典型大用户节电技术及效益分析

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国网技术学院学报 Journal of State Grid Technology College第 22 卷第 5 期典型大用户节电技术及效益分析张硕，陈薇（国网祁门县供电公司，安徽黄山 245600）摘要针对终端电网运行效率较低以及行业、居民节电潜力的问题，对典型大用户节电技术进行了研究，设计了基于物联网技术的节电系统整体框架，分析了直接效益与间接效益，利于用户养成良好的用电习惯，降低用电成本。关键词节电技术；效益；大用户中图分类号 F407.6 文献标志码 B 文章编号 2095－6614（2019）05－0033－04 Power Conservation Technology of Typical Large Consumers and Benefits Analysis ZHANG Shuo，CHEN Wei （State Grid Qimen County Power Supply Company，Huangshan 245600，China） Abstract In allusion to the problems of inefficiency of the terminal power grid and electricity saving potential of industries and residents，this paper researches on power conservation technology of typical large consumers，designs the overall framework of the power saving system based on the Internet of Things technology，and analyzes the direct and indirect benefits，which is beneficial for users to develop a good habit of using electricity and reduce the electricity consumption cost. Key words power conservation technology；benefits；large consumer 0 引言从当今我国电网发展现状来看，电力负荷数量大、种类多，难以通过通用策略实现降损目标。针对我国终端电网运行效率较低的问题以及行业、居民节电潜力问题，必须要不断加强节电技术研究，更好地指导用户合理用电，提高电网设备利用率，降低配电网投资，从而实现电网与用户双方效益最大化目标。电力在当今能源体系中处于重要地位，推行节能减排至关重要。但电能降损研究更多集中在电厂用电和网络损失层面，针对大用户节电技术研究工作还很多。基于此，本文结合物联网技术、大数据技术对典型大用户节电进行研究，进而探究网侧互动效益。 1 典型大用户节电技术当今国内外对大用户并没有提出一个明确的界定标准，主要是根据用户实际用电量，按照最大负荷、年用电量进行划分。通常典型大用户是指企业、组织、机构，这些大用户对电能需求量较高，并且在实际用电中缺乏节电理念。结合大数据、物联网技术，全面加强大用户节电技术的研究与应用。国网公司全面启动 “泛在电力物联网 ”建设，这也突出了物联网技术在大用户节电技术体系中的价值［1］。 1.1 物联网节电系统整体框架设计典型的大用户节电技术主要是采用 ZigBee 无线传感网络、WiFi 网络、Internet 以太网 3 种结构体系，系统设计以简单、安全、通用、容易维护为出发点，对大用户的用电情况进行监管。物联网节电系统框架中，ZigBee 作为一种低功耗、自组织、短距离无线通讯技术，可以嵌入到各类电气设备当中，适用于自动控制、远程控制领域。在电气设备上安装 ZigBee 无线通信模块，每个用电设备都会成为一个单独的节点，对区域划分成一个基于 ZigBee 局域网。 WiFi 作为无线连接的重要渠道，是 WLAN 的重要组成部分。本系统在大用户中可以收稿日期 2019－07－30 作者简介张硕（1988），男，工程师，研究方向为营销线损管理等。 33 Vol.22 No.5 实现 WiFi 全方位覆盖，WiFi 网络可以连接 ZigBee 和 Internet 网络，实现通信和共享。如图 1 所示。图 1 物联网节电技术框架结构在整个系统当中，可以分为用户操作层、中间件层、网关层、传感／执行层，并且每个层级之间可以上下传递。