臨港科創(chuàng)城智慧能源管理研究

屈林喬 (上海市建筑科學(xué)研究院，上?！?00032）

上海市《關(guān)于加快建設(shè)具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心的意見》中將臨港地區(qū)列為上海市建設(shè)科技創(chuàng)新中心的6個(gè)重要承載區(qū)之一。上海市《關(guān)于在臨港地區(qū)建立特別機(jī)制和實(shí)行特殊政策的意見》，將臨港地區(qū)定位為上海市實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略空間。建設(shè)臨港“智慧新城”是浦東新區(qū)(國(guó)家第一批智慧城市試點(diǎn))智慧發(fā)展的一項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。臨港也是國(guó)家第一批下一代互聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)城區(qū)。臨港受惠于國(guó)家智慧城市和互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略的政策驅(qū)動(dòng)。本文以臨港科創(chuàng)城為基礎(chǔ)，研究科技創(chuàng)新類園區(qū)的智慧能源管理規(guī)劃。

1　臨港能源管理特點(diǎn)及智慧能源管理需求

1.1　能源管理特點(diǎn)

(1) 能源品種主要是電能和天然氣。臨港科技創(chuàng)新城位于臨港主城區(qū)，規(guī)劃面積 3.2 km2，主要功能包括初創(chuàng)、總部辦公、教育科研、戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)、居住休閑等。用地以教育科研用地為主，開發(fā)強(qiáng)度適中；能源供應(yīng)主要為電能和天然氣，沒有城市集中供暖。其中天然氣主要集中在住宅和商業(yè)建筑，整個(gè)臨港科創(chuàng)城實(shí)現(xiàn)電力全覆蓋。

(2)能源需求主要是低溫、低壓、低品位能源。臨港科技創(chuàng)新城定位于先進(jìn)制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)，能源的需求主要是用于保障建筑環(huán)境的照明、供暖、供冷、熱水和辦公設(shè)備的能耗。科技創(chuàng)新類園區(qū)對(duì)能源的要求不再是工業(yè)時(shí)代的高溫、高壓、高品位的能源。這為分布式能源和新能源在園區(qū)的推廣提供了有利條件。

(3)先進(jìn)技術(shù)的接受度高。園區(qū)定位為科技創(chuàng)新類園區(qū)，其中的居民、工作人員和企業(yè)機(jī)構(gòu)均對(duì)新技術(shù)有較高的接受度，這為新技術(shù)的進(jìn)駐提供了較好的環(huán)境條件。這主要體現(xiàn)在新能源技術(shù)和能源管理技術(shù)兩方面。以此為基礎(chǔ)可以在臨港科創(chuàng)城進(jìn)行新能源電力系統(tǒng)、新能源汽車和能源綜合管理系統(tǒng)的試點(diǎn)工作。建議在規(guī)劃中始終考慮到對(duì)智能電網(wǎng)的兼容。

(4)需求側(cè)資源多樣。新能源電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比雙側(cè)隨機(jī)性和不可控性更加顯著[1]，必須進(jìn)行供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的負(fù)荷調(diào)控以達(dá)到電網(wǎng)荷源協(xié)同，從而保障區(qū)域能源供應(yīng)安全?？苿?chuàng)城區(qū)域依靠國(guó)家電網(wǎng)進(jìn)行電力供應(yīng)，供應(yīng)側(cè)的調(diào)節(jié)主要由國(guó)家電網(wǎng)進(jìn)行。園區(qū)內(nèi)需求側(cè)的負(fù)荷類型多樣，存在諸如電動(dòng)汽車充電樁、電加熱、冰蓄冷等可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和居民空調(diào)、溫控負(fù)荷等可削減負(fù)荷。

