（精密仪器及机械专业论文）电能测控终端的设计与开发.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 近年来，我国经济持续快速增长，全国电力供需总体偏紧，尤其是经济高速 发展的长三角地区，缺电更为严重。各电网负荷特性已经发生较大变化，主要是 高峰负荷持续时间越来越短。全国大部分电网最大负荷增长速度高于用电量的增 长速度，导致“高峰缺电、低谷窝电”现象的发生。如何有序用电越来越受到国 内专家和电力工作者的重视。 本文系统介绍了电力需求侧管理理论所涉及到的电能检测、计算方法及理论 基础。针对电力需求侧实时性和大数据量的特点，提出了交流采样装置和数据处 理管理终端相分离的新兴电能测控终端，实现了现场的灵活配置。 文中首先介绍了电力需求侧管理理论，然后论述了整个系统平台方案，选择 了d s p + m c u 的硬件平台方式，选用n u c l u e s 作为m c u 的实时操作系统，然后对系 统的软、硬件设计进行了详细的说明。硬件部分包括模拟信号处理电路、数字开 关脉冲信号采样电路、通讯电路、人机界面、开出电路等。软件部分介绍了基于 d s p 的数字信号处理算法，以及s d s 7 的应用程序设计，接着介绍了终端与主站 系统通讯的数据规约。最后，给出本文所设计的电能测控终端的型式试验和软件 功能试验的数据和结果。 本文开发了一套电力系统负荷测量及数据采集系统。系统的设计思路和解决 方案，对类似系统的开发具有借鉴意义。实验和现场的实际运行证明，该装置功 能完备、性能稳定，具有非常好的可扩展性和兼容性，优于同类产品，现已大批 量投入生产运行。 关键词：电力需求侧管理、电力营销、负荷管理、配电检测、d s p 、n u c l u e s 、 0 4 负控规约 东南大学硕士论文目录 a b s t r a c t h lr e c e i l taf b wy e a r s ，a c c o m p a l l y i n gw i t ht h ef 如tg r o w i n gc c o n o m yi nc h i n a ， g e i l e m l l ys p e a l 【i n g ，t l l ep o w e rd e m 觚d i n gi sb e y o n dt h es u p p l y e s p e c i a l l yi ns o m e 单e c m ca r e a ，s u c ha s l g z ed e l t a 盯e a ，p o w c rd e m a i l d i n gi sf 缸b e y o n dp o w e f s u p p l y t h e r ea r em a i l yc h a r a c t 甜s t i cd i f r e r c 鼯i ne a c hp o w e r 鲥dc o m p 撕n gy c 嬲 a 9 0 t l l em a i ni s s u ef o c l l s 髂o nt h ec o n s i s t e i l c eo f h i 曲p o w e rs u p p l yo nt h ep e a ko f p o w c rd e m 锄d b 鹪i c a l l y ，i i lm o s tp o w e r 鲥d ，t b e 目o w i n gs p e e do fp o w e rs 叩p l yi s h i 曲c rt h 柚t h es p e c do f p o w 盯d e m 卸d i n g c o n s e q u e n t l y as 胁g cp h e i l o m e n o i i l o w s u p p l y o n t l l ep e e k 姐d h i 曲s u p p l y i i l t l l e b o n o m ，h a p p e ma l l t l l e t i i i l e l 0 t s 锄d l o t s o fp o w e re 】【p e n s 锄dt c c l l l l i c i a n sa r cg e t t i n gi n t e r e s t e d h o wt o 叩t i n l i z 盯p o w e r d 锄a n d i n ga n ds u p p l ya td i 仃打朗tt i m ep 嘶o d s t t l i s p a p e ri n 删u c 髓o l l rp o w e rd e l l l a n d 觚ds u p p l ym a i l a g e m e n tt h c 0 啪 i n c l u d i n gp o w c rm e 船u r e m t ，c o i r l p u t i n gm e t h o d sa n dm ef l l n d a m c l l t a it h c o r y s i n c e p o w e rd e m 粕d 舭ds u p p l ym a n a g e m 饥ts y s t e i i ln e e dt op m c e s sai a 昭e 锄。