用户通过手机、电脑向中间服务器发送信息，在数据库中记录信息，传输给 ZigBee 局域网，传感器和执行器在局域网中与 WiFi 连接，通过工业以太网发送用户指令实现信息传递。传感器和设备通过 WiFi 网络向网络层传递信息，中间服务器将信息处理之后反馈给用户终端，从而实现信息传递、用户监控及操作。传感器、执行器通过 ZigBee 局域网和 WiFi 连接实现了信息共享。中间服务器与以太网通信，获取 ZigBee 局域网 IP，向物联网网关确认信息。用户层、传感／执行层与中间件通信，将本地客户端命令上传，传感器采集用电信息，并具备报警功能，将报警用电数据传输给客户端［2］。 1.2 基于 ZigBee 网络的系统设计对于大用户来说，公共照明、室内照明、用电设施都是大功耗部分。对公共照明采用划区域分片管理，每个区域都会形成一个 ZigBee 的局域网，采用统一管理模式。 ZigBee 节电照明系统采用智能化控制模式，每个灯具上都设置一个传感器，采集环境光照度，自动调节光亮大小。室内照明通常采用分区管理，在室内门口设置红外释电传感器，可以检测人员流动实际情况。如果检测到红外点证明室内有人员流动，控制芯片会自动开启；如果没有检测到红外信号，则自动关闭电源，并通过 WiFi 将信号传输给服务器。电气设备是电能消耗的重要一环，如果其温度过高、操作不当，会造成频繁开关机、散热口灰尘量较大，这都会影响电气设备的使用寿命。在电气设备上安装温度传感器和控制端核心芯片，芯片用于记录电气设备开关机时间，如果开关机频率超出了设定阈值，则芯片会自动向电气设备发送锁定信号，锁定电气设备，之后按照设定时间即可再次启动设备。如果传感器检测到电气设备温度高于安全阈值时，芯片会自动控制设备关机，并将设备异常信号传输给服务器。管理人员可以及时获取相关信息，并展开维护工作。整个流程如图 2 所示。图 2 网络系统运行流程图 1.3 网关技术网关技术能够实现 ZigBee 和 WiFi 网络之间的协调互联，实现二者之间的数据通信。在 ZigBee、 WiFi 中加入主控芯片，MCPU 负责应用程序，TCP ／ IP 负责协议处理。 1.3.1 硬件技术由于基于物联网、大数据的大用户节电系统采用了无线通信方案，所以信号传输会受到其他信号、自然环境的影响，容易造成系统丢包。 WiFi 和 Zig- Bee 通过网关实现通信，终端用户利用 WiFi 可以控制多个 ZigBee 网络节点。为了保障系统应用性、兼容性，选择具有射频模块的网关设备，支持 WiFi、以太网与 ZigBee 连接。网关采用固定电源供电方案，无需考虑网关节能问题。 1.3.2 软件技术采用软件技术设置 ZigBee、WiFi 信道选择以及典型大用户节电技术及效益分析34 国网技术学院学报 Journal of State Grid Technology College第 22 卷第 5 期时分复用，这样即可降低二者之间的相互干扰［3］。 ZigBee 和 WiFi 之间采用网关设备连接，ZigBee 负责网络组建以及网络节点 ID 分配。在启动网关设备之后，要先构建 ZigBee 网络，此时等待其他 ZigBee 节点连接。在 ZigBee 节点检测到网关信息后，即可申请加入到网络当中。在网关得到接入申请后会给新加入的 ZigBee 节点分配新的 ID 地址［4］。利用 WiFi 网络实现信息通信，ZigBee 设备实际耗电量信息会实时传输给管理平台，终端还可以远程操控 ZigBee 节点。 1.4 系统功能实现用户操作层采用低功耗 RISC 微处理器（Ad- vanced RISC Machine，简称 ARM），是整个节电系统的控制平台，整个系统控制界面如图 3 所示。该界面简洁、易操作，可以很好地监控用户用电情况。通过操控界面，实现用电设备的监控，了解用电设备的运行情况。用户操作中，可以从 ARM 显示屏上观测电能消耗情况，并且系统可以调节用电量在设定阈值允许范围内。系统可以通过 ARM 界面非常方便地对用电设备进行启停。对于待机设备，如果一段时间内不重新启动，则系统会自动关闭，减少待机损耗。系统可以实时监测到用电设备的电流和电压，判断是否符合设置标准，超出设定阈值后自动报警。在 ARM 显示屏上显示相关信息，让用户及时掌握用电情况，用电量超出范围之后也会发出报警，提醒客户节约用电。图 3 ARM 主控界面 2 典型大用户节电技术的网侧互动效益网侧互动效益分析可以分为直接效益和间接效益，需要同时分析这两点互动效益，才能够分析大用户节电技术实施的有效性。 2.1 直接效益与间接效益 2.1.1 直接效益实施电气设备经济运行技术所带来的降损效益是基于负荷平衡后的变电所收益。