園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計與研究

于 博 濤

(大同市重點工程建設(shè)服務(wù)中心，山西 大同 037003)

1 設(shè)計背景

項目主要包括科研中心、學(xué)術(shù)中心、主試驗樓、控制樓、氣源間、備料間、各類輔助試驗樓和專家公寓、食堂等配套設(shè)施?？紤]到供能技術(shù)發(fā)展趨勢，本項目能源供應(yīng)遵循“能從身邊取，不從遠(yuǎn)處來；分布式能源與大電網(wǎng)形成相互支撐；提高可再生能源接入”的原則，項目供能規(guī)劃方案見圖1。

項目將建設(shè)如下能源互聯(lián)網(wǎng)配套設(shè)施：

利用屋頂建設(shè)光伏500 kW，就近消納；太陽能熱水器154T/d，熱水收集至換熱站。

地源熱泵：容量1 484 kW，布置于草坪，占地4 930 m2，熱水收集至換熱站。

停車場：建設(shè)一體化停車場，布置充電樁20個，1個120 kW大型充電樁，19個60 kW小型充電樁；車棚布置分布式光伏75 kW。

換熱站：布置相變儲熱16.5 MWh，電鍋爐2.9 MW。

配電室：配置容量33 MW，鋰電池5 MWh。

為了實現(xiàn)對上述能源供應(yīng)系統(tǒng)及企業(yè)用能情況做到實時監(jiān)測，便于企業(yè)了解設(shè)備運行情況及對潛在的故障能夠及時預(yù)警并處理，該項目需要配套建設(shè)一套能源互聯(lián)網(wǎng)智慧管控平臺。

2 設(shè)計建模

通過對項目基本資料的梳理和客戶需求的分析，建立了如圖2所示的智慧管控平臺業(yè)務(wù)需求模型。

該模型以各類能源(配電室、光伏、儲能、余熱回收機組等)及企業(yè)負(fù)荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過采集各個系統(tǒng)運行關(guān)鍵測量量，為客戶提供設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、多源協(xié)調(diào)優(yōu)化，保證快速處理設(shè)備故障及潛在缺陷，以提高設(shè)備使用效率，最終實現(xiàn)零碳模式。

本項目存在著諸如分布式光伏、相變儲熱、電動汽車等可調(diào)節(jié)資源，可以通過能源價格的時空價差，參與電力服務(wù)等增值服務(wù)。隨著電力改革的深入，隔墻售電和電力輔助服務(wù)將會成為未來能源市場交易重要模式之一，為了支持這一商業(yè)模式，本系統(tǒng)還提供交易管理和需求響應(yīng)等高級功能，為企業(yè)實現(xiàn)能源購銷和提供增值服務(wù)打下技術(shù)積淀，在提高客戶收益的同時，為未來的能源市場奠定雄厚的技術(shù)及商業(yè)模式儲備。

3 系統(tǒng)架構(gòu)及平臺特點

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

通過部署在不同區(qū)域的通訊管理機實現(xiàn)對不同子系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)的采集，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳給綜合能源管控平臺，平臺前置通訊服務(wù)器實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的匯集、解析及內(nèi)部功能模塊數(shù)據(jù)分發(fā)工作。

系統(tǒng)主站側(cè)部署數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、WEB服務(wù)及操作員站以實現(xiàn)客戶不同業(yè)務(wù)功能需要，并滿足不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互等實際需要。本方案主站硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 平臺特點

系統(tǒng)采用功能分層模塊化開發(fā)的設(shè)計理念，將系統(tǒng)整體劃分為數(shù)據(jù)傳感層、采集傳輸層、功能主站層。使系統(tǒng)具備了最大程度的靈活度，從而能對業(yè)務(wù)需求的變化作出快速的反應(yīng)，同時保證系統(tǒng)的靈活部署屬性，保證系統(tǒng)具有很好的擴展性，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展需要。

系統(tǒng)采用主動配電網(wǎng)互動行為辨識技術(shù)、分布式能源與主動負(fù)荷的綜合互補優(yōu)化配置技術(shù)、基于能源互聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)源荷儲”的智能模態(tài)切換、柔性負(fù)荷自動需求響應(yīng)以及新能源梯級調(diào)用的核心技術(shù)，實現(xiàn)對園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的態(tài)勢感知及優(yōu)化協(xié)調(diào)運行控制，為客戶提供高分布式能源消納情況下區(qū)域微電網(wǎng)電能質(zhì)量優(yōu)化、系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行提供最優(yōu)運行方案，提升能源安全及經(jīng)濟效益。