蛐to f r c a l t i i l l ed a t a ，w eh a v ed e v e l o p e dan e wa r c l l i t e c 眦p o w e rm e a s u r e m e n tt 锄i n a l ， w l l i c hs 印a r a t e st l l ed a t ac o l l e c t i n gm l dp r o c e s s i n g i tm a k e sm ew c rc o n 丘目l r a t i 螂 m o r en e 】【i b l c ，e s p e c i a l l yo nt l l ef i e l d 粕d m er c s 伍c t e d 盯e 勰 n 、】l r i ui i l 仃o d u c et h et l l e o r yo f p o w 盯锄ds u p p l ym a l l a g e m e n tf i r s t s e c o n d l y ，w e w i l lt a l l 【a b o u lt h cw h o l es y s t e mp l a t f 0 瑚s o l u t i 咀i n c l u d i n gd s p + m c uh 姗w a r e p l a t f o m a i l dn u c l e i l sp l u sr e a l - t i m es o 胁a r ep l a t f o 衄加l dt h 饥w ew i l l 垂v es o m e f t 、v a r ea i l dh a r d w a r cd e s i g nd e t a i l sf o ro l l rs y s t e m t h eh a r d w a r cs y s t e mi sm a d eo f a 1 1 a l o gs i 弘a 1p r o c e s sc i r c u i t ，d i 舀t a ls i 弘a ls 锄p l i n gc i r c u i t ，c o m m l l l l i c a t i o nc i r c u i t ， h u m 锄璐盯i n t c r f k e ，锄di n p u 怕u t p u tc i r c u i t s 1 1 l es o f t 、v a r cs y s t e r ni n c l u d 锚d s p a l g o r i n u ! 1 1 s ， s d s 7a p p l i c a t i o nd e s i 印 a i l dc o 删n u n i c a t i o np r o t o c o lb e t e e i l t 咖i l l a l sa n d 加s e r v 既f i n a l l y ，i t 丽up r o v i d ea l lt l l ef i i n c t i o na 1 1 dp 酬f 豳m a i l c e t c s t i n gd a t af o rt l l eh a r d w a r e 卸ds o f h a r cs y s t 锄 a c c o r d i n gt om el a b 卸dc u s t o m 盯m 嘶n gd a t a ，m i sp m d l l c th 勰c o m p l e t el l s e r r e q u i r e d 血n c t i o n a l i t y ，h i g hp e r f o n l l 彻c e ，e x c e l l e n tr e l i d b i l i t ya n dc o m p a t i b i l i t yf o r f i l n h 盯u p 黟a d i n g nh 硒b e m a d ef o rm 柚yc u s t o m e r s k e yw b r d s ：p o w e rd e n l 锄ds i d em a n a g e m e n t ， p o w e rm a r k e t i n g ，l o 甜 m a i l a g e m 锄t ，d i s t 曲u t ep o w e rm o n i t o ra n dm e 硒u r e m c n te q u i p m e n t ，d s p ，n u c l e i l s p l u s ，p o w e rl o a dm a n a g e m e i l ts y s t e l l ld a t at r a l l s m i s s i o np r o t o c o l n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：绰日期：旦2 堑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：弛导师签名：7 主堑丝垒! 