智慧園區(qū)配用電技術(shù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

郝孟楊 孟賓 常娟娟

伴隨能源需求的日益增長(zhǎng)與城市化進(jìn)程的加速，智慧園區(qū)配用電技術(shù)已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展與智慧城市建設(shè)的重要組成部分，研究其規(guī)劃與設(shè)計(jì)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。相較于傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)，基于智慧園區(qū)配用電技術(shù)的配電系統(tǒng)更能適應(yīng)和滿足智慧園區(qū)對(duì)靈活調(diào)控與高效利用能源的需求，如此一來，不僅能夠較好地滿足智慧園區(qū)智能化管理與調(diào)度能源的需求，提高智慧園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展水平與能源利用效率，還顯著提高配電系統(tǒng)的靈活性、安全性與穩(wěn)定性，從而提升智慧園區(qū)的吸引力與核心競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)與促進(jìn)智慧園區(qū)建設(shè)的順利進(jìn)行。

一、園區(qū)配用電系統(tǒng)現(xiàn)狀

（一）傳統(tǒng)園區(qū)配用電系統(tǒng)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)園區(qū)配用電系統(tǒng)是指使用過去的設(shè)計(jì)思路與技術(shù)手段構(gòu)建的配用電系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)如下：（1）配電設(shè)備集中布置。傳統(tǒng)園區(qū)配用電系統(tǒng)中的配電房、變電站等設(shè)備常常集中布置在園區(qū)的某一區(qū)域，導(dǎo)致其因供電半徑較長(zhǎng)而出現(xiàn)較大的輸電損耗。（2）單一供電方式。傳統(tǒng)園區(qū)配用電系統(tǒng)多采用交流供電等單一供電方式，這種供電方式不能較好滿足對(duì)多種能源的需求。（3）能源利用效率低。傳統(tǒng)園區(qū)配電系統(tǒng)在使用能源方面存在較大的浪費(fèi)，如電能轉(zhuǎn)化過程中存在較大能量損耗，能源的管理與調(diào)度缺乏一定的靈活性。

（二）傳統(tǒng)園區(qū)配用電系統(tǒng)中存在的問題與不足

傳統(tǒng)園區(qū)配用電系統(tǒng)中存在諸多的問題與不足，如能源浪費(fèi)、能源調(diào)度不靈活及存在一定的安全隱患等。在能源使用方面，傳統(tǒng)園區(qū)配電系統(tǒng)在能源的使用、轉(zhuǎn)換及傳輸方面存在較大的能量損失，這造成能源浪費(fèi)與環(huán)境負(fù)擔(dān)；在能源調(diào)度方面，由于以往園區(qū)配電系統(tǒng)的能源管理與調(diào)度方式較為簡(jiǎn)單，缺乏自動(dòng)化與智能化的手段，因此不能很好地滿足多種能源需求的靈活管理與調(diào)控；在安全隱患方面，傳統(tǒng)園區(qū)配電系統(tǒng)存在諸多安全隱患，如線路過載、設(shè)備老化等問題，這極易造成安全風(fēng)險(xiǎn)與供電事故等[1]。

二、某智慧園區(qū)配用電系統(tǒng)需求分析

（一）需求分析

某智慧園區(qū)作為一個(gè)高效能源利用、智能化的示范項(xiàng)目，對(duì)配用電系統(tǒng)有著較高的要求與特殊的需求。該智慧園區(qū)作為一個(gè)綜合性多功能園區(qū)，具有以下整體需求：（1）高效能源利用。智慧園區(qū)要實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，可以通過合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)配用電，以達(dá)到節(jié)約與最大化利用能源的目的，同時(shí)使用先進(jìn)的能源管理策略與技術(shù)，如能量存儲(chǔ)等，以此提高能源利用效率。（2）靈活調(diào)控。智慧園區(qū)需要結(jié)合實(shí)際需求與時(shí)間來靈活地調(diào)度資源，以更好地滿足智慧園區(qū)內(nèi)不同用戶與設(shè)備在不同時(shí)間段的能源需求，通過使用智能化的能源管理系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)配能源，從而更好地適應(yīng)園區(qū)內(nèi)能源變化的需求。（3）可持續(xù)發(fā)展。智慧園區(qū)需要通過使用優(yōu)化與改進(jìn)的配用電系統(tǒng)來有效降低環(huán)境負(fù)擔(dān)與能源消耗等，以實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)與可持續(xù)發(fā)展，與此同時(shí)配合使用高效設(shè)備與清潔能源來大幅減少能源排放與使用，從而有效減少對(duì)環(huán)境的影響。

