光伏產業智能配電電能質量綜合管理系統

南京亞派軟件技術有限公司的研究人員晏祥彪、劉淮濤等，在2014年《電氣技術》雜志增刊上撰文，針對光伏產業的配電網實際情況及用能特點，亞派研發了獨具特色的智能配電電能質量綜合管理系統，能夠從配電網絡的電能質量治理、電能消耗和加工工藝數據的管理等方面來幫助客戶進行繼續的工藝改進，完成PDCA循環，不斷地追求硅材料加工質量和能源使用效率的極致。

我國光伏產業近幾年來經歷了緩慢、快速、爆發、調整的發展過程，產業規模不斷張大，無論在核心技術、產品制造、設備，還是在市場開發、安裝與服務等方面，都具有了一定自主知識產權的產業鏈，有些已達到國際領先水平，在國際市場上占有舉足輕重的地位。2010年，在海外上市的16家光伏企業中，在全球光伏電池包件及多晶硅產量前10強中，我國分別占了4家。

然而光伏制造業戴高污染、高能耗的雙高帽子艱難前行，經過幾年的艱苦努力，不斷地進行節能工藝的改進，繼續降低成本，2013年國內多晶硅綜合能耗水平已從2009年的200-300kwh/kg下降到130-150kwh/kg，還原電耗也從120kwh/kg下降至60kwh/kg，下降幅度達50%以上，其中先進企業的綜合電耗已降至70kwh/kg以下，還原電耗已下降至45kwh/kg以下。

統計數據顯示，在光伏多晶硅的加工工藝中均勻電能消耗約占總能源的40%，均勻電能成本約占總成本的30%。繼續的工藝改進成為節能降耗，降低成本的緊要途徑。

目前這一過程已經進入精細化的階段，需要通過信息化管理系統對配電網及各個工藝設備在不同的電能質量條件、不同加工階段、不同加工工序下的能耗進行監測、分解、對比，從而更加有效的進行配電網電能質量的治理和節能潛力的挖掘。

針對光伏產業的配電網實際情況及用能特點，亞派研發了獨具特色的智能配電電能質量綜合管理系統，能夠從配電網絡的電能質量治理、電能消耗和加工工藝數據的管理等方面來幫助客戶進行繼續的工藝改進，完成PDCA循環，不斷地追求硅材料加工質量和能源使用效率的極致。

1、智能配電電能質量綜合管理系統

1.1系統概述

亞派智能配電電能質量綜合管理系統（A-EMS9000）實時監測企業的配網電能質量狀況和水、電、氣、熱等能源消耗數據及相關機電設備的運行狀態數據，分解當前配網電能質量及能耗狀況，有效統一控制各電能質量設備進行協調工作，確保配網安全穩定運行，同時，有效分析能耗指標，推進企業綠色節能運行活動深入開展。

在構建智能配電電能質量綜合管理平臺的過程中，A-EMS9000系統一方面確保整個配網安全穩定高效運行，另一方面通過信息化管理手段對工廠內各機電設備及各個工藝設備在不同階段不同工序下的能耗進行監測、分解、對比來挖掘整個工廠用配電系統的節能潛力。

本系統具有拓撲結構靈活、傳輸介質和方式多樣、傳輸速度快，抗干擾能力強等優勢，采用大部分工業產品通用接口標準，可實現產品的互換性，方便后期網絡拓展和維護。系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統拓結構

1.2系統組成

A-EMS9000系統主要蘊含以下子系統：配電安全與電能監測（A-PQMS）、專家診斷分解系統（A-EAS）、設備管理系統（A-DMS）和信息發布系統（A-IPS）。此外，本平臺可靈活進行第三方系統集成。本系統組成示意圖見框圖2。

對于有特殊需求的場合，亞派可以為客戶量身定制一套節能增效整體提處理方案——定制化能效管控系統。

圖2 系統組成部分

1.2光伏產業智能配電電能質量綜合管理處理方案

光伏產業智能配電電能質量綜合管理處理方案主要蘊含配電安全和電能監測、設備工藝數據管理、信息發布等幾個方面。

2.1配電安全和電能監測方案

2.1.1方案概述

光伏行業的大部分加工設備是整流負載等設備。隨著先進電力電子技術設備的廣泛使用，盡管加工效率有了分明提高，但同時配電網的電能質量卻遭到了嚴重污染，惡性循環下又會影響電網的安全、設備的正常運行以及產品質量等問題。