日期：鲤：垒 第一章绪论 1 - 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 电力系统负荷管理是一项古老而又永恒的话题。自从人类生产出电能以来。负荷的发、 用平衡就一直成为人们研究的主旋律，其根本原因在于：电能无法大量储存，必须在同一时 刻内消费掉发出的电能，否则电能将白自浪费，反之将导致电网的解裂。 自上世纪九十年代以来，电力负荷控制系统一度保持了快速的发展，但由于该系统建设 背景和时代条件的限制，在九十年代末本世纪初前两年的电网供需基本平衡的条件下，却因 系统功能过于单一、系统技术扩展性能差负荷控制系统工作一度跌入低谷。随着改革开放 的深化和我国经济的快速发展，全国总装机容量己位居世界第二位，2 0 0 6 年以5 8 亿千瓦的 发电镶成为世界发电巨人，为我国社会主义建设和人民生活提供了稳定的电力保证。预计未 来两年内全国装机容量将超过七亿千瓦，但是，电力需求的增长明显超过装机容量的增长。 同时为了实现党中央关于建设社会主义和谐社会的目标，不可能一味的建造发电厂，新的 缺电将会给迅速发展的社会经济带来新的竞争压力，从而影响我国经济的整体发展。有序用 电管理再度成为社会发展的迫切需要。另外。电力市场营销业务的日益刨新及信息化需求已 经成为现代化社会的重要标志。客户用电现场信息的集中采集和分析应用，成为电力营销业 务工作不可缺少的基础技术要求。而对于时代前进的脚步和出现的需求变化，现有的负荷管 理系统存在原有系统功能闲置而不能适应当前的状况。加上近十年来计算机应用技术和通信 技术的飞速发展远远超过原有的技术规范和技术条件所确定的范畴，也就是说原有的电力负 荷管理系统已不能解决生产和运行中的矛盾。 国家电网公司遵照党中央、国务院的指示为贯彻落实国家发展改革委电监会关于加强 电力需求侧管理工作的指导意见( 发改能源 2 0 0 4 9 3 9 号) ，迸一步加快和规范电力负荷管理 系统的运行管理水平，使电力负荷管理系统成为电力营销、客户服务、需求锱管理的必要技 术手段，于2 0 0 4 年底2 0 0 5 年初下发了电力负荷管理系统功能规范、电力负荷管理系统 建设与运行管理办法、电力负荷管理系统运用技术条件、电力负荷管理系统数据传输规 约及电力负荷管理系统实用化评价五个文件，以替代1 9 9 3 年制订的g b t 1 5 1 4 8 1 9 9 4 电力负荷控制系统通用技术条件、d c t 5 3 3 9 3 无线电负荷控制双向终端技术条件等国家 标准。 在此背景下，为了保障用电的有序发展，保证电力市场营销系统资源和数据的共享，顺 利完成“负荷控制系统”到“负荷管理系统”的过渡，研制新一代满足以上需求的电力负荷 管理终端具有很大的现实意义和经济效益。 1 2 国内外研究现状和发展动态 电力负荷控制是配电自动化的组成部分，也是负荷管理的技术手段。它涉及发，用电两 方面的平衡，对保证电能质量、保证用户的电气设备安全经济运行、保障国民经济各行业的 稳定发展、减少能源的浪费、提高人民生活品质都具有重要意义。在国外，电力负萄控制已 有几十年的应用，其原先目的是采用合理的峰谷电价差别，调动广大用户参加电力系统“调 峰填谷”利用自动控制技术，由供电公司远方控制用户部分用电设备开关的关断，使用 户尽可能的避开日高峰时段用电，移至低谷用电，起到保证供电和礴龟量平衡的目的，例如， 在发达国家。许多家庭，宾馆、工厂等采用贮蓄式电热水器供应热水，供电公司利用负荷控 制技术直接控制热水器的开关，分时段安排它们在后夜用电量低谷时通电加热。这样，减少 了白天高峰时间的用电负荷，增加了低谷用电，达到自动调峰的目的。在我国，由于经济实 力、自动化技术力量相对于发达国家还有很长的一段路要走，但是不能因此给我们任何理由 东南大学硕e 学位论文 无限制的开发有限的资源。自改革开放以来电力负荷管理系统经历了四个历史发展阶段。第 一阶段为学习国外已有技术，进行本地化改进时期。国家水电部自2 0 世纪7 0 年代起就委派 中国电力科学研究院开展对电力负荷监控技术的研究工作，先后对国际上各种电力负荷监控 技术进行了深入广泛的调查研究，结合国内用电管理实际需要进行自主开发研究。在此阶段， 实用化产品较少，尚处于理论探索和试运行阶段。第二阶段是国内电力负荷监控技术大发展 的阶段，特别是2 0 世纪9 0 年代中期，电力负荷终端从最初的单向控制到双向采控，从单纯 的遥控功能发展到集遥控、遥信、遥测等多项功能于一体的较为完善的用户侧网络，它们为 合理安排负荷、平滑负荷曲线、催收电费起到了较好的作用。第三阶段是电力负荷控测系统 的“大滑坡”阶段，9 0 年代国家大力发展发电装机容量，火电厂、水电厂等迅速建设，为即 将到来的我国经济的高速增长打下了坚实的基础后盾。但在随后几年电力供需短暂平衡的大 环境下，当初投资少则几百万多则几千万搭建起来的地区负荷管理系统在很多地方被压缩甚 至撤销，尚在运行的也多是勉强维持。第四阶段是本世纪初至今，9 0 年代中国开始引入需求 侧管理的概念，负荷管理也逐步被认识到是需求侧的个重要组成部分。