面向局域能源互聯網的集成技術

李樹泉，李思維，楊世海，劉曉丹，岳靚

（1.國家電網公司客戶服務中心，天津 300010；2.北京國電通網絡技術有限公司，北京 100070；3.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024）

1 引言

隨著能源互聯網建設的進一步推進，電能逐漸成為主要能源傳送單元，提高區域能源系統利用效率已成為普遍共識。繼智能電網之后，能源互聯網成為人們關注的熱門話題[1]。2016年國家發展和改革委員會（以下簡稱國家發改委）、國家能源局發布了關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見，進一步明確了面向終端用戶電、熱、冷、氣等的系統集成應用，通過統一管理、能量調配，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用，同時明確了局域能源互聯網為最終能源消納主體的應用單元。局域能源互聯網打破了傳統冷熱能源中心、區域分布式能源、微電網的建設思路，更合理地依托能源需求，實現能源管理的生產與消費匹配。

目前，國內已建成了相當規模的局域能源互聯網應用示范，如江蘇蘇州工業園區多能互補集成優化示范工程、北京海淀北部新區能源互聯網示范項目、安徽合肥高新區能源互聯網綜合示范園、山東青島中德生態園多能互補集成優化示范工程、寧夏銀川經濟技術開發區區域綜合能源供應及微電網項目等。

· 江蘇蘇州工業園區多能互補集成優化示范工程，是國家能源局首批多能互補集成優化示范工程，涉及天然氣、光伏、地源熱泵、儲能、微風發電等多種能源形式，通過能源互聯網、能源大數據、多能互補集成優化、需求側管理等技術手段，為園區提供高效清潔的能源支持，助推園區經濟發展。

· 北京海淀北部新區能源互聯網示范項目，實施了供熱（采暖和供熱水）、制冷及發電過程一體化的能源綜合利用，采用多種可調控負荷進行需求側管理，通過優化不同類型能源的生產，提高能源管理水平、降低能源傳輸與分配損耗。

· 安徽合肥高新區能源互聯網綜合示范園項目，由微網系統、分布式供能系統、智慧能源管理系統和用戶互動服務平臺 4部分組成，借助大數據技術和互聯網技術，開展清潔能源與終端需求側可控負荷協調運行，形成智慧、互動、開放的能源消費模式，實現不同能源供給的有機融合和智能化運營。

· 山東青島中德生態園多能互補集成優化示范工程，將園區的燃氣多聯供系統、光伏、光熱、風能、生物沼氣、地源熱、淡水源熱能、工業余能等新型能源進行綜合集成和高效利用，可實現多種能源的互補調峰，解決園區80%以上的能源需求。

· 寧夏銀川經濟技術開發區區域綜合能源供應及微電網項目，建設包含儲能電站、燃氣—蒸汽聯合循環電站、微電網示范項目、綜合售能及智慧能源云網管理平臺的綜合能源供給體系，增強電網調峰能力，提高能源利用效率。

雖然能源互聯網的部分構想和技術路線已在實踐中有所嘗試[2]，但是對集成的技術解讀和探討依然不足。本文圍繞著設計方案與基礎結構匹配、設備與系統集成、系統與系統集成3部分開展局域能源網集成技術研究，實現了局域能源互聯網多系統間的高效集成技術，為局域能源互聯網設計與建設提供解決方案。

2 總體設計思路

2.1 局域能源互聯網建設思路

能源互聯網所構造的能源體系，使能源以開放、共享的形式在網絡中傳送及互補使用，實現了能量流的優化調控和高效利用[3]。一般的冷熱傳統能源中心、微電網項目遠遠達不到局域能源互聯網的要求，一方面，現有的冷熱能源中心、微電網單元主要考慮能源生產單元的自平衡，無法智能化感知、預測用戶側能源優化利用；另一方面，現有冷熱能源中心、微電網基于單一能源技術集成，沒有考慮多種能源的混合集成問題。

