綜合能源管理系統(tǒng)規(guī)劃方案的探討

王海華

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 510663)

目前能源和環(huán)境問題的日益嚴重，中國乃至世界范圍內對新能源的大規(guī)模利用進入了一個全新的發(fā)展時期。在發(fā)展低碳經(jīng)濟的背景下，節(jié)能環(huán)保規(guī)劃和智能前瞻構想將成為吸引企業(yè)和人才的獨特優(yōu)勢。因此有必要對綜合能源管理系統(tǒng)規(guī)劃方案進行探討，總結國內外開展能源綜合利用相關實踐的經(jīng)驗，為城市提供先進可行的能源供應方案，倡導全新能源消費理念，促進能源高效利用，打造能源綜合應用示范區(qū)，引領世界能源未來發(fā)展方向[1]。

1 綜合能源管理系統(tǒng)國內外現(xiàn)狀及需求分析

1.1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀分析

經(jīng)過市場化改革后的歐美等國能源行業(yè)與中國現(xiàn)有的能源行業(yè)存在巨大的差別。市場化改革帶來了一個重要趨勢即是原來在傳統(tǒng)垂直體系下的能源公司，如電力公司負責發(fā)電、輸電、配電，在被拆分后，開始在市場機制下進行橫向的整合，如RWE德國萊茵集團、Scottish Power蘇格蘭電力、Vivendi法國威望迪集團等大型公用事業(yè)公司，它們提供的能源和服務不僅僅局限在一個領域，而是向同一個地區(qū)的用戶提供包括電力、燃氣、水務、供熱等多種能源和相關服務。

近年，中國也提出了與綜合能源管理相關的“智能能源網(wǎng)”概念，中國國際經(jīng)濟交流中心智能能源研究組在2009年提出將智能電網(wǎng)擴展成為“智能能源網(wǎng)”的構想，以綠色低碳技術、非生態(tài)消耗性技術為采納重點，嘗試新能源、分布能源等微網(wǎng)系統(tǒng)接入并網(wǎng)，通過傳感終端與智能化信息控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各能源管網(wǎng)的調峰、儲能等功能，探索實現(xiàn)能源網(wǎng)的智能、互動架構。

1.2 需求分析

隨著信息技術的不斷發(fā)展，能源行業(yè)面臨著巨大的發(fā)展機遇，其中一個趨勢就是多能源的綜合管理和優(yōu)化。在一個城市中，電力、水務、燃氣等傳統(tǒng)獨立運行的能源系統(tǒng)，以及微電網(wǎng)、電動汽車充電等新興的智能系統(tǒng)得以借助智能表計、通訊和IT智能化等技術在一定程度上實現(xiàn)技術和管理上的融合并產(chǎn)生協(xié)同效應，從而降低了成本、提高了能效、減少了排放、提升了服務等多方面的收益[2]。

綜合的能源管理面向的對象是城市的管理者，特別是以智能化、生態(tài)化為目標的新型城市。能源的供給和使用已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的決定性因素，城市管理者需要及時、全面地掌握能源的供給、運行和使用情況，以及在此過程中產(chǎn)生的經(jīng)濟、環(huán)境成本，包括二氧化碳和其他污染物的排放，以便在制定短期措施和長期政策、規(guī)劃時更加科學有效。

傳統(tǒng)的電力、水務、燃氣等能源系統(tǒng)獨立管理于不同的運營企業(yè)或市政部門，而且層層上報的信息匯總機制不利于城市管理者獲取及時的真實的信息。因此，綜合能量管理的實現(xiàn)要求在政府層面構建一個能夠從電力、水務、供熱、燃氣等相關企業(yè)或市政部門獲取信息，并提供宏觀管理建議的能源管理中心(或擁有這些權限的類似職能部門)。

2 綜合能源管理系統(tǒng)規(guī)劃方案

綜合能源管理著眼于城市級別的整體能源監(jiān)控和優(yōu)化。應由政府設立能源管理中心(或賦予某政府職能部門)，對能源生產(chǎn)、傳輸、使用進行監(jiān)管，同時電力、水務及燃氣等公用事業(yè)公司或市政部門，以及終端能源消費者和生產(chǎn)者如樓宇、工廠、企業(yè)、居民、電廠等，應與能源管理中心緊密溝通協(xié)作，形成一個分層級的綜合管理體系。通過采用先進的信息通信技術，對各個層級上能源子系統(tǒng)信息提取集成，實現(xiàn)管理體系的統(tǒng)一化、實時化和智能化，為政府管理者和公眾了解掌握能源生產(chǎn)、傳輸、使用情況以及相關經(jīng)濟和環(huán)境因素，維持能源供給和安全，實現(xiàn)積極的經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)能減排目標，制定能源相關政策及規(guī)劃，提供信息技術支撐和科學的決策依據(jù)[3]。

