工業園區綜合能量管理系統的設計與應用

黃楚鴻，龐學躍

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

工業園區一般具備冷、熱、電、氣等多種能源形式，但由于缺乏用能的統一協調控制，園區內不同能源之間的耦合性不強，未能有效地實現能源相互間的協調轉換，造成園區普遍存在能源浪費、電能緊缺等現象。

近幾年國內外多能協同的綜合能量管理系統相關技術研究和工程建設受到廣泛關注。但多數應用和研究是針對特定行業企業或區域內基礎能源信息的監視，而針對區域內多種能源的統一協調控制的研究和應用較少，特別對工業園區的多能協調控制技術的研究仍處于起步階段。電力行業傳統的配網自動化系統、需求響應管理系統和新能源控制系統等雖然分別在不同程度上解決了工業園區內配網供電、用戶用電及新能源運行管理等方面的問題，但上述系統并未涉及工業園區多種能源的協調運行控制，缺乏工業園區多能協調控制系統的設計。

本文提出了一種工業園區綜合能量管理系統的設計思路，該系統基于多能協同和多元互動的思想，采用多層次的系統架構來實現工業園區多種能源的優化協調控制。

1 系統概述

工業園區綜合能量管理系統的作用應體現在如下4個方面：

1）多能感知

實現工業園區不同能源的在線感知，全面監視園區內能源的流動，為能源的協調控制提供運行狀態數據及預警信息。

2）多能耦合

分析工業園區冷、熱、電、氣等多種能源的運行特點及相互間的能源轉換關系，建立多能耦合模型，實現對不同能量傳輸和轉化過程的動態描述。

3）多能協調

實現工業園區冷、熱、電、氣等多種能源的優化協調控制，實現不同能源間的有效轉換和能源的高效消納。

4）多元互動

分析工業園區不同可調節資源的運行特性，建立互動資源策略庫，讓不同的可調節資源參與到工業園區能源協調運行中。

圖1 系統總體架構Fig.1 Overall architecture of the system

2 系統架構設計

2.1 系統總體架構

工業園區綜合能量管理系統總體架構如圖1 所示，系統采用多層次的系統架構，通過園區層-用戶層-終端層之間的相互協調控制，實現整個園區、用戶內部等多個層面上的能源優化協調運行，提高園區冷、熱、電、氣等多種能源的綜合利用效率及用能的平滑性。

1）園區層

在園區層部署一套園區綜合能量管理主站系統。主站系統從園區層面出發，對各個接入用戶及直控資源進行統一協調優化調度，以實現園區層面冷、熱、電、氣等多種能源的優化運行控制。其具備能源預測、優化調度、風險評估、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

在可調控資源豐富的用戶內部署一套能量管理子站系統，對用戶內多種可調控資源進行優化運行控制。其具備可調控能力分析、自趨優控制、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

在可調控資源及信息采集點部署采集設備及終端控制設備等，實現基礎數據的采集及與上級控制系統進行交互。

2.2 系統數據流架構

工業園區綜合能量管理系統數據流架構如圖2所示，對于直控資源的數據流按照圖中①→②→③→（④→⑤→⑥）→①的數據流向來實現對園區層面直控資源及用戶資源（把用戶整體看成一個直控資源）的優化控制，對于用戶內可調節資源的數據流按照圖中①→②→③→（④→⑤→⑥）→⑦→⑧→①的數據流向來實現園區層面對用戶內可調節資源的協調優化控制。

具體描述如下：

1）園區層面綜合能量管理主站系統通過多元感知模塊獲取直控資源、用戶資源、氣象數據、運行數據等數據，并發送給多能預測模塊，進行多種能源超期/超短期的預測；優化調度模塊根據預測結果，并結合不同被控對象的互動策略，編制日前、日內及實時等優化調控計劃，實現了日前→日內→實時調控計劃的時序遞進優化，以確保工業園區多種能源優化調度計劃制定的流暢性與連續性，提高能源調度的安全裕度。