1.2　智慧能源管理需求分析

園區(qū)管理日趨精細(xì)化，通過智慧能源管理系統(tǒng)的建立，管理者對(duì)整個(gè)園區(qū)的能源結(jié)構(gòu)、可再生能源的利用情況和典型建筑的能效水平都有了細(xì)致深入的了解，從而為保障園區(qū)能源安全指引低碳生態(tài)建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)智慧能源建設(shè)也為園區(qū)需求側(cè)響應(yīng)策略的制定提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施支撐。對(duì)于園區(qū)用戶而言，智慧能源系統(tǒng)提供了建筑的實(shí)時(shí)能源消耗情況，同時(shí)也對(duì)建筑的能效水平給出評(píng)價(jià)。這有助于用戶了解自身的能效水平，優(yōu)化建筑能效從而優(yōu)化能源費(fèi)用的支出。此外，智慧能源管理系統(tǒng)的建設(shè)也為園區(qū)用戶提供了參與需求側(cè)響應(yīng)的機(jī)會(huì)，有助于園區(qū)用戶優(yōu)化自身的能源費(fèi)支出[2]。

目前國(guó)內(nèi)的需求側(cè)資源調(diào)度仍舊以行政手段為主。但是，新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)和電動(dòng)汽車等負(fù)荷資源的廣泛接入和智能電網(wǎng)的發(fā)展使得需求側(cè)響應(yīng)的調(diào)控模式日漸成熟。園區(qū)的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)該考慮到日后可能的多種形式的需求側(cè)響應(yīng)方式。

2　智慧能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

從確保園區(qū)低碳建設(shè)先進(jìn)性、適用性出發(fā)，建立園區(qū)智慧能源管理系統(tǒng)，相應(yīng)的平臺(tái)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 園區(qū)智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)

(1) 綜合管理展示層是在數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上針對(duì)典型情景對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，訪問者可以快速直觀地了解園區(qū)能源情況。

(2) 應(yīng)用層是在數(shù)據(jù)層和應(yīng)用支撐層的基礎(chǔ)上集成和構(gòu)建的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)功能。該層功能模塊主要包括指標(biāo)概覽、建筑能耗監(jiān)測(cè)、區(qū)域能源供應(yīng)監(jiān)測(cè)、低碳技術(shù)監(jiān)控展示、統(tǒng)計(jì)匯總等功能。

(3) 數(shù)據(jù)管理層包括建筑能耗數(shù)據(jù)庫、低碳環(huán)境數(shù)據(jù)庫、低碳綜合數(shù)據(jù)庫，同時(shí)包含統(tǒng)一認(rèn)證、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)交換等應(yīng)用支撐服務(wù)。

(4) 數(shù)據(jù)傳輸層和信息采集層主要包括系統(tǒng)軟件、機(jī)房及配套、主機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)、存儲(chǔ)備份系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)備和其他基礎(chǔ)硬件設(shè)施。

(5) 信息安全體系包括網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)、應(yīng)用等安全防護(hù)、故障恢復(fù)及容災(zāi)等。信息安全體系是為保障信息體系各個(gè)層面的安全。

(6) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系包括應(yīng)當(dāng)遵守的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范支撐體系是保障整個(gè)信息體系規(guī)劃和建設(shè)成功的軟性因素，也是成功實(shí)施的最重要一環(huán)。

3　智慧能源管理規(guī)劃內(nèi)容

3.1　能源供給

全面掌控園區(qū)能源結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可再生能源使用情況，對(duì)不同能源品種的實(shí)際供應(yīng)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)記錄，評(píng)估園區(qū)的能源結(jié)構(gòu)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)電網(wǎng)負(fù)荷，制定相應(yīng)的平衡策略改善發(fā)電與負(fù)荷的時(shí)間匹配度，提高電能利用效率保障能源供給安全。

制定基于電價(jià)的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制。根據(jù)園區(qū)的運(yùn)行數(shù)據(jù)劃分園區(qū)用電的峰谷時(shí)段，根據(jù)負(fù)荷曲線確定峰值電價(jià)、谷值電價(jià)以及平均時(shí)段的基本電價(jià)。更進(jìn)一步，可以根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)荷曲線確定尖峰時(shí)段和相應(yīng)的尖峰費(fèi)率，與分時(shí)電價(jià)疊加，加大激勵(lì)力度。

