应用实时电价与负荷预测的电力用户信息系统.doc

应用实时电价与负荷预测的电力用户信息系统ABSTRACT: An information system designed for power users is presented in order to strengthen the power information exchange between power grid and end users. Architectures and functionalities of this system were demonstrated first. Smart meter was regarded as the information exchange junction in the entire system and it was connected with other parts of the system by general packet radio service (GPRS) and serial communicating paths. Subsystems of grid side and user side were both designed in details. Zigbee wireless network technique was implemented to establish the user subsystem. Information of real-time pricing and load forecasting was applied to motivate users to participate the operation of the grid actively. Consequently energy resources will be optimized and finally goals of economical and high-efficient using of energy can be achieved. This information system also provides basic architecture for the interactive end-use electric system of future smart grid.KEY WORDS: electrcity usage information; real-time pricing; load forecasting; smart meter; GPRS; Zigbee摘要：为了加强电网与用户之间的供用电信息交流，提出了一种电力用户信息系统。对该系统的架构进行了阐述，提出以智能电表为枢纽，利用通用分组无线业务(general packet radio service, GPRS) 远程信道和串行通信本地信道连接系统各个部分，并具体设计了配网侧与用户侧子系统的结构。用户侧子系统的实现采用了Zigbee无线组网技术。利用实时电价及负荷预测等用电信息的互动来激励用户主动参与电网运行，最终使资源实现优化配置，达到经济高效地利用能源的目的，同时为未来智能电网下的居民互动用电系统提供基础设施支持。关键词：用电信息; 实时电价; 负荷预测; 智能电表; GPRS; Zigbee0 引言当前，我国正在大力推进坚强的智能电网建设。随着大规模的智能电表的安装和各种新型能源发电方式的接入，我国的智能电网发展进入了全面建设时期。在输电方面，为了给我国未来的电网提供坚强的支撑，保证电网的可靠性，同时提高节能效率，远距离的特高压直流输电工程规划已经公布。除了加强输电网络的建设之外，智能电网的建设还应重视电网末端配用电系统的智能化改造，建立用户与供电方的双向互动，鼓励用户主动参与到电网的运行当中，既要使用户能够根据实时的用电信息合理调整自身用电习惯，还要支持用户侧分布式能源的友好接入以及可再生能源的大规模应用，从而进一步提高能源利用效率，降低温室气体排放，满足电力与自然环境、社会经济和谐发展的要求1。由于智能电网的建设工作是一个逐步完成的过程，所以在电网智能化建设的起步阶段，需要对传统电网进行逐步升级改造，最终过渡到坚强智能电网的全面建成。本文针对当前电网配用电系统的特点和不足，应用相关通信与信息技术，讨论并设计了一种电力用户信息系统，加强传统电网的需求侧管理，并为未来实现智能电网下的居民互动用电系统提供技术支持和参考。