基于“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的架構(gòu)分析

顧玉新， 茅大鈞， 代憲亞， 周婧怡

(1.上海華電閔行能源有限公司 市場營銷部， 上海 201108；2.上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090；3.國網(wǎng)宿遷供電公司， 江蘇 宿遷 223800；4.上海工程技術(shù)大學 電子電氣工程學院， 上海 201620)

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基于“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的架構(gòu)分析

顧玉新1， 茅大鈞2， 代憲亞3， 周婧怡4

(1.上海華電閔行能源有限公司 市場營銷部， 上海 201108；2.上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090；3.國網(wǎng)宿遷供電公司， 江蘇 宿遷 223800；4.上海工程技術(shù)大學 電子電氣工程學院， 上海 201620)

為落實國家“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的產(chǎn)業(yè)政策，以上海華電閔行能源有限公司在莘莊工業(yè)區(qū)冷熱電三聯(lián)供改造項目為研究對象，對“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”總體方案設(shè)計、基本架構(gòu)、能源供給與蓄能、能源數(shù)據(jù)中心和信息安全建設(shè)作了分析，其結(jié)果對我國各地區(qū)域型能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展具有一定參考指導價值。

互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源； 冷熱電聯(lián)供； 能源互聯(lián)網(wǎng)

《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020年)》指出，中國經(jīng)濟快速穩(wěn)健發(fā)展，同時也步入了改革、轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，中國的生態(tài)環(huán)境約束、霧霾天氣等大氣污染問題和氣候變化的壓力越來越突顯。中國發(fā)展低碳經(jīng)濟、安全節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展的綠色轉(zhuǎn)型之路已是燃眉之急[1]。

天然氣冷熱電聯(lián)供(Combined Cooling，Heating and Power，CCHP)系統(tǒng)是利用燃機設(shè)備向用戶端供應(yīng)冷、熱、電能源負荷，將能源利用效率從傳統(tǒng)火電系統(tǒng)的30%提高到了70%左右[2-5]。與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢是更接近用戶端，不需要建設(shè)遠距離高壓輸電線路，既節(jié)省了輸配電系統(tǒng)的建設(shè)費用，也大大降低了線損，從而降低了一筆非?？捎^的供應(yīng)成本[2-5]。另外，隨著社會的發(fā)展，加上近幾年霧霾天氣的嚴重影響，人們對環(huán)境保護的意識也逐漸增強，天然氣資源越來越受到能源產(chǎn)業(yè)的青睞。天然氣因其清潔環(huán)保、能源利用率高，加上國家大力提倡，近年來國內(nèi)逐漸興起。

上?！笆濉币?guī)劃以及上海建設(shè)“全球城市”的藍圖中，綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)是重要內(nèi)容。為落實國家“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的產(chǎn)業(yè)政策，依據(jù)中國華電集團公司在上海市的戰(zhàn)略部署，上海華電閔行能源有限公司通過市場調(diào)研后認為，閔行區(qū)莘莊工業(yè)區(qū)供熱工程可以實施燃氣熱-電-冷三聯(lián)供改造。本文以上海莘莊工業(yè)區(qū)CCHP改造項目為研究對象，詳細分析了“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”總體方案設(shè)計、基本架構(gòu)、能源供給與蓄能、能源數(shù)據(jù)中心和信息安全建設(shè)等內(nèi)容，對我國各地區(qū)域型能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展具有一定參考指導價值。

1 “互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”總體方案設(shè)計

上海華電閔行能源有限公司“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”項目旨在應(yīng)對我國新型城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展的需求，將基于能源互聯(lián)網(wǎng)需求側(cè)負荷特性與供給側(cè)多種能源進行耦合，著眼于能源互聯(lián)網(wǎng)中天然氣和光伏等多種能源有機集成、高效轉(zhuǎn)換及蓄能調(diào)能、溫度對口等關(guān)鍵技術(shù)的集成創(chuàng)新，形成一套以分布式能源為主的智慧型區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，為新型城鎮(zhèn)化園區(qū)的建設(shè)發(fā)展提供技術(shù)支撐和示范[6-9]。

