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  • 期待智能电网时代

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在智能手机、智能汽车等各种智能工具泛滥的时代,楼宇如何提高竞争力?对于《顾问与规范工程师》杂志的读者而言,楼宇配备楼宇自控系统(BAS),允许楼宇经理准确获悉使楼宇正常运行、为用户提供舒适体验、为业主带来利润所需的各种耗能组件的状况,所以已经达到十分智能的程度这一消息已不是新闻。

从手动调节锅炉和冷水机输出到控制和自动化方面的逐渐进步,从起动控制到模拟电气控制再到现代化直接数字控制,楼宇对内外部环境作出反应的能力已经发展了40余年。下一步是将楼宇集成到迅速发展的智能电网中。智能电网正将上个世纪的国家电网从单向、被动的本地配电系统转变为交互反应的双向配电网络。

智能电网将允许宏观层面的地区发电厂商直接与微观层面的独立商业或住宅楼宇通信。

这种级别的通信会让智能电网了解到需求所在——即使是独立楼宇层面的需求。获悉需要电力的地方以及所需电量允许智能电网实时调节配电。使电力需求与电力生产相匹配的敏捷性有助于最小化发电设施必须倾卸的电量,同时让基荷发电厂保持最低容量运行。

智能电网基础知识

在美国,电网是规模最大、最复杂的公用事业。但令人惊讶的是,其整个电网由无数的本地发电厂商独立开发而成,直到最近才经过联邦政府的重要协调。

1882年,托马斯·爱迪生成立的第一所发电站——珍珠街发电站生产了100-V直流电源,被分配至纽约一个社区的数百盏路灯。然而到19世纪末,主要的电力系统是交流电源,其允许在高压下传输电力,以最大程度减少线路损耗,然后在更安全的较低电压下的使用点逐步降压。美国各地均开发了本地电网,但直到20世纪30年代它们才通过模拟变电站实现了地域性连接。大多数电网的基础设施都得到升级。我们所认为的国家输电网出现于20世纪50年代。美国国家输电网实际上由三条独立、互联的本地输电线路聚集而成,它们是:东部互联系统、西部互联系统和德州互联系统。这些电网中有一部分也与墨西哥和加拿大输电网互联。

电网由三大组件构成:发电站、以110,000 V或以上的交流电压运行的输电网(将不同发电站连接到各自的分布式变电站)以及以33,000 V或以下交流电压运行的本地配电网(请见图2)。电网面临的最大挑战是在需要时从发电厂向本地电力公司输送电力。电力生产是动态过程,随地区和容量不同而变化。类似地,电力使用也是动态过程,随地区和需求不同而变化。

图2: 美国电网连接发电站、输电网和本地配电网。 图片来源: CCJM Engineers

由于输电网几乎没有储存容量,因此由发电厂商、输电网运营商和本地电力公司决定根据用户需求协调生产容量。到20世纪80年代,变电站开始借助模拟开关实现自动化,尽管它们仍受人为干预的控制。到20世纪90年代,变电站自动化升级到受有限的人为干预的数字控制。可再生能源发电厂的发展也推动了自动化改进。不同于化石燃料发电站,可再生能源发电厂对生产电力的时间的控制有限。如果风力发电厂的风停了下来,抑或是夜幕降临或云层密布导致太阳能电池阵达不到发电阈值,电网需能够几乎瞬间作出反应,从其他资源中获取失去的电源。

智能电网提供设计解决方案来解决基础电网存在的这个问题。智能电网实际上来自何处?智能电网实际上是已经存在了70年左右的现有的分布式电网。如同智能手机和我们垂涎的所有其他智能设备一样,令传统电网成为智能电网的秘密武器是交互性。当前电网本质上是对需求变化反应较慢的单向电流,而快速发展的智能电网将能够实时反应电力需求变化并重新匹配电力生产和分配。它还能够对通过离网型可再生能源发电并实时信任微型发电厂商的客户所输入的电力作出反应。尽管这些概念明显简化了过程,但为本文的写作目的提供了必要背景。