2）用戶層面能量管理子站系統通過可調節資源分析模塊獲取可控資源的調節能力及在線運行數據，并結合不同被控對象的互動策略，根據園區綜合能量管理主站系統下發的優化調控計劃，實現對用戶內部可調節資源的控制。

圖2 系統數據流架構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數據及用能設備的監測數據，并反饋給園區綜合能量管理主站系統和用戶能量管理子站系統，各級系統根據采集的數據進行調控計劃的優化，以構成一個閉環的修正控制策略，提高對可調節資源控制的準確性。

2.3 系統硬件架構

工業園區綜合能量管理系統硬件架構如圖3 所示。工業園區綜合能量管理主站系統劃分為安全區I 和安全區III。安全區I 和安全區III 之間通過物理隔離裝置進行物理隔離；安全區I 通過物理隔離裝置與安全區I 外部系統、直控資源進行互聯；安全區I通過安全接入區與能量管理子站系統進行互聯。

1）主站系統主要配置用于部署應用功能及數據交互所需要的應用服務器及交換機、網絡安全設備、磁盤陣列等相關設備。

2）子站系統主要配置用于部署應用功能、數據交互、數據采集所需要的應用服務器、網絡安全設備等相關設備。

3）終端層針對終端設備的不同，部署不同的監控設備，例如低壓回路部署電能采集設備、中央空調部署冷熱監控終端等；對于具備后臺系統的可調節資源，通過建立系統接口來實現互聯。

2.4 系統信息集成與交互

工業園區綜合能量管理系統信息集成交互如圖4 所示。數據統一交互平臺實現了主站系統各個應用功能模塊之間的數據交互、與外部系統的數據交互及與直控資源、用戶能量管理子站的數據交互。主站系統把數據統一交互平臺作為數據資源池，實現各種信息的集成及數據的共享。數據統一交互平臺通過對不同類型的數據進行歸一化處理，制定統一的數據格式，便于數據的維護管理及對新增功能數據交互的即插即用。

圖3 系統硬件架構Fig.3 Hardware architecture of the system

用戶層能量管理子站系統負責采集用戶內部冷、熱、電、氣等運行狀態信息并上送給主站系統。主站系統和子站系統之間支持多種通信方式進行數據交互，包括無線通信、光纖專線通信等。為了保證網絡安全，主站系統與子站系統的通信通過安全接入區來實現網絡安全的防護。

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

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

3 關鍵應用功能

3.1 多能感知

多能感知是以工業園區冷、熱、電、氣等多種能源運行數據為基礎，基于動態、整體地對園區多種能源進行感知，實現對園區能源系統運行狀態的監測，保障園區能源系統的穩定、可靠運行。

1）實現在線感知，全景互動展示工業園區冷、熱、電、氣等不同能源系統及用戶資源的物理分布情況及運行狀態，實現能源的在線監視及可視化展示。

2）實現在線風險識別，以工業園區運行數據為基礎，運用多能感知的風險識別能力，實現對園區多種能源運行的事前風險預警、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，也可以通過三聯供機組、電蓄冷設備、電蓄熱設備、燃氣鍋爐、蒸汽差壓發電等設備實現冷、熱、電、氣的相互轉化利用。

通過分析工業園區冷、熱、電、氣等多種能源的運行特點及相互間的能源轉換關系，建立多能耦合模型，實現對不同能量傳輸和轉化過程的動態描述，為多種能源的優化控制提供模型支撐。

3.3 多能預測

多能預測實現工業園區多種能源的運行趨勢預測，為多種能源的優化調度提供預測結果。

圖5 能源轉換示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy conversion

多能預測核心實現冷、熱、電、氣等多種能源的短期、超短期功率預測。多能預測模塊根據不同能源系統及被控對象的運行狀態數據、可調節資源的裕度及用戶生產計劃等相關數據，結合氣象數據，計算出冷、熱、電、氣等多種能源的短期、超短期功率預測結果。

