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、电能消耗和生产工艺数据的管理等方面来帮助客户进行持续的工艺改进，完成PDCA循环，不断地追求硅材料生产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，产业规模不断扩大，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家光伏企业中，在全球光伏电池组件及多晶硅产量前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，持续降低成本，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，其中先进企业的综合电耗已降至70kwh/kg以下，还原电耗已下降至45kwh/kg以下。 　　统计数据显示，在光伏多晶硅的生产工艺中平均电能消耗约占总能源的40%，平均电能成本约占总成本的30%。持续的工艺改进成为节能降耗，降低成本的重要途径。 　　目前这一过程已经进入精细化的阶段，需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、不同生产阶段、不同生产工序下的能耗进行监测、分析、对比，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、电能消耗和生产工艺数据的管理等方面来帮助客户进行持续的工艺改进，完成PDCA循环，不断地追求硅材料生产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）实时监测企业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，分析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，有效分解能耗指标，推进企业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工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、分析、对比来挖掘整个工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，抗干扰能力强等优点，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系统主要包含以下子系统：配电安全与电能监测（A-PQMS）、专家诊断分析系统（A-EAS）、设备管理系统（A-DMS）和信息发布系统（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。 　　对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解决方案——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解决方案 　　光伏产业智能配电电能质量综合管理解决方案主要包含配电安全和电能监测、设备工艺数据管理、信息发布等几个方面。 　　2.1配电安全和电能监测方案 　　2.1.1方案概述 　　光伏行业的大部分生产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应用，尽管生产效率有了明显提高，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生产的安全，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，常用的方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生产安全等问题，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生产设备的损坏，影响正常的生产却找不到原因。 　　此外，多种或者多个治理设备之间没有中央集中调度控制平台，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）能够实时地检测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3 A-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，根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，而不是根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、能效分析评估、历史能耗趋势分析等。 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）集中管控电能质量设备，确保配网安全稳定运行。 　　2）可以按照一个生产周期进行统计分析，也可以按照工艺标准电能曲线进行分析，分析每台生产设备的累计能耗及平均能耗等水平。对于设备能耗超标的予以报警（给出超标可能的原因，如设备老化或其它异常情况等），提示管理人员及时处理。 　　3）按照工厂的功能区域、生产线等分类方法，将工厂内需进行独立管理的区域进行划分，为能耗分析评估提供对象范围；按照能耗类别的分类方法，管理各区域下能耗信息采集装置，为能耗统计提供计算依据。 　　4）通过能耗基础数据的分析，可以帮助管理者找出能耗问题所在，为下一步的节能改造提供科学的依据。 　　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，促进企业能源管理制度的建立，推动节能工作的开展，将直接产生经济效益。 　　2.2设备工艺数据管理方案 　　2.2.1方案概述 　　长江证券分析报告显示，光伏产业通过工艺设备的技术改进和规模化生产，目前的生产成本已经接近世界的最高水平,如图5所示。 图5 光伏产业生产成本对比图 　　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，生产效率提高了60%以上，生产成本降低了25%以上。 　　我们认为整个产业的通过工艺技术和规模扩张持续降低成本，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加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主要体现在两个方面，一，实现技术和管理模式的拷贝，降低新生产线的建设成本；二、有效的降低人员成本。 　　目前，光伏生产工艺设备技术先进，更新换代快，生产过程中需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、主要的设备性能参数、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、实际产能等等。如果依靠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析存在较大误差。 　　而运用先进的计算机技术、通讯技术与大数据分析技术，对工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、各种检测数据进行跟踪管理，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，便于加强设备的科学管理，提高设备的完好率和利用率，减小故障率，降低维修成本，确保企业生产生活的正常运行。 　　亚派设备工艺数据管理系统（A-DMS）根据光伏企业生产加工设备特点，应用先进的计算机技术、通讯技术与大数据分析技术，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生产过程的全工序、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重要途径。同时，系统能够改变生产过程的管理模式，因为生产管理中人的因素是最不确定的，也越来越成为主要的成本项，从依靠技术人员来管理生产线，转变为公司生产的核心模式指导技术人员，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 　　通过应用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，提供设备分析以及节能挖潜的基础数据。 　　2）各种设备集中管理，解决生产设备种类多，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，同时有利于产能的扩张。 　　2.3信息发布方案 　　2.3.1方案概述 　　由于光伏材料加工企业生产设备众多，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解决，同样的生产线或同样产量但不同批次所消耗的能源有多少差别，整个工厂所有能耗情况明细（每一分能耗用到哪里去了）等等。单纯依靠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，推出了信息发布系统（A-IPS），有效解决上述所有问题。 　　信息发布系统，运用成熟的信息发布技术，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析系统，可以向客户灵活的展示当前工厂的用能情况、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发布能耗信息及设备报警信息至相关责任人（手机、邮箱、生产现场看板显示终端等），及时提醒其作相关处理。 　　2.3.2客户价值 　　1）支持多种信息发布方式，通过授权级别不同，主动发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、安全化集中管控。 　　生产现场的看板发布终端：LED大屏，液晶电视，PC机、平板电脑等，如图6所示。 图6 生产看板发布示意 　　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工厂整体及各区域的能耗情况及排名，旨在促进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，对于故障设备及报警信息处理的及时性会有很大的促进提升作用。 　　2）其他媒体发布。主要有：ftp服务器、手机短信、微信、邮件等，如图7所示。 图7 信息媒体发布示意 　　A-IPS信息发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，通过对各生产线及区域用能数据公示、排名及相关报警信息的及时提醒，一方面可以有效促进能源管理制度的建设而促进人员规范、合理用能，另一方面也可以及时处理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、典型案例分析 　　3.1案例简介 　　某大型光伏材料生产加工企业，主要以生产单晶硅、多晶硅为主，生产设备以直拉炉为主。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部分用电设备经常无故出现故障。经测试，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，但缺乏科学依据，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解决方案 　　根据客户现场的实际工况，我们从四个方面着手进行解决： 　　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，进行谐波集中治理，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、分析，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依据。 　　第三，信息发布。能够将设备的重要参数、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处理相关事宜。 　　第四，设备集中统一管理。各设备进行科学集中调度，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，最大程度的提高生产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析，根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,平均值为93kW，约为峰值功率的60%，依据“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，光伏材料加工产业，如多晶硅加工等，已经呈现出回暖复苏的趋势，市场的需求量也在逐渐增加，这就促进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，诸如光伏企业配网电能质量问题，生产各工艺环节能耗问题及生产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，正是从光伏企业的配网安全、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持续发展。