微网电机系统能效监控技术研究

冯东升， 陈伟华， 张金辉

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

微网是指多个分布式电源或局部电网及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。利用一次能源，使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控，可冷、热、电三联供，同时配有储能装置，并使用电力电子装置进行能量调节。微网电机系统能效监控构建的是集能效检测、能效分析、费用计量、能源调度管理和节能装置控制于一体的网络系统，实现对电机系统的综合节能运行智能化控制，及最低折合排碳量能源调度，使整个微网系统或局域范围内节能减排效果达到最佳、折算排碳量最低。它能满足从更广范围、更高层面为用户提供节能减排装置。因此，实施的效果是局域微网整体节能。

1 能效监测微网系统建立的重要性和迫切性

电机系统是节能减排的重要领域，高性能的电机系统能效监控、管理系统是确保节能效果的重要手段。

电机系统的应用范围十分广泛，其用电量约占工业系统总用电量的75%，占全国总发电量的50%以上，是当今国际高度关注和重点研究的领域，也是我国“十一五”乃至“十二五”期间实施节能减排既定国策的重点关注领域。

面对电机系统节能的巨大潜力和迫切的市场需求，发达国家政府和国际组织都已大力推动，国际领先企业已投入了大量人力、物力、财力，在电机系统节能技术研究和产品的推广应用方面取得了突破性进展。因此，我国急需开展相关技术研究和产品开发，否则国内中、高端电机系统节能市场将丧失殆尽。

目前，我国在系统能效检测分析技术、系统节能减排整体解决方案及管理技术、节能效果和性价比达到最佳匹配的系统节能技术等方面还处于空白，节能项目的实施主要以个别设备的节能为目标，缺乏整体节能改造和运行管理的技术手段。现有电机系统节能工程实施中存在着一系列问题，如:对任何负载都使用通用的高效电机和高效水泵、风机、空压机组合;或采用加装变频器的做法;或采用电机和控制器分别设计、制造，高效产品的简单组合等。现有电机系统节能工程缺乏系统能效检测技术和装备、节能减排整体解决方案专家系统、能效综合调度、控制等有效手段，以及减少碳排放量的管理系统等。造成系统节能效果不佳、节能成本大大增加，碳排放量居高不下，致使我国电机系统节能工程实施进展缓慢。

统计数据表明:发达国家的电机的运行效率比我国高3% ～5%，系统运行效率要高25% ～30%。以2008年全年电机系统耗电计算，若改造现有电机系统的一半，使之平均提高运行效率25%，则可节约用电2 575亿kWh/年以上，折合标煤1.04亿t以上，相当于三峡2008年发电总量的2倍，既可节约电能，又可节约建电站的投资和相应配套设施的投资，还大大减少了CO2等有害气体的排放。

鉴于此，电机系统能效监测微网系统的研究已显得十分迫切和必要，这是一个集能效实时检测、分析、控制策略为一体的综合节能减排研究。研究中从综合节能、降低运营成本的角度提供更广范围、更高层面的局域微网整体节能解决方案，是充分考虑到综合能效监测管理的网络运行和控制策略，是节能控制改造实施从微观到宏观控制的新阶段。

随着国家相关节能政策的实施，对电机系统整个微网或局域范围内的能效监控管理产品显得更加重要，市场需求更加紧迫。因此，本研究的开展对提高电机及系统能源利用率，节约能源、保护环境、实现我国工业领域的快速可持续发展具有非常重要的意义。

2 电机系统能效监测微网系统

电机系统能效监测微网系统主要涉及电量、非电量数据检测装置的研究，节能减排整体解决方案专家系统的建立，能效检测分析、管理控制系统的研究。所有设备网络运行，结合具有检测数据分析、控制策略选择、能源调度等功能的控制平台，实现局域微网范围内综合排碳量最低的节能目标，图1为电机系统能效监测微网的构成。

2.1 能效检测装置的研究

图1 电机系统能效检测微网系统构成

研究电量、非电量数据的检测装置，通过能效检测、分析，得到整个微网系统或局域范围内的所有设备的实时能效情况。

2.1.1 电能参数检测装置

电能参数采集装置主要实现电能参数的实时、智能采集和处理;满足电能输入计量和各级设备实际消耗量计量;并通过网络传输至中央控制器，计算得到耗能参数;实现对能源传输、变换等设备的效率实时检测监控，提供给综合能效管理系统能效检测数据作为控制依据。