而配電網的電能質量關系到硅材料加工的安全，常見的配電電能質量問題有欠電壓，瞬時過電壓，電壓的波動和閃變，諧波電壓電流，諧振等，常用的辦法是安裝電能質量治理設備，如動態無功補償設備，靜止無功發生器SVG，有源電力濾波器APF等，但是很少有人從全配網角度系統性的考慮電能質量和加工安全等問題，這就容易出現過配置，造成資源浪費；或者欠配置，出現電能質量問題造成加工設備的損壞，影響正常的加工卻找不到原由。

此外，多種或者多個治理設備之間沒有中央聚集調度控制平臺，缺乏協調性，容易相互干擾，導致局部或整個配網的癱瘓，最終是花費大量的投資，卻沒有達到預期的效果。

亞派智能配電電能質量綜合管理系統（A-PQMS）能夠實時地測試配電網的電能質量參數，及時地發現問題并預警電能質量事件的發生，如圖3所示統一調度SVG、APF、SRC等電能質量設備，有機結合進行全配電網電能質量問題治理，而不是單個設備獨立運行，從而達到最佳治理效果。

圖3 A-PQMS系統調度各電能質量設備示意圖

無功補償的協同控制策略，在滿足功率因數要求的情況下，依據諧波含量來投切無功補償設備的不同支路，如在5次諧波高峰期切除5次支路；或者對有源濾波設備的容量進行實時的分配，以保護無功補償支路的諧波容量進行諧波補償，而不是依據諧波大小無目的的普惠式補償。

A-PQMS能夠實現各個拉直爐能耗數據遠程實時采集、傳輸、動態監測拉直爐的電能質量參數（示意圖如圖4所示），實現分項分類分戶計量、產線能耗定額和指標考核評比、能效分解評估、歷史能耗趨勢分解等。

圖4 智能配電電能質量綜合管理示意圖

能源使用可視化管理、配網運行管理、設備運行控制、節能目標預測與控制、用能優化策略和能源管理決策支持，從而可提高能源管理運營質量，最終實現全網設備安全化、信息化、系統化、智能化管理，使得整個配電網安全穩定、節能運行。

2.1.2客戶價值

1）聚集管控電能質量設備，確保配網安全穩定運行。

2）可以按照一個加工周期進行統計分解，也可以按照工藝標準電能曲線進行分解，分解每臺加工設備的累計能耗及均勻能耗等水平。對于設備能耗超標的予以報警（給出超標可能的原由，如設備老化或其它異常情況等），提示管理人員及時解決。

3）按照工廠的功能區域、加工線等分類辦法，將工廠內需進行獨立管理的區域進行劃分，為能耗分解評估提供對象范圍；按照能耗類別的分類辦法，管理各區域下能耗信息采集裝置，為能耗統計提供計算根據。

4）通過能耗基礎數據的分解，可以幫助管理者找出能耗問題所在，為下一步的節能改造提供科學的根據。

5）知道能源消耗的明細，幫助管理者實現能源的合理分配與優化。

6）知道各分戶單位的用能情況，促使企業能源管理制度的建立，推動節能工作的開展，將筆直萌生經濟效益。

2.2設備工藝數據管理方案

2.2.1方案概述

長江證券分解報告顯示，光伏產業通過工藝設備的技術改進和規模化加工，目前的加工成本已經接近世界的最高水平,如圖5所示。

圖5 光伏產業加工成本對比圖

以某大型光伏廠商為例，在工藝技術上，自主設計熱場并委托制造的直拉單晶爐及相關輔助設備，單位MW直拉晶體生長投資較目前國內同行業下降了33%以上，加工效率提高了60%以上，加工成本降低了25%以上。

我們認為整個產業的通過工藝技術和規模擴張繼續降低成本，提升效率已經進入精細管理的關鍵階段--向管理要效益，使用信息化的管理系統增強設備及工藝技術管理，實現自動化，智能化，控制跑、冒、滴、漏的現象，以及調整、優化設備和工藝數據管理,保證產品品質的情況下提升系統實際產量。

