淺談能效管理平臺(tái)在智慧園區(qū)綜合能源管控一體化技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘 要：智慧園區(qū)是智慧城市的重要組成部分，安全可靠、綠色高效的能源供給與使用是園區(qū)可持續(xù)發(fā)展的基本保障。能源管控一體化技術(shù)通過(guò)一二次設(shè)備融合、配電自動(dòng)化技術(shù)和微網(wǎng)控制技術(shù)融合，形成具有適應(yīng)多源饋入、可自感/自診/自愈、全網(wǎng)優(yōu)化協(xié)調(diào)運(yùn)行的主動(dòng)配電網(wǎng)，保障園區(qū)供電可靠、用電高效；通過(guò)對(duì)多種形式的能源進(jìn)行優(yōu)化配置，將冷、熱、電等能量形式整合在一起，形成能量輸入和輸出的實(shí)時(shí)協(xié)同，制訂多種能源之間的能量互動(dòng)機(jī)制以及相應(yīng)的能量?jī)?yōu)化管理策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全生命周期的*優(yōu)化和能量的增效。

關(guān)健詞：智慧園區(qū)；主動(dòng)配電網(wǎng)；微網(wǎng)；能效。

0前言
隨著國(guó)家新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷深入，作為推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)科技與經(jīng)濟(jì)融合重要載體的智慧園區(qū)建設(shè)成為眾所關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)已建設(shè)了相當(dāng)規(guī)模的各類大中型科技園區(qū)、工業(yè)園區(qū)和居民區(qū)，但是，大多數(shù)園區(qū)的能源供給和使用仍處于比較粗放的狀態(tài)，不能適應(yīng)園區(qū)整體智能化水平提升的需要。一方面，現(xiàn)有園區(qū)缺乏智能化的能源系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)和能量管理手段，難以有效滿足分布式電源、分布式儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車的規(guī)?；尤爰坝脩舻男枨髠?cè)響應(yīng)；另一方面，現(xiàn)有園區(qū)內(nèi)的供用能設(shè)備系統(tǒng)大多按各自專業(yè)獨(dú)立建設(shè)，無(wú)法滿足園區(qū)綜合能效管理的要求。有鑒于此，本文對(duì)智慧園區(qū)綜合能源管控一體化技術(shù)方案進(jìn)行了研究，提岀通過(guò)一二次設(shè)備融合、配電自動(dòng)化技術(shù)、微網(wǎng)控制技術(shù)和能效管理技術(shù)融合，形成適應(yīng)智慧園區(qū)供能和用能需求，支撐其可持續(xù)發(fā)展的綜合能源借控系統(tǒng)解決方案。

1綜合能源管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)

綜合能源管控系統(tǒng)采用分層分布式的一體化設(shè)計(jì)思路，總體架構(gòu)包括設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、監(jiān)控管理層。以智能開(kāi)閉所/配電室、分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以高速可靠的通信網(wǎng)作為信息傳輸支撐，建設(shè)集園區(qū)配電自動(dòng)化系統(tǒng)、微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)于一體的主動(dòng)配電網(wǎng)管控系統(tǒng)，以及集成園區(qū)建筑用能、供配電、微網(wǎng)、暖通空調(diào)等各種能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與優(yōu)化的綜合能效管理系統(tǒng)，應(yīng)用云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，將獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理，完成各智能化模塊信息交互，運(yùn)營(yíng)整合、統(tǒng)一指揮，優(yōu)化用能控制，為園區(qū)提供系統(tǒng)集成服務(wù)和節(jié)能技術(shù)應(yīng)用服務(wù)。并構(gòu)建統(tǒng)一的綜合能源應(yīng)用展示體驗(yàn)平臺(tái)，以低碳運(yùn)行及節(jié)能減排為展示主題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)主題交流體驗(yàn)的目的，實(shí)現(xiàn)園區(qū)能源系統(tǒng)運(yùn)行和使用情況動(dòng)態(tài)、靈活、直觀和多維的可視化展示。方案整體架構(gòu)如下圖所示：

2主動(dòng)配電網(wǎng)