將園區(qū)視為一個(gè)整體，整合能源生產(chǎn)供應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，引入環(huán)境影響指數(shù)，統(tǒng)計(jì)展示園區(qū)能源消耗帶來的環(huán)境影響。可分別展示園區(qū)在整體能源供應(yīng)這一部分對(duì)全球溫室效應(yīng)(GWP)、臭氧層消耗量(ODP)、光化學(xué)煙霧生成(POCP)、酸雨(AP)、富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)的影響。其中，富營(yíng)養(yǎng)化雖與能源管理無直接聯(lián)系，但考慮到臨港科創(chuàng)城中較為豐富的水體資源，仍舊建議將水質(zhì)監(jiān)測(cè)納入規(guī)劃。量化園區(qū)運(yùn)行過程中的實(shí)際碳排放，豐富園區(qū)能源管理的維度和廣度，為園區(qū)后續(xù)的節(jié)能減排和低碳發(fā)展提供參照指標(biāo)。

3.2　能源管理

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)園區(qū)內(nèi)的各類業(yè)態(tài)的能耗，分析評(píng)價(jià)典型建筑的能效水平，制定節(jié)能措施及相關(guān)配套策略。通過能源管理系統(tǒng)對(duì)城區(qū)各建筑能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分項(xiàng)計(jì)量，對(duì)不同業(yè)態(tài)、不同建筑、不同場(chǎng)合、不同時(shí)段的建筑的各能源品種消耗進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)并記錄，綜合所納入的監(jiān)控能源信息及其他室外環(huán)境信息和室內(nèi)環(huán)境信息，如空氣質(zhì)量、溫濕度、聲音、照度等，掌握實(shí)際能源消耗狀況，通過智能分析，同時(shí)結(jié)合相關(guān)的建筑能耗要求，制定能源消耗控制預(yù)警線。

通過安裝在城區(qū)電力傳輸設(shè)備機(jī)組線路的視頻監(jiān)控及電流、電壓等各種傳感器，能實(shí)時(shí)分析各種電力及傳輸設(shè)備的運(yùn)行情況和運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障，能實(shí)時(shí)對(duì)視頻監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行自動(dòng)判定及報(bào)警。實(shí)時(shí)監(jiān)控電力傳輸設(shè)備及線路的運(yùn)行安全，確保城區(qū)用電安全。建立園區(qū)能源管理中心，監(jiān)管多種能源消耗、工況、報(bào)警、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。

整合園區(qū)中分散的負(fù)荷形成負(fù)荷組，充分挖掘園區(qū)負(fù)荷的需求響應(yīng)潛力，使得小負(fù)荷(如單個(gè)家庭用戶)也可以參與到需求側(cè)響應(yīng)中去。

建設(shè)管理分布式能源和可再生能源裝置，同時(shí)配置適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能裝置，例如電動(dòng)汽車。一方面增加需求側(cè)響應(yīng)的可控調(diào)度資源，從而強(qiáng)化需求側(cè)響應(yīng)的能力。另一方面推廣可再生能源和分布式能源的應(yīng)用普及，減少化石能源的使用，推進(jìn)園區(qū)的低碳建設(shè)。

3.3　能源使用

通過信息采集傳輸和數(shù)據(jù)管理，用戶可以實(shí)時(shí)了解自身的能耗水平、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和可能的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)會(huì)。從而使得個(gè)體用戶更加全面地了解自身的能耗水平，改善個(gè)體用戶提升自身能效的可操作性，調(diào)動(dòng)個(gè)體用戶合理化用能的積極性。

通過安裝的智能計(jì)量裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)單體建筑的能源消耗情況，在線生成建筑能源消耗報(bào)表。綜合納入其他室外環(huán)境信息和室內(nèi)環(huán)境信息，掌握實(shí)際建筑能效，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)該建筑的能效水平，分析建筑的節(jié)能潛力。更進(jìn)一步，個(gè)體用戶可根據(jù)節(jié)能潛力的分布，有針對(duì)性地制定節(jié)能方案，高效推進(jìn)建筑節(jié)能改造，優(yōu)化自身的能效水平。

