工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

黃楚鴻，龐學(xué)躍

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州510663）

工業(yè)園區(qū)一般具備冷、熱、電、氣等多種能源形式，但由于缺乏用能的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，園區(qū)內(nèi)不同能源之間的耦合性不強，未能有效地實現(xiàn)能源相互間的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換，造成園區(qū)普遍存在能源浪費、電能緊缺等現(xiàn)象。

近幾年國內(nèi)外多能協(xié)同的綜合能量管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究和工程建設(shè)受到廣泛關(guān)注。但多數(shù)應(yīng)用和研究是針對特定行業(yè)企業(yè)或區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)能源信息的監(jiān)視，而針對區(qū)域內(nèi)多種能源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的研究和應(yīng)用較少，特別對工業(yè)園區(qū)的多能協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究仍處于起步階段。電力行業(yè)傳統(tǒng)的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)、需求響應(yīng)管理系統(tǒng)和新能源控制系統(tǒng)等雖然分別在不同程度上解決了工業(yè)園區(qū)內(nèi)配網(wǎng)供電、用戶用電及新能源運行管理等方面的問題，但上述系統(tǒng)并未涉及工業(yè)園區(qū)多種能源的協(xié)調(diào)運行控制，缺乏工業(yè)園區(qū)多能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計。

本文提出了一種工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)的設(shè)計思路，該系統(tǒng)基于多能協(xié)同和多元互動的思想，采用多層次的系統(tǒng)架構(gòu)來實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)多種能源的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。

1 系統(tǒng)概述

工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)的作用應(yīng)體現(xiàn)在如下4個方面：

1）多能感知

實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)不同能源的在線感知，全面監(jiān)視園區(qū)內(nèi)能源的流動，為能源的協(xié)調(diào)控制提供運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及預(yù)警信息。

2）多能耦合

分析工業(yè)園區(qū)冷、熱、電、氣等多種能源的運行特點及相互間的能源轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立多能耦合模型，實現(xiàn)對不同能量傳輸和轉(zhuǎn)化過程的動態(tài)描述。

3）多能協(xié)調(diào)

實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)冷、熱、電、氣等多種能源的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)不同能源間的有效轉(zhuǎn)換和能源的高效消納。

4）多元互動

分析工業(yè)園區(qū)不同可調(diào)節(jié)資源的運行特性，建立互動資源策略庫，讓不同的可調(diào)節(jié)資源參與到工業(yè)園區(qū)能源協(xié)調(diào)運行中。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the system

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)采用多層次的系統(tǒng)架構(gòu)，通過園區(qū)層-用戶層-終端層之間的相互協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)整個園區(qū)、用戶內(nèi)部等多個層面上的能源優(yōu)化協(xié)調(diào)運行，提高園區(qū)冷、熱、電、氣等多種能源的綜合利用效率及用能的平滑性。

1）園區(qū)層

在園區(qū)層部署一套園區(qū)綜合能量管理主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)從園區(qū)層面出發(fā)，對各個接入用戶及直控資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，以實現(xiàn)園區(qū)層面冷、熱、電、氣等多種能源的優(yōu)化運行控制。其具備能源預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度、風(fēng)險評估、能效分析、虛擬電廠、多能感知及多元互動策略庫等功能模塊。

2）用戶層

在可調(diào)控資源豐富的用戶內(nèi)部署一套能量管理子站系統(tǒng)，對用戶內(nèi)多種可調(diào)控資源進行優(yōu)化運行控制。其具備可調(diào)控能力分析、自趨優(yōu)控制、故障處理、能效分析及多元互動策略庫等功能模塊。

3）終端層

在可調(diào)控資源及信息采集點部署采集設(shè)備及終端控制設(shè)備等，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集及與上級控制系統(tǒng)進行交互。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流架構(gòu)

工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流架構(gòu)如圖2所示，對于直控資源的數(shù)據(jù)流按照圖中①→②→③→（④→⑤→⑥）→①的數(shù)據(jù)流向來實現(xiàn)對園區(qū)層面直控資源及用戶資源（把用戶整體看成一個直控資源）的優(yōu)化控制，對于用戶內(nèi)可調(diào)節(jié)資源的數(shù)據(jù)流按照圖中①→②→③→（④→⑤→⑥）→⑦→⑧→①的數(shù)據(jù)流向來實現(xiàn)園區(qū)層面對用戶內(nèi)可調(diào)節(jié)資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