（二）特殊需求

除了上述需求以外，某智慧園區(qū)還存在以下一些特殊要求：在多能源供應(yīng)方面，智慧園區(qū)需要做到多種能源的供應(yīng)，如風(fēng)能、太陽能等，以有效增加能源供應(yīng)的可靠性與多樣性，可以通過建設(shè)和使用多能源供應(yīng)系統(tǒng)來靈活選擇與優(yōu)化能源來源，從而滿足智慧園區(qū)內(nèi)對(duì)不同能源變化的需求；在智能化管理方面，智慧園區(qū)需要能夠智能化管理與監(jiān)控配用電系統(tǒng)，包括但不限于設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程管理、能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，通過綜合使用人工智能、大數(shù)據(jù)分析及物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段來智能監(jiān)控、優(yōu)化并診斷配用電系統(tǒng)，以此提高系統(tǒng)可靠性與運(yùn)行效率；在高安全性與可靠性方面，智慧園區(qū)的配用電系統(tǒng)在安全性與可靠性方面有著較高的要求，需要采用有效措施來保證設(shè)備的可靠運(yùn)行與供電的穩(wěn)定性，如實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、備份供電方案及合理配置設(shè)備等，以提高配用電系統(tǒng)的抗干擾能力與可靠性，從而有效減少供電事故或中斷的發(fā)生[2]。實(shí)際規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮上述整體需求與特殊需求，以設(shè)計(jì)出靈活、高效及可持續(xù)發(fā)展的智慧園區(qū)配用電系統(tǒng)。

三、某智慧園區(qū)配用電系統(tǒng)總體架構(gòu)

（一）規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

某智慧園區(qū)配用電系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)需要遵循以下幾點(diǎn)原則：第一，全面感知原則。全面感知包括全過程感知、資產(chǎn)全壽命感知以及客戶全方位感知等，其中全過程感知是指在信息收集與匯聚處理的基礎(chǔ)上全面感知智慧園區(qū)配用電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的信息，包括但不限于用戶需求、能源消耗情況及供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，通過使用監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳感器等來全面全方位感知配用電系統(tǒng)。資產(chǎn)全壽命感知通過使用智能傳感器與監(jiān)測(cè)設(shè)備來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備健康狀況以及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等，以此延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理潛在問題。客戶全方位感知是指通過與用戶進(jìn)行交互與溝通，及時(shí)了解用戶的反饋信息與能源需求，從而為用戶提供個(gè)性化的能源服務(wù)與能源利用優(yōu)化。第二，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通原則。需要使用物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議以及通信網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)中各傳感器、應(yīng)用系統(tǒng)以及設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，并通過使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與通信協(xié)議來保障數(shù)據(jù)的有效交互與傳遞，以支撐系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行與智能化管理。第三，數(shù)據(jù)通信可靠安全原則。其一，需要采用多種通訊方式，如無線專網(wǎng)、載波、數(shù)據(jù)總線以及互聯(lián)網(wǎng)等，以保證配電系統(tǒng)應(yīng)用層與感知層之間信息傳輸?shù)母咚傩?、安全性及可靠性；其二，需要采用身份?yàn)證機(jī)制與數(shù)據(jù)加密算法等有效措施來確保配用電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)安全，有效防范并避免未授權(quán)訪問與敏感數(shù)據(jù)泄漏等情況。第四，云平臺(tái)與智能化數(shù)據(jù)處理原則。其一，構(gòu)建配用電的能源大數(shù)據(jù)平臺(tái)，用來收集、存儲(chǔ)和運(yùn)算配電系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合云計(jì)算技術(shù)與分布式數(shù)據(jù)庫(kù)來高效運(yùn)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；其二，綜合利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及智能算法等來深入挖掘與分析配用電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，提取出數(shù)據(jù)中的高價(jià)值信息，為系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行與智能化決策提供有力數(shù)據(jù)支撐[3]。第五，智能配電系統(tǒng)企業(yè)IT融合原則。智能配電系統(tǒng)作為企業(yè)IT架構(gòu)的延伸，需要與企業(yè)現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行有效整合與銜接，從而實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享與交換，與此同時(shí)智能配電系統(tǒng)還需要補(bǔ)充與完善企業(yè)IT架構(gòu)的服務(wù)與功能，提供實(shí)時(shí)的報(bào)表分析、能源數(shù)據(jù)及能源管理等功能，以更好地支持企業(yè)的能源優(yōu)化、管理及決策。

某智慧園區(qū)整體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、能耗管理分析、設(shè)備運(yùn)行以及可視化展示等組成部分，旨在實(shí)現(xiàn)智慧園區(qū)用戶管理、綜合管理、權(quán)限以及安全管理等。其中，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集負(fù)責(zé)收集各數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)，如手工錄入的數(shù)據(jù)、園區(qū)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)以及其他管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)等；能耗管理分析基于多維度能耗分析模型，實(shí)現(xiàn)能耗多維度對(duì)比，而后利用GIS可視化呈現(xiàn)給相關(guān)用戶；設(shè)備運(yùn)行包括能源預(yù)測(cè)管理與重點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行管理等，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)重點(diǎn)設(shè)備與系統(tǒng)的運(yùn)行情況；系統(tǒng)可視化展示主要為三類用戶提供可視化數(shù)據(jù)服務(wù)，分別是集團(tuán)管理者、園區(qū)管理者及運(yùn)維人員[4]。某智慧園區(qū)具體的架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智慧園區(qū)架構(gòu)圖

