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智能电网背景下的家庭智能化测量终端系统设计方案

2019-08-25  admin  阅读:

 

 

  基于目前智能电网提出的高级量测体系(AMI),运用智能插座来实时采集用电器的电量信息,在满足用户用电需求的前提下,用户可以通过智能量测终端对居室内的各种电器进行调配控制,从而实现了智能用电。本文设计了一种基于电力线载波通信技术的用电器分类测量终端,给出了系统的解决方案,论证了未来家电实现智能化的可行性。

  智能电网是一个完整的信息架构和基础设施体系,实现对电力客户、电力资产、电力运营的持续监视,利用“随需应变”的信息能够提高电网公司的管理水平、工作效率、电网可靠性和服务水平。

  本文提出的基于高级量测体系的用电器分类测量终端设计方案就是智能电网技术在用电系统的一个典型应用,可用于监测家用电路的耗电量,还可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量。高级量测体系(AMI)是一种用于先进电表,能够提供实时的双向通信设施,是智能电网的基础信息平台。

  一般来说,AMI是电网智能化建设的第一步,主要涉及大量的智能电表、传感器等设备。随着智能电网建设的深入,逐步实现配电、输电智能化(ADO、ATO),从而实现整个电网资产运行效率的提高(AAM)。

  智能电网在很多方面的发展概念都对发挥电力需求侧管理的作用提出了较好的解决方法。智能电网的建设要求与用户有较好的信息交互、实施分时电价,对用户用电负荷进行全面监控。

  电网企业向用户发布实时电价、实时负荷、实际供电情况等与用户相关的电网运行情况。用户根据当时的供电情况,选择在电价较低的低负荷时段用电,选择适合自己的电源,达到减少尖峰负荷的作用。

  大用户如果有较大的用电负荷需求可以提前向电网公司报告,电网公司可以提前做出准备合理调度发电量,及时应对尖峰负荷的出现,减少整个电网的备用容量和提高运行发电机的负荷率,提高发电机效率。

  在智能电网下,将实施更为全面合理的分时电价政策,不仅是尖、峰、平、谷四时段电价。全面合理的实时电价体系能够促进节能、降耗。在各用电领域全面推行实时电价体系,并及时将电价告知电力用户,可使用户根据自己的需要,结合实际的电价,选择自己的用电方式,实现用户主动调节负荷,移峰填谷。

  实行供电成本高时提高电价,供电成本低时降低电价,负荷高时电价高,负荷低时电价低,水电机组电源电价低,火电机组电源电价高等一系列合理的电价政策。用户选择电价低时用电,降低发电成本、降低损耗、减少煤耗、节能减排、保护环境。

  在智能电网下,对用户端的计量装置的功能提出了更高的要求,要求能够全面地监控用户的实时负荷情况。对每个用电终端的实时负荷、电压、电流、功率因数、乃至谐波等电网参数进行监控。有利于调度中心掌握实时负荷情况,进行短时间的负荷预测,保证发电负荷的及时供应,解决配网的“盲调”问题,而且能够为全网线损计算提供数据支持。

  智能电网下的用电终端还能实现对用电设备的控制功能。可对一些可以自动运行的用电设备进行控制,根据系统的实时电价和用户意愿选择适当的时候自动运转或者停止,实现错峰、填谷的功能。

  高级量测体系(AMI)是一个用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的网络,也是一套完整的包括硬件及软件的系统。它主要包括家庭网络通信系统、智能电表、通信网络与数据集成平台(简称AMI主站)3个主要组成部分。如图1所示:

  除此之外,为了充分利用AMI取得的数据,需要为许多现有的应用系统建立应用接口,如负荷预测、故障响应、客户支持和系统运行。

  AMI并不是一项全新的概念,其功能与系统构成都和现在大量应用的自动抄表(AMR)系统与负荷控制管理系统(简称负控系统)都有着相同之处。AMR系统用于采集居民用户电能量记录,而负控系统用于大型工商业用户的负荷控制与监视。AMI是对AMR系统、负控系统的继承与发展,是智能配电网(SDG)意义下的负荷管理系统。

  AMI的实施对电力公司、电力用户乃至全社会都有十分重要的意义。AMI主要功能是授权给用户,使系统同负荷建立起联系,使用户能够支持电网的运行。AMI可以实现:

  (1)减少电力公司的运行费用,能快速进行故障定位和恢复以及减少事故报告等;

  (2)通过提供给用户准确和及时的电费清单,改善计费过程并提高用户满意度;

  (4)为用户提供更多电价选择,使得用户可以为节能或减少开支而调整用电习惯;

  (5)提供系统范围内的负荷测量和系统可观性,这将帮助电力公司制定更有针对性的系统改造计划;

  (6)支持消除峰荷和节能的需求侧响应和分时计费,减少网络阻塞费用和网损,提高资产利用率;