基于天津東麗湖能源項目的局域能源互聯網以電能為支撐，以能源網運行調控平臺為中心，利用太陽能、地熱能、風能等多種清潔型能源建設滿足區域負荷需求的能源供給網絡。局域能源互聯網在結構上分為網絡基礎結構、網絡系統結構；在運行結構上分為基礎系統層、單體系統層、局域系統層。基礎系統層集成各種終端設備，采集數據上傳至上層，接收單體系統層的運行指令并實施，它是能源互聯網的基礎支撐層。單體系統層介于基礎系統層與局域系統層之間，對下層進行管理控制，接收上層的指令分析并轉化成下層可以接收的信號，它是信號傳輸的中樞。局域系統層負責運行調度整個系統，相當于系統的“大腦”。

2.2 局域能源互聯網系統集成思路

局域能源互聯網以電能為中心，靈活接納高比例分布式電源和其他多種能源形式[4]，全面整合區域內分布式能源，廣泛集成能量信息，實現多種能源協調控制和綜合能效管理，建成多點接入、網絡共享、需求感知的能源網絡[5]。局域能源互聯網由電、冷、熱等多個能源系統構成，電、冷、熱等多個獨立能源系統再由多個獨立的子系統或含有部分混聯系統構成，例如，天津東麗湖局域能源互聯網電源系統由電網配電、光伏、微電網系統構成，冷源系統由地源熱泵系統、冰蓄冷系統、水蓄冷系統、常規制冷機組等構成，熱源系統由蓄熱式電鍋爐系統、地源熱泵系統、太陽能熱水系統等構成，有利于局域能源網運行調控平臺集成運行管理。局域能源互聯網總體技術集成如圖1所示。

圖1 局域能源互聯網總體技術集成示意

局域能源互聯網的系統集成一般由規劃方案與終端接入匹配、設備與系統集成、系統與系統集成3部分構成。規劃方案與終端接入匹配主要為前期設備選型后，通過電氣部分通道共享、多系統冷暖通道共享、弱電終端共享，實現能源供需資源最大化共享及供給安全保障；設備與系統集成通過結構化的布線、采集終端設置、計算機布置，將獨立的設備、系統、傳感單元集成在一起，實現系統單元設備能夠在統一指揮下協調運行；系統與系統集成主要通過綜合能源運行調控管理平臺與其他本地化監控系統集成，采用標準化數據信息模型，利用數據集成技術、業務集成技術，實現控制系統與軟件系統的數據集成，友好地實現了人機交互及日常運行管理。

3 局域能源互聯網的集成

局域能源互聯網內集成技術根據不同模塊的協調分工，使各設備、終端在同一層內、層與層之間實現自由而獨立的雙向通信。同時通過采用能源集成技術，將采集終端與模式控制器集成，子系統與設備集成，子系統與平臺集成，將會使各節點開放自由的互聯互通，促進各設備間能量的自由傳輸與信息的交互，提高能源的利用率，確保能源供應的穩定性與可靠性。

3.1 規劃方案與終端接入匹配

局域能源互聯網是一項系統性工程，整個集成方法也是根據項目的實施步驟，按照時間總線進行推移，每一部分看似獨立卻又彼此相關，在開展規劃方案與終端接入匹配上，要確定項目的建設定位及目標，再根據實際的能源負荷需求，結合當地區域自然資源、氣候條件等情況，考慮后期運行經濟最優、綠色節能最優等多個方面，最終確定設計方案總體思路。

第一步，在前期規劃設計階段要綜合考慮項目的地域特點及自然資源情況，選取考慮實施性、經濟性的新能源應用，確定好新能源應用后，綜合考慮新能源與傳統能源的耦合性及互補性，實現規劃方案集成。第二步，基于規劃方案集成開展終端接入集成設計，完成能源生產、流向、管道結構的確定，系統再通過冷、熱、電生產母線并列接入[4]，實現局域能源互聯網各功能模塊的共享、耦合，最終完成第二步終端接入集成。局域能源互聯網以電網為支撐，利用太陽能、風能、地熱能多種可再生能源終端接入滿足區域內負荷需求，如圖2所示。局域能源互聯網還以能源網運行調控平臺驅動冷、熱、電、熱水多種能源協同生產，實現區域內能源生產與消費需求的動態匹配。