（二）總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述需求分析與規(guī)劃設(shè)計(jì)原則，對(duì)某智慧園區(qū)配用電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要包括綜合管理平臺(tái)、園區(qū)內(nèi)網(wǎng)、電力監(jiān)控及設(shè)備管理系統(tǒng)、安防管控管理系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)以及智慧室安全用電隱患監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)等。其中，綜合管理平臺(tái)作為數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)收集、存儲(chǔ)與分析數(shù)據(jù)；園區(qū)內(nèi)網(wǎng)各設(shè)備之間使用生產(chǎn)交換機(jī)相連，其與數(shù)據(jù)中心通過核心交換機(jī)相連，其負(fù)責(zé)連接園區(qū)內(nèi)相關(guān)用電設(shè)備；電力監(jiān)控及設(shè)備管理系統(tǒng)主要作用是輔助相關(guān)運(yùn)維人員及時(shí)識(shí)別系統(tǒng)中的潛在問題與危險(xiǎn)并處理，以維護(hù)智慧園區(qū)配用電系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行；安防管控管理系統(tǒng)位于保安室，旨在監(jiān)控與管理智慧園區(qū)的安全情況，通常配合門禁系統(tǒng)、入侵檢測(cè)及攝像頭等設(shè)備來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)園區(qū)的安全狀況，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)與應(yīng)對(duì)突發(fā)情況與安全事件；綜合管理系統(tǒng)位于集團(tuán)總裁室，旨在給集團(tuán)總裁與高層管理人員提供全面的園區(qū)運(yùn)行情況與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以提供合理的管理調(diào)整與科學(xué)的決策支持；能源管理系統(tǒng)位于園區(qū)經(jīng)理室，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理能源情況；智慧室安全用電隱患監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)為智慧園區(qū)提供隱患監(jiān)管等服務(wù)，以保障用戶的安全用電需求[5]。某園區(qū)配用電監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 園區(qū)配用電監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

四、案例分析

某智慧園區(qū)采用上述系統(tǒng)架構(gòu)，其中，綜合管理平臺(tái)包括APP端執(zhí)行軟件與Web端管理平臺(tái)，融合設(shè)備資產(chǎn)管理、能源管理、安防監(jiān)控、運(yùn)維管理、電力監(jiān)控以及事件報(bào)警處理等子系統(tǒng)，通過一站式管理、智能分析與可視化呈現(xiàn)，顯著提升了該智慧園區(qū)的用電安全與運(yùn)營(yíng)效率。該系統(tǒng)在異常負(fù)荷監(jiān)控與能效優(yōu)化等方面發(fā)揮著重要作用，如某條線路在夜間發(fā)生異常負(fù)荷情況，平時(shí)該線路是穩(wěn)定低負(fù)荷的，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在頻繁高負(fù)荷啟動(dòng)，針對(duì)這一問題，相關(guān)維護(hù)人員排查具體原因，并采取針對(duì)性措施，有效降低因異常負(fù)荷而造成的能耗損失。又如通過實(shí)時(shí)監(jiān)控空壓機(jī)有功功率，發(fā)現(xiàn)某空壓機(jī)在一天夜間頻繁啟動(dòng)，負(fù)荷多集中在50kW，最高可達(dá)80kW，針對(duì)這一問題，采取避峰填谷的方式，顯著提高空壓機(jī)的能效，與此同時(shí)，對(duì)注塑機(jī)等能耗大戶同樣采用避峰填谷的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)更高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式[6]。通過規(guī)劃與改造智慧園區(qū)配電技術(shù)，相較之前該智慧園區(qū)的用電故障率減少25%，年用電成本降低20%，故障解決到位率高達(dá)95%。這充分表明本文提出的方案在智慧園區(qū)優(yōu)化能耗以及監(jiān)控異常負(fù)荷等方面具有重要作用。

結(jié)束語

綜上所述，通過分析傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在的不足，確定智慧園區(qū)配用電系統(tǒng)的需求，在此基礎(chǔ)上為某智慧園區(qū)規(guī)劃并設(shè)計(jì)一套配用電系統(tǒng)總體架構(gòu)，并驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的有效性與可行性。該研究在降低能源消耗、提高能源利用效率及智能化管理與控制能源等方面具有積極意義，有助于提升智慧園區(qū)的吸引力與競(jìng)爭(zhēng)力，并推動(dòng)和促進(jìn)智慧園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。未來，研究將不斷探索與實(shí)踐，以創(chuàng)新出更先進(jìn)的配用電技術(shù)與更有效的解決方案，以促進(jìn)智慧園區(qū)配用電技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，為構(gòu)建智慧、可持續(xù)的城市環(huán)境作出貢獻(xiàn)。