上海華電閔行能源有限公司以CCHP、光伏發(fā)電系統(tǒng)為能源供應(yīng)基礎(chǔ)，應(yīng)用蓄能技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，構(gòu)建電、汽、冷、熱等多種能源綜合利用體系，開展清潔能源與終端需求側(cè)可控負荷協(xié)調(diào)運行[10-15];形成智慧、互動、開放的能源消費模式，實現(xiàn)不同能源供給的有機融合和智能化運營，促進能源的高效、清潔、綠色利用[10-15]，將以上海市莘莊工業(yè)區(qū)為主體的園區(qū)打造成為智慧型區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目。

“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”項目以分布式能源(燃氣分布式、分布式光伏發(fā)電)、蓄能裝置為能源互聯(lián)網(wǎng)體系的核心載體，通過大數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建能源中心，進行全局的能源優(yōu)化分析與決策，構(gòu)成能源互聯(lián)網(wǎng)的智能中樞?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+智慧能源”項目總體內(nèi)容框架如圖1所示。

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”項目總體內(nèi)容框架

2 “互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”基本架構(gòu)

在邏輯功能上，能源互聯(lián)網(wǎng)自下而上由4個層面組成：能源生產(chǎn)與消費層、能源傳輸層、綜合能源管理大數(shù)據(jù)平臺、應(yīng)用層。

(1) 能源生產(chǎn)與消費層。用戶既是能源的生產(chǎn)者，又是能源的消費者，這就構(gòu)成了能源的生產(chǎn)和消費單元。能源的種類是多樣化的(包括電、汽、冷、熱等)，其來源也是多樣化的(包括電網(wǎng)、分布式供能站、光伏、蓄能裝置等)。

(2) 能源傳輸層。主動配送網(wǎng)是能源傳輸、配送的主要載體，承擔了能源“路由”的職責，具有拓撲靈活、潮流可控等優(yōu)點。

(3) 綜合能源管理大數(shù)據(jù)平臺。實現(xiàn)多種能源生產(chǎn)、輸配、消費等全過程的實時數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用、分析、挖掘和管理。

(4) 應(yīng)用層。為能源全生命周期提供優(yōu)化控制、決策服務(wù)，為能源互聯(lián)網(wǎng)的參與主體提供互動服務(wù)，為社會和用戶提供公共服務(wù)。

“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的建設(shè)，是根據(jù)園區(qū)情況，充分利用園區(qū)豐富的新能源資源，從能源生產(chǎn)(燃氣供能、光伏、蓄能等)、能源配送網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心及運營模式4個層面進行的智慧型區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

3 能源供給與蓄能建設(shè)

上海華電閔行能源有限公司為上海華電莘莊工業(yè)區(qū)智慧型能源互聯(lián)網(wǎng)項目的建設(shè)主體，一期采用2×60 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供能系統(tǒng)為周圍18 km2內(nèi)的企業(yè)提供集中供熱、供冷等多種能源服務(wù)，并規(guī)劃在已有的120 MW燃氣CCHP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，擴展60 MW燃氣CCHP系統(tǒng)，進一步融合30 MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。

3.1 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)三聯(lián)供系統(tǒng)

上海華電莘莊工業(yè)區(qū)燃氣CCHP系統(tǒng)采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供能方式，其生產(chǎn)工藝流程圖如2所示，以清潔的天然氣為原料，實行高能源利用率的CCHP生產(chǎn)工藝流程。

由圖可見，燃氣輪機利用天然氣為燃料做功，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能,其排出的高溫煙氣送入余熱鍋爐;利用鍋爐生產(chǎn)的高溫、高壓蒸汽帶動蒸汽輪機，完成第一級做功后,抽取一部分蒸汽滿足周圍工業(yè)區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)，其余蒸汽繼續(xù)推動葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。鍋爐中的低溫、低壓蒸汽，在冬季傳送給換熱器輸出熱負荷，在夏季則被溴化鋰吸收式制冷機組充分利用，達到制冷效應(yīng)，滿足莘莊工業(yè)區(qū)的企業(yè)、商務(wù)中心、辦公樓宇等的生活熱、冷需求,最終構(gòu)成熱-電-冷多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)能源的梯級利用。

