劉偉，唐喜慶，唐繼旭

(上海航天智慧能源技術(shù)有限公司，上海 201112)

智慧能源系統(tǒng)是新能源技術(shù)、信息及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)等能源開發(fā)利用技術(shù)的最新成果和最新應(yīng)用，橫向上，通過電、氣、熱和冷綜合能源服務(wù)實(shí)現(xiàn)不同能源品類的動(dòng)態(tài)互補(bǔ)；縱向上，通過智能調(diào)度和先進(jìn)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的靈活互動(dòng)[1]。作為一種新興的能源利用形式，以數(shù)字賦能實(shí)現(xiàn)智慧化和低碳化發(fā)展，并將服務(wù)前移，可以更好地貼近用戶、服務(wù)用戶[2]。構(gòu)建智慧能源體系，能夠加快推進(jìn)能源供給側(cè)清潔低碳轉(zhuǎn)型，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路。

本文重點(diǎn)關(guān)注數(shù)字信息化技術(shù)在智慧能源項(xiàng)目中的應(yīng)用，以上海某園區(qū)智慧能源示范項(xiàng)目為例，介紹了項(xiàng)目多能互補(bǔ)方案設(shè)計(jì)，模塊化能源站產(chǎn)品集成，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過程中圖形化仿真、數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能化運(yùn)維等數(shù)字信息化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究和總結(jié)。

1 多能互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目包含219 kW分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、2×300 W分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、微型氣象站、MNY120多能能源站、NY40微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和14臺(tái)新能源汽車充電樁。項(xiàng)目建成對(duì)增加園區(qū)可再生能源比重，保障供能安全，提高能源綜合效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，推動(dòng)新能源汽車應(yīng)用等方面具有重要意義。

項(xiàng)目基于“多能互補(bǔ)，系統(tǒng)集成”理念，構(gòu)造微網(wǎng)與電網(wǎng)互補(bǔ)，風(fēng)光資源互補(bǔ)，新能源與傳統(tǒng)火電互補(bǔ)：正常運(yùn)行時(shí)園區(qū)多能系統(tǒng)與電網(wǎng)共同滿足用能需求，當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫切換，確保重要負(fù)荷的安全運(yùn)行；可再生資源利用方面，白天利用光照資源，夜晚利用風(fēng)力資源為園區(qū)提供可再生電能，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)。圖1為項(xiàng)目拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)集成方面，項(xiàng)目創(chuàng)造性的對(duì)微燃機(jī)、溴化鋰機(jī)組、儲(chǔ)能電池進(jìn)行了結(jié)構(gòu)布局、安裝布置集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多能供應(yīng)和應(yīng)急保障功能。一次能源利用效率方面，微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置將排煙余熱深度回收利用，能源利用效率達(dá)95%以上。與普通的風(fēng)光分布式能源、三聯(lián)供相比，多能互補(bǔ)系統(tǒng)可為園區(qū)提供冷、熱、電、熱水，并滿足新能源充電的需求。同時(shí)，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(xiàng)目拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.1 風(fēng)光分布式能源

園區(qū)3號(hào)廠房屋頂布置219 kW分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和2×300 W分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。圖2為樓頂光伏、風(fēng)力發(fā)電、微型氣象站。光伏系統(tǒng)主要由單晶組件、并網(wǎng)逆變器及計(jì)量裝置組成。分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和并離儲(chǔ)一體機(jī)組成，兼具并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運(yùn)行模式。為了對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，三樓樓頂布置微型氣象站，可測(cè)量環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向和輻射強(qiáng)度等參量，其通訊接口可接入微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖2 樓頂光伏、風(fēng)力發(fā)電、微型氣象站

1.2 多能能源站

多能能源站MNY120布置在園區(qū)2號(hào)廠房外，MNY120采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將108 kW·h/PCS 50 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)、600 W微型光伏系統(tǒng)、Capstone C65微燃機(jī)、110 kW/82 kW吸收式溴化鋰機(jī)組集成到一個(gè)撬裝模塊。圖3為多能能源站MNY120。MNY120包含兩個(gè)艙室，左邊艙室為配電控制系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，右邊艙室為微燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)，分艙設(shè)計(jì)充分考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)溫控要求和微燃機(jī)通風(fēng)量要求。外圍輔助設(shè)備包括天然氣增壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐和溴機(jī)冷卻塔，MNY120現(xiàn)場(chǎng)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(jī)增壓進(jìn)入微燃機(jī)燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并入園區(qū)市政電網(wǎng)，排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入溴化鋰吸收式機(jī)組，夏天產(chǎn)生空調(diào)冷水，冬天產(chǎn)生空調(diào)熱水，供應(yīng)園區(qū)部分辦公區(qū)。儲(chǔ)能系統(tǒng)利用峰谷價(jià)差，削峰填谷，節(jié)約用能成本。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有20 ms并離網(wǎng)無縫切換功能，在電網(wǎng)突然失電情況下可保障2號(hào)廠房數(shù)據(jù)機(jī)房、空氣壓縮機(jī)等重要負(fù)荷不間斷運(yùn)行。在離網(wǎng)狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為微燃機(jī)黑啟動(dòng)電源，保證能源供應(yīng)的可靠性。