对商业楼宇市场的潜在影响

虽然智能电网市场仍处于发展初期,但聪明的业主/经理正在监控趋势,时刻留意降本机遇并计划使其楼宇在将来保持兼容性。电网愈发变得智能化,为楼宇业主/经理带来了更大的技术机遇以实现成本节约。与此同时,更多高级财务工具和法律架构开始朝支持这项技术的方向发展,逐渐为投资智能电网领域打造出更强大的业务案例。只有在经过大量研究之后方可在初期对智能电网做出重大投资,但不熟悉智能电网或不准备与智能电网交互的企业定将在商业楼宇市场中出于竞争劣势的情况指日可待。

日渐熟悉可用技术是第一步。智能电表、BAS和楼宇能源管理系统(BEMS) 是楼宇业主/经理可用于降低内部成本,同时利用外部机遇的基本工具。楼宇被集中控制/监测的程度以及能够与外界交互的程度将决定其从智能电网相关机遇中获益的潜能。例如,了解并能够分离暖通空调(HVAC )系统各主要组件的单独能耗可使您在利用动态电力定价或商谈需求响应(DR)合同时获得更大的灵活性。

目前,最普遍的机会是用在与电力公司签订需求响应合同上。联邦能源管理委员会对“需求响应”的定义是:“最终用户针对电价的实时变化或者设计用于在电力批发市场价格高昂或者系统可靠性遭到损害的时候鼓励减少用电量的奖励机制作出响应,通过改变正常电力消费模式来改变用电量。”必须注意需求响应合同是企业和电力公司之间商定的合同。就这一点而论,它们纯粹可有可无,也旨在成为让用电大户和电力公司从智能电表现可提供的实时信息中共同获益的灵活方式。无论是通过已安装的自动化需求响应(ADR)组件手动或远程操作,这都是双方的达成的合约协议,双方必须在进一步动作前了解期望和效益。

除了需求响应外,业主/经理可带着战略意图运行设备,使用楼宇智能电表从动态电力定价中获益。可设置BAS以限制制冷,例如,当电价达到设定值时限制制冷,或者在电价降低时对空间进行预制冷。这是适当技术(智能电表 + BAS/BEMS)可带来财务效益并证明投资合理性的另一种情景。

此外,智能电表以及高效使用这些电表所需的先进测量基础设施(AMI)尚未达到广泛使用的程度。在充分运行的AIM达到黄金时间前大部分仍处于研发筹备和法规协商阶段。向完全集成的智能电网过渡需要时间,但这只是时间问题,而不是是否会过渡的问题。随着该架构在技术上发展为一种市场概念,将出现更多机遇。楼宇业主现在应让其楼宇做好准备利用即将到来的机遇。

智能电网将如何影响楼宇业主

为了利用智能电网新兴市场出现的快速发展的商业机遇,楼宇业主和经理应确保其楼宇基础设施做好了利用这些机遇的准备。尽管出现了许多与智能电网相关的新兴技术,但大多数不是与发电站相关,就是与输电和配电网络相关。由于本文是面向楼宇业主、经理和设计师编写的,因此文中未介绍这些技术。更确切地说,本文着重于将在独立楼宇的微观层面到相关楼宇的园区实施的新兴技术。功率谱这端的共同主线是在设施中有针对性地测量用电量,严格、有序地配电以及在适用范围内利用本地可再生能源发电。

传统的测量是从电表到用电到本地电力公司最终到发电厂商的单向用电数据流,时间间隔长达数天至数周。在充分运行的智能电网中,智能电表将充当楼宇和本地电力公司以及电网其他两个部分:输电和配电站之间的通信网关。智能电网的目标在于允许电网的所有组成部分——主要的发电厂商、输电厂商和最终用户——对其整个领域的总电力需求作出实时反应。

智能电网将如何影响楼宇运营商和设计师

既然建立了对智能电网最终运行方式的基本了解,也确定了财务奖励机制,就可以探究如何智能地确定使独立楼宇在智能电网中发挥充分潜能所需的功能。没有前述背景信息,不知情的运营商和设计师将被卷入新一轮兜售智能电网集成的热潮——无论是否具有成本和运营效率。

先进测量基础设施: AMI是电力行业术语,指的是包括电子硬件、数据管理软件和本地楼宇智能电表在内的整套基础设施,市场参与者可利用该基础设施安全、高效,最重要的是实时交换用电数据。对于楼宇运营商和设计师而言,可衡量利益和责任的组件是智能电表。