系統(tǒng)提供基于移動終端及PC客戶端等方式為用戶提供訪問服務(wù)，為園區(qū)不同用戶掌握能源使用情況提供能源監(jiān)測、經(jīng)濟效益、能耗水平等方面評估測算服務(wù)，為用戶提供定制化訪問界面，提升客戶用能互動水平。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用工業(yè)級無風(fēng)扇嵌入式通訊機，實現(xiàn)串口設(shè)備到以太網(wǎng)的自動化信息采集和通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換，通訊接口類型豐富，接口數(shù)量可選，接口程序覆蓋電力/工控等常用協(xié)議，支持遠(yuǎn)程調(diào)試維護。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃

能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃主要功能如圖4所示。

4.1 能源需求預(yù)測及特性模擬

能源需求預(yù)測及特性模擬是能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，決定能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃成敗。主要包括總量預(yù)測和負(fù)荷特性模擬。

城市CAD格式用地性質(zhì)圖中自動讀取地塊面積指標(biāo)。

總量預(yù)測：根據(jù)歷史負(fù)荷信息進行用電負(fù)荷的總量預(yù)測。

空間預(yù)測：根據(jù)冷、熱、電負(fù)荷指標(biāo)和用地規(guī)模，實現(xiàn)冷、熱、電負(fù)荷需求的空間預(yù)測。

負(fù)荷特性模擬：根據(jù)最大負(fù)荷及各種負(fù)荷特性曲線，模擬并生成典型日冷、熱、電能源需求曲線，模擬并生成年內(nèi)各月的冷、熱、電負(fù)荷需求曲線。

4.2 多種能源容量優(yōu)化

利用冷熱電負(fù)荷水平及負(fù)荷特性、結(jié)合規(guī)劃人員經(jīng)驗、輔助分析計算及財務(wù)評價等手段，進行“智慧”化容量優(yōu)化。

“智慧”優(yōu)化流程：

首先，根據(jù)各地能源資源及能源價格計算各項可行性技術(shù)單位量投資的經(jīng)濟效益，為規(guī)劃人員提供決策依據(jù)。

然后，根據(jù)規(guī)劃人員經(jīng)驗，結(jié)合負(fù)荷水平及負(fù)荷特性，初步設(shè)置各種能源容量規(guī)模。

第三步，根據(jù)負(fù)荷曲線及優(yōu)化目標(biāo)，自動生成多能源優(yōu)化效果及分析計算與財務(wù)評價結(jié)果。

第四步，參考分析計算與財務(wù)評價結(jié)果，根據(jù)規(guī)劃人員經(jīng)驗，手動修改能源配比，再進行第三步工作、形成閉環(huán)。

最后，比選出經(jīng)濟效益與能源利用效率最優(yōu)的容量優(yōu)化方案。

5 能源互聯(lián)網(wǎng)物理模型建立

能源互聯(lián)網(wǎng)物理模型，實現(xiàn)AutoCAD繪圖、能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備參數(shù)和建模、綜合分析與評估、投資概算及財務(wù)評價等功能一體化完成。解決能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中CAD繪圖與數(shù)據(jù)分離的問題，解決規(guī)劃方案與分析評價脫節(jié)的問題。

從戰(zhàn)略的高度統(tǒng)籌解決水利信息化資源分散的問題。首先，完善“一張表”。制定全市水利統(tǒng)計數(shù)據(jù)表格，完善現(xiàn)有的水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，出臺水利數(shù)據(jù)更新管理辦法，確保數(shù)源的唯一性和準(zhǔn)確性。其次，健全“一張圖”。借助現(xiàn)有的GIS技術(shù)，做好天地圖、google圖的數(shù)據(jù)添加工作，在原有水利普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進一步整合水利各專題業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同與共享。再次，建成“一套規(guī)范”。要加強規(guī)范建設(shè)，落實“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”，從簡單到復(fù)雜，從核心數(shù)據(jù)庫到外圍應(yīng)用開發(fā)，制定 《IP地址分配規(guī)定》《水利工程數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符規(guī)范》《水利系統(tǒng)信息交換單位名稱代碼規(guī)范》《水利綜合辦公業(yè)務(wù)系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)整合接口規(guī)約》等規(guī)范。

主要內(nèi)容包括：

設(shè)備建模：新建電氣設(shè)備包括常規(guī)電網(wǎng)設(shè)備，包括電廠、交流線路、變電站、開閉所、電纜終端/桿塔等；以及能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃下電網(wǎng)設(shè)備，包括光伏、風(fēng)電、冷熱電三聯(lián)供、電動汽車、相變儲能、電儲能、交流斷路器、水源熱泵、地源熱泵等；供冷、供熱設(shè)備，包括鍋爐、換熱站等。

