智能用电系统的框架设计

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摘 要：用电是智能电网的重要组成部分，然而现有的用电系统没有分类，而且对于智能电网没有特别的适应性。文章主要研究智能电网用电组件的技术要求和发展方向，提出了包含智能电网技术特征的智能用电系统的框架设计，阐述了功率流和信息流以及系统的特点。这个设计构造了用户、分布式发电的微网结构，并优化了需求侧管理，使用电环节更经济、灵活、易得、可靠、用户友好。

关键词：用电系统；智能电网；需求侧管理；微网；分布式电源

中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）03-0006-02

随着科技的快速发展，以及面对着日益严重的环境问题，为了应对未来的挑战，智能电网正在应用于世界范围的电力工业中，并且代表着21世纪电网的发展趋势。作为智能电网的组成部分，用电环节在建立双向互动系统、优化用户的服务质量、满足用户各种需求、进一步提高供电可靠性、改变终端用户的能源使用模式及提高用电效率这些方面有重要意义。

2003年，美国能源署（DOE）发出“GRID2003”项目，计划为下一代电网安装智能表，给客户设置“网”，实现双向通信和trans-active用户界面，把智能住宅和电器接入电网，通过需求侧管理将分布式电源规划用户加入电力市场，用户将能获得最优质量的电能。同时，也将会出现便宜实用的电能存储装置。中国国家电网也出台了相似的计划。

用电系统包括负荷控制和管理（LCM）和需求侧管理（DSM）自动抄表（AMR），都将是高级计量架构（AMI）的重要的部分。本文主要设计了智能电网智能用电技术的框架。

1 设计框架

1.1 系统结构设计

设计智能用电系统（SPUS），图1显示了SPUS 的结构和工作系统，其结构包括3部分：智能电表（S-meter）、能源管理器（E-manager）和电器控制器（A-controller）。三个组件协调工作，以实现智能用电的用户使用。

S-meter是SPUS和外界之间的能源接口和通讯门户，其工作是与电网之间进行电能交换，供电公司控制中心和用户的访问端口之间实现通信。它应当将实时电能计量、计费、双向多账单和通信管理等等基本功能整合起来。通信管理包括SPUS内部之间、SPUS 与供电公司之间及客户端与SPUS之间的通信。

E-manager是SPUS 能源中心，旨在实现管理独立电源供应，优化电力供应策略，选择电能和交互等功能。E-manager将整合如分布式发电（DG）的监测和控制、电网电能质量、故障保护、用户电能的开断和转换等具体功能。SPUS中的分布式电源（DG）由太阳能发电设备、风力发电设备、用户的能源存储和燃料发电机组等构成。

A-controller是SPUS中实施电气自动控制装置、优化电力利用策略和人机互动的电器控制平台。控制器将整合电气设备和机器的智能操作组合优化等基本功能。

1.2 功率流（潮流）和信息流

除了它们的基本功能外，SPUS的三部分还需要完成多项系统协调工作，通过图1中功率流和信息流，很清晰地显示出来。

功率流是指SPUS的电能传输，信息流是指通信系统的信息，其中包括SPUS与外部的、系统的各部分之间各种信息的交换。信息流控制功率流，而功率流的状态由信息流来反映。

接下来，我们用信息流和功率流来描述SPUS系统的工作。

功率流在电网、S-meter、E-manager，以及以E-manager为核心的装置中流动。供电公司通过电网为SPUS供应电能。根据价格、电网供电计划、电网电能质量、DG供电状态，E-manager从电网电源或DG转换到用户从而供应电能。如果选择DG，E-manager应该为用户把DG电能控制和转换到可供应电能的状态。

信息流的核心是S-meter。如图2所示，S-meter通过GPRS、电力线通信和电子通信光纤与供电公司进行信息交换。同时，S-meter通过各种方式与因特网互联，以便方便用户检查系统。此外，S-meter作为SPUS的入口，与E-manager和A-controller相连，着重于整个系统的各种信息。功率流和信息流的一体化反映在一下几个方面：

①按照价格策略和电能账单信息，SPUS 执行与供电公司的双向传输。

②根据价格战略信息，电网电能质量监测数据，电能账单信息DG的状态，SPUS选用电源。

③随着价格策略信息、用户信息和选择信息的控制命令，SPUS将命令，时间和电器持续时间结合起来。

2 系统特性

设计方案的重点是适应智能电网的关键技术，形成整体系统。

2.1 互动

互动是智能电网的一个重要特征，特别是用电端的重要表现形式和突出特征。智能电网的互动不仅体现在用户侧，而且在电力系统所有参与者中都有诠释。智能电网促进用户参与电力系统运行，鼓励用户参与电源建设、电力贸易和电源控制。在互动方面，SPUS 具有以下特点：

①接入DG。作为一个双向交易和供应选择的基础，智能电网鼓励用户独立电源的发展。在SPUS中，E-manager作为一个界面接入智能电网。高效、节能及环境友好的DG对于用电系统可靠性和促进可再生能源的发展非常重要。

②双向交易。为了实现峰值负荷转移，智能电网非常推崇双向交易。除了通过制订多种电价策略指导用户以外，设计和研究界面及双向交易也很重要的。在SPUS中，S-meter是连接电网与用户独立电力系统的界面。根据S-meter的信息，在电价低时，E-manager将给DG的储能装置充电，在高电价时，将DG的电能卖给供电公司。

2.2 保护与系统

除了互动以外，SPUS还可以保证电能的质量与可靠性。需求高峰会导致电网停电，电力故障会引起供电中断，而且，电网中的谐波和无功功率会给电网电能质量带来不利影响。在SPUS中，当检测结果显示电能质量较差或是停电时，E-manager可以开关-和转换电源DG自动供应质量高的电能。

在智能电网的环境下，用电的环节与分布式电源，电网与用户相关。其工作包含了很广的方面，有很大程度上的技术创新。

对SPUS的设计进行了系统性的设计，协调的和整合了多种技术，最终作为一个整体的电力系统。

此外，设计考虑到了实际应用的灵活性。系统的三个部分有不同的角色和优先权，可以自由组合，以匹配用户在应用过程的需求。举个例子，独立的电源的用户可以只是组装S-meter和A-controller系统，如果没有必需的自动化设备，用户可以不用A-controller系统。

3 结 语

这一智能用电系统的框架有以下意义：第一，它在智能电网中建立了供电公司与用户之间的互动界面，供电公司可以用来与用户买卖电能，检测和控制电能以及收集用户信息。第二，还建立了信息交换平台，有助于用户与用电系统之间的通信，用户通过用电系统接入电网，咨询用电及互动的相关信息，控制电力设备。第三，它设计用户的自主微网系统，为分布式发电，提供一个接口，以便用户可以自主获取能源和提高电能质量及供电可靠性。

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