張 超 江賢康 任建文 李澤榮

（華北電力大學電力工程系，河北 保定 071003）

1 引言

智能電網(wǎng)是一個完整的信息架構和基礎設施體系，實現(xiàn)對電力客戶、電力資產(chǎn)、電力運營的持續(xù)監(jiān)視，利用“隨需應變”的信息能夠提高電網(wǎng)公司的管理水平、工作效率、電網(wǎng)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(wǎng)技術在用電系統(tǒng)的一個典型應用，可用于監(jiān)測家用電路的耗電量，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術調(diào)整家用電器的用電量。高級量測體系（AM I）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(wǎng)的基礎信息平臺。一般來說，AM I是電網(wǎng)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。隨著智能電網(wǎng)建設的深入，逐步實現(xiàn)配電、輸電智能化（ADO、ATO），從而實現(xiàn)整個電網(wǎng)資產(chǎn)運行效率的提高（AAM）[1]。

2 未來智能電網(wǎng)對需求側要求

智能電網(wǎng)在很多方面的發(fā)展概念都對發(fā)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(wǎng)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(jiān)控[2]。

2.1 電網(wǎng)與用戶的互動

電網(wǎng)企業(yè)向用戶發(fā)布實時電價、實時負荷、實際供電情況等與用戶相關的電網(wǎng)運行情況。用戶根據(jù)當時的供電情況，選擇在電價較低的低負荷時段用電，選擇適合自己的電源，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(wǎng)公司報告，電網(wǎng)公司可以提前做出準備合理調(diào)度發(fā)電量，及時應對尖峰負荷的出現(xiàn)，減少整個電網(wǎng)的備用容量和提高運行發(fā)電機的負荷率，提高發(fā)電機效率。

2.2 先進的實時電價體系

在智能電網(wǎng)下，將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(jié)能、降耗。在各用電領域全面推行實時電價體系，并及時將電價告知電力用戶，可使用戶根據(jù)自己的需要，結合實際的電價，選擇自己的用電方式，實現(xiàn)用戶主動調(diào)節(jié)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[3]。用戶選擇電價低時用電，降低發(fā)電成本、降低損耗、減少煤耗、節(jié)能減排、保護環(huán)境。

2.3 全面的用電負荷監(jiān)控

在智能電網(wǎng)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(jiān)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(shù)、乃至諧波等電網(wǎng)參數(shù)進行監(jiān)控。有利于調(diào)度中心掌握實時負荷情況，進行短時間的負荷預測，保證發(fā)電負荷的及時供應，解決配網(wǎng)的“盲調(diào)”問題，而且能夠為全網(wǎng)線損計算提供數(shù)據(jù)支持。智能電網(wǎng)下的用電終端還能實現(xiàn)對用電設備的控制功能?？蓪σ恍┛梢宰詣舆\行的用電設備進行控制，根據(jù)系統(tǒng)的實時電價和用戶意愿選擇適當?shù)臅r候自動運轉或者停止，實現(xiàn)錯峰、填谷的功能。

3 高級量測體系

3.1 高級量測體系概述

高級量測體系（AM I）是一個用來測量、收集、儲存、分析和運用用戶用電信息的網(wǎng)絡，也是一套完整的包括硬件及軟件的系統(tǒng)。它主要包括家庭網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、智能電表、通信網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)集成平臺（簡稱AM I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AM I取得的數(shù)據(jù)，需要為許多現(xiàn)有的應用系統(tǒng)建立應用接口，如負荷預測、故障響應、客戶支持和系統(tǒng)運行。

AM I并不是一項全新的概念，其功能與系統(tǒng)構成都和現(xiàn)在大量應用的自動抄表（AMR）系統(tǒng)與負荷控制管理系統(tǒng)（簡稱負控系統(tǒng)）都有著相同之處。AMR系統(tǒng)用于采集居民用戶電能量記錄，而負控系統(tǒng)用于大型工商業(yè)用戶的負荷控制與監(jiān)視[7]。AM I是對AMR系統(tǒng)、負控系統(tǒng)的繼承與發(fā)展，是智能配電網(wǎng)（SDG）意義下的負荷管理系統(tǒng)。

3.2 AM I實現(xiàn)的功能

AM I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。AM I主要功能是授權給用戶，使系統(tǒng)同負荷建立起聯(lián)系，使用戶能夠支持電網(wǎng)的運行[4]。AM I可以實現(xiàn)：

（1）減少電力公司的運行費用，能快速進行故障定位和恢復以及減少事故報告等。

（2）通過提供給用戶準確和及時的電費清單，改善計費過程并提高用戶滿意度。

（3）運用電表遠程診斷和可即時讀取的功能，改善對用戶的服務和管理。

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

圖1 AM I綜覽

（5）提供系統(tǒng)范圍內(nèi)的負荷測量和系統(tǒng)可觀性，這將幫助電力公司制定更有針對性的系統(tǒng)改造計劃。

（6）支持消除峰荷和節(jié)能的需求側響應和分時計費，減少網(wǎng)絡阻塞費用和網(wǎng)損，提高資產(chǎn)利用率。

（7）能支持用戶側的分布式發(fā)電的接入。

（8）為智能電網(wǎng)和其他系統(tǒng)未來高級應用建立基礎設施體系。

4 用電器分類測量終端的設計與實現(xiàn)

