光伏产业智能配电电能质量综合管理系统

南京亚派软件技术有限公司的研究人员晏祥彪、刘淮涛等，在2014年《电气技术》杂志增刊上撰文，针对光伏产业的配电网实际情况及用能特点，亚派研发了独具特色的智能配电电能质量综合管理系统，能够从配电网络的电能质量治理、电能消耗和加工工艺数据的管理等方面来帮助客户进行继续的工艺改进，完成PDCA循环，不断地追求硅材料加工质量和能源使用效率的极致。

我国光伏产业近几年来经历了缓慢、快速、爆发、调整的发展过程，产业规模不断张大，无论在核心技术、产品制造、设备，还是在市场开发、安装与服务等方面，都具有了一定自主知识产权的产业链，有些已达到国际领先水平，在国际市场上占有举足轻重的地位。2010年，在海外上市的16家光伏公司中，在全球光伏电池包件及多晶硅产量前10强中，我国分别占了4家。

然而光伏制造业戴高污染、高能耗的双高帽子艰难前行，经过几年的艰苦努力，不断地进行节能工艺的改进，继续降低成本，2013年国内多晶硅综合能耗水平已从2009年的200-300kwh/kg下降到130-150kwh/kg，还原电耗也从120kwh/kg下降至60kwh/kg，下降幅度达50%以上，其中先进公司的综合电耗已降至70kwh/kg以下，还原电耗已下降至45kwh/kg以下。

统计数据显示，在光伏多晶硅的加工工艺中均匀电能消耗约占总能源的40%，均匀电能成本约占总成本的30%。继续的工艺改进成为节能降耗，降低成本的紧要途径。

目前这一过程已经进入精细化的阶段，要通过信息化管理系统对配电网及各个工艺设备在不同的电能质量条件、不同加工阶段、不同加工工序下的能耗进行监测、分解、比较，从而更加有效的进行配电网电能质量的治理和节能潜力的挖掘。

针对光伏产业的配电网实际情况及用能特点，亚派研发了独具特色的智能配电电能质量综合管理系统，能够从配电网络的电能质量治理、电能消耗和加工工艺数据的管理等方面来帮助客户进行继续的工艺改进，完成PDCA循环，不断地追求硅材料加工质量和能源使用效率的极致。

1、智能配电电能质量综合管理系统

1.1系统概述

亚派智能配电电能质量综合管理系统（A-EMS9000）实时监测公司的配网电能质量状况和水、电、气、热等能源消耗数据及相关机电设备的运行状态数据，分解当前配网电能质量及能耗状况，有效统一控制各电能质量设备进行协调工作，确保配网安全稳定运行，同时，有效分析能耗指标，推进公司绿色节能运行活动深入开展。

在构建智能配电电能质量综合管理平台的过程中，A-EMS9000系统一方面确保整个配网安全稳定高效运行，另一方面通过信息化管理手段对厂内各机电设备及各个工艺设备在不同阶段不同工序下的能耗进行监测、分解、比较来挖掘整个厂用配电系统的节能潜力。

本系统具有拓扑结构灵活、传输介质和方式多样、传输速度快，抗干扰能力强等优势，采用大部分工业产品通用接口标准，可实现产品的互换性，方便后期网络拓展和维护。系统拓扑结构如图1所示。

图1系统拓结构

1.2系统组成

A-EMS9000系统重要蕴含以下子系统：配电安全与电能监测（A-PQMS）、专家诊断分解系统（A-EAS）、设备管理系统（A-DMS）和信息公布系统（A-IPS）。此外，本平台可灵活进行第三方系统集成。本系统组成示意图见框图2。

关于有特殊需求的场合，亚派可以为客户量身定制一套节能增效整体提处理方法——定制化能效管控系统。

图2系统组成部分

1.2光伏产业智能配电电能质量综合管理处理方法

光伏产业智能配电电能质量综合管理处理方法重要蕴含配电安全和电能监测、设备工艺数据管理、信息公布等几个方面。

2.1配电安全和电能监测方法

2.1.1方法概述

光伏行业的大部分加工设备是整流负载等设备。随着先进电力电子技术设备的广泛使用，尽管加工效率有了分明提高，但同时配电网的电能质量却遭到了严重污染，恶性循环下又会影响电网的安全、设备的正常运行以及产品质量等问题。