監(jiān)測(cè)家庭用能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，用戶通過訪問平臺(tái)或是其他訪問終端了解自身涉及的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)用能設(shè)備，對(duì)異常運(yùn)行進(jìn)行報(bào)警應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。此外還可設(shè)定使用情景根據(jù)時(shí)間表控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，或是用戶通過智能終端實(shí)時(shí)控制設(shè)備的運(yùn)行。智能運(yùn)行模式在精細(xì)化了解用戶需求時(shí)間表的基礎(chǔ)上，為用戶提供便捷的設(shè)備控制平臺(tái)，在改善用戶使用體驗(yàn)的同時(shí)，優(yōu)化各類設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間表。

響應(yīng)電網(wǎng)信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷調(diào)整，在平衡電網(wǎng)負(fù)荷的同時(shí)優(yōu)化自身的能源費(fèi)用支出。大用戶可直接參與需求側(cè)響應(yīng)，對(duì)自身的負(fù)荷調(diào)節(jié)類型和負(fù)荷容量進(jìn)行報(bào)價(jià)；小用戶則可以通過園區(qū)管理方整合成負(fù)荷組參與需求響應(yīng)。

3.4　綜合展示管理

綜合展示管理可以以低碳信息管理平臺(tái)為載體。平臺(tái)將集中展示城區(qū)的全過程能源管理，為園區(qū)管理部門的日常事務(wù)管理、低碳指標(biāo)體系的對(duì)標(biāo)情況展示、低碳技術(shù)的實(shí)際效果展示提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為數(shù)據(jù)處理調(diào)配所需的計(jì)算能力，并對(duì)整個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)架的后臺(tái)進(jìn)行管理。通過建立一體化運(yùn)行指揮中心，匯聚整合各方面的信息，可以為臨港地區(qū)的整體運(yùn)行績(jī)效提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和地區(qū)運(yùn)行優(yōu)化方案提供數(shù)據(jù)支撐。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)全面考慮與大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)的兼容性，為以后可能的平臺(tái)遷移和深度數(shù)據(jù)挖掘預(yù)留發(fā)展空間。

3.5　數(shù)據(jù)管理層

園區(qū)內(nèi)建設(shè)數(shù)據(jù)管理體系，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)、統(tǒng)一共享和分析挖掘等操作。設(shè)施包括建筑能耗數(shù)據(jù)庫、低碳環(huán)境數(shù)據(jù)庫、低碳綜合數(shù)據(jù)庫等，同時(shí)包含統(tǒng)一認(rèn)證、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)交換等應(yīng)用支撐服務(wù)。

3.6　數(shù)據(jù)傳輸層

園區(qū)內(nèi)建立完善的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如無線寬帶網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，以此保障數(shù)據(jù)的傳輸。完善寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)間互聯(lián)，擴(kuò)容城域網(wǎng)絡(luò)，提升網(wǎng)速。同時(shí)也應(yīng)實(shí)現(xiàn)園區(qū)的4G 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋，構(gòu)建可靠的全覆蓋移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)。

3.7　信息采集層

能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制通信系統(tǒng)。在建筑中部署能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能源使用情況，并將能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳給數(shù)據(jù)中心。安裝控制和通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)部分可調(diào)控建筑耗能設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的按計(jì)劃調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

4　結(jié)　語

智慧能源管理是互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展下誕生的一種新的管理模式。通過信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和運(yùn)營(yíng)整個(gè)園區(qū)的能源系統(tǒng)，促進(jìn)園區(qū)能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化和能源供應(yīng)的源網(wǎng)荷協(xié)同，可以改善園區(qū)用戶的能效，提升園區(qū)的低碳水平。

參考文獻(xiàn)：

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