供电公司根据电力的供给和需求状况及其他相关影响因素制定实时价格，并且依靠科学的方法较精确地做出短期的负荷预测，最终将实时价格、负荷预测以及实时负荷水平向用户发布。用户接收到供电公司发布的用电信息后，可以此信息为依据来调整自己的用电行为，并将调整后的用电行为数据反馈至供电公司。通过这样的信息互动用电方式，供电公司可以更加准确地了解用户的需求，从而对电网资源及时进行优化配置，对实时电价和负荷预测进行再调整，如此循环，以达到优化电网资源，提高能源利用效率的目的。从发展的角度看，目前正在逐渐开展应用的分布式发电以及可再生能源的接入也需要电网与用户之间进行用电信息的协调和交流。欲实现上述类型的双向用电信息互动，需要在用户与供电方之间建立一个互动系统，作为连接二者的桥梁，改变以往用户被动用电的局面，使其能够主动参与到电力市场交易当中。1 用户信息系统综述用户信息系统是基于智能电网与用户友好互动的特点上提出的，它是连接了供电方与广大用户的用电信息互动枢纽，在为用户提供更优质的服务的同时，通过信息的互动来激励电力市场主体主动参与电网管理和交易，使电网更加安全、经济地运行。信息系统的总体架构如图1所示。图1 用户信息系统的总体结构Fig.1 Overall Architecture of user information system在整个用户信息系统中，连接供电方与用户的关键环节是智能电表，它是双方交换电力信息的中枢。在智能电表上集成通信模块，即可实现中枢通信功能。选择不同的智能电表通信模块，则系统通信信道的实现方式会产生较大的差异。在现阶段，智能电表与电网侧的通信实现可采用光纤通信、电力线载波、无线电波和公用信道等技术。对于新建的配网线路，则可以考虑铺设光纤复合电力线，使通信信道集成于电力线路之中。而对于现有的线路，在考虑了数据流量、信道覆盖率、线路铺设和改造难易度等因素后，本文建议使用现阶段较为成熟的GPRS通信技术作为电网与智能电表之间的远程信道，即在智能电表上集成GPRS模块。使用现有的覆盖面极广的GPRS公用信道，可以节省重新铺设通信线路的投入，安全性与可靠性也可以得到保障。安装GPRS模块后，结合配套的软件设计和外围电路，智能电表通过GPRS通信技术与配网侧的互动信息主站相互传输数据2。用户侧方面，通过给智能电表添加外围数据通信芯片电路，如串口通信芯片，便可实现通信功能，使之与用户的智能用电控制系统互相通信。电网侧设有互动信息主站系统3，其作用包括：1）采集用户的用电数据，并且进行分类存储，为电价制定和负荷预测提供数据基础。2）向用户发布实时电价、负荷预测及当前电网负荷状况，为用户调整其用电行为提供信息基础。3）利用数据处理技术分析用户反馈的用电信息数据，根据分析结果修正电价及负荷预测，进行电网资源优化配置。智能电表的用户侧连接的是用户智能用电控制系统。系统设有互动控制面板，用户可以通过控制面板获知当前电网执行的电价、当前电网与家用电器负荷状况、电网短期负荷预测和电价策略、用户电能消费量及预付电费余额等用电信息。控制面板会根据当前执行的电价表和用户的电器类型及功率，经过预设的智能化程序判断，为用户推荐一种或几种优化的用电方案，供用户选择。推荐的用电方案中包括电器使用时间、定时启停和预计电能消费金额等。用户可以使用推荐方案，也可以忽略推荐方案，按照自身需要决定用电计划。用户对电器的定时操作也会反馈至互动用电信息主站系统，可作为供电公司优化电网资源的依据。另外，智能电表和用户智能用电控制系统在硬件和软件方面都留有额外的应用接口，为将来用户侧分布式发电、可再生能源和电动汽车充放电等新技术的大规模推广应用建立基础。2 互动信息主站系统互动信息主站系统是供电公司设立在电网侧的用电数据分析处理中心与用电信息发布平台。它包括负荷预测子系统、电价策略子系统、用电信息采集数据库、信息发布站以及GPRS通信机等，具体架构如图2所示。主站系统还与电网运行状态监测系统相连接，将电网运行状态及记录与用电信息结合起来加以分析，有利于做出更准确的负荷预测和更合理的实时电价。图2 信息主站系统架构Fig.2 Architecture of main information system2.1 远程通信信道在前文中已经简单讨论了选用GPRS技术作为远程通信信道的原因。从技术角度看，GPRS是在现有的全球移动通信网络上开通的一种分组数据传输技术，它的特点是通信网络稳定可靠、覆盖面积广、数据传输速度快（实际可以达到40100 kbit/s带宽）。