而配电网的电能质量关系到硅材料加工的安全，常见的配电电能质量问题有欠电压，瞬时过电压，电压的波动和闪变，谐波电压电流，谐振等，常用的办法是安装电能质量治理设备，如动态无功补偿设备，静止无功发生器SVG，有源电力滤波器APF等，但是很少有人从全配网角度系统性的考虑电能质量和加工安全等问题，这就容易出现过配置，造成资源浪费；或者欠配置，出现电能质量问题造成加工设备的损坏，影响正常的加工却找不到原由。

此外，多种或者多个治理设备之间没有中央聚集调度控制平台，缺乏协调性，容易相互干扰，导致局部或整个配网的瘫痪，最终是花费大量的投资，却没有达到预期的效果。

亚派智能配电电能质量综合管理系统（A-PQMS）能够实时地测试配电网的电能质量参数，及时地发现问题并预警电能质量事件的发生，如图3所示统一调度SVG、APF、SRC等电能质量设备，有机结合进行全配电网电能质量问题治理，而不是单个设备独立运行，从而达到最佳治理效果。

图3A-PQMS系统调度各电能质量设备示意图

无功补偿的协同控制策略，在满足功率因数要求的情况下，依据谐波含量来投切无功补偿设备的不同支路，如在5次谐波高峰期切除5次支路；或者对有源滤波设备的容量进行实时的分配，以保护无功补偿支路的谐波容量进行谐波补偿，而不是依据谐波大小无目的的普惠式补偿。

A-PQMS能够实现各个拉直炉能耗数据远程实时采集、传输、动态监测拉直炉的电能质量参数（示意图如图4所示），实现分项分类分户计量、产线能耗定额和指标考核评比、能效分解评估、历史能耗趋势分解等。

图4智能配电电能质量综合管理示意图

能源使用可视化管理、配网运行管理、设备运行控制、节能目标预测与控制、用能优化策略和能源管理决策支持，从而可提高能源管理运营质量，最终实现全网设备安全化、信息化、系统化、智能化管理，使得整个配电网安全稳定、节能运行。

2.1.2客户价值

1）聚集管控电能质量设备，确保配网安全稳定运行。

2）可以按照一个加工周期进行统计分解，也可以按照工艺标准电能曲线进行分解，分解每台加工设备的累计能耗及均匀能耗等水平。关于设备能耗超标的予以报警（给出超标可能的原由，如设备老化或其它异常情况等），提示管理人员及时解决。

3）按照厂的功能区域、加工线等分类办法，将厂内需进行独立管理的区域进行划分，为能耗分解评估供应对象范围；按照能耗类别的分类办法，管理各区域下能耗信息采集装置，为能耗统计供应计算根据。

4）通过能耗基础数据的分解，可以帮助管理者找出能耗问题所在，为下一步的节能改造供应科学的根据。

5）了解能源消耗的明细，帮助管理者实现能源的合理分配与优化。

6）了解各分户单位的用能情况，促使公司能源管理制度的建立，推动节能工作的开展，将笔直萌生经济效益。

2.2设备工艺数据管理方法

2.2.1方法概述

长江证券分解报告显示，光伏产业通过工艺设备的技术改进和规模化加工，目前的加工成本已经接近世界的最高水平,如图5所示。

图5光伏产业加工成本比较图

以某大型光伏厂商为例，在工艺技术上，自主设计热场并委托制造的直拉单晶炉及相关辅助设备，单位MW直拉晶体生长投资较目前国内同行业下降了33%以上，加工效率提高了60%以上，加工成本降低了25%以上。

我们认为整个产业的通过工艺技术和规模扩张继续降低成本，提升效率已经进入精细管理的关键阶段--向管理要效益，使用信息化的管理系统增强设备及工艺技术管理，实现自动化，智能化，控制跑、冒、滴、漏的现象，以及调整、优化设备和工艺数据管理,保证产品品质的情况下提升系统实际产量。