具體描述如下：

1）園區(qū)層面綜合能量管理主站系統(tǒng)通過多元感知模塊獲取直控資源、用戶資源、氣象數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，并發(fā)送給多能預(yù)測模塊，進行多種能源超期/超短期的預(yù)測；優(yōu)化調(diào)度模塊根據(jù)預(yù)測結(jié)果，并結(jié)合不同被控對象的互動策略，編制日前、日內(nèi)及實時等優(yōu)化調(diào)控計劃，實現(xiàn)了日前→日內(nèi)→實時調(diào)控計劃的時序遞進優(yōu)化，以確保工業(yè)園區(qū)多種能源優(yōu)化調(diào)度計劃制定的流暢性與連續(xù)性，提高能源調(diào)度的安全裕度。

2）用戶層面能量管理子站系統(tǒng)通過可調(diào)節(jié)資源分析模塊獲取可控資源的調(diào)節(jié)能力及在線運行數(shù)據(jù)，并結(jié)合不同被控對象的互動策略，根據(jù)園區(qū)綜合能量管理主站系統(tǒng)下發(fā)的優(yōu)化調(diào)控計劃，實現(xiàn)對用戶內(nèi)部可調(diào)節(jié)資源的控制。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流架構(gòu)Fig.2 Architecture of the data flow

3）終端層面需要在線采集各種被控對象的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及用能設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并反饋給園區(qū)綜合能量管理主站系統(tǒng)和用戶能量管理子站系統(tǒng)，各級系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行調(diào)控計劃的優(yōu)化，以構(gòu)成一個閉環(huán)的修正控制策略，提高對可調(diào)節(jié)資源控制的準確性。

2.3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3 所示。工業(yè)園區(qū)綜合能量管理主站系統(tǒng)劃分為安全區(qū)I 和安全區(qū)III。安全區(qū)I 和安全區(qū)III 之間通過物理隔離裝置進行物理隔離；安全區(qū)I 通過物理隔離裝置與安全區(qū)I 外部系統(tǒng)、直控資源進行互聯(lián)；安全區(qū)I通過安全接入?yún)^(qū)與能量管理子站系統(tǒng)進行互聯(lián)。

1）主站系統(tǒng)主要配置用于部署應(yīng)用功能及數(shù)據(jù)交互所需要的應(yīng)用服務(wù)器及交換機、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、磁盤陣列等相關(guān)設(shè)備。

2）子站系統(tǒng)主要配置用于部署應(yīng)用功能、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)采集所需要的應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等相關(guān)設(shè)備。

3）終端層針對終端設(shè)備的不同，部署不同的監(jiān)控設(shè)備，例如低壓回路部署電能采集設(shè)備、中央空調(diào)部署冷熱監(jiān)控終端等；對于具備后臺系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)資源，通過建立系統(tǒng)接口來實現(xiàn)互聯(lián)。

2.4 系統(tǒng)信息集成與交互

工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)信息集成交互如圖4 所示。數(shù)據(jù)統(tǒng)一交互平臺實現(xiàn)了主站系統(tǒng)各個應(yīng)用功能模塊之間的數(shù)據(jù)交互、與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互及與直控資源、用戶能量管理子站的數(shù)據(jù)交互。主站系統(tǒng)把數(shù)據(jù)統(tǒng)一交互平臺作為數(shù)據(jù)資源池，實現(xiàn)各種信息的集成及數(shù)據(jù)的共享。數(shù)據(jù)統(tǒng)一交互平臺通過對不同類型的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，便于數(shù)據(jù)的維護管理及對新增功能數(shù)據(jù)交互的即插即用。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.3 Hardware architecture of the system

用戶層能量管理子站系統(tǒng)負責(zé)采集用戶內(nèi)部冷、熱、電、氣等運行狀態(tài)信息并上送給主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)之間支持多種通信方式進行數(shù)據(jù)交互，包括無線通信、光纖專線通信等。為了保證網(wǎng)絡(luò)安全，主站系統(tǒng)與子站系統(tǒng)的通信通過安全接入?yún)^(qū)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全的防護。

主站系統(tǒng)與直控資源之間的通信采用專線的方式進行數(shù)據(jù)交互，并配備必要的安全防護設(shè)備來加強數(shù)據(jù)交互的加密性及可靠性。