具體目標:

1)分析梳理所有能源管理相關參與方，包括能源管理中心、能源公用事業(yè)公司以及其他能源生產(chǎn)者、消費者，并劃分能源管理層級。

2)定義在不同層級上能源管理的內容和范圍，明確相應的管理功能需求，使整個能源體系形成完善的數(shù)據(jù)、分層采集、分析、整合體系。

3)設計綜合能源管理的技術體系，包括體系構架、數(shù)據(jù)采集和通信接口要求等。依據(jù)建設規(guī)劃，分步驟建設實施綜合能源管理體系。

2.1 能源管理體系架構

城市能源體系的復雜性決定了綜合能源管理的多層級和多維度。每一個能源體系的參與者(管理方、供應方、使用方)既是能源管理的主體也是能源管理的對象，在綜合能源管理的理念下，盡管能源管理中心位于最主要的位置，但其他的每一個參與者也都被賦予一定的能源管理任務，即擁有一定管理的范圍和內容。這些位于不同層級和環(huán)節(jié)上的管理內容共同組成了綜合能源管理體系。

2.1.1 能源業(yè)務流

能源業(yè)務流指能源按照時間順序發(fā)生轉換的不同環(huán)節(jié)。盡管不同能源類型依據(jù)用途的不同可能產(chǎn)生多樣化的業(yè)務流，但在綜合能源管理規(guī)劃中，業(yè)務流的劃分僅作為幫助闡明相應能源管理內容的一個框架，因此不應過細。從宏觀上而言，能源業(yè)務流可以分為輸入、使用和輸出三個主要環(huán)節(jié)。其中，輸入指能源的生產(chǎn)及傳輸環(huán)節(jié)，使用指能源在用能部門的消耗，而輸出指在能源消耗時所帶來的污染物或廢棄物的排放。三個環(huán)節(jié)業(yè)務流以及相應涵蓋的典型業(yè)務內容如圖1所示。

圖1 能源業(yè)務流和典型業(yè)務

2.1.2 能源管理層級

在綜合能源管理理念下，能源管理的主體涵蓋了管理方、供應方、使用方等所有參與者。政府、電力公司、燃氣公司、市政水務公司、工業(yè)企業(yè)、醫(yī)院、學校、商業(yè)樓宇、居民、電動汽車充電站、電動汽車車主等都是綜合能源管理體系下的管理主體，同時也是管理對象。對這么多的參與者進行層級的劃分是闡明綜合能源管理內容的必要步驟。

依據(jù)信息匯集從下往上和政策、措施從上往下的原則，結合能源管理在中國的普遍實踐，將能源管理參與者分為三個層級(由下往上):

第一層級:終端使用者和生產(chǎn)者。終端使用者和生產(chǎn)者不承擔針對自身以外的能源管理任務，主要行為模式是提供信息和接受指令，因此被歸于第一層級。能源終端用戶包括工業(yè)企業(yè)、市政設施管理部門、商業(yè)樓宇、居民小區(qū)、醫(yī)院、學校、電動汽車充電站等。能源生產(chǎn)者包括電廠(可再生能源或化石能源)、水處理廠、污水處理廠、燃氣供應站、熱電站等能源生產(chǎn)企業(yè)。

第二層級:能源公用事業(yè)公司。在現(xiàn)行體制下，能源公用事業(yè)公司兼有盈利性公司非盈利的行政管理部門的角色。比如電力公司不僅負責輸、配、售電給用戶以賺取利潤，同時也對保證城市電力供應，平衡電力供給和需求，維護電力系統(tǒng)穩(wěn)定等賦有責任，亦具備一定程度的管理權力。在綜合能源管理體系內，公用事業(yè)公司接受來自終端使用者和生產(chǎn)者的信息，并向他們發(fā)出指令;同時公用事業(yè)公司也向政府能源部門匯報，并執(zhí)行政府的行政指令。因此，能源公用事業(yè)公司屬于第二層級。

能源公用事業(yè)公司包括電力公司、供水集團、燃氣集團等。

第三層級:政府——能源管理中心。政府是對能源管理承擔最終責任的能源管理主體，設立能源管理中心或相應的職能部門能夠使得這種職責得到更好的體現(xiàn)和實現(xiàn)。整體的能源供需平衡、安全穩(wěn)定、高效低碳等問題的最終責任主體和管理主體都是政府。政府收集從公用事業(yè)公司和終端用戶和生產(chǎn)者匯總的能源運行信息，并通過短期行政命令、調節(jié)措施和中長期的政策，規(guī)劃管理能源體系的運行。同時向上級政府匯報能源管理的成果，為公眾提供能源運行相關信息。因此，政府位于綜合能源管理體系的第三層級。