用電分類測量系統(tǒng)不同于以往的電能計量系統(tǒng)，它并不是用于電費的貿(mào)易結算，而是用于節(jié)能管理[5]。用電分類測量系統(tǒng)可將居民建筑用電按照功能進行項目劃分，如照明系統(tǒng)用電、空調(diào)和取暖用電、綜合服務（電梯、廚房、電熱水器等）用電等，然后分別對這些項目的用電情況進行實時監(jiān)測，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到控制中心的數(shù)據(jù)庫，管理人員可通過該系統(tǒng)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(jié)能的目的。

4.1 終端通信的實現(xiàn)

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(tǒng)一直以來都致力于發(fā)展和利用電力載波通信來實現(xiàn)電力的實時監(jiān)控和調(diào)度，并取得較好的效果[6]。

4.2 終端的設計方案

分類測量終端的硬件結構設計主要包括主控制器、網(wǎng)絡接口模塊，分別由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(wǎng)絡模塊的數(shù)據(jù)，進行處理后顯示在液晶屏上。主控制器接收用戶對用電設備的設置參數(shù)，并把參數(shù)發(fā)送給智能插座控制用電設備的運行，如圖2所示。

圖2 用電器分類測量終端原理框圖

主控制器（MCU）選用高速率的TI公司生產(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)用電器的開斷。實現(xiàn)原理框圖如圖3所示。

圖3 電量信息采集傳輸路徑

（1）AD7755 是一種高準確度電能測量集成電路芯片，主要從內(nèi)部完成功率計算，輸出與功率成正比的頻率信號，與單片機結合對頻率計數(shù)處理，可方便地得到功率值[7]。AD7755輸出頻率信號，經(jīng)過計數(shù)器8253后得到了我們真正想要的電量信號，單片機接收信號后，把此計量數(shù)字通過控制電力線載波芯片發(fā)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，采取了多種抗干擾技術。單片機C8051F310通過串口把數(shù)據(jù)給了ST7538之后，并控制其收發(fā)狀態(tài)，ST7538負責根據(jù)控制信號完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。同時，C8051F310還擔負著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(wǎng)絡接口模塊是實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸。該網(wǎng)絡模塊采用CS8900A作為主芯片，由單片機控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。網(wǎng)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(tǒng)模塊，終端可以將記錄的數(shù)據(jù)顯示出來以便用戶查看，同時也可以根據(jù)設定和檢測提醒用戶是否有非法的用電和危險。

圖4 終端與其他設備通信的網(wǎng)絡接口

5 終端的節(jié)能效果分析

通過智能量測終端的節(jié)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(jié)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖5 智能量測終端的節(jié)電流程圖

其中在終端系統(tǒng)的設置上，選擇立式空調(diào)結合電暖器的電器設施，所以將一年分為兩個時段來計算電量，每天按照平均值計算（這里不考慮特殊情況和特殊用電習慣）。

假設夏天和秋天（每年的5-10月份）用戶選擇使用立式空調(diào)，根據(jù)智能量測終端的優(yōu)化方案，將一天共分為四個時段，各時段平均節(jié)能量如下：

6：00-8：00：每小時節(jié)電200W，共節(jié)電0.4 kW·h；8：00-19：00：每小時節(jié)電300W，共節(jié)電1.2 kW·h；19：00-23：00：每小時節(jié)電400W，共節(jié)電1.6 kW·h；23：00-6：00：每小時節(jié)電100W，共節(jié)電0.7 kW·h。

一天內(nèi)節(jié)電總量：3.9kW·h。

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，同樣將一天分為四個時段，各時段平均節(jié)電量如下：

6：00-8：00：每小時節(jié)電300W，共節(jié)電0.6 kW·h；8：00-19：00：每小時節(jié)電400W，共節(jié)電1.6 kW·h；19：00-23：00：每小時節(jié)電500W，共節(jié)電2 kW·h；23：00-6：00：每小時節(jié)電100W，共節(jié)電0.7 kW·h。

一天內(nèi)節(jié)電總量：4.9kW·h。

這里以5月～10月份的用戶節(jié)電量為例，上面已經(jīng)計算出每戶每天的節(jié)電量為3.9kW·h，那么每一百戶每年的節(jié)電量將可達到142350kW·h。

從經(jīng)濟的角度考慮，假設每度電0.5元，那么按照我們提出的優(yōu)化方案計算出每戶每天節(jié)電3.9kW·h計算，每天就要節(jié)省大約2元的支出，一年就要節(jié)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(jié)省用電。

6 結論

用電器分類測量終端將會得到不斷的發(fā)展和完善，為人們提供更為安全、快捷、低碳的生活環(huán)境[8]。在智能電網(wǎng)建設的大背景下，本文給出基于AM I實現(xiàn)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(tǒng)設計方案，最后給出了在使用分類測量裝置后，用戶可以達到的節(jié)能效果。終端的實現(xiàn)致力于用戶智能化用電，讓智能電網(wǎng)的發(fā)展更加深入人心，預計在未來生活中將會產(chǎn)生深遠的應用前景。

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