758 k W。
可以看到,学习强度α 越大,理论节电负荷越快收敛于真实节电负荷。这里认为误差小于1 k W即为收敛,因此α=0.5时,学习次数为7 时才收敛;而当α=0.9 ,收敛次数为2;α=0.1时,学习次数为10 时依然不收敛。
从上述结果不难得出结论:当用户的真实节电负荷曲线非常稳定时,推荐采用较大的学习强度,如α=0.9 ,使用户的理论节电负荷快速收敛到真实值上;而当用户的真实节电负荷曲线变化较大时,推荐采用适中的学习强度,如α=0.5 ,防止用户的理论节电负荷曲线不稳定。
4 结论
电网中有序用电参与用户数量巨大,用户个性不一,使得目前以人工为主的有序用电方案编制方法存在工作量大、效率低、缺乏互动、智能化程度不高等缺点。基于分布式人工智能中的智能多代理技术,本文提出了一种覆盖空间上多层电网的有序用电智能多代理系统架构,可实现有序用电缺口指标的多层次、自适应、交互式分配,具有如下特点:
1) 多代理系统架构对实际电网进行了多层次化抽象,通过“系统—节点—用户”三层代理结构,将原本复杂的有序用电指标分配任务,分解成多个较简单的指标分配子任务。
2) 提出在智能代理中内嵌节电曲线的学习机制,使得智能代理可根据用户实际节电情况对节电曲线进行迭代改进,当用户负荷特性突变导致原本估计的节电曲线变化时,智能代理也能迅速地适应这一情况。