淺談能效管理平臺在智慧園區(qū)綜合能源管控一體化技術(shù)的設(shè)計與應(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)通過一二次設(shè)備融合、配電自動化技術(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)運行的主動配電網(wǎng)，保障園區(qū)供電可靠、用電高效；通過對多種形式的能源進行優(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時協(xié)同，制訂多種能源之間的能量互動機制以及相應(yīng)的能量優(yōu)化管理策略，實現(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)；主動配電網(wǎng)；微網(wǎng)；能效。

0前言
隨著國家新型城鎮(zhèn)化進程的不斷深入，作為推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、促進科技與經(jīng)濟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。目前，國內(nèi)已建設(shè)了相當規(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、分布式儲能裝置、電動汽車的規(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)獨立建設(shè)，無法滿足園區(qū)綜合能效管理的要求。有鑒于此，本文對智慧園區(qū)綜合能源管控一體化技術(shù)方案進行了研究，提岀通過一二次設(shè)備融合、配電自動化技術(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。以智能開閉所/配電室、分布式電源、儲能系統(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)配電自動化系統(tǒng)、微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)于一體的主動配電網(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)用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，將獲取的信息進行傳遞和處理，完成各智能化模塊信息交互，運營整合、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)用展示體驗平臺，以低碳運行及節(jié)能減排為展示主題，實現(xiàn)生態(tài)主題交流體驗的目的，實現(xiàn)園區(qū)能源系統(tǒng)運行和使用情況動態(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主動配電網(wǎng)

根據(jù)CIGREC6.ll工作組的定義，主動配電網(wǎng)是利用先進的信息、通信以及電力電子技術(shù)對規(guī)?；尤敕植际侥茉吹呐潆娋W(wǎng)實施主動管理，能夠自主協(xié)調(diào)控制間歇式新能源與儲能裝置等DG單元，積極消納可再生能源并確保網(wǎng)絡(luò)的安全經(jīng)濟運行，是智能配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的高級階段。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)水平和實際供用電需求，以下從智能開閉所/配電室、分布式電源、儲能系統(tǒng)、主動配電網(wǎng)管控系統(tǒng)等方面進行分析討論。

2.1智能開閉所/變配電室

智慧園區(qū)一般供電可靠性要求較高，供電設(shè)計一般由市政提供2路以上獨立外線電源，采用開閉所/變配電房二級組網(wǎng)方式。進線電源一般采用單母線分段設(shè)母聯(lián)開關(guān)方式（主開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)，電氣加機械聯(lián)鎖），母聯(lián)開關(guān)可手/自動聯(lián)絡(luò),平時分列運行，當一路外線電源故障或檢修時，投入母聯(lián)開關(guān)，由另一路外線電源承擔重要負荷供電。變配電所髙壓系統(tǒng)采用單母線分段分列運營方式，中間不設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，變壓器低壓側(cè)采用單母線分段加母聯(lián)開關(guān)方式（主開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)，電氣加機械聯(lián)鎖），母聯(lián)開關(guān)可手/自動聯(lián)絡(luò),平時分列運行，當一路高壓進線或一臺主變故障、檢修時，投入低壓母聯(lián)開關(guān)，則另一臺主變可帶全部一、二級負荷。

開閉所開關(guān)柜、變壓器柜配置智能終端，以實現(xiàn)“三遙”功能為主，同時集成重要變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能，實現(xiàn)配電線路、設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，通過能源管控一體化系統(tǒng)通信網(wǎng)，上傳配網(wǎng)運行、設(shè)備狀態(tài)、故障實時信息或就地故障隔離信息，及時掌握系統(tǒng)運行情況、及時準確的定位故障點，增強網(wǎng)絡(luò)的快速自愈能力。

2.2分布式電源及儲能

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)還可通過聯(lián)絡(luò)線匯人儲能系統(tǒng)，組成園區(qū)大微網(wǎng)，作為園區(qū)內(nèi)特別重要負荷的備用電源。

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

圖2 混合電池儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.3主動配電網(wǎng)管控系統(tǒng)

主動配電網(wǎng)管控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象包括智能開閉所/變配電房、分布式光伏發(fā)電站，儲能電站。主動配電網(wǎng)管控系統(tǒng)將智能開閉所/變配電室的保護監(jiān)測，配電網(wǎng)自動化以及微電網(wǎng)能量管理功能有機融合為一體，可以進行開閉所、配電室的智能監(jiān)控，配電線路/變壓器的集中保護，以及微電網(wǎng)的集中控制和能量優(yōu)化管理，具備數(shù)據(jù)采集、運行監(jiān)控、穩(wěn)定運行控制、能量管理、遠程監(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主動配電網(wǎng)管控系統(tǒng)架構(gòu)框圖

就地控制層由部署在開閉所開關(guān)柜、配電室、光伏接入點、蓄電池混合儲能電站接入點的智能測控單元組成，采用高實時性的IEC61850國際標準規(guī)約，通過光纖將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)送到中央控制層，同時接受中央控制層的控制命令，對斷路器，分布式光伏發(fā)電站，混合儲能電站行相應(yīng)的控制。