2.1.2 非电量数据检测装置

电机系统运行中非电量如:热、冷、转速、压力、转矩、流量等能量的检测是系统能效检测的关键，通过对这些非电量参数的检测，将可得到实际生产中需求的能量。装置是完成非电量数据智能实时采集和处理的采集装置，并通过网络传输至中央控制器，计算得到能源利用参数。

由于电量、非电量的检测主要是为了体现系统的整体用能情况，因此检测设备的精度不必很高，数据采集周期约为5 s即可。

2.2 能效检测分析、管理控制系统的研究

为保证节能减排装置运行的综合最佳效果，开发了能效检测分析、管理控制系统，根据能效检测装置的实时监测数据，以及建立的节能减排装置数学模型，形成节能减排解决方案计算专家库，并采用全寿命周期成本分析法，选择全寿命周期成本最低的节能方案及产品;计算各装置和整个系统的能效情况，根据模拟运行结果，以整个微网或局域综合能效最高为目标进行节能装置运行综合管理控制;对于多能源输入系统，软件能根据能源的折算排碳量和能源的最大供应量，实现最低折算排碳量调度管理控制。

能效分析、管理控制系统实现以下功能:

(1)检测数据进行采集、存储与汇总分析;

(2)根据检测数据，通过专家系统，提供微网节能工程实施方案;

(3)实现用能实时检测、能效分析;

(4)实现微网内能源运行管理和运行控制;实现能源费用计量计算及费用报表形成。

总之，整个系统是通过网络技术实现的，可达到实时、有效、智能化运营。

3 电机系统微网技术的特色和水平

电机系统能效监测微网技术是处于国内领先地位的节能技术。它集能效检测、分析、综合节能控制、能源调度管理和整体解决方案专家系统为一体，最终建立的监控网络如图2所示，它很好地体现了综合节能控制和最小折算排碳量控制等特点及优势，解决了长期困扰电机系统节能减排领域的技术瓶颈，其主要特色水平如下:

(1)通过全方位的监测和数据汇总，监测局域范围内的综合能耗和能效情况，充分了解整体能效情况。

(2)采用了新的节能理念。全寿命周期成本分析法，充分考虑折算排碳量这一重要指标，提供全寿命周期成本最低的整体节能减排解决方案。

(3)应用了全新的控制策略。局域综合节能控制，通过控制使微网或局域节能效果最佳，达到局域范围内的最佳节能控制目标。

(4)引入了全新的管理方法。最低折算排碳能源调度管理，通过能源调度管理使局域范围内达到最小折算排碳量控制目标。

图2 监控系统网络运行系统图

(5)在节能减排产品的基础上，向用户提供更进一步从综合节能和折算排碳量的角度进行能源调度和节能控制;是结合智能电网技术、节能减排技术、能效管理技术上的综合技术;是全新的节能与减排相结合、综合能效管理和能源调度控制相结合的最新的符合节能减排目标的控制。

4 结语

本研究适用范围大，可广泛应用于制造业、钢铁、石化、纺织工业等各领域的采用电能转化设备的耗能用户，可用于一台设备、一条生产线、一个车间、一个工厂、一栋大楼、一个商务区、一个区域，甚至可用到更大的范围内的整体能效管理和节能控制，拥有十分广泛的用户群体。

本研究是从综合节能和折算排碳量的角度进行能源调度和节能控制的新技术，是结合智能电网技术、节能减排技术、能效管理技术上的综合技术，是综合能效管理和能源调度控制相结合的技术，是最新的、最符合节能减排目标的产品。本研究从能源设备管理、运营调度、全寿命周期成本分析、整体节能等角度全面降低企业生产运营成本、降低局域微网的综合排碳量，具有广阔的市场前景。

［1］郑漳华，艾 芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景［J］.电网技术，2008(16):27-31.

［2］陈珍萍，欧阳名三.基于无线传感网络的电能质量监测系统［J］.低压电器，2011(8):43-46.

［3］上海市能效中心.上海市电机系统节能技术汇编［G］.2010.