姚 娟 ，張曉文 ，宋 嘉 ，董新偉

（1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 334201;2. 中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221000）

嘉興港區(qū)是嘉興工業(yè)企業(yè)聚集地，近年來，隨著人才鏈、創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、政策鏈“五鏈同構(gòu)”的深入實施，國家級經(jīng)開區(qū)能源結(jié)構(gòu)多樣化進展加快，一大批小微園區(qū)陸續(xù)建成并投入使用，成為嘉興港區(qū)能源消耗與碳排放的重要組成部分。圍繞“生態(tài)綠色、電力先行”發(fā)展理念[1-2]，屬地供電公司面對能源供需新格局、能源發(fā)展新趨勢，和屬地政府聯(lián)手，創(chuàng)造性的制定了全力打造用戶側(cè)“光電樁換、氫儲余碳”全要素綜合能源示范項目藍圖，開足馬力在三余發(fā)電、氫能綜合利用、儲能、能效提升、光伏發(fā)電、綠電交易、智慧電務等業(yè)務方面持續(xù)發(fā)力，打造了“三余”發(fā)電、屋頂光伏等一系列助力嘉興能源體系綠色低碳發(fā)展的亮點工程。

隨著能源供需格局日漸打開，多能互補協(xié)調(diào)利用日漸成為多方關(guān)注的熱點[3-5]。作為一種高效的能源利用方式，多能互補對于提高能源的綜合利用率，助力打造安全可控、智能開放、互動友好、清潔低碳的新型電力系統(tǒng)，推動能源利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及助力雙碳目標平穩(wěn)落地都有重大意義[6]。在小微園區(qū)構(gòu)建多能互補微型能源網(wǎng)絡(luò)[7]，實現(xiàn)園區(qū)多能共濟，互補協(xié)調(diào)，成為當前嘉興港區(qū)打造小微園區(qū)節(jié)能降碳樣板的典型實踐。

1 嘉興港區(qū)小微園區(qū)能源供需格局

1.1 小微園區(qū)用能特征

當前，小微園區(qū)的能源利用呈現(xiàn)出以下5 大特點[8-10]：（1）園區(qū)電能供應基本以網(wǎng)電為主，本次調(diào)研的19 個園區(qū)，僅有3 家配置有第三方投資建設(shè)的光伏電站，新能源消耗在小微園區(qū)的整體能源體系中占比很?。唬?）已經(jīng)發(fā)展成熟的小微園區(qū)，園區(qū)產(chǎn)業(yè)定位相對明確，單個園區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)單一化特性，生產(chǎn)端鮮有多種能源的加工、轉(zhuǎn)化及供給，電、氣、熱、冷為其終端用能的主要形式，能源結(jié)構(gòu)簡單；（3）未發(fā)展成熟的小微園區(qū)，因其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在各發(fā)展階段存在較大不確定性，因而用能特征具有離散型、流程型以及新興研發(fā)型等特點，負荷需求的時空異質(zhì)性以及多樣性都很明顯；（4）園區(qū)內(nèi)企業(yè)集聚，對于能源品種（熱、冷、電等）以及載能公共產(chǎn)品（水、氣等）的需求相對集中且用量較大，對其供應質(zhì)量要求及可靠性要求也比較高；（5）園區(qū)內(nèi)的能源負荷特性比較復雜，尤其是以實驗研發(fā)、生物醫(yī)藥、醫(yī)療器械、半導體研發(fā)、電子芯片、智能制造、航空航天等數(shù)字經(jīng)濟類企業(yè)為主的高新技術(shù)園區(qū)，其能源輸配送系統(tǒng)復雜，且對能源的穩(wěn)定性及供應可靠性要求苛刻，更關(guān)注于能源的可靠性、高效性、清潔性及經(jīng)濟性。

1.2 小微園區(qū)碳排放現(xiàn)狀

對發(fā)展相對成熟的11 個小微園區(qū)建立能源基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，發(fā)展相對成熟的小微園區(qū)在役的能源基礎(chǔ)設(shè)備裝機容量基本在變壓器總?cè)萘康?0%～70%之間。以2023 年為節(jié)點，11 個小微園區(qū)在2023 年之前已經(jīng)實現(xiàn)穩(wěn)定運行的有5 個，當前在役的5 個園區(qū)其基礎(chǔ)設(shè)施裝機容量統(tǒng)計值為45.5 MW。根據(jù)2022 年用電量，按照折算為標準煤來計算節(jié)能減排效益，根據(jù)國際能源署（IEA）《世界能源展望2007》，我國CO2的排放指數(shù)[11-12]在：0.814 kg/kW·h，每1 kW·h 的火電上網(wǎng)，標準煤消耗在305 g 的體量，按照脫硫和脫氮前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，會排放6.2 g 的硫氧化物（SOx）以及2.1 g 的氮氧化物（NOx）。根據(jù)2022 年用電量折算，這些設(shè)施的溫室氣體排放量大約為370.4 t，大致占到當年整個轄區(qū)的2.1%；SO2排放量大約為2.82 t，大致占當年整個轄區(qū)的1.2%；NOx大約排放0.96 t，占當年整個轄區(qū)的1.5%左右；同時，新鮮水消耗大致為轄區(qū)新鮮水用量的0.5%。

