用户侧能量管理系统.docx

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用户侧能量管理系统

用户侧能量管理系统初探

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2013/1/18点击数:

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yaoguisheng@

摘要：

基于国内外知名企业在家庭能量管理系统、楼宇能量管理系统和企业能量管理系统方面的实践，提出了用户侧能量管理系统（u-ems）的概念。

阐述了3类u-ems的具体构架和研究进展，分析了u-ems应具备的主要功能。

最后，探讨了u-ems在近期的实践和发展以及长期发展中需要解决的问题。

0引言

　　用户侧曾被认为是单纯的电能消耗单元。

直到20世纪70年代发生能源危机，西方国家才不再一味追求以装机容量来满足负荷需求，而是通过提高机组的利用效率、削减需求侧负荷来解决供需矛盾。

美国于1978年颁布了《国家节能政策法》，拉开了全球对需求侧管理研究和实践[1]的序幕。

此后，用户侧越来越受到人们的关注。

近几年来，由于用户侧在节能减排以及安全方面的巨大潜力，且技术门槛相对较低，美国、中国、日本等国的知名企业纷纷开展了用户侧的相关研究。

　　microsofthohm服务是微软公司2009年公开的一款家庭能量管理服务[2]。

该服务用于分析消费者和涉及的电网公司的电能数据，探明能源的流向。

同时，microsofthohm还会向消费者和电网公司提出改进建议，帮助二者节省资金。

　　谷歌公司也于2009年推出了一项类似的计划，该计划被称为powermeter[3]。

通过通用的智能量测和能量监测装置获得用户的能量使用信息。

无论何时何地，用户都可以通过powermeter工具查看自己家庭的能量消耗情况。

　　总部位于美国犹他州盐湖城的contro14公司，是一家专业从事家庭自动化控制产品研发、生产和销售的知名企业。

contro14公司实现了对家庭中灯光、音乐、家庭影院、温度以及安防系统的控制[4]，其标准化的有线、无线（zigbee，wi-fi）产品能够使现有的技术集成为一个完整的系统。

松下电工东京本部大楼在节能方面引入新技术，通过建设楼宇能量管理系统[5]（bems），集中计量各终端的电量与能耗，并提出了“整合调控节能”的新思路，充分应用分析支持工具，在海量数据中找出节能的可能性，实现持续节能的目标。

　　企业级电气监控和能量管理系统e3cs的设计方案已经在国内多个钢铁和水泥企业应用[6]，在企业的办公区和生产车间顺利完成了监控设备的组网，安装在生产现场的智能终端通过控制器局域网络总线can-bus组网，顺利实现设备运行状态和能耗的测量、电能调度以及用电安全保护等功能。

本文将与企业有关的这一类能量管理系统称为企业能量管理系统（eems）。

　　由于各公司技术水平和侧重点不同，所以各公司所开发的用户侧系统的具体应用领域也不同。

通过分析可发现，已有的研究主要分为3类，即家庭能量管理系统（hems）、bems和eems。

虽然应用的领域不同，但它们最终的目标是一致的，即建立一个系统来规划和管理用户侧电能的使用，为何不把它们放在一起研究?

　　本文将此类系统称为用户侧能量管理系统（userenergymanagementsystem，U-EMS），即通过调整用户侧的负荷及用户自身配备储能设备的充放电来适应电网负荷和电价变化的自动化系统，以达到节约能源、确保用户用电安全、减少用户电费支出、提高电网稳定性和安全性的目的。

　　1U-EMS及其研究进展从规模上来说，U-EMS可分为HEMS，BEMS和EEMS等。

1.1HEMS及其研究进展

　　HEMS比较适合于居住较分散的用户，此时每户人家都是一个小系统。

其组成如图1所示[7]。

　　采集模块将采集到的用电信息通过有线或者无线方式传至家庭内部主机，并存储到数据库中。

　　主机通过对数据的分析、挖掘，实现对整个系统运行的优化管理，并通过采用优化算法，给出用户节能建议。

比如，在系统负荷高峰期优先保证实时性要求强、耗电量低而又对可靠供电要求高的用电设备的供电，在系统负荷低谷开启热水器、洗碗机和农灌马达等用电设备。

　　用户可通过人机交互界面、手机或个人计算机（pc）远程登录，读取具体用电设备在具体时间段消耗的功率，查看分布式发电装置产生的电力、蓄电池的剩余电量等情况，根据需要进行相关操作。