圖2 華電莘莊工業(yè)區(qū)冷熱電聯(lián)供生產(chǎn)工藝流程圖

Fig.2 Flow chart of CCHP in Huadian Xinzhuang industrial park

3.2 光伏發(fā)電

太陽能光伏發(fā)電具有如下優(yōu)點[16]：無運動部件，無噪聲，無污染，模塊化安裝，建設(shè)周期短，避免長距離輸電，可就近供電。

光伏電站系統(tǒng)原理如圖3所示。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏方陣、并網(wǎng)逆變器、測量通信系統(tǒng)及公共電網(wǎng)組成。光伏方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能(直流電)，并傳遞到與之相連的逆變器上，由逆變器將直流電(DC)轉(zhuǎn)換成交流電(AC)，輸出的電力與公共電網(wǎng)相連接，為當?shù)靥峁╇娏Α?/p>

圖3 光伏電站系統(tǒng)原理圖

Fig.3 Principle of photovoltaic power station system

在項目建設(shè)中，充分利用了莘莊工業(yè)園區(qū)內(nèi)的標準廠房屋頂，建設(shè)光伏發(fā)電場，積極開發(fā)利用本地區(qū)的太陽能等清潔可再生能源，以多元化能源開發(fā)的方式滿足園區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的需求，建設(shè)20個以上廠區(qū)的屋頂光伏系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量達到30 MW。

3.3 蓄能系統(tǒng)

蓄能系統(tǒng)是將低谷時段的廉價電能進行蓄存，以減輕電網(wǎng)的峰值負荷，起到削峰填谷的作用。通常，區(qū)域的供冷、供熱與蓄能技術(shù)相結(jié)合形成蓄能系統(tǒng)，其最大優(yōu)點在于降低電網(wǎng)高峰負荷，減少運行電費。

如圖4所示為水蓄冷系統(tǒng)原理圖。當夜間用電低谷時，6臺功率為9 MW的電動離心式冷水機同時工作，生產(chǎn)冷凍水，且儲存在容積為37×103m3的水蓄冷罐中；平電和峰電時期，則由制冷機組和蓄冷罐聯(lián)合運行，為1.125 km2建筑面積的區(qū)域提供空調(diào)服務(wù)。冬季時，蓄能系統(tǒng)充分利用燃氣熱電廠的余熱和廢熱資源，為整個區(qū)域供熱。

圖4 水蓄冷原理圖

上海華電莘莊工業(yè)區(qū)智慧型能源互聯(lián)網(wǎng)項目的蓄能系統(tǒng)為3 MW。隨著區(qū)域的開發(fā)，冷、熱負荷將不斷增大，當蓄能系統(tǒng)的能量不能滿足整個區(qū)域的要求時，將考慮燃氣電廠二期工程的余熱供熱。

4 能源數(shù)據(jù)中心建設(shè)

能源數(shù)據(jù)中心是“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”系統(tǒng)的智能中樞，處于基本邏輯架構(gòu)中的大數(shù)據(jù)平臺和應(yīng)用層，其采用大數(shù)據(jù)挖掘、服務(wù)化架構(gòu)等云計算關(guān)鍵技術(shù)，為工業(yè)園區(qū)建立統(tǒng)一的開發(fā)、運行和管理服務(wù)平臺[17-19]。

能源大數(shù)據(jù)管理平臺在高標準的、安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，使各業(yè)務(wù)系統(tǒng)得到安全、穩(wěn)定地運行；同時，通過集約化部署，大幅度減少了帶寬和資源的浪費。

基于綜合能源大數(shù)據(jù)管理平臺，能源數(shù)據(jù)中心包括信息融合、運行管理、決策支持、用戶側(cè)分析和商業(yè)模式5個內(nèi)容，如圖5所示。