網(wǎng)絡(luò)建模：包括電力網(wǎng)絡(luò)、熱力網(wǎng)絡(luò)。

轉(zhuǎn)模功能：用于將已有普通AutoCAD圖紙直接轉(zhuǎn)換成圖形與數(shù)據(jù)結(jié)合的圖模一體化模型。

數(shù)據(jù)交互功能：用于將Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出，便于數(shù)據(jù)編輯和修改。

6 輔助分析計算與統(tǒng)計功能

基于AutoCAD模型進行輔助分析計算與統(tǒng)計，主要實現(xiàn)的功能包括：第一輔助計算便于決策，第二數(shù)據(jù)統(tǒng)計便于工程概算、財務(wù)評價等工作與報表生成，第三生成報表減少工作量。

主要內(nèi)容包括：

1)分析計算功能：電氣計算(主要包括潮流計算、短路計算、N-1計算、功率因數(shù)計算、可靠性計算等)；冷熱計算(主要包括可靠性計算、損耗計算等)。

2)輔助分析計算與統(tǒng)計功能：按照各規(guī)劃年份與區(qū)域進行工程量統(tǒng)計，支撐工程概算；冷熱電氣等能源生產(chǎn)與消耗數(shù)據(jù)分時段統(tǒng)計，支撐財務(wù)評價。

3)分析計算結(jié)果、工程量、能源生產(chǎn)與消耗量等數(shù)據(jù)生成Excel報表。

6.1 負(fù)荷預(yù)測

負(fù)荷預(yù)測包括電負(fù)荷預(yù)測、冷負(fù)荷預(yù)測和熱負(fù)荷預(yù)測。

系統(tǒng)能夠根據(jù)歷史用電負(fù)荷數(shù)據(jù)以及天氣情況對未來幾小時到一天的用電負(fù)荷進行預(yù)測。

系統(tǒng)能夠根據(jù)實測室外溫度和天氣預(yù)報溫度對當(dāng)前冷熱負(fù)荷進行計算，并對未來幾小時至一天內(nèi)的冷熱負(fù)荷進行預(yù)測。

負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果用于系統(tǒng)的優(yōu)化控制及能量交易系統(tǒng)，也可以以負(fù)荷曲線的形式進行展示。

負(fù)荷預(yù)測的算法包括傳統(tǒng)時間序列法、回歸分析法以及各種人工智能方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等等。

6.2 發(fā)電預(yù)測

發(fā)電預(yù)測包括各種分布式發(fā)電的功率預(yù)測，包括屋頂光伏發(fā)電預(yù)測、車棚光伏發(fā)電預(yù)測、薄膜光伏發(fā)電預(yù)測、微風(fēng)發(fā)電功率預(yù)測、風(fēng)光互補路燈發(fā)電預(yù)測、地源熱泵冷/熱功率預(yù)測、空氣源熱泵冷/熱功率預(yù)測。

通過采集數(shù)值氣象預(yù)報數(shù)據(jù)、實時氣象站數(shù)據(jù)、實時輸出功率數(shù)據(jù)、逆變機組狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對各類分布式光伏的短期功率預(yù)測、超短期功率預(yù)測。

6.3 源—儲—荷聯(lián)動優(yōu)化系統(tǒng)

系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前時刻或預(yù)測冷熱電負(fù)荷、外來綠電電價、儲能設(shè)備運行狀態(tài)、各種分布式發(fā)電預(yù)測功率等系統(tǒng)狀態(tài)信息，以綜合能源效率或綜合能源運行成本為目標(biāo)，通過綜合模型的優(yōu)化計算確定系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備如地源熱泵、空氣源熱泵、儲能設(shè)備的運行參數(shù)以及外來綠電的購/售電量。

7 結(jié)語

本方案實現(xiàn)了對各種能源設(shè)備運行情況進行實時監(jiān)測，對不同能源間實現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，對不同能源運行情況進行統(tǒng)計分析及形成不同周期報表。通過對運行數(shù)據(jù)的不同維度的統(tǒng)計分析和對企業(yè)負(fù)荷中短期預(yù)測，形成不同能源的生產(chǎn)計劃安排、儲能工作模式和相關(guān)交易模式，為實現(xiàn)項目能源綜合利用率和系統(tǒng)可靠運行提供技術(shù)支持。