根據(jù)CIGREC6.ll工作組的定義，主動(dòng)配電網(wǎng)是利用先進(jìn)的信息、通信以及電力電子技術(shù)對(duì)規(guī)?；尤敕植际侥茉吹呐潆娋W(wǎng)實(shí)施主動(dòng)管理，能夠自主協(xié)調(diào)控制間歇式新能源與儲(chǔ)能裝置等DG單元，積極消納可再生能源并確保網(wǎng)絡(luò)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是智能配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階段。結(jié)合目前園區(qū)建設(shè)的投資主體情況、配變電設(shè)備技術(shù)水平和實(shí)際供用電需求，以下從智能開(kāi)閉所/配電室、分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、主動(dòng)配電網(wǎng)管控系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析討論。

2.1智能開(kāi)閉所/變配電室

智慧園區(qū)一般供電可靠性要求較高，供電設(shè)計(jì)一般由市政提供2路以上獨(dú)立外線電源，采用開(kāi)閉所/變配電房二級(jí)組網(wǎng)方式。進(jìn)線電源一般采用單母線分段設(shè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)方式（主開(kāi)關(guān)及母聯(lián)開(kāi)關(guān)，電氣加機(jī)械聯(lián)鎖），母聯(lián)開(kāi)關(guān)可手/自動(dòng)聯(lián)絡(luò),平時(shí)分列運(yùn)行，當(dāng)一路外線電源故障或檢修時(shí)，投入母聯(lián)開(kāi)關(guān)，由另一路外線電源承擔(dān)重要負(fù)荷供電。變配電所髙壓系統(tǒng)采用單母線分段分列運(yùn)營(yíng)方式，中間不設(shè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，變壓器低壓側(cè)采用單母線分段加母聯(lián)開(kāi)關(guān)方式（主開(kāi)關(guān)及母聯(lián)開(kāi)關(guān)，電氣加機(jī)械聯(lián)鎖），母聯(lián)開(kāi)關(guān)可手/自動(dòng)聯(lián)絡(luò),平時(shí)分列運(yùn)行，當(dāng)一路高壓進(jìn)線或一臺(tái)主變故障、檢修時(shí)，投入低壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)，則另一臺(tái)主變可帶全部一、二級(jí)負(fù)荷。

開(kāi)閉所開(kāi)關(guān)柜、變壓器柜配置智能終端，以實(shí)現(xiàn)“三遙”功能為主，同時(shí)集成重要變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)配電線路、設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)，通過(guò)能源管控一體化系統(tǒng)通信網(wǎng)，上傳配網(wǎng)運(yùn)行、設(shè)備狀態(tài)、故障實(shí)時(shí)信息或就地故障隔離信息，及時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況、及時(shí)準(zhǔn)確的定位故障點(diǎn)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的快速自愈能力。

2.2分布式電源及儲(chǔ)能

園區(qū)分布式電源可為結(jié)合建筑條件，在相關(guān)建筑建設(shè)分布式光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)，各屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)就近并人各變配電所低壓側(cè)母排，采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式，就地消納光伏發(fā)電電量，在應(yīng)急的情況下,光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)還可通過(guò)聯(lián)絡(luò)線匯人儲(chǔ)能系統(tǒng)，組成園區(qū)大微網(wǎng)，作為園區(qū)內(nèi)特別重要負(fù)荷的備用電源。

可供智慧園區(qū)選擇的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括機(jī)械儲(chǔ)能方式（如:飛輪儲(chǔ)能）和電化學(xué)儲(chǔ)能方式（如：各類電池儲(chǔ)能），特別是后者在能量密度、功率密度、響應(yīng)速度等性能指標(biāo)方面具有較多的選擇余地，建議在智慧園區(qū)配套的儲(chǔ)能系統(tǒng)中選用。如一套全機(jī)液流電池和鉛酸蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可充分發(fā)揮全機(jī)液流電池循環(huán)壽命長(zhǎng)、可深充深放的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用鉛酸蓄電池廉價(jià)的特點(diǎn)降低整套儲(chǔ)能裝置的成本，該儲(chǔ)能系統(tǒng)平常可用于平滑分布式光伏等新能源發(fā)電的波動(dòng)，電網(wǎng)故障時(shí)可作為離網(wǎng)運(yùn)行條件下的微網(wǎng)恒壓恒頻控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。圖2為1套MW級(jí)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 混合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3主動(dòng)配電網(wǎng)管控系統(tǒng)

