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电力需求侧管理及智能电力监控技术在光伏多晶硅产业错峰限电中的应用

2013-11-17 14:16:25 来源：安科瑞王海芹

一、行业用户用电特性分析
光伏产业”是以硅材料的应用开发为产业链条，包括高纯多晶硅原材料生产、生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造等。光伏发电被认为是未来*有发展前景的可再生能源。目前，中国光伏产业集群初步形成，而且在江苏等省已建成全国性乃至全球性的光伏生产基地。
该行业为大规模生产一般采用110kV或220kV供电（且为双路同供方式运行），用电负荷较大，生产性质为三班制连续作业，且不受时段、季节、气候影响。
光伏行业用户设备分类表

类别	主要设备	备注
非生产性负荷	办公照明、电脑传真打印等办公用电器具、分体及中央空调、食堂蒸饭车、鼓风机、厂区道路照明	一般
辅助生产负荷	热能转换站，压缩空气站，循环水站，净化厂房等。	重要
主要生产性负荷	1、硅棒硅锭硅块生产线：全套生产线、铸锭炉、坩埚、生长炉，其他相关设备 2、硅片晶园生产设备：全套生产线、切割设备、清洗设备、检测设备，其他相关设备	重要
安全保障负荷	氯化氢合成炉，三氯氢硅沸腾床加压合成炉，三氯氢硅水解凝胶处理系统，三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统，硅芯炉，节电还原炉，磷检炉，硅棒切断机，腐蚀、清洗、干燥装置，还原尾气干法回收装置；其他包括，热能转换站，压缩空气站，循环水站，净化厂房等。	重要

一、行业用户用电特性分析
“光伏产业”是以硅材料的应用开发为产业链条，包括高纯多晶硅原材料生产，太阳能电池生产生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造等。光伏发电被认为是未来*有发展前景的可再生能源。目前，中国光伏产业集群初步形成，而且在江苏等省已建成全国性乃至全球性的光伏生产基地。
该行业为大规模生产一般采用110kV或220kV供电（且为双路同供方式运行），用电负荷较大，生产性质为三班制连续作业，且不受时段、季节、气候影响。

光伏行业用户设备分类表

类别	主要设备	备注
非生产性负荷	办公照明、电脑传真打印等办公用电器具、分体及中央空调、食堂蒸饭车、鼓风机、厂区道路照明	一般
辅助生产负荷	热能转换站，压缩空气站，循环水站，净化厂房等。	重要
主要生产性负荷	1、硅棒硅锭硅块生产线：全套生产线、铸锭炉、坩埚、生长炉，其他相关设备 2、硅片晶园生产设备：全套生产线、切割设备、清洗设备、检测设备，其他相关设备	重要
安全保障负荷	氯化氢合成炉，三氯氢硅沸腾床加压合成炉，三氯氢硅水解凝胶处理系统，三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统，硅芯炉，节电还原炉，磷检炉，硅棒切断机，腐蚀、清洗、干燥装置，还原尾气干法回收装置；其他包括，热能转换站，压缩空气站，循环水站，净化厂房等。	重要