圖2 規劃方案與終端接入匹配

3.2 設備與系統集成

圖3列出通過集成冰蓄冷、常規冷水機組、地源熱泵等設備后構成局域能源互聯網系統內冷源子系統；通過集成地源熱泵、蓄熱式電鍋爐、太陽能換熱裝置等設備后構成系統內熱源子系統。為實現這些設備與系統之間的穩定接入，首先，需要制定運行監控系統與各終端能效采集設備之間的接口功能規范和通信協議；其次，需要研制相關的接口轉換設備，開發相應的模式控制器來實現設備與系統的集成。

圖3 多種能源設備集成母線

圖4 設備與系統集成

如圖4所示，模式控制器是運行監控系統與設備之間集成的橋梁，設備與系統的集成通過模式控制器完成了數據的采集、指令的下達、協議的轉換。模式控制器需要兼具對底層終端能源設備下達指令并與上層系統通信等功能，進而實現設備與系統的連接。模式控制器內部與智能 IED裝置、遠程 I/O端口、傳感器、執行器、壓力變送器、智能儀表等終端設備聯通，集成為各終端采集系統；模式控制器外部與子系統互聯并傳遞控制信息。模式控制器通過信息交互總線與遠程I/O端口傳遞控制信號；通過HART協議與壓力變送器、智能儀表傳遞控制信號；通過硬接線方式連接傳感器、執行器等。

3.3 系統與系統集成

系統與系統集成主要通過綜合能源運行調控管理平臺與其他本地化監控系統集成，采用標準化數據信息模型，利用數據集成技術、業務集成技術，實現控制系統與軟件系統的數據集成，友好地實現了人機交互及日常運行管理。

在實現設備與系統集成的基礎上，各能源子系統之間通過通信總線互聯互通，各能源子系統與綜合能源運行調控管理平臺之間通過控制總線集成接入平臺，實現系統與系統間數據流、信息流和業務流的互聯互通。各能源子系統將數據上傳至調控平臺，調控平臺經過數據匯集、數據處理、數據挖掘等一系列過程，形成調控策略，并將策略下發至各能源子系統，實現了能源生產和能源消費的協調控制及優化運行。

系統與系統集成主要考慮通信服務與數據應用的一致性。常用的集成方法是系統與系統之間點對點集成，兩個系統之間只要接口規范、通信協議統一，集成就可以成功進行。在數據集成方面，系統與系統集成采用統一的數據輸出接口、數據輸入接口，通過數據模型設計、數據標準化管理，實現綜合能源運行調控管理平臺與其他本地化監控系統深度數據對接，利用模型同步及消息指令引擎處理多信息的查詢訪問方法，實現了能量控制信息的交互穩定，大大提高了數據采集的可靠性、安全性以及實時性，同時也大大提高了數據管理效率。在通信集成方面，系統與系統集成采用統一通信服務，各子系統進行通信協議集成，實現局域能源互聯網通信一致性。在業務集成方面，通過對各能源子系統的特性分析，形成經濟效益最優、綠色節能最優、能源利用效率最優、綜合策略四大協同控制策略，并通過綜合能源運行調控管理平臺實現對各能源子系統的統一調控。系統與系統集成如圖5所示，能源網平臺外部集成了太陽能發電子系統、光伏發電子系統、風能發電子系統等多子系統，能源網運行調控平臺內部集成了能源監測、能源調控、能源分析等功能模塊。通過平臺模塊化、結構化的設計，平臺能夠通過以太網、信息交互總線等方式，有效實現與系統間的數據貫通、能源信息的雙向流動與多維共享、能源調控的有效執行。

圖5 系統與系統集成

系統可選的集成方式有 3種[6]：第一，通過適配器集成，詳細規劃細分功能，將不同功能的子系統分布于不同的服務器上，通過接口適配器進行協議轉換后接入總線連接，在不同的系統之間建立連接交互的通道。本集成方法適用于對已建成的局域能源網擴容或改造的情形。第二，信息交互總線集成，按照統一標準和通信協議建立的子系統，各系統之間的信息數據在不通過適配器連接的情況下，可以直接接入總線。這樣信息交互的數據明顯提高，適用于園區在規劃中的情況，可以通過建立統一的標準來集成系統。第三，基于統一平臺式集成，可以在平臺上統一規劃并采集數據。這種集成方式可以開發出各種交叉業務，便于一體化采集。

