數字信息化技術在智慧能源項目中的應用研究

劉偉，唐喜慶，唐繼旭

(上海航天智慧能源技術有限公司，上海 201112)

智慧能源系統是新能源技術、信息及互聯網技術、儲能技術等能源開發利用技術的最新成果和最新應用，橫向上，通過電、氣、熱和冷綜合能源服務實現不同能源品類的動態互補；縱向上，通過智能調度和先進儲能實現電力供應側和需求側的靈活互動[1]。作為一種新興的能源利用形式，以數字賦能實現智慧化和低碳化發展，并將服務前移，可以更好地貼近用戶、服務用戶[2]。構建智慧能源體系，能夠加快推進能源供給側清潔低碳轉型，是實現“雙碳”目標的必由之路。

本文重點關注數字信息化技術在智慧能源項目中的應用，以上海某園區智慧能源示范項目為例，介紹了項目多能互補方案設計，模塊化能源站產品集成，對項目實施過程中圖形化仿真、數字化設計、智能化運維等數字信息化技術的應用進行了研究和總結。

1 多能互補系統設計

項目包含219 kW分布式光伏發電系統、2×300 W分布式風力發電系統、微型氣象站、MNY120多能能源站、NY40微型熱電聯產系統和14臺新能源汽車充電樁。項目建成對增加園區可再生能源比重，保障供能安全，提高能源綜合效率，實現節能減排，推動新能源汽車應用等方面具有重要意義。

項目基于“多能互補，系統集成”理念，構造微網與電網互補，風光資源互補，新能源與傳統火電互補：正常運行時園區多能系統與電網共同滿足用能需求，當電網失電時，微網系統實現無縫切換，確保重要負荷的安全運行；可再生資源利用方面，白天利用光照資源，夜晚利用風力資源為園區提供可再生電能，實現了風光互補。圖1為項目拓撲結構圖。系統集成方面，項目創造性的對微燃機、溴化鋰機組、儲能電池進行了結構布局、安裝布置集成優化，實現多能供應和應急保障功能。一次能源利用效率方面，微型熱電聯產裝置將排煙余熱深度回收利用，能源利用效率達95%以上。與普通的風光分布式能源、三聯供相比，多能互補系統可為園區提供冷、熱、電、熱水，并滿足新能源充電的需求。同時，可再生能源消納比例、一次能源利用效率以及供能安全性等均有大幅提升。

圖1 項目拓撲結構圖

1.1 風光分布式能源

園區3號廠房屋頂布置219 kW分布式光伏發電系統和2×300 W分布式風力發電系統。圖2為樓頂光伏、風力發電、微型氣象站。光伏系統主要由單晶組件、并網逆變器及計量裝置組成。分布式風力發電系統由垂直軸風力發電機和并離儲一體機組成，兼具并網和離網兩種運行模式。為了對氣象數據進行監測，三樓樓頂布置微型氣象站，可測量環境溫度、風速、風向和輻射強度等參量，其通訊接口可接入微網能量管理系統，實時記錄環境數據。

圖2 樓頂光伏、風力發電、微型氣象站

1.2 多能能源站

多能能源站MNY120布置在園區2號廠房外，MNY120采用模塊化設計理念，將108 kW·h/PCS 50 kW儲能系統、600 W微型光伏系統、Capstone C65微燃機、110 kW/82 kW吸收式溴化鋰機組集成到一個撬裝模塊。圖3為多能能源站MNY120。MNY120包含兩個艙室，左邊艙室為配電控制系統和儲能系統，右邊艙室為微燃機三聯供系統，分艙設計充分考慮了儲能系統溫控要求和微燃機通風量要求。外圍輔助設備包括天然氣增壓機、儲氣罐和溴機冷卻塔，MNY120現場接入水、電和氣即可工作。