二、行业用户主要用电设备及错峰限电能力分析
1、光伏行业主要用电设备有铸锭炉、坩埚、生长炉、切割设备等，其中单晶炉避峰响应时间72小时，切片机、剖方机避峰响应时间5～6小时。该行业用电负荷较大且有连续性和重要（高危）性，不适宜参与紧急错峰，可以安排参与阶段性错峰。
2、紧急错峰限电时在不危及安全生产的前提下仅可以快速停用办公照明、电脑传真机、厂区亮化等非生产性用电设备及一定的净化厂房等辅助生产设备，因此紧急错峰能力弱。
3、该行业用户阶段性错峰可以通过安排集中检修、轮休、停生产线等方式开展。
三、行业用户参与错峰限电技术方案
（一）缺口等级IV级参与方案
1. 阶段性错峰：
对非生产性负荷实施节约用电管理，如：办公照明、电脑传真打印等办公用电器具、分体及中央空调、食堂蒸饭车、鼓风机、厂区道路照明等，在各时段减少或停用。
2. 紧急错峰：
立即停用中央空调等可间断运行的非生产性负荷。
（二）缺口等级III级参与方案
1. 阶段性错峰：
对非生产性负荷实施节约用电管理，如：办公照明、电脑传真打印等办公用电器具、分体及中央空调、食堂蒸饭车、鼓风机、厂区道路照明等，在各时段减少或停用。在早峰、腰峰、晚峰时段停水泵、切片机、剖方机等非连续性生产负荷，约占总负荷的40％。
2. 紧急错峰：
立即停用空调系统、办公及照明系统等可间断运行的非生产性负荷。
（三）缺口等级II级参与方案
1. 阶段性错峰：
采用集中生产，集中检修的方式，提前或超额完成计划的生产任务，剩余的工作日安排工人轮休或设备检修以满足避峰要求。
2. 紧急错峰：
立即停用空调系统、办公及照明系统、电炊具、厂区亮化等可间断运行的非生产性负荷。
（四）缺口等级I级参与方案
1. 阶段性错峰：
采用集中生产，集中检修的方式，提前或超额完成计划的生产任务，剩余的工作日安排工人轮休、设备检修或停用部分生产线以满足避峰要求。
2. 紧急错峰：
立即停用空调系统、办公及照明系统、电炊具、厂区亮化等可间断运行的非生产性负荷。
四、行业用户参与错峰限电风险及注意事项
该行业是一个连续性生产行业，属高危行业，突然停电会造成设备损坏和人员伤亡。如需错峰限电，必须提前72小时通知该行业企业停生产线减产或安排集中检修并注意防止以下事故发生：
1. 在多晶硅生产过程中突然失电，特别是输送有毒有害气体和可燃气体设备停止工作，使得系统产生正压，致使向外排放，对环境造成*污染，甚至发生爆炸，在较大范围内对人员造成伤害或致命，后果严重。
2. 循环冷却水泵是在化工生产过程中用来对设备保护的冷却设备，其辅助冷却系统失电后停止工作也将使炉本体损坏，造成设备事故，将直接影响恢复周期，造成重大损失，严重时可能造成火灾和人身伤害。
3. 工艺风机主要功能是为生产线输送化学反应所需物料、空气以及冷却，一旦失电，反应设备内的其他物料比例过高会产生批量产品报废或造成设备损坏甚至造成人员伤害。
4. 消防水泵是易燃易爆的化工企业在生产过程中保持相应压力并正常运转的安保设施，如失电停止运转以面临火灾事故不能及时施救，造成财产损失人员伤亡。
因此，该行业参与错峰不宜采用强制拉电或遥控设备控制限电，应指导企业及早制定有效应急预案，主动配合错峰实施，杜绝恶性事故发生，将损失降到*低。

五、智能电力监控的功能与应用

海润光伏科技股份有限公司是中国*大的晶硅太阳能电池生产企业之一自2004年成立以来，海润光伏立足本业、快速发展，在光伏领域*从事上游的单晶拉棒/多晶铸锭、切方、硅片切割等环节的生产。海润光伏旗下拥有江阴海润太阳能电力有限公司、奥特斯维能源（太仓）有限公司、合肥海润光伏科技有限公司和泗阳瑞泰光伏材料有限公司四家全资子公司以及一家控股子公司江阴鑫辉太阳能有限公司，*从事太阳能电池和太阳能电池组件的生产，至此海润光伏具备了从硅棒（硅锭）→硅片→太阳能电池片→太阳能组件生产的较完整的光伏产业链。海润光伏采用了垂直一体化的生产和服务模式。海润光伏的客户和供应商遍布全球，并与客户建立了良好的业务关系。这种稳定而持续的供应关系，使海润光伏的产品为世界清洁能源事业做出了巨大的贡献。

本项目为泗阳瑞泰光伏材料有限公司多晶铸锭变电所电力监控。根据配电系统管理的要求，需要对多晶铸锭变电所内的高压柜、低压配出线进行电力监控，以保证用电的安全、可靠和高效。
Acrel-3000电能管理系统，充分利用了现代电子技术、计算机技术、网络技术和现场总线技术的*新发展，对变配电系统进行分散数据采集和集中监控管理。对配电系统的二次设备进行组网，通过计算机和通讯网络，将分散的配电所的现场设备连接为一个有机的整体，实现电网运行的远程监控和集中管理。
5.1 系统结构描述
本监控系统主要实现多晶铸锭变电所的20/0.4kV配电系统进行用电监控与电能管理；监控范围为变电所的1A、1C、1E、1F、1M、1N变压器的低压进线柜、联络柜、馈线柜及高压侧仪表、综合保护装置进行远程实时监控和电能管理。该系统总计有141只安科瑞智能仪表,6只温控仪，12台综合保护，分10条总线，低压变电所和高压室离值班室距离不远，直接采用屏蔽双绞线连接至串口服务器，*后通过网线连接到网络交换机上，监控主机通过网络交换机实现总线上仪表与监控主机的数据连通。