3.4 多元互動策略

多元互動策略主要實現不同互動對象所采用的互動模式。通過分析工業園區不同可調節資源的運行特性，建立互動資源策略庫，有助于后續新增互動對象的快速接入。根據互動對象的不同，多元互動策略分為園區層和用戶層。

1）園區層多元互動策略

園區層多元互動策略面向園區層面可調節資源，制定針對性的互動策略。例如與可調節資源豐富的工業用戶的互動，在工業用戶內部部署能量管理子站，從主站系統的角度，將工業用戶整體看為一個可調節資源，通過主站系統和子站系統之間的資源信息交互來實現用戶內部資源的優化調度；又如與電動汽車充電樁群的互動，根據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可調節資源，制定針對性的互動策略。例如與工業用戶內工業生產線的互動，某些工業生產由多條生產線組成，生產線之間為無序投入運行，存在某一時刻出現同時投入多條生產線，產生用電負荷疊加的情況出現，通過采取對生產線投入時間的有序控制，使各生產線投入時間錯開，保障用電的平穩有序。

3.5 優化調度

優化調度模塊實現園區多種能源的日前→日內→實時的調度計劃編制，為多種能源的運行控制提供優化調度策略，以最大限度的實現各種能源的消納及優化互補，保障能源系統運行的平穩性。優化調度模塊基于多能的耦合模型的轉換關系，對多能計劃進行優化編制：

1）日前優化調度計劃以多能預測的短期功率預測結果、約束條件等，編制出多能日前調度計劃。

2）日內優化調度計劃以多能預測的超短期功率預測結果、各種能源的運行狀態、約束條件等，編制出多能日內調度計劃。

3）實時優化調度計劃模塊以各種能源實時運行數據為基礎，編制出多能實時調度計劃。

3.6 虛擬電廠

將工業園區的可調節資源進行聚合構成一個虛擬的電廠，參與到電力市場和電網的運行控制中，為電網運行提供容量服務、輔助服務，進而提高電網的經濟性和可靠性。

3.7 自趨優控制

自趨優控制為能量管理子站系統的功能模塊，該模塊根據用戶內部資源的運行情況，對用戶內部可調節資源進行日前、日內、實時的優化自動控制。在園區不存在能源緊缺風險的情況時，自趨優控制模塊按照用戶資源最優控制來實現內部資源的調控；在主站系統發出能源緊缺風險信號時，子站系統自趨優控制模塊與主站優化調度模塊相互協調配合，對用戶可調節資源進行優化調度，從而實現能源的調控。

4 示范應用

工業園區綜合能量管理系統正在某工業園開展示范建設：

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

2）用戶層，在6 個工業用戶內部各部署1 套能量管理子站系統，子站系統通過系統接口方式接入了用戶內部儲能系統、光伏系統等。

3）終端層，根據用戶內部資源分別部署了中央空調冷熱監控終端、分體空調智能控制終端、配用電采集終端、工業生產線控制終端等終端設備。終端設備通過光纖通信方式接入到用戶能量管理子站系統。

目前該工業園區綜合能量管理系統處于投入試運行階段，運行狀態良好，下一步將根據運行結果對應用效果進行分析。

5 結 論

本文設計的工業園區綜合能量管理系統，基于多能協同和多元互動的思想，采用多層次的系統架構實現從園區整體到用戶內部多種能源的統一優化調度。所設計的系統具有以下幾個方面的意義：

1）系統滿足工業園區對能源管控的需求，為園區和用戶提供能源的精細化管控。

2）深入用戶內部能源管控，從能源使用末端實現冷、熱、電、氣等多種能源的優化控制。

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

4）通過點（單個用戶）-線（多個用戶）-面（整個園區），有效整合工業園區內不同能源，實現不同能源形態的轉換，提高能源使用效率，使園區內能源利用的生態性體現更為充分，實現園區能源的可持續發展。

本文側重介紹工業園區綜合能量管理系統的設計，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化控制起到關鍵的作用，也是綜合能源控制的重點研究方向，需要進行深入研究。