由于不同电气设备的并列运行方式差异，造成了变压器的有功损耗差异，所以要计算电气设备的经济运行区间，并确定临界功率点。由于电压稳定时空载损耗基本不变，有功损耗会随着电气设备负荷量变化而产生变化［5］，某变压器经济运行仿真曲线如图 4 所示，两种运行方式的有功损耗曲线交点位置功率就是临界功率，此时两台电气设备功率损耗相同。在直接效益计算中，通过对比两种运行方式的功率损耗，即可得到不同运行方式功耗特性。某网侧变压器损耗计算结果见表 1。图 4 变压器经济运行仿真曲线表 1 某网侧变压器日损耗计算结果 318.7实施优化负荷数据 330.6 2 项目双台主变并联运行／元变压器经济运行／元变压器操作次数 376.4未优化负荷数据 403.2 6 随着用电设备不断增加，待机功耗也不可小觑。用电设备待机能耗研究表明，待机能耗大约为正常使用能耗的 10，如一台 1 200 W 用电设备待机 8 h 的能耗相当于一盏 40 W 长明灯常亮 24 h。因此多个设备待机消耗的电能十分巨大，但很少注意这一问题。如果 1 200 W 每天待机 16 h，则一年总消耗电量为 1 051 kW·h。而大用户远不止使用一台用电设备，很多生产企业甚至每天要有几十台乃至上百台设备运行。通过使用基于物联网和 ZigBee 网络的节电技术，可以通过 ARM 直接观测到用户用电情况，在用户没有设定待机情况下，系统检测设备待机 20 min 35 Vol.22 No.5 后会自动断电，极大地减少了待机功耗，节省了电能，给大用户带来了巨大的节电效益。 2.1.2 间接效益通过物联网技术和自动控制技术，可以有效提升配电网的供电质量，在设备投资、运行、维护、继电保护、系统稳定方面也存在着多方效益。间接效益往往是容易忽略的部分，但其效益远超过系统降损的直接效益。其主要表现除可以降低电费开支，还能够保护用电设备、降低维护费用、延长设备使用寿命，提高整体效益；利用物联网技术构建节电系统，对原有电力系统不会产生任何的负面影响，系统内置了电子保护器、传感器、外装空气开关，一旦用电量超标可以实现双保险，整体性、安全性更强；物联网以及 ZigBee 硬件设施使用年限在 10 a 以上，初步估计投资回报比为 1∶5，可以很快收回节电系统投资成本。 2.2 网侧互动效益基于物联网、大数据分析大用户用电系统的负荷特性差异，可以有效划分用电区域，构建特征一致的负荷曲线分析实际耗电情况。在互动效益分析中采用最优判定方式，在某个时间段分析大用户峰谷用电负荷，通过系统自动控制技术构建理想化用电模式，为大用户日常用电中合理调整最小负荷、突发负荷、工作安排时间提供参考。大用户节电技术不同方法降损效果会随着用户用电特性变化而变化，所以基于物联网的自动调节技术有着很高的应用效益。节电系统与无功补偿的混合补偿器、分组电容器配合使用，通过晶闸管可以控制分组电容器投切。由于受到了晶闸管控制，分组电容器无法连续调节，优点是损耗小，几乎不会产生谐波，与物联网节电系统连接不会产生干扰，即使是对三相不平衡负载分相补偿，也不会产生过电压。通过对配电站负荷优化分配，避免出现近电远送，在确保网损和负荷分布基础上，实现电力系统最优运行。无功优化主要是以有功传输损耗最小为目标函数，在降低系统整体能耗的同时，提升电能质量。在系统设计、优化之后，每类负荷曲线峰值相对平滑，针对电网的网损、运行、维护、安全运行都有很大的助益。在大用户层面上，各行业与居民节电潜力巨大，通过节电系统的研究，指导用户采用更加合理的用电策略，提高配电网设备利用率，减少整个节电系统投资成本和网损，培养用户良好的用电习惯，降低用户用电成本和设备维护成本，从而实现电网和大用户的双赢。 3 结束语为了能够有效提升大用户节电技术的应用效益，必须贯彻最新的政策标准和要求，融入先进的技术，加强物联网技术、大数据技术的应用，构建以物联网为基础的自动控制平台，优化大用户用电架构，降低人为因素造成的电能损耗问题，应用节电技术提高网侧互动效益。参考文献［1］周妍 .基于智能化技术的建筑节能设施设计［J］.自动化与仪器仪表，2016（4）161-162. ［2］刘辉，李斌，翁轶能 .空调智能化与云计算结合节能技术研究［J］.绿色科技，2016（22）81-83. ［3］徐占滨，王立竹 .基于典型电力用户负荷特性节电经济性分析［J］.中国新通信，2013，15（23）97-99. ［4］钱同海，彭显刚，焦悦东 .基于 WebService 技术的节电降耗实时分析系统设计［J］.广东电力，2011，24（2）444-445. ［5］韩慧芝，王世明 .需求侧管理下绿色照明节电技术的成本效益分析［J］.水电能源科学，2012，30（3）198-201. 典型大用户节电技术及效益分析36