主動(dòng)配電網(wǎng)管控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象包括智能開(kāi)閉所/變配電房、分布式光伏發(fā)電站，儲(chǔ)能電站。主動(dòng)配電網(wǎng)管控系統(tǒng)將智能開(kāi)閉所/變配電室的保護(hù)監(jiān)測(cè)，配電網(wǎng)自動(dòng)化以及微電網(wǎng)能量管理功能有機(jī)融合為一體，可以進(jìn)行開(kāi)閉所、配電室的智能監(jiān)控，配電線路/變壓器的集中保護(hù)，以及微電網(wǎng)的集中控制和能量?jī)?yōu)化管理，具備數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)控、穩(wěn)定運(yùn)行控制、能量管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

系統(tǒng)架構(gòu)分為三層，自下至上分別是就地控制層、中間層和監(jiān)控層，如圖3所示：

圖3主動(dòng)配電網(wǎng)管控系統(tǒng)架構(gòu)框圖

就地控制層由部署在開(kāi)閉所開(kāi)關(guān)柜、配電室、光伏接入點(diǎn)、蓄電池混合儲(chǔ)能電站接入點(diǎn)的智能測(cè)控單元組成，采用高實(shí)時(shí)性的IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，通過(guò)光纖將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)送到中央控制層，同時(shí)接受中央控制層的控制命令，對(duì)斷路器，分布式光伏發(fā)電站，混合儲(chǔ)能電站行相應(yīng)的控制。

中央控制層由雙重化配置的綜合控制保護(hù)模塊構(gòu)成，通過(guò)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，與就地智能測(cè)控單元進(jìn)行快速通信，實(shí)現(xiàn)電氣量的全網(wǎng)同步采樣，同步精度達(dá)到納秒級(jí)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)獲取的全網(wǎng)同步運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行快速計(jì)算和分析，一方面保護(hù)程序能及時(shí)捕捉系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路故障，在全網(wǎng)內(nèi)快速定位與隔離故障；另一方面，通過(guò)對(duì)各分布式電源的運(yùn)行模式及控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，合理規(guī)劃和控制分布式光伏系統(tǒng)的輸出，保證儲(chǔ)能設(shè)備工作在*優(yōu)化狀態(tài)，做到電網(wǎng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；在微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行時(shí)，控制電壓/頻率維持在允許范圍之內(nèi)，以*大限度滿足負(fù)荷、光伏、儲(chǔ)能等并網(wǎng)運(yùn)行的需求。

監(jiān)控控制層主機(jī)采用雙機(jī)熱備冗余配置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)、歷史信息存儲(chǔ)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制、高級(jí)能量管理及報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。

3園區(qū)綜合能效管理系統(tǒng)

智慧園區(qū)不僅承載著科技、發(fā)展經(jīng)濟(jì)的功能，而且大都定位成為生態(tài)、綠色的示范項(xiàng)目，采用包括分布式光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、集中能源站、冰蓄冷、地源熱泵等在內(nèi)的大量新能源和節(jié)能技術(shù)，因而需要通過(guò)綜合能效管理系統(tǒng)對(duì)園區(qū)內(nèi)的電、水、冷、熱、氣等能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)各類能耗分類分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)園區(qū)冰蓄冷、地源熱泵、太陽(yáng)能、儲(chǔ)能等節(jié)能和新能源系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化利用。圖4為綜合能效管理系統(tǒng)基本功能架構(gòu)。

如圖4所示，園區(qū)能效管理系統(tǒng)從功能邏輯上可劃分?jǐn)?shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、能耗分析模塊和能耗優(yōu)化等模塊。數(shù)據(jù)采集包括對(duì)園區(qū)內(nèi)個(gè)棟建筑的電、水、燃?xì)馐褂们闆r的采集和預(yù)處理，以及從主動(dòng)配網(wǎng)管控系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)等園區(qū)內(nèi)相關(guān)智能化系統(tǒng)中獲取能耗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)展示包括數(shù)據(jù)圖表展示、數(shù)據(jù)報(bào)表展示、能耗査詢等功能；能耗分析模塊包括能耗目標(biāo)管理、能耗對(duì)比管理、能耗統(tǒng)計(jì)管理、能耗告警管理等功能；能源優(yōu)化系統(tǒng)通過(guò)對(duì)能耗數(shù)據(jù)分析挖掘能耗潛力，拓展節(jié)能空間，提出節(jié)能建議，從而實(shí)現(xiàn)園區(qū)能源綜合優(yōu)化，解決園區(qū)能源網(wǎng)中多種新電源之間的互補(bǔ)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)備及清潔能源的*優(yōu)化利用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效*大化。