中央控制層由雙重化配置的綜合控制保護模塊構(gòu)成，通過基于IEC61850標準的過程層網(wǎng)絡(luò)，與就地智能測控單元進行快速通信，實現(xiàn)電氣量的全網(wǎng)同步采樣，同步精度達到納秒級。系統(tǒng)通過對獲取的全網(wǎng)同步運行數(shù)據(jù)進行快速計算和分析，一方面保護程序能及時捕捉系統(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，通過對各分布式電源的運行模式及控制參數(shù)進行設(shè)置，合理規(guī)劃和控制分布式光伏系統(tǒng)的輸出，保證儲能設(shè)備工作在*優(yōu)化狀態(tài)，做到電網(wǎng)節(jié)能經(jīng)濟運行；在微電網(wǎng)進入孤島運行時，控制電壓/頻率維持在允許范圍之內(nèi)，以*大限度滿足負荷、光伏、儲能等并網(wǎng)運行的需求。

監(jiān)控控制層主機采用雙機熱備冗余配置，實現(xiàn)實時信息監(jiān)測、歷史信息存儲、經(jīng)濟運行控制、高級能量管理及報表統(tǒng)計等功能。

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)濟的功能，而且大都定位成為生態(tài)、綠色的示范項目，采用包括分布式光伏發(fā)電、儲能、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)，因而需要通過綜合能效管理系統(tǒng)對園區(qū)內(nèi)的電、水、冷、熱、氣等能耗進行監(jiān)測和管理，實現(xiàn)各類能耗分類分項統(tǒng)計分析，并對園區(qū)冰蓄冷、地源熱泵、太陽能、儲能等節(jié)能和新能源系統(tǒng)進行綜合優(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數(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)采集包括對園區(qū)內(nèi)個棟建筑的電、水、燃氣使用情況的采集和預(yù)處理，以及從主動配網(wǎng)管控系統(tǒng)、樓宇自動化系統(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)報表展示、能耗査詢等功能；能耗分析模塊包括能耗目標管理、能耗對比管理、能耗統(tǒng)計管理、能耗告警管理等功能；能源優(yōu)化系統(tǒng)通過對能耗數(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問題，實現(xiàn)節(jié)能設(shè)備及清潔能源的*優(yōu)化利用，實現(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，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責任公司已成功承建了一批智慧園區(qū)綜合能源管控項目，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。如武漢未來科技城項目，該項目占地面積500畝，含3座智能化開閉所、18座智能化變配電室，總裝接配變?nèi)萘考s為50MVA,建設(shè)了包括主動配電網(wǎng)（含配電自動化、微網(wǎng)能量管理）、分布式風(fēng)光儲聯(lián)合電站、智能樓宇、電動汽車充電設(shè)施、園區(qū)綜合能效管理系統(tǒng)等10項子項目，為武漢未來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)，有力支撐了未來科技城“創(chuàng)新，開放，人本，低碳，共生”核心理念的實現(xiàn)。

5 AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺集變電站綜合自動化、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。同時引入先進技術(shù)，配合廠務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化，簡化全廠管理，并利用實時數(shù)據(jù)，優(yōu)化能效并預(yù)防風(fēng)險，保障關(guān)鍵制造設(shè)備的穩(wěn)定運行和良品率，降低綜合成本，*終達到高效運營和卓越制造的目的。

5.2平臺組成

安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所綜合自動化、電能質(zhì)量監(jiān)測與治理、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)測系統(tǒng)、新能源充電樁、預(yù)付費系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對電子廠房的用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足廠房用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

6平臺拓撲圖

7平臺子系統(tǒng)

7.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

7.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

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

配置有源濾波裝置和無功補償裝置對0.4kV側(cè)電能質(zhì)量進行補償和治理，并監(jiān)測有源濾波裝置和無功補償裝置運行情況，確保電能質(zhì)量符合生產(chǎn)要求。

7.3變電站綜合自動化

變電站綜合自動化系統(tǒng)主要針對110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發(fā)電機部分，在變電站設(shè)置Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)子站，實現(xiàn)本地遙測、遙信、遙控、報警、報表等功能，并把數(shù)據(jù)上傳至AcrelEMS-SEMI能效管理平臺，實現(xiàn)集中監(jiān)測和報警。

7.4電氣安全

AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)針對配電系統(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)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。

7.5智能照明控制

單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、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)為工廠搭建計量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過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)測區(qū)域、車間、生產(chǎn)工藝、工序、工段時間、設(shè)備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對工廠用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

7.7充電樁管理

電動汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費管理、資產(chǎn)管理。

7.8職工公寓管理

對廠區(qū)內(nèi)職工宿舍進行負載管理，包括惡性負載識別管理、負載閾值管理，避免因為惡性負載引起火災(zāi)。對員工宿舍進行水電收費管理，支持微信、支付寶等繳費方式，采集職工宿舍能耗數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