由于系统数据不是严格的实时数据流，并不需要进行连续的海量数据传输，所以GPRS技术可以满足互动用电系统的数据传输需求4。从经济性角度来看，目前GPRS技术已经广泛地投入商用，资费比较低廉。使用移动通信公司的GPRS技术还可避免配网侧单独建立通信网带来的高成本以及维护问题。在实际设计系统时加入安全保密措施，从而使得系统的安全性得到保证。在主站系统的最前端设置GPRS通信机，它与信息采集数据库和信息发布平台服务器相连接，充当用电互动信息的传递者，通过通信公司开设的电力专用信道发送与接受数据。2.2 信息采集与信息发布 由于通信机不具有大量存储数据的能力，面对海量的用户用电信息，需要有专门的数据库来存储这些信息。而需要发布的信息需要通过通信机传递到用户侧，所以信息采集数据库与信息发布站均与通信机相连接。2.3 负荷预测与电价策略信息采集数据库与信息发布站并不具备产生信息的能力，发布给用户的信息的产生是由负荷预测系统与电价制定系统完成的。负荷预测与电价制定两个系统不仅从信息采集数据库获取分析所需的数据，还可以从电网运行信息系统取得相关数据，并利用相应的技术方法做出负荷预测和制定电价，然后将得到的实时用电信息交给信息发布站，最终传输给用户。传输给用户的信息数据包括当前电网负荷状况、即将执行的电价、短期的负荷预测以及用户的余额查询请求等。其中即将执行的电价和短期负荷预测数据并不是严格意义上的实时数据。考虑到用户对于过快的价格变化的响应疲惫问题，决定采用一个电价执行周期（24小时）发布一次电价的策略，每次将电价表按小时划分为24个时段，每个时段的电价根据系统分析计算结果的不同会体现出价格差异，但差异不会很大。为了保证用户获知电价的连贯性，下一周期的电价表应该在下一周期电价执行之前一段时间（如两小时）进行预发布，以便用户进行用电响应。短期负荷预测的结果也采取同样的方式发布至用户侧，目的在于激励用户根据预计负荷状况采取相应的节能用电措施。在这种电价发布方式下，用户可以提前得知下一周期执行的电价，从而有足够的时间进行响应。此外，采用这种方式大大降低了对于数据传输的实时性要求，在一定程度上提高了系统的可靠性。3 智能用电控制系统与智能电表相连的电力用户智能用电控制系统是用户信息系统的重要组成部分，它可以将用户与电网运行紧密地联系起来，从而使用户能够主动地参与到电网的运行管理上来，提高能源使用效率。对于用户而言，智能用电控制系统的功能包括：1）显示当前电价周期（24小时）执行的电价表、当前时段正在执行的电价、当前电网负荷水平、下一电价周期的预计发布电价及负荷预测。考虑到用户对于电力术语可能不了解，负荷水平仅以定性的方式显示高低，如使用“低”、“正常”、“高”、“满”等易于理解的指示词或者颜色渐变的指示灯。用户可以根据面板显示的用电信息调整自身的用电计划，主动地避免用电高峰和填补用电低谷。2）用户可以方便地使用智能用电系统控制用电设备，随时了解各种用电设备的电能消耗量。用电设备的实际平均功率也会在面板界面中显示。系统会根据当前执行的电价表、用电设备的类型和功率等因素为用户推荐优化的用电方案。3）用户还可以通过控制系统查询自己某一阶段（比如一个月）的电能使用情况，根据历史数据控制电能使用情况。系统还为用户提供预付电费余额查询、低余额提醒等功能。4）控制系统还可以通过扩展应用实现将来对用户侧分布电源接入的支持，同时提供电能的反向记录与管理等功能。如果用户使用电动汽车，还可以增加电动汽车充放电管理服务以及相应的软件支持。3.1 控制系统网络架构智能用电控制系统的核心部件是互动控制面板，它是连接智能电表与用电设备的中枢。智能电表通过串口通信的方式与控制面板连接。在用户住宅内部，为了避免大量布线造成的不便，控制面板与各用电设备的连接采用短距离的Zigbee无线组网技术实现，由控制面板作为网关主节点，加装了智能开关的各用电设备作为终端节点5-6。Zigbee技术具有低成本、低功耗、可靠等优点，工作在2.4GHz免执照的工业、科学和医学(industrial scientific and medical, ISM)频段，适合智能用电控制系统应用。系统网络架构如图3所示。图3 智能用电控制系统网络结构Fig.3 Architecture of intelligent electric control system3.2 互动控制面板互动控制面板是用户信息系统的一个核心部件，对内作为用电设备控制中心，对外通过智能电表与电网侧交换用电信息，是系统对用户展示功能的窗口。