　　HEMS还可通过有线、无线等传输方式将用电信息传至电力相关部门，方便对用户用电信息进行分析，合理安排电力生产。

当然，用户也可接收电力部门发送的电价等信息，合理安排日常用电。

　　HEMS从家庭自动化网络发展而来，无论在通信方式还是智能程度上，都发生了很大的变化，为用户提供便利的同时也给出了合理的用电建议。

　　在通信方式上，国外对家庭自动化网络已形成x-10，cebus，lonworks，smarthouse等成熟的网络规范[8-11]，但主要以电力线路载波通信为主。

zigbee是一种新型的无线网络技术，解决了有线布线带来的不便，满足了无线联网设备低功耗、低速率的要求，特别是在家用电器等领域有较大的应用前景，而且已经成为一种趋势。

基于ieee802.15.4标准和zigbee的智能家庭能量管理系统（shems），在有效的传感网络的支持下，可以整合各种物理传感信息、控制多种用户家庭设备[12]。

　　在智能程度上，hems与家庭自动化网络相比，有了很大提高。

一方面，hems能够主动提醒用户。

文献[13-16]提出了运用非均匀的传感器网络构成的一个自适应的家庭能量管理系统（ahems），该系统使用非均匀的传感器网络集合，安装适合hems的智能插座，智能插座顾及到了每个家用电器，通过向用户发送多种消费信息，告知用户关于他们的消费方式。

另一方面，hems能够为用户提供合理的建议。

文献[17]将家庭中的电器用电消耗与同类型的电器进行比较，给出节能的建议，用户可以更改电器的使用模式或者根据需要选择更节能的电器取代现有的电器。

　　从目前的发展趋势来看，hems会将家用电器、智能传感器和无线通信技术有机地统一起来。

1.2bems及其研究进展

　　bems网络结构如图2所示。

与hems相似部分不再赘述，只对不同处加以说明。

bems的用电功率数据量比hems大得多，处理这些数据需要专业服务器。

hems的网关只需与主机连接，1个家庭一般只需1个网关即可。

楼宇有所不同，对于居民楼宇，每个楼层每户必须要配置1个网关，方便用户管理;对于商业楼宇，可根据用户管理的区域规模选择网关数量。

网关将接收到的数据通过以太网传送到服务器，存储到数据库。

bems适合于城市居民楼或者办公大厦，方便集中管理。

　　bems比hems的规模大，bems要处理的数据量和楼宇配备的相关用电设备的耗能量也较大。

对于bems来说，一方面对数据处理要采用合适的策略，另一方面可以考虑使用新的节能系统。

　　在数据处理方面，数据量不是很大时，可采用集中分析和计算。

在上海世博园的国家电网企业馆内，楼宇智能用电能量管理系统[18]（s-bems）采用数据集中分析和计算，制定用电控制管理策略，并以远程联动控制方式实现各子系统的运行方案优化及系统间协调运行，以达到最大节能的目的。

　　当数据量较大时，集中计算比较困难。

文献[19]采用多智能体系统分析和计算，它是一种半集中策略决定的过程，适合在bems的用电、加热和制冷能量区域的优化过程中运用，从而提高能量使用效率和降低能源成本。

　　在节能方面，将一些耗电量较大的系统替换为节能系统，比如加热系统、通风系统、制冷以及照明系统。

文献[20]介绍了在地拉那的一个21层楼房进行的试验。

整个楼房替换了新的节能系统后，用电量从每年200kw˙h/m2降到了每年135kw˙h/m2，取得了很好的节能效果。

1.3eems及其研究进展

　　eems的网络结构如图3所示[6]。

与bems相比，eems增加了车间监控部分。

采集模块将采集到的用电信息通过有线或者无线方式传至对应的网关，再通过局域网传至相应的车间监控中心和办公楼监控中心，进行相关数据统计后，再通过以太网传至工厂监控中心的服务器。

管理人员可以通过internet、无线等多种通信网络，查看终端用电设备的运行情况和储能设备的电量，进行相应的操作，如开启或关闭某一用电设备，决定是否用储能设备供电。