为了让智能电表收集的数据对上游发挥作用,数据必须尽量具有针对性。而为了利用峰值需求节电奖励机制,峰值需求负载必须与其他测量负载分离。这些峰值需求负载包括大功耗暖通空调设备,如冷水机、空气处理器、水泵和冷却塔等。在大型设施和园区设施中,应对这些负载实施进一步分表测量,以便按照楼宇或地区以及运行优先顺序确定用电量。

需要基于运行优先顺序分类的设备包括财务机构中的任务关键型服务器或者大型商业楼宇中重要的生命安全设备,不可不顾电力公司的财务奖励机制出于任何原因移除这些设备。如果它们位于和一般租户空间(在楼宇有人的情况下为配套空间)相同的电力基础设施上,混合系统的全部电力需求将被消除,获得最终的节电奖励。照此而言,楼宇运营商和设计师必须能够将关键系统与非关键和支持系统分开。一般地,对于大多数企业而言,即使是非关键系统因生产效率降低而产生的成本影响与所提供的潜在节电奖励相比也未免过大。正因如此,整个楼宇管理和运营团队必须建立任何DR计划的真实成本与效益,且仅在降低电力需求对总体财务状况产生积极影响时同意削减举措。下定决心采用适合的系统之后,只有这些子系统需要通过AMI被分离和跟踪。

设计和改造配电基础设施: 本地楼宇层面的主要问题是配电基础设施的效力。智能电网的前景是允许楼宇帮助本地电力公司管理峰值电力需求,以作为对财务奖励机制的回报。设施的电气设计师有多种方式可在新建和现有楼宇中实施智能测量基础设施。所有解决方案的共同特点包括电力公司发出中央信号,指示需采取削减举措。这种通信组件通常由电力公司提供,也是实际电表的一部分。楼宇业主可实施的两种综合解决方案中一个更严格,一个更灵活。两者各有利弊。在严格的解决方案中,设计师为其能够基于类似于表1的层级结构主动切断的非紧急、非必要负载的不同电源电路提供智能断路器。尽管这一严格的解决方案对楼宇电力基础设施更具侵略性,导致原始成本更高,但其能够进一步确保削减的负载将满足DR协议的合约要求。

或者,更灵活的解决方案是允许BAS向不同的设备控制器甚至是智能配电柜柜发送信号,以提高设定值温度或者其他参数设定值,从而在暖通空调系统中产生期望的需求降低,选择性地切断特定的照明电路以打造变功率调光系统(最经济实惠),或向照明控制面板发送信号,通过调暗所有或特定的照明灯具或电路来达到期望的照明需求的降低。该解决方案的风险在于基于BAS排序、安全性和改写的复杂性,所实现的降低不一定满足原定的降低目标。以下描述了实施这些可选方案的一般设计原则。

表1: 楼宇电力负载分类和优先顺序示例。 图片来源: CCJM Engineers

对于严格的解决方案,实施智能断路器卸载面临的挑战是重新设计和安装现有配电系统,使其在满足提供需求响应奖励机制的电力公司的需求的规模下达到允许分离非必要电力负载所需的程度。该解决方案是一种平衡手段。在某些情况下,它需要向从混用柜体到位于智能测量非必要馈线上的专用柜体上的馈线重新馈电。在大多数情况下,最具成本效益的解决方案可能是使用与智能测量系统拥有共享通信协议(通常为无线协议)的智能断路器分离非必要负载,不论其供电源。这有助于最大程度侵入楼宇电力基础设施,并允许根据所提供的奖励机制对非必要甚至是非关键负载实现多级控制。

对于新建楼宇,电气设计师、楼宇业主和楼宇运营商必须给特定的目标和关键负载建立层级,以分离楼宇业主在需求响应协议最终协商期间确定的被讨论的负载。对负载进行分类后,电气设计师能够继续执行配电计划,该计划不仅允许原有组件被适当地分离,还可预期不同类别的负载的未来发展。表1提供了负载分类示例和样例负载,我们可能建立这些分类以帮助确定总体配电系统,并针对楼宇未来的扩展和改造提供指导。