信息化的管理系统带来的好处重要体今朝两个方面，一，实现技术和管理模式的拷贝，降低新加工线的建设成本；二、有效的降低人员成本。

目前，光伏加工工艺设备技术先进，更新换代快，加工过程中要维护大量的工艺数据，譬如设备的采购时间、安装时间、启用时间、重要的设备性能参数、运行的环境参数、运行的电网参数、实时功耗、功耗的历史趋势图、故障和告警记录、维护与检修记录、工序记录、使用班组、实际产量等等。假如依赖传统的设备管理手段，譬如人工记录等方式，那将是一个很庞大的工作量，同时还会存在人为因素导致数据记录或分解存在较大误差。

而运用先进的计算机技术、通讯技术与大数据分解技术，对厂工艺设备及机电设备的使用情况、维修与保养情况、各种技术参数和档案、各种测试数据进行跟踪管理，可以使各级技术管理人员可随时掌握工艺设备与机电设备的运用情况，便于增强设备的科学管理，提高设备的完好率和利用率，减小故障率，降低维修成本，确保公司加工生活的正常运行。

亚派设备工艺数据管理系统（A-DMS）依据光伏公司加工出产设备特点，使用先进的计算机技术、通讯技术与大数据分解技术，实现对工艺设备数据的智能化管理，降低对技术管理人员的要求，节约维护成本。

工艺数据管理系统能够实现加工过程的全工序、全工艺的信息化管理，做到每一个产品的全过程可控、可追溯，是产品品质全生命周期管理的紧要途径。同时，系统能够改变加工过程的管理模式，因为加工管理中人的因素是最不确定的，也越来越成为重要的成本项，从依赖技术人员来管理加工线，转变为公司加工的核心模式指挥技术人员，将技术人员变成指令的操作人员，容易形成公司的自主知识产权，可复制性强。

2.2.2客户价值

通过使用A-DMS系统，用户可以轻松获得以下收益：

1）工艺数据的信息化管理，降低对操作人员的要求，实现系统数据的自动录入，保存，查询，报表，历史记录等功能，供应设备分解以及节能挖潜的基础数据。

2）各种设备聚集管理，处理加工设备种类多，导致配置和操控风格不一致，对操控人员的技术能力要求高等问题。设备管理系统可以集成对设备的控制操作，降低对人员的技术要求，节约成本，同时有利于产量的扩张。

2.3信息公布方法

2.3.1方法概述

由于光伏材料出产公司加工设备众多，工艺复杂，范围较大，这给日常管理人员提出了较高的要求。譬如设备出现故障或报警时要能及时得知并处理，同样的加工线或同样产量但不同批次所消耗的能源有多少差别，整个厂所有能耗情况明细（每一分能耗用到哪里去了）等等。单纯依赖传统的人工统计与监管等方式已经远远满足不了现代信息化、可视化以及实时性等管理方面的要求，亚派针对上述问题，推出了信息公布系统（A-IPS），有效处理上述所有问题。

信息公布系统，运用成熟的信息公布技术，结合配电安全与电能监测系统、设备工艺数据管理系统和专家诊断分解系统，可以向客户灵活的展示当前厂的用能情况、各设备的运行状态及报警事件等，让相关责任部门及时了解到各自的能耗明细及排名情况，有利于能源管理制度的建设与落实。同时，系统可主动在线或离线公布能耗信息及设备报警信息至相关责任人（手机、邮箱、加工现场看板显示终端等），及时提醒其作相关解决。

2.3.2客户价值

1）支持多种信息公布方式，通过授权级别不同，主动公布相关信息至相关管理人员，让管理人员随时随地及时了解到当前能源消耗明细和重点设备的运行状态、性能参数等信息，做到整体用能及重点设备的科学化、可视化、安全化聚集管控。

加工现场的看板公布终端：LED大屏，液晶电视，PC机、平板电脑等，如图6所示。

图6加工看板公布示意

通过以上各种终端，各相关单位管理人员可实时了解到当前厂整体及各区域的能耗情况及排名，旨在促使能源管理制度的建设，督促人员规范、合理用能。同时，由于整个平台数据单位内部可共享，所以方便上级单位或高层管理人员对整个建筑用能预算的统筹分配。此外，关于故障设备及报警信息解决的及时性会有很大的促使提升用途。