圖5 能源數(shù)據(jù)中心建設(shè)內(nèi)容

(1) 信息融合。信息融合主要指由能源監(jiān)測系統(tǒng)對園區(qū)內(nèi)的各種負荷及相關(guān)能源、能耗進行監(jiān)測與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，包括相關(guān)電、熱、冷設(shè)備的全壽命資產(chǎn)管理和日常檢修保養(yǎng)等。主要完成以下內(nèi)容：① 在能源互聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)對清潔能源大規(guī)模的分布式“就地收集，就地存儲，就地使用”，以及對冷、熱等其他形式能源的監(jiān)測； ② 實現(xiàn)對清潔能源發(fā)電信息的共享，以信息流控制能量流；③ 實現(xiàn)對清潔能源所發(fā)電能的高效傳輸與共享，減輕發(fā)電不穩(wěn)定帶來的不利影響，實現(xiàn)清潔能源的真正有效利用。

(2) 運行管理。主要包括3個方面:① 基于綜合能源大數(shù)據(jù)管理平臺,針對能源互聯(lián)網(wǎng)中的多種能源形式、多時間尺度和多用戶類型的特點，建立各種發(fā)電設(shè)備的動態(tài)模型和能源網(wǎng)絡(luò)模型；通過能源網(wǎng)絡(luò)模型達到描述能源互聯(lián)網(wǎng)時空特性的目的；② 以能源網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，以蓄能設(shè)備和儲熱設(shè)備為手段，根據(jù)蓄能設(shè)備的不同時間和能量特性，研究在不同時間尺度下的能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度策略；③ 針對能源互聯(lián)網(wǎng)的即插即用和間歇性，采用基于時間驅(qū)動的滾動優(yōu)化調(diào)度策略。

(3) 決策支持。決策支持系統(tǒng)是能源管理信息系統(tǒng)的高級形式，其在能源管理信息系統(tǒng)監(jiān)控、管理和分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用經(jīng)過處理和分析的信息，為能源運營商進行能源決策服務(wù)。能源互聯(lián)網(wǎng)決策支持系統(tǒng)通過能源大數(shù)據(jù)分析，為園區(qū)管理者提供相關(guān)決策依據(jù)，為所有用戶提供優(yōu)化用能策略和區(qū)域節(jié)能措施。針對綜合各種政策與整個園區(qū)用能情況等信息，通過大數(shù)據(jù)分析及相關(guān)核心算法對內(nèi)、對外做出相關(guān)決策。

(4) 用戶側(cè)分析?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+智慧能源”用戶側(cè)分析，是通過用戶側(cè)冷、熱、電綜合能源的消費結(jié)構(gòu)、需求特點以及需求市場分析，即從需求的角度研究能源互聯(lián)網(wǎng)用戶側(cè)冷、熱、電的生產(chǎn)和消費，通過選擇合理的能源供應(yīng)方式和消費結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)能源利用的最大效應(yīng)，從更高層次上處理能源互聯(lián)網(wǎng)需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)的關(guān)系，根本上達到節(jié)約能源的目的，為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供意見和建議。

(5) 商業(yè)模式?；诰C合能源大數(shù)據(jù)管理平臺，結(jié)合氣象、社會經(jīng)濟、用電側(cè)、用戶信息、地理信息、電價政策等多種信息和因素，對用戶類型進行細分，建立不同區(qū)域、不同行業(yè)、不同類別用戶的典型負荷模型庫，用以分析各類影響因素與用戶用電行為之間的關(guān)聯(lián)性及其影響機理。根據(jù)用電行為分析、能效管理、需求響應(yīng)策略來評估電價政策，制定合理的價格套餐模式，為用戶提供細分與定制服務(wù)等用電服務(wù)模式。研究能源的增值服務(wù)，包括用能咨詢、節(jié)能解決方案、新能源汽車后市場等，建設(shè)能源資產(chǎn)的服務(wù)平臺，包括能源資產(chǎn)的代理運行服務(wù)、開發(fā)和交易，能源資產(chǎn)證券化的互聯(lián)網(wǎng)金融、電子商務(wù)等，形成多樣化的電力供給和需求商業(yè)模式。