随着硬件技术日新 月异的进步、软件的人性化发展，需求侧管理( d s m ) 中的新功能、新方法、新模块被融入到 新的负荷管理系统中，正如同新鲜血液一般，促进着新的负荷管理系统的良性循环发展，表 现出新的旺盛的生命力。发展的新功能主要有以下方面：( 1 ) 远方自动抄表功能( 2 ) 负荷电 量分析和预测功能( 3 ) 反窃电功能( 4 ) 谐波监测功能( 5 ) 配变综合监测功能( 6 ) 集抄转 发功能( 7 ) 电力营销、客户服务、需求侧管理等信息数据功能( 8 ) 通讯方式的网络化功能。 这些功能将在下面的章节中予以讨论。 经过四十年的发展，我国已生产出符合我国国情的电力负荷管理终端。目前在我国应用 较为广泛的负控终端、设备型号及生产厂家见表1 1 序 生产企业样品型号 通信方式 通信接口i o 端口 交流模拟量测 号量误差等级 g p r sl 路r s 2 3 2 接 4 路状态颦输入、4 路脉电压：l ，0 上海协同 w j 2 0 l h 无线公网 口 冲蕈输入、4 路控制输出、 电流：1 o 1 科技股份 2 3 0 m h z1 路r s 4 8 5 接 三相交流模拟颦输入( 三有功功率：o 5 有限公司 无线专网 口 相二线，1 0 0 v ，5 舢无功功率：o 5 中国电力 2 路状态量输入、2 路脉电压：1 o 2 科学研究 e l e a - 3 0 0g p r s 1 路r s 4 8 5 接冲量输入、2 路控制输出、电流：1 o d无线公网口 三相交流模拟量输入( 三有功功率：2 o 院 相四线，2 2 0 v 1 5 m 无功功率：2 0 g p r s2 牌路状态量输入、2 珥路 电压：0 5 南京新联s z - 4 h x 一 无线公网l 路r s 4 8 5 接脉冲量输入、2 路控制输电流：o 5 3 电子设备 2 0 6 2 3 0 m h z 口 出、三相交流模拟量输入有功功率：0 5 有限公司s z - 4 h y b 无线专网 ( 三相四线，2 2 0 v ，5 a ) 无功功率：o 5 上海华冠1 路r s 2 3 2 接 4 路状态鼙输入、4 路脉 电压；o 5 电子设备2 3 0 m h z 口 冲量输入、4 路控制输出、电流：0 5 4 p m 8 3 2 5 有限责任无线专网l 路r s 4 8 5 接三相交流模拟量输入( 三有功功率：0 5 公司 口 相四线，2 2 0 v 5 a ) 无功功率：o 5 深圳市科 2 路状态量输入、4 路晾电压：o 5 陆电子科g p r sl 路r s 4 8 5 接 冲量输入、4 路控制输出、电流：o 5 5 c l 7 9 0 d三相交流模拟量输入( 三有功无功功 技股份有无线公网 口 限公司 相四线，2 2 0 v ，5 a ) 率：0 5 功率因数：0 5 2 第一章绪论 长沙威胜 l 路r s 2 3 2 接 6 信息技术 w f e t -g p r s 口( 维护口) | 1 0 0 0 e无线公网 2 路r s 4 8 5 接 有限公司 口 南京电研1 路r s 2 3 2 接4 路状态量输入、2 路脉电压：o 5 电力自动 g p r s口 冲量输入、4 路控制输出、电流：o 5 7 n s a 6 0 0 0 化有限公无线公网1 路r s 4 8 5 接三相交流模拟量输入( 三有功功率：o 5 司口 相四线，2 2 0 v 5 a )无功功率：o 5 l 路r s 2 3 2 接 3 路状态量输入、2 路脉电压：o 5 浙江华立 口 冲量输入、2 路控制输出、电流：o 5 g p r s 8 科技股份 h l 3 2 0 4 无线公网 ( 维护口) 三相交流模拟量输入( 三有功，无功功 有限公司 l 路r s 4 8 5 接 相四线，2 2 0 、r 5 a )率：o 5 口 功率因数：o 5 表1 1 负荷管理生产厂家简表 1 3 本课题的主要工作和开发成果 电力系统负荷管理是电力需求侧管理的主要内容之一，电力负荷管理系统包括终端和计 算机后台两大部分，涉及数据的采集、计算、执行、图形显示、报表、数据库存储、高级分 析预测等等很多方面的内容，它是一个庞大和复杂的整体。单个的终端没有强大后台的支持 或者仅有后台而没有终端为其提供数据都是没有意义的。但本文仅讨论负荷管理终端一一电 能测控终端的设计和开发，其中他人完成的部分如果出现必明确表明。系统的后台支持软件 并不在本文的范畴之中。 本文首先简述了电力需求侧管理理论，包括概念、定义、指标、研究对象以及测量和计 算方法。其次论述了电能测控终端在电力负荷管理系统中的层次、定位，由此引出并讨论了 终端的设计方案，确定系统采用数据采集和数据管理相分离的体系架构。这种架构可以实现1 对多的配置方式，即一个数据管理装置可以配置多个数据采集装置，具有良好的可扩展性， 有效保证系统的整体投资回报率。 文中从四个方面对设计方案进行了详细论述： 1 数据采集装置的硬件设计，从测量对象的特点出发，设计了以d s p 为核心的多通道实 时采集装置。测量对象包括i a 、i b 、i c 、i n 、u a n 、u b n 、u c n 、频率、直流量等。其采用了低 功耗的交流信号采集电路，对互感器输出的电压电流进行模拟采集、数字化变换、编码。继 而进行相关计算和存储。