圖4 系統(tǒng)信息集成與交互Fig.4 Information integration and interaction of the system

3 關(guān)鍵應(yīng)用功能

3.1 多能感知

多能感知是以工業(yè)園區(qū)冷、熱、電、氣等多種能源運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于動態(tài)、整體地對園區(qū)多種能源進行感知，實現(xiàn)對園區(qū)能源系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測，保障園區(qū)能源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。

1）實現(xiàn)在線感知，全景互動展示工業(yè)園區(qū)冷、熱、電、氣等不同能源系統(tǒng)及用戶資源的物理分布情況及運行狀態(tài)，實現(xiàn)能源的在線監(jiān)視及可視化展示。

2）實現(xiàn)在線風(fēng)險識別，以工業(yè)園區(qū)運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用多能感知的風(fēng)險識別能力，實現(xiàn)對園區(qū)多種能源運行的事前風(fēng)險預(yù)警、事中趨勢分析、異常處置及事后分析評估等。

3.2 多能耦合

如圖5 所示，冷、熱、電、氣等多種能源可直接供用戶使用，也可以通過三聯(lián)供機組、電蓄冷設(shè)備、電蓄熱設(shè)備、燃氣鍋爐、蒸汽差壓發(fā)電等設(shè)備實現(xiàn)冷、熱、電、氣的相互轉(zhuǎn)化利用。

通過分析工業(yè)園區(qū)冷、熱、電、氣等多種能源的運行特點及相互間的能源轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立多能耦合模型，實現(xiàn)對不同能量傳輸和轉(zhuǎn)化過程的動態(tài)描述，為多種能源的優(yōu)化控制提供模型支撐。

3.3 多能預(yù)測

多能預(yù)測實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)多種能源的運行趨勢預(yù)測，為多種能源的優(yōu)化調(diào)度提供預(yù)測結(jié)果。

圖5 能源轉(zhuǎn)換示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy conversion

多能預(yù)測核心實現(xiàn)冷、熱、電、氣等多種能源的短期、超短期功率預(yù)測。多能預(yù)測模塊根據(jù)不同能源系統(tǒng)及被控對象的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、可調(diào)節(jié)資源的裕度及用戶生產(chǎn)計劃等相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，計算出冷、熱、電、氣等多種能源的短期、超短期功率預(yù)測結(jié)果。

3.4 多元互動策略

多元互動策略主要實現(xiàn)不同互動對象所采用的互動模式。通過分析工業(yè)園區(qū)不同可調(diào)節(jié)資源的運行特性，建立互動資源策略庫，有助于后續(xù)新增互動對象的快速接入。根據(jù)互動對象的不同，多元互動策略分為園區(qū)層和用戶層。

1）園區(qū)層多元互動策略

園區(qū)層多元互動策略面向園區(qū)層面可調(diào)節(jié)資源，制定針對性的互動策略。例如與可調(diào)節(jié)資源豐富的工業(yè)用戶的互動，在工業(yè)用戶內(nèi)部部署能量管理子站，從主站系統(tǒng)的角度，將工業(yè)用戶整體看為一個可調(diào)節(jié)資源，通過主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)之間的資源信息交互來實現(xiàn)用戶內(nèi)部資源的優(yōu)化調(diào)度；又如與電動汽車充電樁群的互動，根據(jù)充電樁群所在變壓器及饋線的運行情況等，采用電動汽車充電控制策略引導(dǎo)電動汽車的有序充電，以平抑因集中充電造成的峰谷差擴大。

2）用戶層的多元互動策略

用戶層多元互動策略面向用戶內(nèi)可調(diào)節(jié)資源，制定針對性的互動策略。例如與工業(yè)用戶內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)線的互動，某些工業(yè)生產(chǎn)由多條生產(chǎn)線組成，生產(chǎn)線之間為無序投入運行，存在某一時刻出現(xiàn)同時投入多條生產(chǎn)線，產(chǎn)生用電負荷疊加的情況出現(xiàn)，通過采取對生產(chǎn)線投入時間的有序控制，使各生產(chǎn)線投入時間錯開，保障用電的平穩(wěn)有序。

3.5 優(yōu)化調(diào)度

優(yōu)化調(diào)度模塊實現(xiàn)園區(qū)多種能源的日前→日內(nèi)→實時的調(diào)度計劃編制，為多種能源的運行控制提供優(yōu)化調(diào)度策略，以最大限度的實現(xiàn)各種能源的消納及優(yōu)化互補，保障能源系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。優(yōu)化調(diào)度模塊基于多能的耦合模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對多能計劃進行優(yōu)化編制：