信息化的管理系統帶來的好處主要體今朝兩個方面，一，實現技術和管理模式的拷貝，降低新加工線的建設成本；二、有效的降低人員成本。

目前，光伏加工工藝設備技術先進，更新換代快，加工過程中需要維護大量的工藝數據，譬如設備的采購時間、安裝時間、啟用時間、主要的設備性能參數、運行的環境參數、運行的電網參數、實時功耗、功耗的歷史趨勢圖、故障和告警記錄、維護與檢修記錄、工序記錄、使用班組、實際產能等等。如果依賴傳統的設備管理手段，譬如人工記錄等方式，那將是一個很龐大的工作量，同時還會存在人為因素導致數據記錄或分解存在較大誤差。

而運用先進的計算機技術、通訊技術與大數據分解技術，對工廠工藝設備及機電設備的使用情況、維修與保養情況、各種技術參數和檔案、各種測試數據進行跟蹤管理，可以使各級技術管理人員可隨時掌握工藝設備與機電設備的運用情況，便于增強設備的科學管理，提高設備的完好率和利用率，減小故障率，降低維修成本，確保企業加工生活的正常運行。

亞派設備工藝數據管理系統（A-DMS）依據光伏企業加工出產設備特點，使用先進的計算機技術、通訊技術與大數據分解技術，實現對工藝設備數據的智能化管理，降低對技術管理人員的要求，節約維護成本。

工藝數據管理系統能夠實現加工過程的全工序、全工藝的信息化管理，做到每一個產品的全過程可控、可追溯，是產品品質全生命周期管理的緊要途徑。同時，系統能夠改變加工過程的管理模式，因為加工管理中人的因素是最不確定的，也越來越成為主要的成本項，從依賴技術人員來管理加工線，轉變為公司加工的核心模式指揮技術人員，將技術人員變成指令的操作人員，容易形成公司的自主知識產權，可復制性強。

2.2.2客戶價值

通過使用A-DMS系統，用戶可以輕松獲得以下收益：

1）工藝數據的信息化管理，降低對操作人員的要求，實現系統數據的自動錄入，保存，查詢，報表，歷史記錄等功能，提供設備分解以及節能挖潛的基礎數據。

2）各種設備聚集管理，處理加工設備種類多，導致配置和操控風格不一致，對操控人員的技術能力要求高等問題。設備管理系統可以集成對設備的控制操作，降低對人員的技術要求，節約成本，同時有利于產能的擴張。

2.3信息發布方案

2.3.1方案概述

由于光伏材料出產企業加工設備眾多，工藝復雜，范圍較大，這給日常管理人員提出了較高的要求。譬如設備出現故障或報警時要能及時得知并處理，同樣的加工線或同樣產量但不同批次所消耗的能源有多少差別，整個工廠所有能耗情況明細（每一分能耗用到哪里去了）等等。單純依賴傳統的人工統計與監管等方式已經遠遠滿足不了現代信息化、可視化以及實時性等管理方面的要求，亞派針對上述問題，推出了信息發布系統（A-IPS），有效處理上述所有問題。

信息發布系統，運用成熟的信息發布技術，結合配電安全與電能監測系統、設備工藝數據管理系統和專家診斷分解系統，可以向客戶靈活的展示當前工廠的用能情況、各設備的運行狀態及報警事件等，讓相關責任部門及時知道到各自的能耗明細及排名情況，有利于能源管理制度的建設與落實。同時，系統可主動在線或離線發布能耗信息及設備報警信息至相關責任人（手機、郵箱、加工現場看板顯示終端等），及時提醒其作相關解決。

2.3.2客戶價值

1）支持多種信息發布方式，通過授權級別不同，主動發布相關信息至相關管理人員，讓管理人員隨時隨地及時知道到當前能源消耗明細和重點設備的運行狀態、性能參數等信息，做到整體用能及重點設備的科學化、可視化、安全化聚集管控。

加工現場的看板發布終端：LED大屏，液晶電視，PC機、平板電腦等，如圖6所示。

圖6 加工看板發布示意

通過以上各種終端，各相關單位管理人員可實時知道到當前工廠整體及各區域的能耗情況及排名，旨在促使能源管理制度的建設，督促人員規范、合理用能。同時，由于整個平臺數據單位內部可共享，所以方便上級單位或高層管理人員對整個建筑用能預算的統籌分配。此外，對于故障設備及報警信息解決的及時性會有很大的促使提升作用。