然后通过d l t 6 4 5 协议与数据管理装置进行通信，通信方式采用r s 4 8 5 总线。 2 数据采集的软件设计，介绍了以o c s 为开发环境的d s p 程序设计，包括芯片配置、a d 转换、实时时钟、1 2 c 模拟等的软件设计，以及电能谐波计算中的快速傅立叶变换f f t 的软件 实现方法。另外单独介绍了其和数据管理装置的通信协议一d l t 6 4 5 规约。 3 数据管理装置的硬件设计，讨论设计了高速嵌入式处理器的控制模块，人机界面、脉 冲和遥信的采集电路、开出控制电路、r t c 、4 8 5 自收发等电路。完成对外部电表的数据采集 和处理，实现所需的闭环控制、远程控制、历史数据存储、事件告警等功能。分析设计了基 于电台或者g p r s 的通信方式的m o d 跏模块，简便的实现了通信方式的快速替换。 4 数据终端的软件设计，介绍了基于s i n g l e s t e p 和n u c l e u s 的摩托罗拉6 8 k 系列肼c 【 的 开发，简述了b 1 0 s 自引导和下载程序的工作原理，m a k e f i l e 软件的制作，概述了操作系统的 启动过程，人机界面，负荷控制功能的软件实现流程和原理。最后介绍了远程软件升级的实 现方法。 东南大学硕f ：学位论文 然后本文论述了新的负荷管理系统通信规约的数据格式。q g 呷1 3 0 2 0 0 5 是国家电网公 司2 0 0 5 年1 2 月1 5 日发布的企业标准也是国家标准。它遵从g b t1 8 6 5 7 、i e c6 0 8 7 0 一5 传输 规约模式，采用3 层结构，它实现了对电力负荷数据新的封装方法。 最后讨论了试验方法和依据，给出了试验数据和试验结果，包括软件功能试验、型式试 验和安全试验。对结果进行了分析，提出了一些设想。 1 4 电能测控终端的应用前景 新一代的电力负荷管理系统( 以下称0 5 版) 是旧系统( 9 6 版) 的扩展与更新，是国家发 改委、电监会明确表态要大力投入的项目之一，是各级电力公司必须执行的国家电网公司生 产营销 2 0 0 4 1 1 6 号、1 8 3 号文件的主要内容，以下从系统的功能定位、基础技术条件、原有 系统的主要不足讨论其应用前景。 首先，从系统的功能定位看，除了原有系 统的负荷控制功能外，强调了新系统是电力营 销技术支持系统的组成部分，承担着为电力营 销业务提供采集客户端实时用电信息的基础 平台。国网公司还明确了以下两点：( 1 ) 电力 负荷管理系统服务的对象是电力营销、客户服 务和电力需求侧管理工作。( 2 ) 电力负荷管理 系统是开展电力营销、客户服务和电力需求侧 管理工作所必须具备的技术装备，它从源头上 明确了0 5 版负控系统的建设目的和建设的必 要性，为本终端的开发提供了确定的依据。其 次，从基础技术条件看，随着技术的快速进步， 当前的条件也有了质的飞跃，主要有以下四 点： l 、计算机控制技术的发展和普及，硬、软件 平台得到极大的提升，资源和数据处理能 力已不再成为技术上的障碍，实时系统的 连续运行所需要的系统可靠性有了技术 保障。 2 、数据通信技术的高速发展、公共通信资源 条件的形成和成熟、网络通信等新技术的 引入、通信设备的标准化量产把负控系统 带入了一个更广阔的范围。 3 、随着电网改造和技术的进步，电力客户侧 计量普遍采用了电力多功能表，功能和数 据传输以及接口方式均形成了规范，为数 据采集奠定了技术基础。 4 、用户配电装置的更新、新一代的可控刀闸 投入运行，为系统控制功能的实现提供了手段。 同 蜜 玺舞 办鳓 确0 言彳 图卜1 再者，原有负荷控制系统的不足也必然导致0 5 版负控系统将其取代。9 6 版系统存在的明 显不足在于：( 1 ) 系统功能单一，主要是以负荷控制为主要任务，其不能为其它数据虑坩提 供有效的支持。( 2 ) 系统的建设未按营销信息化整体规划实施，因此，收集的数据相互独立， 并缺乏统一的数据接口，不能与其它系统实现信息共享，更不可能在其它信息技术支持系统 4 壁爹张彦 电力甄乡箔榴氅 保侈留 第一章绪论 中得到有效应用。( 3 ) 原有系统技术装备低，无法实现功能扩展，更无法达到现有的技术条 件要求。通过有效的负荷管理，可以有效地控制高峰负荷，缓解日益扩大的“谷峰差”所带 囊 善 ， 可 矗 8 厶 椭 娩 7 人 t 包 5 来的低用电效率，也对提高电力负荷的经济运 行、减少电力供应侧的运行成本，解决大面积 的电荒问题都具有现实和长远的意义。举例来 说，江苏省电力公司0 4 年夏季仅因加强负荷 的削峰填谷管理一项所带来的效益就相当于 一个5 0 0 m w 以上电厂的启动，完全符合当前要 求建设和谐社会和可持续发展国家的战略目 标，这也是国家从没放弃过负控系统和再次大 力建设的基本原因，国家领导人李鹏和邹家华 为此题词。 随着电力需求侧管理理论的引入和发展，新一 代的电力负荷管理系统必将表现出顽强的生 命力。 积极磊t晨 力负够轵 叭 剞篆彳 锌惫睾； 东南人学硕f ：学位论文 第二章电力负荷管理的原理和相关检测方法 2 1 电力负荷管理的相关理论 2 1 1 电力系统需求侧管理的概念 电力系统需求侧管理是我国白2 0 世纪9 0 年代初从美国引进的综合资源规划理论之一， 英文全称为p o w 既d e 姒n ds i d em a n a g e m e n t ( d s m ) 。