5.2网络结构拓扑图
本监控系统采用分层分布式结构，即站控层，通讯层与间隔层；

网络拓扑图

间隔设备层主要为：多功能网络电力仪表、开关量、模拟量采集模块和智能断路器等。这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均采用RS485通讯接口，通过现场MODBUS总线组网通讯，实现数据现场采集。
网络通讯层主要为：通讯服务器，其主要功能为把分散在现场采集装置集中采集，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。
站控管理层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机、报警蜂鸣器等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户。
以上网络仪表均采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线传输，一般都采用二根连线，接线简单方便；通讯接口是半双工通信即通信的双方都可以接收、发送数据但是在同一时刻只能发送或接收数据，数据*高传输速率为10Mbps。
RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰能力增强，总线上允许连接多达32个设备，*大传输距离为1.2km。

5.3系统功能
根据现场对系统需求，安科瑞电气股份有限公司针对性的对该项目系统界面及功能进行了设计，具体显示界面如下：
① 系统主界面

系统主监控画面为高压侧实时画面，主要实时监测高压回路的运行状态，红色代表合闸，绿色代表分闸。在高压系统图中可以直观的看到每路高压进线和出线的运行参数和状态，可以看到变压器出线侧的所有常规电力参数，如：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度及变压器温度。

②系统运行监视和控制
功能有电量遥测主要监测运行设备的电参量，其中包括：线三相电压，电流，功率，功率因数，电能，频率等电参量及配出回路的三相电流；遥信功能实现显示现场设备的运行状态，主要包括：开关的分、合闸运行状态和通讯故障报警；断路器变位时会发出报警信号，提醒用户及时处理故障。

③参数抄表功能
主要对低压各出线回路的电参数进线查询。支持任意时刻电参数查询，具备数据导出和报表打印等功能。该报表查询供变电所内6台变压器出线各低压回路的电参数，主要包括：三相电流、有功功率和有功电度及变压器温度。该报表各回路名称和数据库关联，方便用户修改回路名称。

④遥信和遥测报警功能
主要完成对低压各出线回路的开关运行状态和负载进线监控，对开关变位和负载越限弹出报警界面指示具体的报警位置并声音报警，提醒值班人员及时处理。遥测报警值设置界面可以看到每个监控点的实时值和报警设置值，方便值班人员比对进线设置，负载越限值在相应权限下可自由设置。具备历史查询功能。

实时遥信报警信息

历史遥测报警信息查询

遥测报警值设置界面
⑤通讯状态
主要显示系统的组网结构，系统采用分层分布式结构，同时监测间隔层设备的通信状态。红色表示通讯正常，绿色表示通讯故障。

⑥用电量报表功能
可选择时间段进行查询，支持任意时间段电度累计查询，具备数据导出和报表打印等功能。为值班人员提供了精确可靠的电能报表。该报表各回路名称和数据库关联，方便用户修改回路名称。如下图所示，显示健身中心某段时间内的各配电回路的精确用电量，用户可以直接打印报表，可以以EXCEL格式另存到其他位置。

⑦负荷趋势曲线界面
直观的查看回路的负荷运行情况。查看实时和历史趋势曲线，点击画面相应按钮或菜单项可以完成相应功能的切换；帮助用户进线趋势分析和故障追忆，具备曲线打印功能。为分析整个系统的运行状况提供了直观而方便的软件支持。