園區(qū)內(nèi)的能源基礎(chǔ)設(shè)施主要呈現(xiàn)3 大特點：以電能為能源消耗主體的用能機組，其裝機容量比例達97%左右；能源利用效率較低的小機組，尤其是單機容量在50 kW 以下的機組，其裝機數(shù)量占總量的68%左右；就溫室氣體排放量而言，能源基礎(chǔ)設(shè)施排放量占整個園區(qū)總排放量的75%?；A(chǔ)設(shè)施的一個特征是服役時間長，能耗具有代表性和典型性，一旦投運其排放量基本被鎖定，作為園區(qū)的基礎(chǔ)排放，它是當前園區(qū)節(jié)能降碳的核心要素[13]。

2 小微園區(qū)多能互補微型能源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法與評價標準

為直觀展示調(diào)整后小微園區(qū)的能源供需格局，量化其間產(chǎn)生的成本集約與碳值壓降，采取了2 項措施：（1）搭建多能互補微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化模型，通過肉眼可辨的能源網(wǎng)絡(luò)即時狀態(tài)分布，輔助動態(tài)調(diào)度；（2）建立效益測算模型，通過測算項目多方效益，精準評判項目經(jīng)濟性[14-15]。

2.1 多能互補微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生建模

多能互補能源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的關(guān)鍵[16-18]在于對能源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分布的即時把握以及動態(tài)調(diào)度。

本文提出的基于Microsoft Azure IoT 多能互補數(shù)字孿生實現(xiàn)方法如圖1 所示。通過3 步走即可實現(xiàn)模型的數(shù)字孿生功能：將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到云基礎(chǔ)設(shè)施；搭建基于多物理場的數(shù)字孿生模型實現(xiàn)Paas層建模到IoT 平臺的導出；在IoT 平臺集成監(jiān)測數(shù)據(jù)與孿生模型，達到數(shù)字孿生。

圖1 多能互補數(shù)字孿生實現(xiàn)方法

第一步：利用Microsoft Azure IoT[19]模擬平臺，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到云基礎(chǔ)設(shè)施。

要求首先利用網(wǎng)關(guān)方式或者直連形式，對各監(jiān)測裝置傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換，成為MOTT 等常用協(xié)議，避免各裝置數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不同導致的傳送異常，再將對應數(shù)據(jù)傳送至Azure 的IoT Hub；非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，諸如紅外圖譜及各類文檔等，則須要單獨使用SDK 上傳。所有數(shù)據(jù)傳輸完畢后，統(tǒng)一再在Azure上對這些數(shù)據(jù)做進一步的存儲、融合、可視化、分析等部署處理。至此，云上成功涵蓋模型搭建所需完整數(shù)據(jù)源[20-22]。

第二步：搭建數(shù)字孿生模型。

要求在Twin Builder 搭建數(shù)字孿生模型，確保實時數(shù)據(jù)在該模型上能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場即時仿真功能，且Azure 可支撐建模語言的文件導出。

基于Twin Builder 的數(shù)字孿生模型如圖2 所示。輸入?yún)?shù)包括環(huán)境指標（風力風速、光照強度、大氣溫濕度等）及負載特性（電能、熱量、冷量等）2 種，輸入?yún)?shù)經(jīng)能量場部分降階模型及Modelia模型等處理后，文件最終以.twin 形式與Twin Deloyer 孵化出的SDK 同步部署在Azure。

圖2 基于Twin Builder 的數(shù)字孿生模型

第三步：實現(xiàn)Azure 監(jiān)測數(shù)據(jù)與孿生模型的集成，數(shù)字孿生成功。

調(diào)用Azure 上匯集的實時數(shù)據(jù)，對孿生模型進行仿真，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型集成，達到多能互補微型能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生，如圖3 所示。

圖3 模型與數(shù)據(jù)在Azure 的集成

2.2 小微園區(qū)多能互補評價標準

對其他同類型項目調(diào)研結(jié)果顯示，園區(qū)內(nèi)的綜合能源項目當前主要考慮經(jīng)濟性評價指標[23-25]及項目敏感性指標2 大指標要素。