  用电分类测量系统不同于以往的电能计量系统,它并不是用于电费的贸易结算,而是用于节能管理。用电分类测量系统可将居民建筑用电按照功能进行项目划分,如照明系统用电、空调和取暖用电、综合服务(电梯、厨房、电热水器等)用电等,然后分别对这些项目的用电情况进行实时监测,同时将监测数据传送到控制中心的数据库,管理人员可通过该系统进行整个公共机构的用电管理工作。

  实施用电分类计量可有效提高家用电器甚至公共机构的用电管理水平,明显降低其电能消耗,最终达到节能的目的。

  本文选用电力线载波通信的方式进行传输信息,最大的特点就是成本低。电力系统一直以来都致力于发展和利用电力载波通信来实现电力的实时监控和调度,并取得较好的效果[6]。

  分类测量终端的硬件结构设计主要包括主控制器、网络接口模块,分别由TMS320C54x和CS8900A单片机来控制。通过单片机之间的串口通信,主控制器接收网络模块的数据,进行处理后显示在液晶屏上。主控制器接收用户对用电设备的设置参数,并把参数发送给智能插座控制用电设备的运行,如图2所示。

  主控制器(MCU)选用高速率的TI公司生产的TMS320C54x DSP芯片,它属于低功耗、高性能的16位定点DSP芯片,可应用于实时性要求较高的领域。

  智能插座是整个智能量测系统中的主要接口器件,通过它可以测量每个家电的用电量,用户可以通过智能控制终端定时开、断插座,从而实现用电器的开断。实现原理框图如图3所示:

  (1)AD7755 是一种高准确度电能测量集成电路芯片,主要从内部完成功率计算,输出与功率成正比的频率信号,与单片机结合对频率计数处理,可方便地得到功率值[7]。AD7755输出频率信号,经过计数器8253后得到了我们真正想要的电量信号,单片机接收信号后,把此计量数字通过控制电力线载波芯片发送到终端,以便于用户查询等。

  (2)ST7538是一款功能强大、集成度很高的电力载波芯片,采取了多种抗干扰技术。单片机C8051F310通过串口把数据给了ST7538之后,并控制其收发状态,ST7538负责根据控制信号完成数据的收发。同时,C8051F310还担负着驱动电力线载波芯片的驱动和通过晶闸管控制整个插座的通断功能。

  (3)网络接口模块是实现终端和其他智能设备以及PC机通信的接口电路,通过它终端可以和其他设备完成数据传输。该网络模块采用CS8900A作为主芯片,由单片机控制数据的收发。网络接口模块如图4所示:

  除了上述几个模块之外,该终端还包括了报警系统模块,终端可以将记录的数据显示出来以便用户查看本港台最快开奖直播,同时也可以根据设定和检测提醒用户是否有非法的用电和危险。

  通过智能量测终端的节电流程图如图5所示,可以给出该用电器分类测量终端的节电量统计数据。

  其中在终端系统的设置上,选择立式空调结合电暖器的电器设施,所以将一年分为两个时段来计算电量,每天按照平均值计算(这里不考虑特殊情况和特殊用电习惯)。

  假设夏天和秋天(每年的5月份至10月份)用户选择使用立式空调,根据智能量测终端的优化方案,将一天共分为四个时段,各时段平均节能量如下:

  6:00~8:00:每小时节电200W,共节电0.4度;8:00~19:00:每小时节电300W,共节电1.2度;19:00~23:00:每小时节电400W,共节电1.6度;23:00~6:00:每小时节电100W,共节电0.7度。

  假设冬天和春天(每年的11月份至来年的4月份)用户选择使用电暖器,同样将一天分为四个时段,各时段平均节电量如下:

  6:00~8:00:每小时节电300W,共节电0.6度;8:00~19:00:每小时节电400W,共节电1.6度;19:00~23:00:每小时节电500W,共节电2度;23:00~6:00:每小时节电100W,共节电0.7度。

  这里以5月~10月份的用户节电量为例,上面已经计算出每户每天的节电量为3.9度,那么每一百户每年的节电量将可达到142350度。

  从经济的角度考虑,假设每度电0.5元,那么按照我们提出的优化方案计算出每户每天节电3.9度计算,每天就要节省大约2元的支出,一年就要节省大约730元的支出。对于用户来讲就可以有一个类似激励的效用,督促每家每户节省用电。

  用电器分类测量终端将会得到不断的发展和完善,为人们提供更为安全、快捷、低碳的生活环境。在智能电网建设的大背景下,本文给出基于AMI实现的家庭智能化测量终端的设计模型,通过对终端的芯片结构和原理框图进行说明,提出了一个比较合理的系统设计方案,最后给出了在使用分类测量装置后,用户可以达到的节能效果。

  终端的实现致力于用户智能化用电,让智能电网的发展更加深入人心,预计在未来生活中将会产生深远的应用前景。

  (编自《电气技术》,原文标题为“基于高级量测体系的用电器分类测量终端的设计”,作者为张超、江贤康 等。)