灵活的解决方案也需要配电系统获得一定程度的升级。但是,大多数削减措施可通过修改BAS的运行顺序和照明控制器排序来实现。在新建楼宇中,设计师可能选择采用智能配电柜柜和智能断路器来打造混合解决方案,该方案包含定制的BAS运行顺序,旨在分别通过提高和降低冷暖季的温度设定值来降低电力需求,同时直接对特定电源电路实施分流,对于这些电路,分离非必要负载并简单地关闭它们而不是不同程度地减少其容量更具经济意义。

图3: 本单线图显示典型的智能配电柜和断路器的运行方式。 图片来源: CCJM Engineers

大多数小型商业暖通空调设备无法不同程度地降低性能;只能够简单地开启/关闭。对于这些设备,使用智能断路器切断电源或许是最实用的方案。对于高强度放电(HID)照明设备,唯一实用的降低负载计划就是将一部分照明设备分离到可在需要时切断的特定电路中。虽然可使用调光镇流器调暗荧光灯,但购买优质镇流器的成本可能超过任何基于电力的财务奖励或者令投资回报期延长至超出可接受的时间范围。更实用的解决方案是仅仅把一些灯具归入专用电路,可通过照明控制器继电器或智能断路器选择性地切断这些电路,以模拟楼宇住户可接受的、满足生命安全要求和削减要求的变功率解决方案(请见图3)。或者在亮度级必须保持一致的地方,可为灯具配备双重镇流器,以减少特定覆盖范围内每个灯具的部分灯泡。

无线、智能电表和面板/BAS集成,可再生能源资源及电动汽车等技术呼之欲出,将直接影响商业楼宇且值得深入探索。

无线技术: 在《2007年能源独立和安全法案》的要求下,美国国家标准技术局被委以制定智能电网互操作性标准总体规划的任务。在该框架内,IEEE处于制定标准的最前列,以确保智能电网中与电力生产、测量和数据跟踪相关的各种组件的一致性和互操作性。楼宇设计师特别感兴趣的是由IEEE 802 LAN/MAN标准委员会制定的一组专业标准。该委员会管辖的不同工作组正在开发适用于局域网和城域网的协议,这些网络是实现所需的互联及通信,从而确保数据安全、可靠地从楼宇一直传输到作为AMI的一部分的发电厂商的基础。在各种各样的无线协议中,大多数主要的技术供应商使用这项技术而不是蜂窝电话适用的技术。就此而论,不断发展的BAS无线控制领域可能存在互操作性问题。自过去的2012年起,IEEE面向新兴智能电网技术采用了全新的专用无线协议,在商业上被称为wiSUN协议,它是基于IEEE 802.15.4g-2012,即面向局域网和城域网的IEEE标准(第15.4部分)的开源协议。低速率无线个人区域网(LR-WPAN)修订3:低数据速率、无线、智能测量电力网络适用的物理层(PHY)规格,在美国的896-901 MHz, 901-202 MHz, 902–928 MHz, 928-960 MHz, 1427-1518 MHz和2,400–2,483.5 MHz频段内运行。

将BAS与智能电表和配电柜集成: 为实现灵活的节电计划,暖通空调和照明控制系统需能够对智能电网的AMI作出反应。该通信将允许根据运营和生命安全需求选择性地切断被分离的负载或者降低部分目标负载。表1和图3中不同类别的细微差别将需要AMI同时与楼宇层面的智能电表以及合同规定的在ADR计划内的楼宇中的特定耗能设备实现密切通信。

如果对这些系统和层级结构没有扎实的了解,将很有可能滥用和无意识地放松运行控制,通过节电奖励机制作出不成比例的补偿。关于电力公司表面上收购私有住宅和商业地产的许多实例零散地存在于对“需求响应”这一术语的典型的互联网搜索中。几乎每一种情况下都会出现楼宇业主不了解其所签订的协议,也不清楚作为对被欣然接受的财务奖励的回报,电力公司有何期望的情况。

