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智能電網背景下的家庭智能化測量終端系統設計方案

  基于目前智能電網提出的高級量測體系(AMI),運用智能插座來實時采集用電器的電量信息,在滿足用戶用電需求的前提下,用戶可以通過智能量測終端對居室内的各種電器進行調配控制,從而實現了智能用電。本文設計了一種基于電力線載波通信技術的用電器分類測量終端,給出了系統的解決方案,論證了未來家電實現智能化的可行性。

  智能電網是一個完整的信息架構和基礎設施體系,實現對電力客戶、電力資産、電力運營的持續監視,利用“随需應變”的信息能夠提高電網公司的管理水平、工作效率、電網可靠性和服務水平。

  本文提出的基于高級量測體系的用電器分類測量終端設計方案就是智能電網技術在用電系統的一個典型應用,可用于監測家用電路的耗電量,還可以通過互聯網通信技術調整家用電器的用電量。高級量測體系(AMI)是一種用于先進電表,能夠提供實時的雙向通信設施,是智能電網的基礎信息平台。

  一般來說,AMI是電網智能化建設的第一步,主要涉及大量的智能電表、傳感器等設備。随着智能電網建設的深入,逐步實現配電、輸電智能化(ADO、ATO),從而實現整個電網資産運行效率的提高(AAM)。

  智能電網在很多方面的發展概念都對發揮電力需求側管理的作用提出了較好的解決方法。智能電網的建設要求與用戶有較好的信息交互、實施分時電價,對用戶用電負荷進行全面監控。

  電網企業向用戶發布實時電價、實時負荷、實際供電情況等與用戶相關的電網運行情況。用戶根據當時的供電情況,選擇在電價較低的低負荷時段用電,選擇适合自己的電源,達到減少尖峰負荷的作用。

  大用戶如果有較大的用電負荷需求可以提前向電網公司報告,電網公司可以提前做出準備合理調度發電量,及時應對尖峰負荷的出現,減少整個電網的備用容量和提高運行發電機的負荷率,提高發電機效率。

  在智能電網下,将實施更為全面合理的分時電價政策,不僅是尖、峰、平、谷四時段電價。全面合理的實時電價體系能夠促進節能、降耗。在各用電領域全面推行實時電價體系,并及時将電價告知電力用戶,可使用戶根據自己的需要,結合實際的電價,選擇自己的用電方式,實現用戶主動調節負荷,移峰填谷。

  實行供電成本高時提高電價,供電成本低時降低電價,負荷高時電價高,負荷低時電價低,水電機組電源電價低,火電機組電源電價高等一系列合理的電價政策。用戶選擇電價低時用電,降低發電成本、降低損耗、減少煤耗、節能減排、保護環境。

  在智能電網下,對用戶端的計量裝置的功能提出了更高的要求,要求能夠全面地監控用戶的實時負荷情況。對每個用電終端的實時負荷、電壓、電流、功率因數、乃至諧波等電網參數進行監控。有利于調度中心掌握實時負荷情況,進行短時間的負荷預測,保證發電負荷的及時供應,解決配網的“盲調”問題,而且能夠為全網線損計算提供數據支持。

  智能電網下的用電終端還能實現對用電設備的控制功能。可對一些可以自動運行的用電設備進行控制,根據系統的實時電價和用戶意願選擇适當的時候自動運轉或者停止,實現錯峰、填谷的功能。

  高級量測體系(AMI)是一個用來測量、收集、儲存、分析和運用用戶用電信息的網絡,也是一套完整的包括硬件及軟件的系統。它主要包括家庭網絡通信系統、智能電表、通信網絡與數據集成平台(簡稱AMI主站)3個主要組成部分。如圖1所示:

  除此之外,為了充分利用AMI取得的數據,需要為許多現有的應用系統建立應用接口,如負荷預測、故障響應、客戶支持和系統運行。

  AMI并不是一項全新的概念,其功能與系統構成都和現在大量應用的自動抄表(AMR)系統與負荷控制管理系統(簡稱負控系統)都有着相同之處。AMR系統用于采集居民用戶電能量記錄,而負控系統用于大型工商業用戶的負荷控制與監視。AMI是對AMR系統、負控系統的繼承與發展,是智能配電網(SDG)意義下的負荷管理系統。

  AMI的實施對電力公司、電力用戶乃至全社會都有十分重要的意義。AMI主要功能是授權給用戶,使系統同負荷建立起聯系,使用戶能夠支持電網的運行。AMI可以實現:

  (1)減少電力公司的運行費用,能快速進行故障定位和恢複以及減少事故報告等;

  (2)通過提供給用戶準确和及時的電費清單,改善計費過程并提高用戶滿意度;

  (4)為用戶提供更多電價選擇,使得用戶可以為節能或減少開支而調整用電習慣;

  (5)提供系統範圍内的負荷測量和系統可觀性,這将幫助電力公司制定更有針對性的系統改造計劃;

  (6)支持消除峰荷和節能的需求側響應和分時計費,減少網絡阻塞費用和網損,提高資産利用率;