电力需求侧管理是实现节约用电，负荷 管理和有序用电的战略性措施，在十多年的实践中需求侧管理的投入产出效益高于常规能力 建设的数倍，且具有高效、节约、环保等方面的比较优势，一举多得。 在美国、日本、加拿大、德国、法国、意大利等国家都有一支庞大的队伍从事需求侧管 理工作。仅2 0 0 0 年，美国投入约1 5 6 亿美元实施需求侧管理工作，节电5 3 7 亿千瓦时，减 少高峰负荷2 2 0 0 万千瓦。 那么究竟什么是电力需求侧管理( d s m ) ? 它又和负荷管理有什么关系? 为什么又要进行 负荷调整呢? 可以这样认为：电力需求侧管理是指通过提高终端用电效率和优化用电方式， 在完成同样用电功能的同时，减少电量消耗和电力需求，达到节约能源和保护环境，实现低 成本电力服务的用电管理活动。它的核心工作内容包括负荷管理( 负荷调整) 、节电管理和 资源综合利用。如果实施有效的电力需求侧管理，到2 0 2 0 年时，我国可减少l 亿千瓦左右的 装机容量，相当于5 个多三峡工程。由于用户的用电性质不同，各类用户最大负荷出现的时 间也不相同。因此，当用电负荷增加时，电力系统的出力也随之增加；而当用电负荷减少时， 电力系统的出力也随之减少。如果各种用户最大负荷出现的时间过分集中，电力系统就得有 足够的出力来满足用户需要，否则电力系统的出力和负荷就不能平衡，出现供小于求的状况， 造成拉闸限电。而当用电高峰时段一过，电力供大于求，造成发电机组设备的压机运行或停 机。这样，一方面浪费了大量的电力投资，增加了发、供电成本；另一方面发电机组频繁启 停或压负荷运行造成能源和电力资源的浪费，并对电网的安全稳定运行带来威胁。以我们江 苏省为例，目前并不严重缺电，而只是在几个高峰时段缺少一定的负荷，例如夏冬两季。所 以在高峰时段进行负荷调整，而不需要建设大量为高峰用电而存在的电厂，即节约了资金又 有利于保护我们生活的环境。 在电力需求侧管理理论界采用了一些公认的术语和定义来描述需求侧管理过程“。如： 1 需求侧管理的定义：电力公司采取有效的激励和诱导措施及适宜的运作方式，与用 户共同协力提高终端用电效率、改变用电方式，为减少电量消耗和电力需求所进行的 管理活动。 2 需求侧管理的目标：节约电力减少装机，节约资源；节约电量减少消耗， 保护环境。 3 需求侧管理的对象：用能设备( 照明、空调、电动机、电热、化学、冷藏、热水器、 暖气，通风设备) ；与电能相互替代的用能设备( 燃气、燃油等) ；余热回收和传热设 各；蓄能设备；自备发电厂；与用电有关的环境设施( 建筑物保温、采光等) 。 4 需求侧管理的实现手段：以先进的技术设备为基础，以经济效益为中心，以法制为 保障，以政策为先导，采_ h j 市场经济运作方式，讲究贡献和效益。 1 ) 技术手段： 应用先进的技术设备或管理手段来提高终端设备用电效率或改变用电方 式，达到节约电力或者节约电能的目的。 i 提高终端设备用电效率的措施包括：照明替代、余热同收、高效电机、 建筑绝热、高能空调、能源替代、无功补偿、作业合理调度。节电效 率 满足f 式： 6 第二章 电力负荷管理的原理和相关检测方法 = + 既 ( 2 1 ) 旷老似 像。， 旷 ，一爿枷。 。， 肚尝= 【盎】x 1 0 a ， 阡，嚣。l 玑+ 7 7 | ” 其中： 吼。一一供给电量w x 一一有效电量 w 。一一损失电量w 一一节电量 w l 。一一原始用电量 一一用电设备节电率 n ，一一用电效率n 。一一原始效率 n 一一效率增量 “ 改变用电方式的措施包括：直接负荷控制，可中断负荷控制和间接负 荷控制。 a 直接负荷控制是易于实现的一种手段，指电力公司为削减峰荷而采取的负荷 管理技术方法( 对于空调、热水器等分组控制) 。 b 可中断负荷管理( i n t e r r i l p t i b l el o a d 妇n a g e m e n t ，i u f ) 是指电力公司与 用户签订可中断负荷协议，在电力公司需要时( 系统峰值时或紧急状态下) 中 断或削减所要求的电力需求。用户得到中断电价的优惠激励。 c 间接负荷控制是指用户在电价机制下自动调整电能使用方式的方法。 2 ) 财政手段： 它包括电价鼓励、折让鼓励、免费安装鼓励、借贷优惠鼓励、设备租赁鼓励， 节电特别奖励、节电招标鼓励。 5 需求侧管理与4 e 的关系： 4 e 是指环境、经济、能源和效率。需求侧管理的对象是能源，核心目标是协调 能源与其他3 e 的关系，使之协调而全面的发展。如图2 一1 r = = c o n o m ic ，一一 、乜n e r g y ，哼 ，夕“”弋 ”i 、j e n v i r o n m e n te f f i e i e n c v 图2 1 需求侧管理与4 e 7 东南大学硕十学位论文 需求侧管理开展的主要f 作包括以下几个方面： 1 负荷特性分析：研究各大行业负荷结构及负荷变化的特性以及影响负荷变化的冈素( 气 温、电价，尤其是峰谷电价、节电措施、政策) 。 