1.3 微型熱電聯(lián)產(chǎn)

微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置是小型化、模塊化布置在用戶側(cè)的可同時(shí)發(fā)電和供熱供能裝置。微型熱電聯(lián)產(chǎn)NY40安裝在1號(hào)廠房?jī)?nèi)，NY40額定耗氣量為7 m3/h，額定發(fā)電功率22 kW，同時(shí)供熱功率45 kW，折算40 ℃溫差熱水約1 t/h。NY40所發(fā)電量并入1號(hào)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(hào)廠房洗手間熱水和員工淋浴的需求。

NY40從水箱下部取水，經(jīng)加熱后產(chǎn)熱熱水注入水箱上部，水箱中水溫從上往下逐漸降低，當(dāng)NY40取水溫度達(dá)到設(shè)定值上限時(shí)自動(dòng)停機(jī)，低于設(shè)定值下限時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。圖4為微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

圖4 微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.4 新能源汽車充電樁

為滿足園區(qū)員工以及訪客新能源汽車充電的需求，園區(qū)商務(wù)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(nèi)。直流充電樁充電功率大，需要風(fēng)扇散熱，一般規(guī)格在30 kW～180 kW之間。結(jié)合園區(qū)使用需求和商務(wù)樓一樓配電柜容量，選擇在商務(wù)樓前建設(shè)12臺(tái)7 kW交流充電樁，另外2臺(tái)7 kW交流充電樁并入MNY120配電柜。

2 數(shù)字信息化技術(shù)應(yīng)用

項(xiàng)目在全生命周期內(nèi)對(duì)數(shù)字信息化技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用和實(shí)踐：項(xiàng)目前期決策階段基于圖形化仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)方案配置容量和運(yùn)行策略進(jìn)行了仿真模擬；項(xiàng)目實(shí)施階段，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)輔助項(xiàng)目實(shí)施，提高方案可視化程度和系統(tǒng)集成效率；項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)階段，利用智慧能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，挖掘園區(qū)節(jié)能潛力，確保智慧能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2.1 圖形化仿真

Mensys(Multi energy system simulation platform) 多能互補(bǔ)綜合智慧能源仿真平臺(tái)，可方便快捷的搭建不同結(jié)構(gòu)形式的多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)周期、全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真、評(píng)估、優(yōu)化。平臺(tái)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(diào)試速度快的特點(diǎn)[3]。用戶可根據(jù)智慧能源系統(tǒng)PID流程圖對(duì)設(shè)備圖符進(jìn)行組態(tài)連接，平臺(tái)可同步自動(dòng)生成仿真模型進(jìn)行仿真模擬。

項(xiàng)目中Mensys仿真平臺(tái)主要用于項(xiàng)目前期評(píng)估優(yōu)化，通過系統(tǒng)組態(tài)建模，對(duì)智慧能源系統(tǒng)綜合能效進(jìn)行評(píng)估，光伏容量進(jìn)行多方案比選測(cè)算，同時(shí)對(duì)多能能源站、微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置進(jìn)行運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，軟件功能、組態(tài)界面如圖5、圖6所示。以Capstone C65微燃機(jī)三聯(lián)供為例，通過典型日工況進(jìn)行仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)溴機(jī)制冷熱慣性環(huán)節(jié)較大，與發(fā)電相比制冷延時(shí)明顯，如果按照?qǐng)@區(qū)正常上班時(shí)間8:30開啟機(jī)組，大約半小時(shí)后冷凍水回水才能達(dá)到設(shè)定值。因此，對(duì)機(jī)組運(yùn)行策略進(jìn)行了優(yōu)化，工作日每天提前半小時(shí)開啟機(jī)組，進(jìn)入預(yù)制冷模式。

圖5 軟件整體功能劃分

圖6 風(fēng)機(jī)、光伏、微燃機(jī)三聯(lián)供仿真組態(tài)圖

2.2 數(shù)字化設(shè)計(jì)

建筑信息模型(Building Information Modeling)技術(shù)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(shù)。BIM能夠應(yīng)用于工程項(xiàng)目規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各階段，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各參與方在信息模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)共享，支持對(duì)工程環(huán)境、能耗、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、安全等方面的分析、檢查和模擬，為項(xiàng)目全過程的方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)[4]。