5 信息安全建設(shè)

信息安全作為一個不容忽視的國家安全戰(zhàn)略，任何國家、政府、部門、行業(yè)都必須重視。對此，“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”系統(tǒng)除了定期對云服務(wù)器進行病毒防護系統(tǒng)升級外，還從以下3個方面進行安全策略建設(shè)[20-23]。

(1) 邊界安全。為應(yīng)對由于網(wǎng)絡(luò)邊界模糊產(chǎn)生的安全隱患，對信息系統(tǒng)的防火墻、入侵檢測等邊界系統(tǒng)進行安全改造，提供虛擬化環(huán)境下的安全保護措施。將物理防火墻進行虛擬劃分，實現(xiàn)每個虛擬化后的防火墻不但擁有各自獨立的管理權(quán)限，能獨立監(jiān)控和調(diào)整配置策略，也可同時并行操作。另外，虛擬化后的防火墻能像普通的物理防火墻一樣，由不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行獨立管理和配置，實現(xiàn)安全隔離。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸安全。云端的數(shù)據(jù)傳輸主要有兩種：用戶與云端的遠程傳輸、不同虛擬機之間的云內(nèi)部傳輸。為了保證數(shù)據(jù)傳輸安全，進行端到端的傳輸加密，具體的技術(shù)手段采用協(xié)議安全套接層或傳輸層安全協(xié)議(SSL/TLS)，在云終端與云服務(wù)器之間、云應(yīng)用服務(wù)器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸加密配置。

(3) 數(shù)據(jù)存儲安全。本系統(tǒng)制定兩種安全措施：對象存儲加密和卷標存儲加密。將對象存儲系統(tǒng)配置為加密狀態(tài)，即系統(tǒng)默認對所有數(shù)據(jù)進行加密;卷標存儲加密是將卷標模擬為一個普通的硬件卷標，對卷標的數(shù)據(jù)存儲加密，主要采用加密代理設(shè)備進行加、解密配置。

6 結(jié) 語

上海華電閔行能源有限公司“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”項目旨在應(yīng)對我國新型城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展的需求，構(gòu)建了一套以分布式能源為主的智慧型區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，為新型城鎮(zhèn)化園區(qū)的建設(shè)發(fā)展提供技術(shù)支撐和示范。以分布式能源(燃氣分布式、分布式光伏發(fā)電)、蓄能裝置為能源互聯(lián)網(wǎng)體系的核心載體，通過大數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建能源中心，進行全局的能源優(yōu)化分析與決策?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+智慧能源”CCHP系統(tǒng)的構(gòu)建可對我國各地區(qū)域型能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展提供一定參考價值。

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Architecture of Combined Cooling Heating and Power System Based on Internet Plus Smart Energy

GU Yuxin1， MAO Dajun2， DAI Xianya3， ZHOU Jingyi4

(1. Marketing Department， Shanghai Huadian Minhang Energy Co.， Ltd.， Shanghai 201108， China；2. School of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China； 3. Start Grid Suqian Power Supply Company, Suqian 223800, Jiangsu, China；4. School of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620， China)

To implement the national policy of Internet Plus Smart Energy, this paper studies a renovation project of combined cooling heating and power (CCHP) in Xinzhuang Industry Park for Huadian Minhang Energy Co., Ltd., Shanghai. Design of the overall scheme, base architecture, energy supply, energy storage, energy data center, and information security are described. The result of this study may provide guide to the regional energy internet in various areas of China.

internet plus smart energy; combined cooling heating and power (CCHP); energy internet

2017 -03 -26

顧玉新(1967-)，男，工程師，主要研究方向為天然氣CCHP能源供應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)與效益提升， E-mail：guyuxin207@163.com

2095 - 0020(2017)03 -0181 - 06

TK 019

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