圖3 多能能源站MNY120

MNY120可提供冷、熱、電三種能源，市政天然氣通過增壓機增壓進入微燃機燃燒，將化學能轉化為電能，并入園區市政電網，排出的高溫煙氣進入溴化鋰吸收式機組，夏天產生空調冷水，冬天產生空調熱水，供應園區部分辦公區。儲能系統利用峰谷價差，削峰填谷，節約用能成本。儲能系統具有20 ms并離網無縫切換功能，在電網突然失電情況下可保障2號廠房數據機房、空氣壓縮機等重要負荷不間斷運行。在離網狀態下，儲能系統可以作為微燃機黑啟動電源，保證能源供應的可靠性。

1.3 微型熱電聯產

微型熱電聯產裝置是小型化、模塊化布置在用戶側的可同時發電和供熱供能裝置。微型熱電聯產NY40安裝在1號廠房內，NY40額定耗氣量為7 m3/h，額定發電功率22 kW，同時供熱功率45 kW，折算40 ℃溫差熱水約1 t/h。NY40所發電量并入1號廠房配電柜，排煙余熱熱量用來加熱水箱中的水。水箱中的熱水主要滿足1號廠房洗手間熱水和員工淋浴的需求。

NY40從水箱下部取水，經加熱后產熱熱水注入水箱上部，水箱中水溫從上往下逐漸降低，當NY40取水溫度達到設定值上限時自動停機，低于設定值下限時自動啟動。圖4為微型熱電聯產系統。

圖4 微型熱電聯產系統

1.4 新能源汽車充電樁

為滿足園區員工以及訪客新能源汽車充電的需求，園區商務樓前布置充電樁。充電樁有交流和直流兩種類型，交流充電樁一般體積小，充電速度慢，充電功率在15 kW以內。直流充電樁充電功率大，需要風扇散熱，一般規格在30 kW～180 kW之間。結合園區使用需求和商務樓一樓配電柜容量，選擇在商務樓前建設12臺7 kW交流充電樁，另外2臺7 kW交流充電樁并入MNY120配電柜。

2 數字信息化技術應用

項目在全生命周期內對數字信息化技術進行了應用和實踐：項目前期決策階段基于圖形化仿真平臺，對設計方案配置容量和運行策略進行了仿真模擬；項目實施階段，采用數字化設計輔助項目實施，提高方案可視化程度和系統集成效率；項目運營階段，利用智慧能源管理系統實時監測系統狀態，挖掘園區節能潛力，確保智慧能源系統安全穩定運行在最佳狀態。

2.1 圖形化仿真

Mensys(Multi energy system simulation platform) 多能互補綜合智慧能源仿真平臺，可方便快捷的搭建不同結構形式的多能互補能源系統進行長周期、全系統動態仿真、評估、優化。平臺采用圖形化、模塊化建模方法，具有可視化程度高，建模難度低，調試速度快的特點[3]。用戶可根據智慧能源系統PID流程圖對設備圖符進行組態連接，平臺可同步自動生成仿真模型進行仿真模擬。

項目中Mensys仿真平臺主要用于項目前期評估優化，通過系統組態建模，對智慧能源系統綜合能效進行評估，光伏容量進行多方案比選測算，同時對多能能源站、微型熱電聯產裝置進行運行模式進行優化，軟件功能、組態界面如圖5、圖6所示。以Capstone C65微燃機三聯供為例，通過典型日工況進行仿真測試發現溴機制冷熱慣性環節較大，與發電相比制冷延時明顯，如果按照園區正常上班時間8:30開啟機組，大約半小時后冷凍水回水才能達到設定值。因此，對機組運行策略進行了優化，工作日每天提前半小時開啟機組，進入預制冷模式。

圖5 軟件整體功能劃分

圖6 風機、光伏、微燃機三聯供仿真組態圖

2.2 數字化設計

建筑信息模型(Building Information Modeling)技術是以三維可視化為特征的建筑信息模型的信息集成和管理技術。BIM能夠應用于工程項目規劃、勘察、設計、施工、運營維護等各階段，實現項目各參與方在信息模型基礎上的數據共享，支持對工程環境、能耗、經濟、質量、安全等方面的分析、檢查和模擬，為項目全過程的方案優化和科學決策提供依據[4]。