5.4运行效果
1、实用性
系统的前端产品和系统软件均有良好的可学习性和可操作性。具备电脑初级操作水平的管理人员，通过简单的培训就能掌握系统的操作要领，达到能完成值班任务的操作水平。
2、安全性
配电网络的系统配置不同于其他的行业，任何一点的疏忽是巨大的安全隐患，这要求系统中的所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时，还应符合中国或国际有关的安全标准，并可在非理想环境下有效工作。强大的实时监控功能和联动功能，充分保证使用者环境的安全性。
3、实时性
项目实施前现场数据主要靠人工抄录，1天2次，各回路时间不统一，可对性差；项目实施后后台实时采集，50mS一次，可比性强。
4、稳定性
综合智能配电系统是一项长期不间断运行的系统，肩负着监测配电网络的运行状况，并具有一定的处理事件的功能，要求系统要有数年以上市场的成功应用经验，拥有相应的客户群和客户服务体系。
5、整体分析
项目实施前各个时段用电量以及各个回路用电横向和竖向无法对比；项目实施后通过曲线分析，峰平谷时段对比明显，便于削峰填谷，而且三相用电的调配相对均衡。
6、可扩展性
系统的设计并不是一层不变的，如今后根据需要将工程扩建、改造、或者与其他系统的兼容、并入等，这要求系统的设计应预留多路与其他系统的通讯接口，当追加变配电子站系统及与上级调度系统，可实现系统扩展。
7、易维护性
综合智能配电系统在运行过程中的维护应尽量做到简单易行。从计算机的配置到系统的配置，前端设备的配置都充分仔细地考虑了系统可靠性，并实施了相应的认证。整个系统的分层管理保证了网络中一旦出现故障，不会因为某部分设备的维护，而停止所有设备的正常运作。
六、主要监控产品
（1）交流侧仪表选ACR330ELH仪表
该表为电能质量分析仪表，主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO（DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约。外形尺寸：120×120mm，开孔尺寸：108×108mm。适用于高压重要回路或低压进线柜。
（2）交流侧仪表选ACR220EL电力仪表
该表主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、*大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：96×96mm，开孔尺寸：88×88mm。适用于低压联络柜、出线柜。
（3）综合保护装置AM5系列
AM 系列保护测控装置集保护、测量、控制于一体，适用于35kV 及以下电压等级的用户终端变电站，可实现用户变电站的全面保护和测控。应用领域覆盖电力、水利、交通、石油、化工、煤炭、冶金等行业。
保护装置采用先进成熟可靠的保护原理和算法，抗干扰性能强，可靠性高，保护实现方式灵活，通讯采用冗余设计。装置具备独立的高精度电流测量回路，16 路开关量采集和10继电器输出，能与Acrel-3000 电能管理软件配合，可以实现无人值班的终端用户变电站配电自动化系统。
适用于线路、母联、10kV 变压器、高压电动机、高压电容器等设备的保护和自动控制功能。
（4）节能产品可选导轨表或APF有源滤波装置
照明箱DDSF1352电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：76×89×74mm，4模数。适用于照明箱的电流、电压测量；单相电能计量。
ARD
DTSF1352导轨式电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于照明箱的三相电能计量。
DTSD1352导轨式电表主要功能：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计、*大需量统计；电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于动力柜。
ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。

七、设备清单

名称		型号、规格	单位	数量		备注
现场设备层
电力仪表		ACR220EL	只	134
电力仪表		ACR330ELH	只	7
综合保护装置		AM5	只	12

站控管理层
工作站主机		IPC610H(3.0GHz/1GB/500GB/6007LV)+键鼠	台	1		研华
工作站主机		Lenovo ThinkCentre	台	1		联想
显示器		L1950WD	台	1		联想
显示器		19W"液晶显示器	台	1		三星
UPS电源		C1K/1KVA	台	1		SANTAK
打印机		HP 1007 A4幅面	台	1		惠普
操作台		钢木结构含一椅	套	1		本地采购
通讯机柜		K2200（2200600600）	套	1		2060800600
光伏发电监测软件		系统组态软件Acrel-3000	套	1		安科瑞
网络通讯层
无线数据采集模块		CM310 GSM Modem	套	1		才茂
工业串口服务器		NPORT5630-8 RS485接口×8	套	11		MOXA
环网交换机		EDS405A	台	11		MOXA
工业开关电源		KDYA-DG75-24	套	11		华力
光伏通讯采集箱			套	10
光端盒含附件		光端盒、尾纤、跳线、法兰	套	11
DI/DO/模拟量		ARTU-Z	套	10		安科瑞
工程材料
通讯线缆	单模4芯光纤		千米	2
通讯线缆	屏蔽双绞线RVVSP 2*0.75		千米	0.2	起帆
通讯线缆	BVR 1.5mm		千米	4
工程辅材	拖线板、转换线、线管、标牌等		套	1
计量箱	每个变电所内配置1台共需4台。		只	4
光纤附件	含熔接、尾纤、法兰、跳线等		套	4
工程施工及调试
通讯线缆铺设			米	2200
综合调试			人/天	25
设备运输费用			项	1
培训费用			项	1