2）其他媒体公布。重要有：ftp服务器、手机短信、微信、邮件等，如图7所示。

图7信息媒体公布示意

A-IPS信息公布系统会主动实时向指定的ftp服务器、手机、微信、邮箱等终端推送能耗数据及重点设备状态等相关信息，用户可随心所欲、随时随地掌握整体用能情况及重点设备状态，通过对各加工线及区域用能数据公示、排名及相关报警信息的及时提醒，一方面可以有效促使能源管理制度的建设而促使人员规范、合理用能，另一方面也可以及时解决重点设备报警或能耗报警等事件，最终达到安全稳定、绿色节能运行的目的。

3、典型案例分解

3.1案例简介

某大型光伏材料加工出产公司，重要以加工单晶硅、多晶硅为主，加工设备以直拉炉为主。变压器共计30台，携带直拉炉共计487台，其中19台2500KVA变压器各携带19台直拉炉，共计361台直拉炉；8台2000KVA变压器各携带15台直拉炉，共计120台直拉炉；3台1600KVA变压器各携带12台直拉炉，共计36台直拉炉。每台变压器正常工作时，负载率大于85%。项目已投入运行1年左右。

3.2存在的问题或隐患

经与客户方沟通及现场考察情况来看，存在下列问题：

①部分用电设备常常无故出现故障。经探测，谐波电压畸变率高达8.5%，谐波电流畸变率高达29%，电能质量情况非常恶劣。

②各工艺环节设备数据采用人工管理。能耗较大，但缺乏科学根据，所以节能无从下手。

③工艺设备故障不能及时维护。

④设备管理缺乏系统的信息化管理方式。

3.3处理方法

依据客户现场的实际工况，我们从四个方面着手进行处理：

第一，电能质量治理。在各变压器低压侧配置相应容量的有源电力滤波器，进行谐波聚集治理，使配电网更安全稳定。

第二，电能监测及工艺设备数据管理。实时监测配网电能质量及设备的实时运行参数等数据，自动存储、分解，可生成相应的报表供管理者随时调看，作为后续节能管理的科学根据。

第三，信息公布。能够将设备的紧要参数、能耗或故障等信息及时发送至相关责任人的手机、邮箱或者指定的FTP服务器等终端，让相关责任人能及时解决相关事宜。

第四，设备聚集统一管理。各设备进行科学聚集调度，使得各设备能够有机协调工作，在确保配电网安全稳定的前提下，最大程度的提高加工效率及能源的使用效率。

3.4运行效果

谐波治理，通过有源电力滤波器的统一控制，电能质量情况有了很大改善，治理后所有指标均满足了国标的要求，如图8所示，从而有效保障了配电网的安全稳定运行。

提高设备的使用效率，通过智能配电电能质量综合管理系统上线运行，现场工况得到了很大的改善。譬如设备工艺数据的管理，经工艺设备管理软件系统的排产优化分解，依据整个工艺周期的能耗统计曲线，以单晶硅直拉炉工艺周期为例，如图9所示，峰值时有功约为156kW,均匀值为93kW，约为峰值功率的60%，根据削峰填谷的原理，协调各设备的运行工序，最终提升了30%左右的配电带载能力，使得电能的使用效率得到了极大的提高。

4、结语

今年以来，光伏材料出产产业，如多晶硅出产等，已经呈现出回暖复苏的趋势，市场的需求量也在逐渐新增，这就促使了产业的新一轮投入发展。光伏产业在如火如荼发展的同时，势必带来了另外的一些问题，诸如光伏公司配网电能质量问题，加工各工艺环节能耗问题及加工设备维护及时性等问题。

而智能配电电能质量综合管理系统，正是从光伏公司的配网安全、电能监测及能效管理等角度，统筹兼顾，不断帮助客户提高配电网的安全稳定性及能源使用效率，真正把光伏产业建设成为绿色环保产业，实现全行业健康和可继续发展。