电力需求侧管理的系统设计与应用

刘民凯，边 伟

（1.山西杉大科能自动化科技有限公司，山西 晋中 030610；2.国网山西省电力公司电力调度控制中心，山西 太原 030001）

发电技术及其他

电力需求侧管理的系统设计与应用

刘民凯1，边 伟2

（1.山西杉大科能自动化科技有限公司，山西 晋中 030610；2.国网山西省电力公司电力调度控制中心，山西 太原 030001）

针对非线性设备及电力电子设备投入较多、现场母线谐波含量高的电力用户，较低的电能质量常常影响到产品的加工精度和质量，严重的甚至危害设备运行安全，发生安全事故。因此，设计完成了电力需求侧管理系统的光纤数据采集系统，完成了对企业设备的电能系统数据实时采集监测，实施了需求侧管理，对电能数据进行了对比分析和计算，找出设备最优运行参数，指导设备的高效运行。最后，通过在企业的电力需求侧管理系统平台实际运行与应用，提高了用户的电能质量监管能力和处置能力，为企业实现了可观的节电效益。

电力需求侧管理；谐波；电能质量；节能

在钢铁、铸造等热加工行业中，AC-DC-AC变流设备投入较多，现场电源母线波动大，谐波含量高，电能质量问题十分突出。再加之热加工过程中，温度的变化会直接影响到产品的加工精度和质量，因此，良好的电源电压稳定性是整个系统稳定的基础。

电能质量在线分析系统是电力需求侧管理的重要内容之一，电能质量高低直接关系到用电设备的能耗和效率，所以电能质量在线分析系统实时进行有功、无功、功率因数及电压电流谐波的在线分析，为无功补偿和谐波治理提供数据，指导设计治理方案。

1 电力需求侧管理系统工作原理

电 力 需 求 侧 管 理 DSM（demandside management） 系统由DSM数据层、数据访问层、业务逻辑层、系统外观层和用户界面层组成，典型拓扑结构如图1所示，各部分功能如下。

1.1 DSM数据层

由现场设备获得的基础数据通过分析计算后直接存入DSM的数据库中。

DSM的数据库分为两部分：实时数据库和关系型数据库，实时数据库主要存储变化频率比较高的现场设备的历史数据，关系型数据库主要存储变化频率比较低的现场设备的历史数据。

1.2 数据访问层

数据访问层将对原始数据（DSM数据库）进行操作，为业务逻辑层或表示层提供数据服务。

为更好地满足用户的需求，数据访问层通过经典设计模式对不同的数据库进行相应编程，以满足对不同主流数据库的支持（例如：SQLServer、Oracle等）。

1.3 业务逻辑层

业务逻辑层的关注点主要集中在业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计。业务逻辑层在体系架构中的位置非常关键，它扮演了两个不同的角色：对于数据访问层而言，它是调用者；对于表示层而言，它又是被调用者。依赖与被依赖的关系都集中在业务逻辑层上，对这些依赖关系的解耦将十分重要。

1.4 业务外观层

业务外观层是系统不同模块之间的调用接口。一个系统通常会包含很多模块，这些模块相对独立，又可以互相调用。为了减少各个不同部分之间的耦合度，必须采用一定的设计方法，外观模式就是非常有效的一种，也是业务外观层的基础。

1.5 用户界面层

用户界面层作为客户端，是将数据呈现给用户或处理用户输入的应用程序。基于Web的情况下，其主要作为企业Web服务器的浏览器。

图1 DSM系统结构

2 系统功能概述

2.1 业务及信息流图

系统主要的功能信息流原理如图2所示。其中，实时监控模块的基础数据采集后，依据数据处理、成本分析、能耗分析、对标管理、考核管理等软件模块，帮助用户实现电能数据的科学管理和节能降耗，达到企业用电精细化管理的目的。

图2 业务及信息流图

2.2 实时监控模块

系统为企业操作人员提供图形化的应用界面，将生产过程中各个环节监测到的实时数据、历史数据通过曲线图、折线图进行多元化展示同时以动态画面加以呈现；对生产作业全过程进行全方位跟踪、监控，实现生产流程图动态再现，对设备事故停机进行定量分析，能够快速找出事故发生原因和故障位置，优化设备运行，为设备维护提供有力的帮助，大大提高了企业的监管效率。

3 电力需求侧管理系统装置

电力需求侧管理分析平台，主要用于现场电力数据采集系统的统一管理以及数据的能效分析和电能质量分析、管理。系统数据采集器是采用光纤通讯的电力数据采集系统的基础关键设备，其对谐波、有功、无功在内的全部电参数进行实时在线采集监控，将数据通过网络传输到电力需求侧管理后台系统。

4 电力需求侧管理系统功能及优势

4.1 基础电能数据采集统计

采用现场光纤总线技术，实现电力设备在线监控，通过光纤接口电能信息数据采集终端，保证数据通讯速率、数据安全、和具备良好的抗干扰性能。

4.2 电能质量数据对比

通过电能信息采集系统采集回来数据，后台人员可以根据其生成的数据表和曲线等对相关数据进行对比分析和计算，分析出现的问题，提出解决办法或改善措施。运用数据找出设备最优运行参数，指导设备高效运行。