　　相对于hems和bems，eems的规模大了很多。

国内的大部分生产企业能量管理都还处于粗放式阶段[21]，随着企业的发展，工业企业对设备控制自动化和智能化的依赖程度越来越高。

对企业来说，一方面要保证安全可靠用电;另一方面通过了解和分析企业全局的能量消耗情况，提出合理的能量利用及改进方案。

　　文献[6]结合智能电网的需求和大型工业企业的能量管理现状，提出e3cs的设计方案，实现的功能主要包含2个方面：

一方面，保障用电设备安全运行和实现对电气监控系统的可靠控制;另一方面，在此基础上实现用电系统经济调度和高效能运行的eems。

　　文献[22]对钢铁厂能量管理系统进行了研究，并应用到了广州钢铁企业集团。

该系统通过采集到的数据结合生产计划，预测电、水和煤的消耗量，估算燃气生产量，减少放散量。

同时，通过量化考核发现工艺缺陷、管理漏洞和技术潜力，及时加以改进和提高。

这样，管理人员可以统筹管理钢铁生产的各个环节，解决了多个信息采集点彼此孤立的局面，起到了节能降耗的效果。

2u-ems的通用架构

　　在第1节介绍的hems，bems和eems这3类u-ems的网络架构（如图1—图3所示）基础上总结归纳，得到了u-ems的通用网络构架，如图4所示。

　　图4中，采集模块负责采集用电设备用电信息;网关接收所负责区域内采集模块发出的信号，通过以太网方式传输数据以实现远程通信，服务器对搜集到的信息进行存储和分析，用户可登录管理界面进行管理、查看和控制。

其中，采集模块可采用有线和无线的方式与网关通信，选用的通信方式不同则所需的采集模块不同，采用的网关也不同。

3u-ems的主要功能模块

　　3类u-ems虽然规模不同，但其功能有共同特点。

其主要功能模块分别为监控模块、通信模块、人机交互模块、采集模块、储能模块和高级功能模块。

采集模块将采集到的用电信息通过有线或者无线的方式传给服务器，服务器结合温度、电价、历史数据等相关信息进行负荷预测和管理并为用户提供优化策略，通过人机交互模块展示给用户。

用户也可以通过通信模块登录服务器进行查看或者操作（登录有权限设置，不同用户级别拥有不同权限）。

3.1监控模块

　　监控模块安装在家庭、楼宇、工厂等用户用电总线处，用来保护用户用电安全、采集用户总的用电信息及进行相关配置与控制。

它可进行功率测量，统计当前用户用电总量，这些数据可用于电费计价。

用户也可根据需要控制供电通断，保护用电安全。

大型工厂用户进户电压可达35kv，小型家庭用户只有220v，根据不同用户用电电压等级的不同，配置用户安全用电范围，一旦超出则自动切断供电。

3.2通信模块

　　通信模块分为内部通信、internet通信、电网通信等模块，可根据用户的不同增减相应的模块。

对于家庭、楼宇、工厂等用户，内部通信模块、internet通信模块和电网通信模块是必须配置的模块，手机通信模块可以根据需要配置。

　　内部通信模块可将采集到的信息通过有线或者无线方式传到服务器。

对于布线简单或存在高电磁污染的用户，采用有线传输方式;对于地势复杂而又不存在高电磁污染的用户可采用组网灵活的zigbee无线通信;当然，也可以根据需要，采用有线和无线结合的方式实现数据传输[13]。

　　internet通信模块可以使用户通过网络登录u-ems服务器查看用电状态，调整用电策略，关闭不必要的用电设备。

　　电网通信模块可将用电信息传至配电调度所，用于分析本区域用户用电情况、特性和模态;也可使电力零售商把实时电价信息传给用户，用户根据电价来规划购电、用电，参与电力市场交易，实现用户与卖电方之间的互动。