三個層級的關系如圖2所示。

圖2 能源管理層級

其中，數(shù)據(jù)/信息從下往上匯總、整合，基礎的數(shù)據(jù)來源于第一層級和第二層級，經(jīng)過篩選和匯總后提供給第三層級作為政府決策的信息支持。政府的決策(目標、措施、政策等)則由第三層級發(fā)出，在第二層級和第一層級分解并得到執(zhí)行。層級之間信息交換的流暢、及時和準確是能源管理合理、高效的前提，這也正是綜合能源管理體系要實現(xiàn)的重要目標之一。

2.1.3 能源管理內容分析

能源管理的內容即位于不同層級上的參與者能源管理任務。對于每一個能源管理主體(所有層級上的)而言，內部和外部的驅動力、管理權限和管理手段決定了能源管理的內容。

將能源業(yè)務流概念引入能源管理內容來分析，可以更好地理解綜合能源管理理念下不同層級和環(huán)節(jié)上能源管理的內容[4]。能源管理內容分析如表1所示。

表1 能源管理內容分析

2.2 能源管理功能分析

綜合能源管理的功能需求包括以下幾點:監(jiān)測(實時或非實時)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分類、指標計算和對標比較、根源分析、運行及趨勢預測、運行協(xié)調等。

第一層級:終端使用者和生產(chǎn)者。能源終端使用者和生產(chǎn)者的能源管理包括各種能源(電力、燃氣、水、熱等)的購買輸入，生產(chǎn)或其他環(huán)節(jié)的能源使用過程，能源生產(chǎn)過程，能源的一級市場交易，相關的二氧化碳和其他廢水、污染物的排放等。為了實現(xiàn)對以上內容的管理，終端使用者和生產(chǎn)者側的能源管理需要包含的功能為:監(jiān)測;數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計;指標計算和對標比較;能源審計等。

第二層級:能源公用事業(yè)公司。公用事業(yè)公司的能源管理包括能源傳輸管網(wǎng)運行、能源市場交易、供給調度、能源傳輸損耗和泄漏、故障和緊急情況處理、需求側管理、污水排放和回收、二氧化碳排放等。在能源運營公司層級，如下能源管理功能將與綜合能源管理相關:監(jiān)測;數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計;指標計算和對標比較;趨勢分析;運行預警等。

第三層級:能源管理中心。能源管理中心作為綜合能源管理的最高層級，是綜合能源管理體系的核心。其能源管理的內容包括能源中長期政策及規(guī)劃制定、能源短期行政命令和管理措施制定、能源價格、能源市場機制、節(jié)能減排實施和跟蹤，污染物排放和生態(tài)環(huán)境保護等。在最高層級上，綜合能源管理應包含的功能為:監(jiān)測及預警;分類統(tǒng)計、匯總、分析;指標對標;智能可視化呈示;綜合能源審計。

2.3 能源管理指標體系分析

綜合能源管理核心績效指標體系是構建在其他層級的能源管理指標之上的核心部分，作用于政府層級，是政府了解、控制和優(yōu)化整體能源運行以及分行業(yè)、分區(qū)域、分領域能源體系運行的主要工具，為政策和規(guī)劃的制定提供科學的決策依據(jù)[5]。指標體系可以作為主要內容，在主管部門的綜合能源管理系統(tǒng)(如大屏幕界面)上呈現(xiàn)。

2.3.1 指標體系規(guī)劃原則

指標體系規(guī)劃原則包含國際化與本土化結合;關鍵績效指標可測可控;追根尋源、找出差距;實現(xiàn)自上而下的能源績效管理;全面績效指標管理;關鍵指標服務于策略目標的實現(xiàn)等。

2.3.2 指標體系規(guī)劃設計

規(guī)劃設計指標體系是基于國內外研究以及相關實踐項目中獲取的大量相關指標。按照業(yè)務流劃分，涵蓋能源生產(chǎn)傳輸、能源使用和輸出各個環(huán)節(jié)。指標不僅涉及直接的能源運行，同時考慮能源相關的社會經(jīng)濟、環(huán)境以及用戶服務等各個方面。

核心指標體系的規(guī)劃設計應在綜合能源管理項目的實施中進行，需要對指標進行詳細論證并增加關鍵績效指標對標標準。標準值的確定可以遵循以下原則:

1)對于有國家標準或國際標準的指標，參考規(guī)定的標準值;

2)參考國外具有良好特色的城市的現(xiàn)狀值作為標準值;

3)參考國內城市的現(xiàn)狀值，作趨勢外推，確定標準值;

4)對目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)不十分完整的指標，用類似指標替代;

5)結合城市規(guī)劃和發(fā)展目標，對可以獲得的指標做適當?shù)恼{整[6]。

2.3.3 指標體系的完善改進

指標體系需要在運行實踐中得到持續(xù)的改進才能實現(xiàn)最好的管理目標。綜合能源管理績效指標體系的構建和完善遵循“初步設計”-“實施運行”-“檢查與糾正”-“分析”-“設計修改”的循環(huán)步驟。