項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中采用BIM設(shè)計(jì)手段，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等不同階段輔助項(xiàng)目實(shí)施，提高方案可視化程度和系統(tǒng)集成效率，在進(jìn)度、質(zhì)量、施工指導(dǎo)等方面發(fā)揮了積極作用。規(guī)劃階段建立園區(qū)內(nèi)場(chǎng)地、建筑的總體三維模型，初步布置智慧能源系統(tǒng)，便于規(guī)劃方案的比選、展示匯報(bào)；設(shè)計(jì)階段建立智慧能源系統(tǒng)BIM模型，體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備布置、接口、管線布置等，用于三維展示、設(shè)計(jì)出圖、施工指導(dǎo)等；施工階段根據(jù)BIM模型，輔助指導(dǎo)施工準(zhǔn)備、施工過程模擬、施工過程指導(dǎo)等，提前查找識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用、進(jìn)度、質(zhì)量、安全的有效控制。圖7～圖9分別為項(xiàng)目VR虛擬現(xiàn)實(shí)展示、裝配模擬、施工模擬。

圖7 項(xiàng)目VR虛擬現(xiàn)實(shí)展示

圖8 裝配模擬

圖9 施工模擬

2.3 智能化運(yùn)維

智慧能源管理系統(tǒng)E2S是整個(gè)智慧能源系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)園區(qū)中各供能單元、發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能單元、電力電子裝置、負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在滿足園區(qū)用能負(fù)荷需求及電能質(zhì)量的前提下，對(duì)園區(qū)內(nèi)部各 DG、儲(chǔ)能設(shè)備及不同類型負(fù)荷進(jìn)行合理調(diào)度，保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行[5]。

智慧能源管理系統(tǒng)E2S主要功能包括：系統(tǒng)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報(bào)警、能耗分析、優(yōu)化控制、運(yùn)行策略優(yōu)化、新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)等。運(yùn)維人員可以通過E2S實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警，通過集中控制和調(diào)度優(yōu)化，確保智慧能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行在最佳狀態(tài)；管理人員可以通過E2S對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的分析，從全局角度審視園區(qū)能耗現(xiàn)狀，挖掘節(jié)能潛力并制定園區(qū)低碳發(fā)展戰(zhàn)略。

項(xiàng)目中智慧能源管理系統(tǒng)采用“集中管理，分散控制”模式，設(shè)置能量管理中心對(duì)分布式風(fēng)光、多能能源站、微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)三個(gè)微網(wǎng)進(jìn)行集中管理，同時(shí)監(jiān)控園區(qū)配電、新能源充電樁使用情況。能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為兩層：上位層為集中管理層，對(duì)智慧能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)園區(qū)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)采集溫度、輻照度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)作為特征量，采用XGBoost算法對(duì)分布式光伏、風(fēng)電進(jìn)行出力預(yù)測(cè)。根據(jù)負(fù)荷需求、電力市場(chǎng)信息等數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)遺傳算法(AGA)制定系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)度計(jì)劃；下位層為控制層，主要包括設(shè)備層控制系統(tǒng)和智能終端數(shù)據(jù)采集裝置。其中：光伏逆變器、風(fēng)電并離網(wǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源最大出力MPPT跟蹤控制。NY40控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)NY40啟?？刂?，保護(hù)值設(shè)置，加熱模式選擇等。MNY120設(shè)置中央控制器，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式三聯(lián)供及外圍輔助設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)MNY120的順序啟停、并離網(wǎng)運(yùn)行模式切換控制、調(diào)度策略的執(zhí)行等。

3 結(jié)語

智慧能源是先進(jìn)能源技術(shù)與數(shù)字信息技術(shù)深度融合的新興的能源利用形式，是推動(dòng)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路。項(xiàng)目建設(shè)過程中對(duì)數(shù)字信息化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探索和實(shí)踐?；贛ensys仿真平臺(tái)，通過系統(tǒng)組態(tài)建模，對(duì)智慧能源系統(tǒng)綜合能效進(jìn)行評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)配置方案，能源站產(chǎn)品運(yùn)行模式進(jìn)行了優(yōu)化；采用BIM設(shè)計(jì)手段，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等不同階段輔助項(xiàng)目實(shí)施，提高方案可視化程度和系統(tǒng)集成效率；建設(shè)E2S智慧能源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，挖掘園區(qū)節(jié)能潛力，確保智慧能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行在最佳狀態(tài)。數(shù)字信息化技術(shù)與能源技術(shù)交叉融合是個(gè)不斷深入的過程，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)有力促進(jìn)了能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、交易、消費(fèi)全鏈條的數(shù)據(jù)信息連接，未來可以在質(zhì)量管理、AI故障診斷、區(qū)塊鏈能源交易、碳排放監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行更深入的實(shí)踐。