3.3人机交互模块

　　人机交互界面主要是为方便用户现场了解各个用电设备的运行状态、用电信息、当前的电价、电能储备量等信息，用户可利用人机交互界面方便地进行相应的操作。

根据需求，人机交互界面甚至可以提供多年的历史数据，方便用户直观地查看与当地平均用电水平的差距。

3.4采集模块

　　采集模块用来采集单个用电设备用电信息以及控制用电设备的运行状态，并进行相关的参数设置。

采集到的用电消耗数据通过有线或者无线方式传到网关，再通过以太网传给服务器。

不同类型的uems视电压等级不同或通信方式不同，其采集模块也有所不同。

　　1）不同电压等级用户的采集模块不同。

对于220v低电压等级用户，使用普通单片机系统即可实现用电信息的采集[7];而对于电压等级相对比较高的35kv/10kv大中型工厂用户来说，普通单片机系统就不能满足要求，需要采用中低压测控保护一体化控制装置，在企业配变所、配电柜及车间或生产线就地分散，实现设备用电保护、电能调节、运行状态和能耗的测量[6]。

　　2）不同通信方式采用的采集模块也不同。

无线方式、有线方式以及无线和有线相结合的方式，都需要配置相应的采集模块。

3.5储能模块

　　储能设备能把太阳能、风能或者用电低谷时的电能及时储存起来，方便用户在断电情况下使用，以维持正常的生产和生活。

储能设备可起到移峰填谷、稳定电力系统运行、提高电能使用效率的作用。

在相关技术支持下，还可向电网供电，移峰填谷的效果会更好。

在已有的储能技术中，飞轮储能清洁无污染、储能效率高，几乎不需要运行维护，适合短时储能和长时储能之间的场合，宜应用于eems;相变储能在建筑节能方面效果显著，国内20世纪90年代中期开始利用这项技术，可用于bems;电化学储能中的钠硫和液流电池均已实现商业化，虽然技术和价格仍需完善和调整，但有望应用于小时到日级别的系统，可用于hems[23]。

3.6高级功能模块

　　u-ems除了具有一般的采集用电信息、控制用电设备开关等基本功能之外，还应具备数据分析、负荷预测的高级功能。

关于家庭、楼宇和工厂的用电优化问题，国内外都在研究。

　　在提高家庭用电效率方面，文献[24]运用层次分析法量化分析了在高峰期用户对于电气设备的选择，用背包问题方法实现用电设备最优的选择。

在楼宇用电优化方面，文献[25]运用多智能体系统控制楼宇的温度、照明和通风设备，并利用粒子群算法设置系统运行的最优点来优化整个控制系统，提高能源利用率的同时保证楼宇环境的舒适度。

在工厂能量分析和管理方面，文献[6]提出的e3cs中的能量分析和管理层会对得到的信息进行企业电网潮流计算、负荷预测和管理、动态无功优化调度、含分布式电源的企业节能调度以及企业能量平衡分析。

4需要解决的问题

　　由于经济的快速发展，电力短缺仍然是制约中国发展的一个急需解决的问题。

在不依赖增加装机容量的前提下，u-ems是解决这一问题的一种有效方法。

然而，这种方法也面临一些问题，大体可以分为2类：

一类是近期实践所遇到的问题，另一类是今后长期发展必然要解决的问题。

4.1近期实践问题

　　hems在实践方面取得了不小的进步，微软公司开发了microsofthomh，谷歌公司开发了powermeter，美国的家庭自动化制造商control4公司推出了ems100，相比之下，ems100更接近真正的能量管理系统，能很好地将能量管理融入到家庭生活中。

但是，这些产品的不足之处就是还未能与电网侧的调度管理系统建立起有效和可靠的连接，所获取的数据仅供用户使用，还不能帮助电网公司做出正确的决策[26]。

　　相比hems，bems和eems虽然也有发展，比如上海世博园开发的s-bems和e3cs应用试验的成功，但基本还处于展示和试验阶段，还存在一些问题：

一是投入成本高，一般用户无法承受;二是用户对于它们的重视程度不够，没有发现其潜力。

可以看出，hems已经具备推广的能力，而bems和eems还需要向实用、经济的方向努力。

4.2长期发展问题

　　从长期发展的角度来看，u-ems的研究与实践必然向着实用和大规模推广的方向发展，但是，由于这一技术的门槛相对较低，各个公司的技术积累和侧重点不同，这就会产生许多问题。

以下是对uems长期发展问题的几点思考：

　　1）用户侧通信网络的建设。

很多公司都在进行相关工作，但是用户内部的通信网络存在各类不同的技术和接口，目前还没有形成统一的标准和规范，使u-ems的普及遇到了障碍。

　　2）用户侧用电信息安全问题。

随着u-ems的普及，势必会产生大量的用户用电数据信息，这些数据详细记录了用户每日、每个时段的用电情况，反映了用户日常的生活情况，也涉及到一些用户的隐私信息，如果不法分子得到这些数据，并利用这些数据进行非法活动，那么用户将会受到不必要的损失。