3.2.1 互动控制面板的硬件设计互动控制面板采用模块化设计，组成部分包括液晶显示模块、通信模块、电源模块、键盘输入模块、微控制器、外存储器等，其中通信模块包括与智能电表通信的串口模块以及组建Zigbee网络需要的无线通讯模块7-9。由于互动控制面板既要完成与智能电表和智能开关的通信，还要处理用户的互动请求，任务比较繁重，所以选择采用ARM7TDMI-S内核的32位高性能微处理器PHILIPS LPC2138作为主控制器。无线通讯模块则采用TI公司的CC2420芯片，该模块通过串行外设接口(serial peripheral interface, SPI)接口与LPC2138芯片连接，主要负责节点网络的组建与维护，控制数据信息的收发以及消息的路由。由于系统是3.3V系统，所以需要RS485电平转换才可实现控制面板与智能电表的串行通信。LPC2138自带32KB的片内RAM和512KB的片内Flash存储，但是由于控制面板需要进行实时数据的传输和存储，所以还需要添加额外的外部RAM和Flash存储器。与LPC2138相连接的元件还包括电源、外部系统时钟源和复位器件以及负责输入输出的键盘、液晶显示屏、发光二极管指示灯等。此外，LPC2138还拥有富余的扩展接口，为以后的系统功能升级提供足够的接口资源，例如增加用户自有分布式电源等。面板的具体硬件连接如图4所示。图4 互动控制面板的硬件配置Fig.4 Hardware configuration of interactive control panel3.2.2 互动控制面板的软件设计控制面板的软件针对前面所述的系统功能设计，如电价和负荷的显示、用电方案推荐以及各用电设备的操作界面等。软件系统采用友好的图形化用户界面软件设计，使用户操作方便，阅读直观。实际应用时，经过开机初始化后，控制面板首先从智能电表更新下载电价表及负荷数据，然后将各无线节点组网，之后便可以进入等待用户操作的待机状态。3.3 智能开关目前绝大部分家用电器还是非智能型的，需要在其电源处加装智能开关插件才能实现对其开关控制、状态监控以及电能消耗的测量。所以，智能开关应当包括无线通信模块、电能计量模块、开关模块、故障处理模块和电源模块等。由于终端节点属于精简功能设备，比主节点的任务少得多，重点要求低功耗，因此选择TI公司生产的MSP430F149作为控制器，这是一种超低功耗的控制器，可以有很长的工作时间。MSP430F149自带的时钟模块、看门狗定时器、Flash存储器和RAM存储器已经可以满足智能开关的设计需求，无需添加外部的此类元件。无线通信模块CC2420与控制器MSP430F149相连后，作为终端分节点加入Zigbee网络参与组网。电能计量模块通过串口与MSP430F149相连，所得数据存储至Flash存储器，经过内置程序分析可得用电设备的实际平均功率等参数，并将所得参数反馈至控制面板以供用户查询以及智能用电推荐方案分析使用。开关与故障处理通过继电器的通断发挥作用，当收到开关指令或者发生短路故障时，由继电器执行相应的动作完成电路通断。智能开关的模块结构如图5所示。图5 智能开关的硬件配置Fig.5 Hardware configuration of smart switch 无线传感器接收到来自控制面板的指令后，即对用电器电源进行开关或定时操作。智能开关上集成了电能计量模块，用户可以随时通过互动控制面板向用电器发送查询指令来获知用电器的电能消耗情况。如果用电器电源处发生故障，如最常见的短路故障，则报警模块会产生作用，自动跳闸并向控制面板反馈报警信息，使用户及时得知故障位置并处理故障。4 结语用户是电能的消费者，用户的用电行为及习惯的理性改变对于提高能源利用效率起着决定性的作用。电力用户信息系统将用户与供电方紧密连接起来，使二者互相交流用电信息，激发用户参与电力市场的主动性，最终能使用户形成良好的用电习惯，提高能源利用效率，降低温室气体排放，保护环境。互动信息系统的应用不仅为用户提供更为方便与经济的用电方式，还能为电力公司带来更平稳的负荷，使得电网运行更为安全与经济。随着电力技术的不断发展，用户也可能会同时扮演供电者的角色，届时用户信息系统可以方便地实现升级拓展，以满足用户的需要。参考文献1 陈树勇, 宋书芳, 李兰欣, 等. 智能电网技术综述J. 电网技术, 2009, 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