2 用电设备调查：调杏用电设备构成和设备效益比例构成。 3 实施d s m 措施规划：在实地调夯和数据分析( 包括技术设备的性能、寿期、节电率、 负载率、利用时数、替代因技术设备的性能、寿期，节电率、负载率，利用时数、替代 因数子、网损系数、终端电价、折现率、参与率、技术设备价格、供电电价、终端电价、 折现率、参与率，电量和负荷) 的基础上，确定目标、项目评估，投资和效益分析进而 实施措施。 综上所述，电力需求是指一定时期内，一定价格下，消费者愿意购买的电营，需求侧管 理即是通过一系列措施来影响人们的电力需求，它以电力和电量的节省为目标，采取各种措 施对用户的可减电力( 可看作一种负荷调节资源) 加以挖掘和控制。 2 1 2 负荷管理的概念 电力负荷是指在某一段时间，系统内实际消耗的电力，以时间为横轴绘成的曲线即负荷 曲线，负荷管理即为改变负荷曲线的形状而采取的各种措施，它以电力的节省为主要目标， 通过实时控制和战略性分析预测达到削峰填谷、平滑负荷曲线的目的“1 。如图2 2 。 p p 削酶：霹巾断负荷 t 填镰：蓄能、低谷爝电2 p ( 麓鼢p ( 卿 公。 移峰填谷、薷溅、撩源替代 酸滋瞧笈矮电力 t 图2 - 2 负荷管理的目的 负荷管理始于欧美，英文为( l o a dl i a n a g e m e n t l m ) ，是d s m 的一项主要内容，它是电 力系统固有矛盾的产物，即电力的生产是集产、供、销为一体，一般不能大规模存储，其生 产过程是连续的，发电、输电、变电、配电和j 电是在同一瞬时完成。因此发电、供电、用 电过程之间必须随时保持平衡。为了满足刚户的需求，一方面要求电力系统发电容颦和设备 均有备用容量，另一方面要求实施科学的电力调度和用电负荷管理和控制，以随时保持电力 供需平衡。 从电力系统内部来看负荷管理，任何时候发出的电能必须等于消耗的电能，而这表现为 功率平衡，亦即在任何时刻电力生产能力与消耗能力要相等。系统的安装容量要根据最大负 8 第二章电力负荷管理的原理和相关榆测方法 荷来安装，这样当系统负荷处于低谷时，系统的设备容量没有充分利用。这一点可用下图2 3 生产成本约束下的系统供给曲线表示。 p 啦 图2 3 生产成本约束下的系统供给曲线 从用户方面来看负荷管理，用户使用电力又是非理智性的。用户在使用电力时，无法知 道其他用户电力使用情况，也基本上无法预测电价如何变化，因而就无法根据电价调节自己 的生产和电力使用，即使可以预测电价的变化有时也无法调节生产，另外设备同时使用，也 会使系统负荷变大，如果对于一些间隙性用电的设备，采取一些措施，就可以降低负荷。 从经济学理论来看负荷管理，在电力系统高峰和低谷时，存在无法运行在社会福利最大 化的优化点的可能性；电能的使用是千差万别的，不同的用户应采取不同的政策和管理手段； 在不完全信息下，用户无法调节自己的需求水平和需求结构。以电力市场追求社会福利最大 化理论为基础，建立负荷管理的理论基础，可以证明减小高峰负荷可以推迟建设发电机组和 满足负荷最优调度的理论。 设在一个较长的时期t 中，发电机的容量心可以发生改变，其单位容量制造成本为口( 元 k w ) 。不同类型机组的边际运行成本为c a ，不同时期t 的需求函数表示为p t ，用户的效用表 t 示为i p f ( y ) 咖，长期多阶段电力使用的社会福利最大化问题可表示为： j 0 厂 r ，工r 、 叫= ( p ( ) ，1 ，y 2 ，7 ) 砂一国p 口一。6 勋6 一勋6 一勋6 ) l l o ( 2 5 ) 为使上式取得最大值，需满足条件 盟：o ；望：o ；兰：o a p t8 拐妯产 即当d s m 措施的固定投资成本c 一小于某一时期发电机的投资成本已6 ，d s m 措施的运行边 际成本小于某一时期用户的边际效益或小于发电机的边际运行成本，则这样的d s m 措施能趋 于使社会福利最大化。 电力负荷管理系统是在我国电力供需矛盾紧张的情况下，为了实现电力资源合理配置而 发展起来的，现在其重要意义在于提高用电营业现代化管理水平，实现电力需求侧管理。 9 东南人学硕士学位论文 2 1 3 负荷管理的相关功能解释 我国的电力系统分为发电、输电、配电、用电四大环节，每个环节都有其特点，各个环 节所起的功能各不相同。因此，针对负荷管理人们提出了一系列新的概念和它特有的功能。 2 1 3 1 时段功率闭环控制 把一天分为若干个时间段，每一段都分别设置一个功率定值，终端连续监测客户用电负 荷，以负荷定值自动判断越限_ l j 电，告警和控制客户配电开关，实现闭环控制，限制其用电 负荷在规定的定值水平之下。 2 1 3 2 电鼍定值闭环控制 终端连续监测客户h j 电量，以月为单位的电量定值或者以用户购买的电量为依据自动判 断越限_ i ；i 电，告警和控制客户配电开关，实现闭环控制，限制其用电量在规定的定值水平之 下。 2 1 3 3 厂休闭环控制 为使配电网稳定运行、均衡供电，对一些较大的电力用户，在一周内安排不同日期作为 厂休日，即在一周内每日都有一些企业作为厂休日，主站根据编制计划，对企业的厂休日进 行限电控制。设置其起、止时间、负荷定值，并发给相应终端，终端上显示出设定的时间段 和负荷定值。 