4 局域能源網多系統集成實踐

本文所提方案在國家電網公司客戶服務中心（簡稱國網客服中心）北方園區進行了實踐。根據區域內能量使用數量、目的、時間段等不同需求，通過局域能源網將區域內的電能及其他清潔能源轉化為區域所需的冷、熱、電等能量，并通過運行調控平臺的優化調度，實現不同時段的耗能需求與能源生產的高度匹配[7]。園區接入8種能源轉換裝置，形成了4類底層控制信號，870項能源生產系統控制參量，遵從3種典型調控準則。系統根據底層采集上傳的參數，分析存儲并下達控制指令。系統下發指令就會產生底層控制信號，這些控制信號負責向底層傳遞其能夠接收的指令，系統通過控制指令下發的控制信號達到控制子系統的目的。在系統平臺調度中，調度主站可以遵從4種優化配比準則：經濟效益最優準則、綠色節能最優準則、能源利用效率最優準則、綜合策略準則。通過調度準則、下發的控制指令、產生的控制參量、回傳的采集參數等，區域電網實現了靈活接入多能源轉換設備。在能源信息實時采集、高度融合和深入分析的基礎上，形成內部能源優勢互補、互聯共享的局面，使園區供電網絡成為間歇性清潔能源的接納器以及高效可靠的能量發生器，最大限度接納風、光、地熱等各種類型清潔能源。

5 結束語

本文重點介紹了局域能源網集成技術的研究思路，通過規劃方案與終端接入匹配、設備與系統集成、系統與系統集成等集成技術的應用創新，實現能源互聯網高效、高可靠性集成，為國內廣大的城鎮、產業園區、大型公用設施（機場、車站、醫院、學校等）、商務區和海島地區等局域能源網的智能化集成與改造建設提供全面的解決方案。隨著電力體制改革的不斷推進以及可再生能源、儲能、電動汽車等電力相關技術與領域的發展，信息通信、互聯網、人工智能等基礎技術的滲透融合，局域能源互聯網未來在對資源進行優化配置的基礎上，將實現用戶熱、電、氣等多元化用能需求的綜合能源供應服務創新。

參考文獻：

[1]劉振亞.全球能源互聯網[M].北京：中國電力出版社, 2015.LIU Z Y.Global energy internet[M].Beijing： China Electric Power Press, 2015.

[2]黃仁樂, 蒲天驕, 劉克文, 等．城市能源互聯網功能體系及應用方案設計[J].電力系統自動化, 2015, 39(9)： 26-33.HUANG R L, PU T J, LIU K W, et al.Design of hierarchy and functions of regional energy internet and its demonstration applications[J].Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(9)： 26-33.

[3]曹軍威, 孟坤, 王繼業, 等．能源互聯網與能源路由器[J]．中國科學： 信息科學, 2014, 44(6)： 714-727．CAO J W, MENG K, WANG J Y, et al.An energy internet and energy routers[J].Science China Information Sciences, 2014,44(6)： 714-727.

[4]李思維, 李樹泉．一種以電能為中心的綠色復合型能源網設計[J]．中國電力, 2015, 48(11)： 117.LI S W, LI S Q.A kind of energy as the center of the green energy complex network design[J].Electric Power, 2015, 48(11)：117.

[5]董朝陽, 趙俊華, 文福拴, 等．從智能電網到能源互聯網：基本概念與研究框架[J].電力系統自動化, 2014, 38(15)： 1-11.DONG Z Y, ZHAO J H, WEN F S, et al.From smart grid to energy internet： basic concept and research framework[J].Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(15)： 1-11.

[6]楊永標, 周立秋, 丁孝華, 等．智能配用電園區技術集成方案[J].電力系統自動化, 2012, 36(10)： 75-76.YANG Y B, ZHOU L Q, DING X H, et al.Technology integration scheme of smart power distribution and utilization park[J].Automation of Electric Power System, 2012, 36(10)： 75-76.

[7]田衛華, 喬立賢, 劉莉娜, 等．基于園區的冷熱電多種能源系統設計與應用[J].科技論壇, 2015： 121-122.TIAN W H, QIAO L X, LIU L N, et al.Design and application of a variety of energy systems based on the park[J].Forum on Science and Technology, 2015： 121-122.