項目在設計過程中采用BIM設計手段，在規劃、設計、施工等不同階段輔助項目實施，提高方案可視化程度和系統集成效率，在進度、質量、施工指導等方面發揮了積極作用。規劃階段建立園區內場地、建筑的總體三維模型，初步布置智慧能源系統，便于規劃方案的比選、展示匯報；設計階段建立智慧能源系統BIM模型，體現系統設備布置、接口、管線布置等，用于三維展示、設計出圖、施工指導等；施工階段根據BIM模型，輔助指導施工準備、施工過程模擬、施工過程指導等，提前查找識別風險源，實現費用、進度、質量、安全的有效控制。圖7～圖9分別為項目VR虛擬現實展示、裝配模擬、施工模擬。

圖7 項目VR虛擬現實展示

圖8 裝配模擬

圖9 施工模擬

2.3 智能化運維

智慧能源管理系統E2S是整個智慧能源系統的核心，對整個園區中各供能單元、發電設備、儲能單元、電力電子裝置、負荷的運行狀態進行監測，在滿足園區用能負荷需求及電能質量的前提下，對園區內部各 DG、儲能設備及不同類型負荷進行合理調度，保證系統經濟、安全、穩定的運行[5]。

智慧能源管理系統E2S主要功能包括：系統監控、歷史數據查詢、故障報警、能耗分析、優化控制、運行策略優化、新能源發電功率預測等。運維人員可以通過E2S實時掌握系統狀態，及時發現故障報警，通過集中控制和調度優化，確保智慧能源系統安全穩定運行在最佳狀態；管理人員可以通過E2S對大量歷史數據的分析，從全局角度審視園區能耗現狀，挖掘節能潛力并制定園區低碳發展戰略。

項目中智慧能源管理系統采用“集中管理，分散控制”模式，設置能量管理中心對分布式風光、多能能源站、微型熱電聯產系統三個微網進行集中管理，同時監控園區配電、新能源充電樁使用情況。能量管理系統結構為兩層：上位層為集中管理層，對智慧能源系統運行狀態進行實時監控，對園區能耗數據進行統計分析。系統采集溫度、輻照度、濕度、風速、風向等數據作為特征量，采用XGBoost算法對分布式光伏、風電進行出力預測。根據負荷需求、電力市場信息等數據，采用改進遺傳算法(AGA)制定系統運行的調度計劃；下位層為控制層，主要包括設備層控制系統和智能終端數據采集裝置。其中：光伏逆變器、風電并離網控制系統，實現可再生能源最大出力MPPT跟蹤控制。NY40控制系統，實現NY40啟停控制，保護值設置，加熱模式選擇等。MNY120設置中央控制器，對儲能系統、分布式三聯供及外圍輔助設備進行協調控制，實現MNY120的順序啟停、并離網運行模式切換控制、調度策略的執行等。

3 結語

智慧能源是先進能源技術與數字信息技術深度融合的新興的能源利用形式，是推動我國能源轉型升級、實現“雙碳”目標的必由之路。項目建設過程中對數字信息化技術的應用進行了探索和實踐。基于Mensys仿真平臺，通過系統組態建模，對智慧能源系統綜合能效進行評估，對系統配置方案，能源站產品運行模式進行了優化；采用BIM設計手段，在規劃、設計、施工等不同階段輔助項目實施，提高方案可視化程度和系統集成效率；建設E2S智慧能源管理系統，實時監測系統狀態，挖掘園區節能潛力，確保智慧能源系統安全穩定運行在最佳狀態。數字信息化技術與能源技術交叉融合是個不斷深入的過程，大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等技術有力促進了能源生產、傳輸、存儲、交易、消費全鏈條的數據信息連接，未來可以在質量管理、AI故障診斷、區塊鏈能源交易、碳排放監測等方面進行更深入的實踐。