4應(yīng)用案例

按照前述基于綜合能源管控一體化技術(shù)的智慧園區(qū)建設(shè)思路，國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司已成功承建了一批智慧園區(qū)綜合能源管控項(xiàng)目，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。如武漢未來(lái)科技城項(xiàng)目，該項(xiàng)目占地面積500畝，含3座智能化開(kāi)閉所、18座智能化變配電室，總裝接配變?nèi)萘考s為50MVA,建設(shè)了包括主動(dòng)配電網(wǎng)（含配電自動(dòng)化、微網(wǎng)能量管理）、分布式風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合電站、智能樓宇、電動(dòng)汽車充電設(shè)施、園區(qū)綜合能效管理系統(tǒng)等10項(xiàng)子項(xiàng)目，為武漢未來(lái)科技城提供了安全可靠的能源保障和綠色高效的用能服務(wù)，有力支撐了未來(lái)科技城“創(chuàng)新，開(kāi)放，人本，低碳，共生”核心理念的實(shí)現(xiàn)。

5 AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺(tái)

5.1平臺(tái)概述

AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺(tái)集變電站綜合自動(dòng)化、電力監(jiān)控、電能質(zhì)量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控制、設(shè)備運(yùn)維于一體，為建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體系提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)引入先進(jìn)技術(shù)，配合廠務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化，簡(jiǎn)化全廠管理，并利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，優(yōu)化能效并預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)，保障關(guān)鍵制造設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和良品率，降低綜合成本，*終達(dá)到高效運(yùn)營(yíng)和卓越制造的目的。

5.2平臺(tái)組成

安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統(tǒng)是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺(tái)，它集成了電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所綜合自動(dòng)化、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、新能源充電樁、預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)。用戶可通過(guò)瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)平臺(tái)即可全局、整體的對(duì)電子廠房的用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)滿足廠房用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

6平臺(tái)拓?fù)鋱D

7平臺(tái)子系統(tǒng)

7.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對(duì)10/0.4kV地面或地下變電所，對(duì)變電所高壓回路配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對(duì)0.4kV出線配置多功能計(jì)量?jī)x表，用于測(cè)控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時(shí)監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、事故報(bào)警及記錄等。

7.2電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

監(jiān)測(cè)各進(jìn)線回路電能質(zhì)量，包括電壓暫降、諧波畸變、閃變等數(shù)據(jù)波形記錄，進(jìn)而判斷配電系統(tǒng)擾動(dòng)方向。

配置有源濾波裝置和無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)0.4kV側(cè)電能質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償和治理，并監(jiān)測(cè)有源濾波裝置和無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行情況，確保電能質(zhì)量符合生產(chǎn)要求。

7.3變電站綜合自動(dòng)化

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要針對(duì)110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發(fā)電機(jī)部分，在變電站設(shè)置Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)子站，實(shí)現(xiàn)本地遙測(cè)、遙信、遙控、報(bào)警、報(bào)表等功能，并把數(shù)據(jù)上傳至AcrelEMS-SEMI能效管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

7.4電氣安全

AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)針對(duì)配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門(mén)狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并且對(duì)UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預(yù)警。

7.5智能照明控制

單控、區(qū)域控制、自動(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調(diào)光控制等多種控制方式。

7.6能耗分析

AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)為工廠搭建計(jì)量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助企業(yè)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。從能源使用種類、監(jiān)測(cè)區(qū)域、車間、生產(chǎn)工藝、工序、工段時(shí)間、設(shè)備、班組、分項(xiàng)等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對(duì)工廠用能統(tǒng)計(jì)、同比、環(huán)比分析、實(shí)績(jī)分析，折標(biāo)對(duì)比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計(jì)，找出能源使用過(guò)程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過(guò)程中的浪費(fèi)。

7.7充電樁管理

電動(dòng)汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費(fèi)管理、資產(chǎn)管理。

7.8職工公寓管理

對(duì)廠區(qū)內(nèi)職工宿舍進(jìn)行負(fù)載管理，包括惡性負(fù)載識(shí)別管理、負(fù)載閾值管理，避免因?yàn)閻盒载?fù)載引起火災(zāi)。對(duì)員工宿舍進(jìn)行水電收費(fèi)管理，支持微信、支付寶等繳費(fèi)方式，采集職工宿舍能耗數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