　　3）双向潮流等问题。

用户侧安装的新能源发电装置所产生的电能可为用户供电，多余电能还可送回电网;而且，电动汽车也可看做移动储能设备，充电时需要增加馈线承载容量，必要时也可为电网提供电能，但这样就会产生双向潮流问题。

分布式发电和电动汽车也会引起负荷曲线变化等问题。

　　长期发展的问题是各类u-ems实现产业化、进行推广需要共同面对的问题。

要想解决这些问题，只依靠科研机构或企业公司抑或政府部门是难以实现的，需要三方共同努力，建立联合机构，才能使u-ems得到推广。

参考文献

[1]conopaskjv.publicserviceobligations：

u.s.experienceandevolution[c]∥licensing/competitioncommitteemeeting，october11-12，2004，tirana，albania.

[2]microsoftc.microsofthohmhelpsconsumerssavemoneyandenergy[eb/ol].[2009-06-24].http：

//

[3]googlepowermeter：

agoogleorgproject[eb/ol].[2011-06-06].http：

//

[4]北京求实世纪科技发展有限公司.control4家庭自动化系统[eb/ol].[2011-06-06]http：

//

[5]张耀东.松下电工东京本部大楼的节能运行[j].电力需求侧管理，2008，10（5）：

71-72.zhangyaodong.energysavingoperationofmatsushitaelectricworkstokyoheadquartersbuilding[j].powerdemandsidemanagement，2008，10（5）：

71-72.

[6]郭创新，周恒俊，秦杰.分布式企业级电气化监控和能量管理系统（e3cs）[j].电力科学与技术学报，2010，25

（1）：

15-20.guochuangxin，zhouhengjun，qinjie.electrificationmonitoringandenergymanagementsystemforlargescaleindustrialenterprises[j].journalofelectricpowerscienceandtechnology，2010，25

（1）：

15-20.

[7]曾祥君，likk，chanwl，等.低电压用户需求侧管理的自动化网络设计[j].电网技术，2002，26（11）：

41-45.zengxiangjun，likk，chanwl，etal.designofautomaticnetworkfordemandsidemanagementoflowvoltageconsumers[j].powersystemtechnology，2002，26（11）：

41-45.

[8]desbonnetj，corcoranpm.systemarchitectureandimplementationofacebus/internetgateway[j].ieeetransonconsumerelectronics，1997，43（4）：

1058-1062.

[9]kellyjc，schoechletd.aresidentialenergymanagementtestusingcebus[j].ieeetransonconsumerelectronics，1992，38（4）：

921-926.

[10]eia-600.81commonapplicationlanguage（cal）specification[s].1998.

[11]shwehdimh，khanaz.apowerlinedatacommunicationinterfaceusingspreadspectrumtechnologyinhomeautomation[j].ieeetransonpowerdelivery，1996，11（3）：

1232-1237.

[12]handaeman，limjaehyun.designandimplementationofsmarthomeenergymanagementsystemsbasedonzigbee[j].ieeetransonconsumerelectronics，2010，56（3）：

1417-1425.

[13]minenoh，katoy，obatak，etal.adaptivehome/buildingenergymanagementsystemusingheterogeneoussensor/actuatornetworks[c]//proceedingsofieeeconsumercommunicationsandnetworkingconference，january9-12，2010，vasvegas，na，usa：

5p.

[14]caol，tianj，workedremotemeterreadingsystembasedonwirelesscommunicationtechnology[c]//proceedingsofieeeinternationalconferenceoninformationacquisition，august20-23，2006，weihai，china：

172-176.

[15]inouem，higumat，itoy，workarchitectureforhomeenergymanagementsystem[j].ieeetransonconsumerelectronics，2003，49（3）：

606-613.

[16]kushiron，suzukis，nakatam，etal.integratedresidentialgatewaycontrollerforhomeenergymanagementsystem[j].ieeetransonconsumerelectronics，2003，49（3）：

629-636.

[17]hanjinsoo，choichangsic，parkwanki，etal.greenhomeenergymanagementsystemthroughcomparisonof