1）日前優(yōu)化調(diào)度計劃以多能預(yù)測的短期功率預(yù)測結(jié)果、約束條件等，編制出多能日前調(diào)度計劃。

2）日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度計劃以多能預(yù)測的超短期功率預(yù)測結(jié)果、各種能源的運行狀態(tài)、約束條件等，編制出多能日內(nèi)調(diào)度計劃。

3）實時優(yōu)化調(diào)度計劃模塊以各種能源實時運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，編制出多能實時調(diào)度計劃。

3.6 虛擬電廠

將工業(yè)園區(qū)的可調(diào)節(jié)資源進行聚合構(gòu)成一個虛擬的電廠，參與到電力市場和電網(wǎng)的運行控制中，為電網(wǎng)運行提供容量服務(wù)、輔助服務(wù)，進而提高電網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性。

3.7 自趨優(yōu)控制

自趨優(yōu)控制為能量管理子站系統(tǒng)的功能模塊，該模塊根據(jù)用戶內(nèi)部資源的運行情況，對用戶內(nèi)部可調(diào)節(jié)資源進行日前、日內(nèi)、實時的優(yōu)化自動控制。在園區(qū)不存在能源緊缺風(fēng)險的情況時，自趨優(yōu)控制模塊按照用戶資源最優(yōu)控制來實現(xiàn)內(nèi)部資源的調(diào)控；在主站系統(tǒng)發(fā)出能源緊缺風(fēng)險信號時，子站系統(tǒng)自趨優(yōu)控制模塊與主站優(yōu)化調(diào)度模塊相互協(xié)調(diào)配合，對用戶可調(diào)節(jié)資源進行優(yōu)化調(diào)度，從而實現(xiàn)能源的調(diào)控。

4 示范應(yīng)用

工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)正在某工業(yè)園開展示范建設(shè)：

1）園區(qū)層，部署1 套園區(qū)綜合能量管理主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)通過系統(tǒng)接口的方式接入了直控電儲能、CCHP、電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)、氣象信息等。

2）用戶層，在6 個工業(yè)用戶內(nèi)部各部署1 套能量管理子站系統(tǒng)，子站系統(tǒng)通過系統(tǒng)接口方式接入了用戶內(nèi)部儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)等。

3）終端層，根據(jù)用戶內(nèi)部資源分別部署了中央空調(diào)冷熱監(jiān)控終端、分體空調(diào)智能控制終端、配用電采集終端、工業(yè)生產(chǎn)線控制終端等終端設(shè)備。終端設(shè)備通過光纖通信方式接入到用戶能量管理子站系統(tǒng)。

目前該工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)處于投入試運行階段，運行狀態(tài)良好，下一步將根據(jù)運行結(jié)果對應(yīng)用效果進行分析。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)，基于多能協(xié)同和多元互動的思想，采用多層次的系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)從園區(qū)整體到用戶內(nèi)部多種能源的統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度。所設(shè)計的系統(tǒng)具有以下幾個方面的意義：

1）系統(tǒng)滿足工業(yè)園區(qū)對能源管控的需求，為園區(qū)和用戶提供能源的精細化管控。

2）深入用戶內(nèi)部能源管控，從能源使用末端實現(xiàn)冷、熱、電、氣等多種能源的優(yōu)化控制。

3）基于系統(tǒng)對園區(qū)或用戶能源的運行分析，可為其能源設(shè)施提供優(yōu)化改造建議，以降低園區(qū)或用戶的用能成本。

4）通過點（單個用戶）-線（多個用戶）-面（整個園區(qū)），有效整合工業(yè)園區(qū)內(nèi)不同能源，實現(xiàn)不同能源形態(tài)的轉(zhuǎn)換，提高能源使用效率，使園區(qū)內(nèi)能源利用的生態(tài)性體現(xiàn)更為充分，實現(xiàn)園區(qū)能源的可持續(xù)發(fā)展。

本文側(cè)重介紹工業(yè)園區(qū)綜合能量管理系統(tǒng)的設(shè)計，并未過多闡述多能流的耦合模型，多能流的耦合模型對綜合能源的優(yōu)化控制起到關(guān)鍵的作用，也是綜合能源控制的重點研究方向，需要進行深入研究。