綜合能源管理涉及多個管理主體、多種管理內容和管理功能，這個體系的實現(xiàn)依賴于一系列相應的智能化技術，包括數(shù)據(jù)采集、通訊、自動化系統(tǒng)、運營智能化平臺等。其中，位于最上面的政府層級的綜合能源管理平臺是整個體系的核心部分，承擔數(shù)據(jù)/信息整合、信息處理和呈示、決策支持等綜合能源管理的主要議題。外圍是與之相連的處于較低層級的其他系統(tǒng)，包括能源生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)管理系統(tǒng)、能源管網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)、智能表計管理系統(tǒng)、智能樓宇能耗管理系統(tǒng)、工廠能量管理系統(tǒng)、市政設施監(jiān)控和能量管理系統(tǒng)、電動汽車充電站管理系統(tǒng)等。同時一些非智能化的傳統(tǒng)管理系統(tǒng)也可以作為數(shù)據(jù)源與平臺交互。綜合能源管理的理念并不影響較低層級系統(tǒng)的獨立性，水、電、燃氣等第二層級的能源管理任務依然由各個主體進行分散管理，并在最上層的綜合能源管理平臺進行整合和交互。綜合能源管理體系的概念圖如圖3所示。

圖3 綜合能源管理體系概念圖

2.4 綜合能源管理平臺

2.4.1 規(guī)劃設計原則

綜合能源管理在政府層級上應包括監(jiān)測及預警、分類統(tǒng)計、匯總、分析、指標對標、智能可視化呈示等功能，這些功能的實現(xiàn)依托一個智能化的管理平臺。因此，根據(jù)需求和未來的發(fā)展規(guī)劃、能源行業(yè)運行特點，以及政府對于能源管理的方式，對綜合能源管理整體設計原則應著重考慮:系統(tǒng)的適應性;系統(tǒng)的先進性;系統(tǒng)的安全性;采用統(tǒng)一標準;數(shù)據(jù)高度集成和應用;注重靈活的數(shù)據(jù)分析;系統(tǒng)的可維護性和擴充性;系統(tǒng)的靈活性等。

2.4.2 系統(tǒng)構架

綜合能源管理平臺的基本構架應包括信息訪問與集成、信息加工與處理、信息展現(xiàn)與升華三層結構，同時應具有高度的可擴展性。

第一層:信息訪問與集成-數(shù)據(jù)源。這一層的功能實現(xiàn)與各類系統(tǒng)的通訊連接，全面支持各種產(chǎn)品和各層面專業(yè)IT系統(tǒng)，包括過程控制系統(tǒng)、過程歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)、關系數(shù)據(jù)系統(tǒng)、以及收集型數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。

第二層:信息加工與處理-信息模型。系統(tǒng)平臺應給予面向業(yè)務需求/信息模型的數(shù)據(jù)加工和處理方法，按照業(yè)務對數(shù)據(jù)進行邏輯分組和分析。

第三層:信息展示與升華-客戶端/信息呈示。客戶端層采用純粹的瘦客戶端形式，通過純?yōu)g覽器/服務器的網(wǎng)絡體系結構，讓用戶只需要IE瀏覽器就能實現(xiàn)對業(yè)務的有效監(jiān)控和及時管理。

2.4.3 與各系統(tǒng)接口及帶寬要求分析

1)數(shù)據(jù)采集要求和接口要求。綜合能源管理平臺通過連接框架實現(xiàn)對外圍相關系統(tǒng)的連接和信息集成，要求外圍的相關系統(tǒng)提供統(tǒng)一、標準的接口，以便有效地實現(xiàn)對各類能源數(shù)據(jù)/信息的采集。

2)帶寬要求。根據(jù)城市發(fā)展用地規(guī)劃及用戶報裝情況等，估算遠期企業(yè)連接到綜合能源管理平臺數(shù)量。大量的信息將在綜合能源管理平臺與各個層級的子系統(tǒng)間發(fā)生交換，綜合能源管理平臺需要租用合適的帶寬來保障所有功能的實現(xiàn)。

3 結論

本文充分運用國內外先進的管理理念，基于先進、成熟的運營智能化平臺，提出綜合能源管理系統(tǒng)的總體目標，分別對能源管理體系架構、管理功能、指標體系、管理平臺等進行了分析。通過綜合能源管理系統(tǒng)的規(guī)劃方案建設，不僅滿足當前能源管理的需要，同時最大限度地適應未來城市發(fā)展和技術發(fā)展的變化，大幅提升城市的能源管理水平，提高能源利用效率。

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[6]牛彥濤，黃國和，楊勇平，等.基于不確定性優(yōu)化模型的北京市能源系統(tǒng)規(guī)劃研究[Z]，2010.