2 1 3 4 营业报停闭环控制 某些企业因故在某一段时间内停止正常工作，向电力企业申请降低负荷或暂停用电。从 而达到少交基本电费的目的。 电力负荷管理系统主站根据电力用户的申请，给相应终端下达命令。如停电的起、止时 间，停电期间的负荷值，使该用户的电力负荷使用值在规定的时间内在设定的负荷定值之下。 一旦超负荷运行，终端将按设定的轮次跳开相应的负荷开关，直至实际使用的电力负荷值低 于设定值。 2 1 3 5 紧急下浮闭环控制 根据电网的运行情况，为平衡供需矛盾，既要尽可能照顾到企业用电，又要保证电网安 全。针对某些客户的实际使用负荷，在某一个或几个时间段内下降某百分数。这个下降比例 对某一组或全部电力用户都一样的，称之为当前功率紧急下浮控制。特别是在电力供应比较 紧张时此功能尤显重要和可行性。根据上级指令，主张输入并存储当前功率下浮控系数、当 前功率下浮控功率定值滑差时间、被控终端地址( 组地址或者全部地址) 等参数，下发到终 端执行。 2 1 3 6 谐波监测 工业用电中的大量非线性设备如电力机车、炼钢电弧炉、高频炉等在使用电力系统的基 波能鼙的同时，也在向系统倒送大量的高次谐波，使得基波波形畸变，电力质量下降、严重 时还会导致继电保护装置误动、发电机过热等事故。并联电容器能为减少这种谐波危害起到 一定的抑制作用，但过强的高次谐波也会导致电容器过热、过压甚至损坏，一旦电容器损坏 将危及其他电力设备的正常运行甚至造成系统故障。利用现有的负管系统将用户侧的高次谐 波信息传同主站，这些有较高危害的谐波就始终处于监控之f ，一旦有异常，可以及时准确 知道，得到及时处理，减少可能带来的危害和损失。 2 1 3 7 无功补偿 电力设备运行时，一般消耗电网中的电能，由于根据电气设备分类有电热，电感及电容 型之分，其运行时的总电能为有功和无功这两部分组成，而有功部分是我们平时设备由电能 转化为所需形式的能量这部分，而无功部分则是心电设备消耗电网中的电能转化为热能的这 部分，由于一般电气使用电动机为主，其主要反映为电感设备，如与其配备的机械设备较匹 配时，其输入近似为输出，如匹配差异较人时，则反应无功较大，根据功率因数= 有功功率 0 第二章电力负荷管理的原理和相关检测方法 无功功率，一般电业规定功率因数为低压一0 8 5 以上，高压o 9 以上为合格。 电力用户感性负载无功消耗量过大，造成功率因数低于国家标准，导致电能质量下降， 为了克服无功损耗，就要采用无功补偿装置来解决，无功功率补偿的基本原理是把具有容性 功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收 能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这 样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。即减少无功功率 在电网中的流动，因此可以降低输电线路冈输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行 条件。 无功补偿节约电量的计算如f ：按无功经济当量计算 节约电力p = 0 0 4 q c( 2 6 ) 节约电量 w - p t( 2 7 ) 需增加的无功补偿容量： 届i 一届i ( 2 8 ) q c 一一需增加的无功补偿容量； p p 一一需要提高功率因数的有功负载； c o s c1 一一改造前功率因数； c o s c 2 一一改造后功率因数； t 一一补偿装置运行小时数； 2 1 3 8 反窃电 随着技术的进步，窃电行为也从常规窃电发展到有组织的企业经营窃电、技术窃电，甚 至出现职业窃电者，专门传播窃电技术、安装窃电技术装置。据估算，2 0 0 3 年全国仅因窃电 造成的损失就高达3 0 多亿h ，而被发现抓获的不到2 0 ，传统的人工巡视检查的反窃电方 法既费时也很盲目，已不能适应新形式发展的要求。负荷管理系统的在线监视功能可以及时 发现窃电行为，其基本原理就是在同一回路的不同点分别采集电量信息并传回主站，主台软 件对2 个不同采集点的电量值相比较，结合该用户实时数据和历史数据进行分析，如果两个 点的采集误差超出正常范围时，很容易判断有窃电行为发生，这时有的放矢地出动抓窃，比 起传统查窃方法更有效。 2 2 负荷管理的关键检测技术、测量方法、计算原理 负荷管理为开展电力需求侧管理工作提供重要的技术手段，实现电力调荷及能效管理的 技术支持和电力需求侧市场分析与服务。其对应的测量对像多种多样，归纳起来分为实时数 据、负荷类数据、电能量类数据、电能质量数据、统计数据和频域数据几类。 2 2 1 实时数据的测量 2 2 1 1 电压、电流、相位和频率的测量 为了便于电器制造业的生产标准化和系列化，国家规定了标准电压等级系列。所谓额定 电压，就是某一受电器( 电动机、电灯等) 、发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效 益时的电压。我国规定了电力设备的统一电压等级标准。电力网中各点的电压是不同的，其 变化趋势为逐渐降低，而且随着负荷及运行方式的变化，电力网各