  用電分類測量系統不同于以往的電能計量系統,它并不是用于電費的貿易結算,而是用于節能管理。用電分類測量系統可将居民建築用電按照功能進行項目劃分,如照明系統用電、空調和取暖用電、綜合服務(電梯、廚房、電熱水器等)用電等,然後分别對這些項目的用電情況進行實時監測,同時将監測數據傳送到控制中心的數據庫,管理人員可通過該系統進行整個公共機構的用電管理工作。

  實施用電分類計量可有效提高家用電器甚至公共機構的用電管理水平,明顯降低其電能消耗,最終達到節能的目的。

  本文選用電力線載波通信的方式進行傳輸信息,最大的特點就是成本低。電力系統一直以來都緻力于發展和利用電力載波通信來實現電力的實時監控和調度,并取得較好的效果[6]。

  分類測量終端的硬件結構設計主要包括主控制器、網絡接口模塊,分别由TMS320C54x和CS8900A單片機來控制。通過單片機之間的串口通信,主控制器接收網絡模塊的數據,進行處理後顯示在液晶屏上。主控制器接收用戶對用電設備的設置參數,并把參數發送給智能插座控制用電設備的運行,如圖2所示。

  主控制器(MCU)選用高速率的TI公司生産的TMS320C54x DSP芯片,它屬于低功耗、高性能的16位定點DSP芯片,可應用于實時性要求較高的領域。

  智能插座是整個智能量測系統中的主要接口器件,通過它可以測量每個家電的用電量,用戶可以通過智能控制終端定時開、斷插座,從而實現用電器的開斷。實現原理框圖如圖3所示:

  (1)AD7755 是一種高準确度電能測量集成電路芯片,主要從内部完成功率計算,輸出與功率成正比的頻率信号,與單片機結合對頻率計數處理,可方便地得到功率值[7]。AD7755輸出頻率信号,經過計數器8253後得到了我們真正想要的電量信号,單片機接收信号後,把此計量數字通過控制電力線載波芯片發送到終端,以便于用戶查詢等。

  (2)ST7538是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片,采取了多種抗幹擾技術。單片機C8051F310通過串口把數據給了ST7538之後,并控制其收發狀态,ST7538負責根據控制信号完成數據的收發。同時,C8051F310還擔負着驅動電力線載波芯片的驅動和通過晶閘管控制整個插座的通斷功能。

  (3)網絡接口模塊是實現終端和其他智能設備以及PC機通信的接口電路,通過它終端可以和其他設備完成數據傳輸。該網絡模塊采用CS8900A作為主芯片,由單片機控制數據的收發。網絡接口模塊如圖4所示:

  除了上述幾個模塊之外,該終端還包括了報警系統模塊,終端可以将記錄的數據顯示出來以便用戶查看,同時也可以根據設定和檢測提醒用戶是否有非法的用電和危險。

  通過智能量測終端的節電流程圖如圖5所示,可以給出該用電器分類測量終端的節電量統計數據。

  其中在終端系統的設置上,選擇立式空調結合電暖器的電器設施,所以将一年分為兩個時段來計算電量,每天按照平均值計算(這裡不考慮特殊情況和特殊用電習慣)。

  假設夏天和秋天(每年的5月份至10月份)用戶選擇使用立式空調,根據智能量測終端的優化方案,将一天共分為四個時段,各時段平均節能量如下:

  6:00~8:00:每小時節電200W,共節電0.4度;8:00~19:00:每小時節電300W,共節電1.2度;19:00~23:00:每小時節電400W,共節電1.6度;23:00~6:00:每小時節電100W,共節電0.7度。

  假設冬天和春天(每年的11月份至來年的4月份)用戶選擇使用電暖器,同樣将一天分為四個時段,各時段平均節電量如下:

  6:00~8:00:每小時節電300W,共節電0.6度;8:00~19:00:每小時節電400W,共節電1.6度;19:00~23:00:每小時節電500W,共節電2度;23:00~6:00:每小時節電100W,共節電0.7度。

  這裡以5月~10月份的用戶節電量為例,上面已經計算出每戶每天的節電量為3.9度,那麼每一百戶每年的節電量将可達到142350度。

  從經濟的角度考慮,假設每度電0.5元,那麼按照我們提出的優化方案計算出每戶每天節電3.9度計算,每天就要節省大約2元的支出,一年就要節省大約730元的支出。對于用戶來講就可以有一個類似激勵的效用,督促每家每戶節省用電。

  用電器分類測量終端将會得到不斷的發展和完善,為人們提供更為安全、快捷、低碳的生活環境。在智能電網建設的大背景下,本文給出基于AMI實現的家庭智能化測量終端的設計模型,通過對終端的芯片結構和原理框圖進行說明,提出了一個比較合理的系統設計方案,最後給出了在使用分類測量裝置後,用戶可以達到的節能效果。

  終端的實現緻力于用戶智能化用電,讓智能電網的發展更加深入人心,預計在未來生活中将會産生深遠的應用前景。

  (編自《電氣技術》,原文标題為“基于高級量測體系的用電器分類測量終端的設計”,作者為張超、江賢康 等。)



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