2）其他媒體發布。主要有：ftp服務器、手機短信、微信、郵件等，如圖7所示。

圖7 信息媒體發布示意

A-IPS信息發布系統會主動實時向指定的ftp服務器、手機、微信、郵箱等終端推送能耗數據及重點設備狀態等相關信息，用戶可隨心所欲、隨時隨地掌握整體用能情況及重點設備狀態，通過對各加工線及區域用能數據公示、排名及相關報警信息的及時提醒，一方面可以有效促使能源管理制度的建設而促使人員規范、合理用能，另一方面也可以及時解決重點設備報警或能耗報警等事件，最終達到安全穩定、綠色節能運行的目的。

3、典型案例分解

3.1案例簡介

某大型光伏材料加工出產企業，主要以加工單晶硅、多晶硅為主，加工設備以直拉爐為主。變壓器共計30臺，攜帶直拉爐共計487臺，其中19臺2500KVA變壓器各攜帶19臺直拉爐，共計361臺直拉爐；8臺2000KVA 變壓器各攜帶15臺直拉爐，共計120臺直拉爐；3臺1600KVA 變壓器各攜帶12臺直拉爐，共計36臺直拉爐。每臺變壓器正常工作時，負載率大于85%。項目已投入運行1年左右。

3.2存在的問題或隱患

經與客戶方溝通及現場考察情況來看，存在下列問題：

①部分用電設備常常無故出現故障。經探測，諧波電壓畸變率高達8.5%，諧波電流畸變率高達29%，電能質量情況非常惡劣。

②各工藝環節設備數據采用人工管理。能耗較大，但缺乏科學根據，所以節能無從下手。

③工藝設備故障不能及時維護。

④設備管理缺乏系統的信息化管理方式。

3.3處理方案

依據客戶現場的實際工況，我們從四個方面著手進行處理：

第一，電能質量治理。在各變壓器低壓側配置相應容量的有源電力濾波器，進行諧波聚集治理，使配電網更安全穩定。

第二，電能監測及工藝設備數據管理。實時監測配網電能質量及設備的實時運行參數等數據，自動存儲、分解，可生成相應的報表供管理者隨時調看，作為后續節能管理的科學根據。

第三，信息發布。能夠將設備的緊要參數、能耗或故障等信息及時發送至相關責任人的手機、郵箱或者指定的FTP服務器等終端，讓相關責任人能及時解決相關事宜。

第四，設備聚集統一管理。各設備進行科學聚集調度，使得各設備能夠有機協調工作，在確保配電網安全穩定的前提下，最大程度的提高加工效率及能源的使用效率。

3.4運行效果

諧波治理，通過有源電力濾波器的統一控制，電能質量情況有了很大改善，治理后所有指標均滿足了國標的要求，如圖8所示，從而有效保障了配電網的安全穩定運行。

提高設備的使用效率，通過智能配電電能質量綜合管理系統上線運行，現場工況得到了很大的改善。譬如設備工藝數據的管理，經工藝設備管理軟件系統的排產優化分解，依據整個工藝周期的能耗統計曲線，以單晶硅直拉爐工藝周期為例，如圖9所示，峰值時有功約為156kW,均勻值為93kW，約為峰值功率的60%，根據削峰填谷的原理，協調各設備的運行工序，最終提升了30%左右的配電帶載能力，使得電能的使用效率得到了極大的提高。

4、結語

今年以來，光伏材料出產產業，如多晶硅出產等，已經呈現出回暖復蘇的趨勢，市場的需求量也在逐漸增加，這就促使了產業的新一輪投入發展。光伏產業在如火如荼發展的同時，勢必帶來了另外的一些問題，諸如光伏企業配網電能質量問題，加工各工藝環節能耗問題及加工設備維護及時性等問題。

而智能配電電能質量綜合管理系統，正是從光伏企業的配網安全、電能監測及能效管理等角度，統籌兼顧，不斷幫助客戶提高配電網的安全穩定性及能源使用效率，真正把光伏產業建設成為綠色環保產業，實現全行業健康和可繼續發展。

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