4.3 设备优化配置后取得的节能效果

依据数据分析结果，改变原箱变的2套无功补偿的配比容量和接线方式，使功率因数提升，即，满足设备高效运行。

4.4 减少设备损耗

在优化功率因数的同时，由于更改了接线配置，箱变的运行损耗得到了约3%的抑制，提升了箱变带载能力。

4.5 保证设备安全

由于部分变压器承担的是较大的负荷，因此设备优化后减少了运行电流，箱变运行温度也随之降低，有利于设备安全运行和节能。

4.6 智能动态调节

本装置可使2组无功补偿设备根据数据指令动态投切，改变原先的人工投切方式，实现电能信息化管理，取消人工抄表，提升系统的自动化运行水平。

4.7 自动故障报警及设备健康状态评估

本装置可实现过压、欠压、过载等设备信号报警，指导生产过程用电安全。对设备效率，电力谐波进行评估，检测设备健康情况。

4.8 综合提升电力节能空间

通过对采集的数据进行分析，综合运用无功补偿、谐波治理等技术手段达到节能目的。

5 电力需求侧管理系统运行实例分析

本电力需求侧管理系统已在山西华翔集团有限公司进行了运行测试。山西华翔集团有限公司是铸造与机加工企业，由于电加热生产过程中产生大量谐波，电能质量比较低，严重影响了电能使用效率和用电安全。通过实施电力需求侧管理，对电能进行全天候不间断实时监测，统计分析用电设备的日用电规律和月用电规律，优化运行方案，诊断电能质量问题，深度分析生产过程能耗，发现能源浪费问题和电能质量问题，指导生产节电及设备升级改造，进行谐波治理及无功补偿。系统向用户提供了以下分析数据。

5.1 综合历史曲线

综合历史曲线部分界面如图3所示，综合分析了电压、电流、有功、无功、功率因数等历史曲线，对设备运行的历史情况进行综合对比和分析，以利于了解设备运行情况。

图3 综合历史曲线

5.2 电压、电流谐波畸变率

电压、电流畸变分析界面部分截图如图4所示。页面中详细列写了现场所有测量设备的位置、名称、设备号以及各相电压电流的畸变值，用户可以从中得到详细的畸变信息。

图4 电流畸变率

通过对电压、电流不低于25次谐波的分析，可以有效计算和确定谐波污染源的位置和特征，从而为消除谐波提供数据支持。谐波分析部分界面如图5所示。

5.3 功率因数统计分析

功率因数分析界面如图6所示。通过统计功率因数，指导无功补偿设备运行方式的优化。

5.4 总厂以及设备能耗分析

总厂能耗对比分析界面如图7所示。电力需求侧管理对各分车间或设备进行能耗对比分析，也可以对车间设备等进行能耗分析。

图5 A相谐波分析界面

图6 功率因数统计分析

图7 总厂能耗对比分析

6 结论

通过采用电力需求侧管理系统，提高了终端用电效率和改变了用户的用电方式，起到节能的作用。例如，利用时间控制器和需求限制器等自控装置、增添低谷或季节性用电设备、在电网日负荷低谷时段投入电气蓄能装置进行填谷和采用蓄冷蓄热技术、采用高效的设备控制方法等，实现负荷的间歇和循环控制，令设备在电网错峰运行，达到节能减排的目的。

[1] 曾鸣.电力需求侧管理 [M].北京：中国电力出版社,2001.

[2] 曾庆禹.需求侧参与的电力批发市场定价机制 [J].电网技术，2004，28 (17):6-10.

[3] 顾承阳.智能电网下电力需求侧管理应用研究 [D].南京：南京理工大学，2012.

The Design and Application of Power Demand Side Management System

LIU Minkai1,BIAN Wei2
（1.Shanxi Shanda Keneng Automation Technology Co.,Ltd.,Jinzhong,Shanxi030610,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China）

For those electric power users whose non-linear equipment and electric power and electronic equipment are connected much into,lower power quality often affects the precision and quality of products,and even endangers the safe operation of equipment. Therefore,fiber optic data acquisition system is designed for power demand side management(DSM)system,so that real-time data acquisition and monitoring of power quality system in those enterprises could be realized.The power energy data are compared and analyzed soas tohave identified the optimal operation parameters ofthe equipment.Finally,through the test ofthe management system,the power quality supervision and disposal capacity for power users are improved,and considerable energy-saving effect is realized for enterprises.

power demand side management;harmonics;power quality;energy-saving

TM73

B

1671-0320（2017）04-0053-04

2017-05-03，

2017-05-19

刘民凯（1989），男，云南曲靖人，2011年毕业于山西大学电厂设备运行与维护专业，工程师，从事电力节能设备研发工作;

边 伟（1980），男，山西忻州人，2005年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士，高级工程师，从事电网调控运行工作。