电气和暖通空调设计师应了解旨在为这些系统的通信建立达成一致的协议而利用在AMI领域内开发的技术制定的标准,它将与设施工程领域在智能电表方面产生交集。值得注意的是ASHARAE 201P标准(拟定)——设施智能电网信息模型,目前正与美国电气制造商协会(NEMA)合作开发该标准,旨在统一暖通空调设备、BAS、智能断路器和面板、照明控制及AMI之间的通信。采用该最终标准和IEEE 802.15.4g,将实现对几乎所有耗能设备的离散控制,从而允许不同程度地减少电力消耗,达到ADR协议中商定的节电目标。通过合理地对负载中心分类并建立受控设备与不含或者超出楼体外围的电源之间的通信协议,所有参与方均能毫无意外地获益。

楼宇层面上本地生产的可再生能源: 目前,主要的发电厂商及其附属公司正在开发越来越多的大规模可再生能源生产设施。因为在开发过程中与发电厂商直接互动,所以这些设施被直接连接到电网并通过AMI集成。使用点可再生能源技术,即太阳能光伏和风力发电,开始把楼宇变成微型发电机。这将带来通过净计量电价实现能源套利的机会,同时造成更为复杂的法律现状。充分运行的智能电网的前景还必须包括更加公平、交互性更强的市场,利于发电量不超过10 MW的微型本地可再生能源发电厂商发展。目前,客户可能利用现场的风力或太阳能光伏发电来抵消本地楼宇负载,并将未使用的电力反馈给本地电网,让对方支付电费。电力公司或发电厂商实时获悉该活动,以确定地区总体负载的大小,从而建立针对发电厂商的电力公司层面的返回响应,无论实时负载是否需要额外的发电站资源。同样地,天气预测负载,如预测的热浪、强风事件或类似的气象因素不仅会影响需求,还会影响本地发电量。但是,电力公司目前不清楚独立楼宇层面的具体发电量,除非安装了智能电表。如果不了解这些离散知识,就不可能为个体客户提供有针对性的奖励机制。

IEEE制定了1547标准:它是分布式资源与电力系统互联的标准,旨在帮助将这些小型有机生产商集成到电力公司和发电厂商的整套AMI中所需的技术与过程达到标准化。

电动汽车技术和智能电网: 电动汽车可能成为智能电网中首个广泛分布的储能系统。对楼宇充电/换电站的需求日益增长,这些充电/换电站和其他储能系统将需要被集成到AMI和DR协议当中。为了提高插电式电动汽车(PEV)的互操作性和标准设计,NIST制定了PAP(优先行动计划)11:电气化运输通用对象模型。PAP-11将确保电网能够为预期不断增多的电动汽车提供充电支持并优化充电能力和供应商创新。PAP-11还将支持储能与本地配电网的集成, 这一点在PAP-07中有单独介绍。储能互联指南

即将到来的机遇

新兴智能电网为电网各层面提供巨大的前景,但如果未被正确地了解和使用,也可能造成严重的问题。安置楼宇以利用新兴智能电网必须提供的一切优势时,应考虑本文介绍的独立楼宇业主、运营商和设计师应了解的一些基本技术、发展情况和误区。通过合理设计配电系统并了解业主愿意让与发电厂商和电力公司的运营控制权,智能电网可为楼宇业主提供可观的财务奖励。将楼宇打造得如同电网一样智能的前瞻性业主将收获这些奖励。

智能配电柜l和断路器操作注意事项

1.电力公司层面的智能电表是电力公司和客户之间的网关,且由电力公司提供。根据客户愿意让与电力公司以交换财务奖励的控制等级,网关调制解调器或其他通信设备能够通过客户发起的定向BAS削减措施直接或间接地与配电系统中的其他智能控制器通信。

2. 较低等级的配电柜柜智能控制器由客户提供。

3. 设计师必须确保整个智能电力系统的通信协议可兼容。与电表使用的通信协议协调。

4. 配电层面的配电柜柜通常配备适合本地计算机和/或BAS接口的RS-232和/或干触点。大多数制造商提供多种通道来控制离散的断路器或断路器组,以实现区划或不同程度的可编程控制权。


Sunondo Roy是CCJM Engineers的副总裁。他是一名跨学科工程师,过去25年间从事于教育、商业、航空、工业和机构设施领域。

Joshua Polasky在CCJM Engineers担任经理,专业从事业务流程评估和能源审计工作。

Blake Shanahan是CCJM Engineers的电气工程实习生,在北伊利诺伊大学攻读电气工程学士学位。

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