2.2.1 經(jīng)濟性評價指標

經(jīng)濟性評價指標主要考量動態(tài)投資回收期（TP）、財務內(nèi)部效益率（IRR）以及財務凈現(xiàn)值（NPV）3 大核心要素。

動態(tài)投資回收期計算公式為：

式中：CI為現(xiàn)金流入，取值為第t年的收入；CO為現(xiàn)金流出，取值為第t年的投資或者支出；i0為行業(yè)基準折現(xiàn)率。

財務內(nèi)部效益率：一般來說，內(nèi)部效益率[26]取值越大越好，它是體現(xiàn)投資報酬率的一項指標。在其取值不小于基準效益率的情況下，可以判斷項目是可行的。

式中：a、b均為折現(xiàn)率，且a>b； N PVa為折現(xiàn)率a對應的凈現(xiàn)值，其取值為正； N PVb為折現(xiàn)率b對應的凈現(xiàn)值，其取值為負。

財務凈現(xiàn)值：財務凈現(xiàn)值[27]直接反映了項目的盈利能力，其值越大則效益越好，方案越優(yōu)質(zhì)。且只有在其取值大于0 時，方案才是可行的。

式中：lt為第t年項目的現(xiàn)金流入量；Ot為第t年項目的現(xiàn)金流出量；R為項目折現(xiàn)率。

2.2.2 項目敏感性指標及分析

項目的敏感度系數(shù)[28]可以用經(jīng)濟評價指標變化率和項目不確定性因素變化率的比值來衡量，計算如下：

式中：ΔA/A為經(jīng)濟評價指標變化率，可以是內(nèi)部效益率IRR 或者凈現(xiàn)值NPV；ΔF/F為項目不確定性因素變化率，可以是工期或者建設(shè)投資等。

SAF>0 時，不確定性因素和評價指標的變化是同方向的；SAF<0 時，則不確定性因素和評價指標變化反向。且SAF 數(shù)值越大，A對于F越敏感；反之亦然[29]。

3 嘉興港區(qū)小微園區(qū)多能互補微型能源網(wǎng)絡(luò)典型應用

3.1 園區(qū)多能互補項目建設(shè)方案

本課題以嘉興港區(qū)KQ 產(chǎn)業(yè)園為應用對象，利用數(shù)字孿生技術(shù)對其構(gòu)建包括新能源發(fā)電（光伏、風電）系統(tǒng)、蓄冷蓄熱系統(tǒng)以及儲能系統(tǒng)在內(nèi)的園區(qū)多能互補網(wǎng)絡(luò)[30]。同時考慮能源網(wǎng)絡(luò)中清潔能源的節(jié)能減排效益，在政府補貼日漸減少甚至無補貼時，綜合評價項目經(jīng)濟性[31-32]。

3.1.1 園區(qū)多能互補能源網(wǎng)絡(luò)項目概況

KQ 產(chǎn)業(yè)園多能互補系統(tǒng)除市電外還包括2 大發(fā)電系統(tǒng)（光伏、風力發(fā)電系統(tǒng)）、儲能系統(tǒng)、冷熱交換系統(tǒng)（地源熱泵、冰蓄冷、蓄熱式電鍋爐）等3 大類供能系統(tǒng)。利用數(shù)字孿生技術(shù)，對園區(qū)構(gòu)建多能互補微型能源網(wǎng)絡(luò)如圖4 所示。

圖4 KQ 產(chǎn)業(yè)園多能互補能源微網(wǎng)模型

項目規(guī)劃全壽命周期25 年，建設(shè)期2 年，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 KQ 產(chǎn)業(yè)園項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.2 園區(qū)多能互補能源網(wǎng)絡(luò)項目成本計算

綜合KQ 產(chǎn)業(yè)園各供能系統(tǒng)裝機容量，該項目預計投資成本以及年運行維護成本如表2 所示。

表2 KQ 產(chǎn)業(yè)園項目預計投資及年運行維護成本

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，KQ 產(chǎn)業(yè)園項目初始投資1 962 萬元，全部為企業(yè)自籌資金。

每年運行維護成本55.22 萬元，具體用途涉及人工工資和福利、保險費、維修費、材料費以及其他相關(guān)費用。

利用平均年限折舊法對固定資產(chǎn)殘值計算：殘值回收98.1 萬元，每年折舊84.72 萬元。

3.1.3 園區(qū)多能互補能源網(wǎng)絡(luò)項目效益計算

供能效益：根據(jù)嘉興市歷史氣象資料及園區(qū)用能負荷曲線，本項目設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)總計容量1.58 MWp，規(guī)劃年利用1 000 h，預計年均發(fā)電量139.43 萬kW·h，足額消納；風力發(fā)電系統(tǒng)總計裝機容量1 MW，規(guī)劃年利用2 400 h，預計年均發(fā)電量240 萬kW·h，足額消納；儲能電站總計裝機容量0.8 MW，規(guī)劃年儲能1 800 h，采用谷存峰取利用模式，預計年均電能儲耗量144 萬kW·h；地源熱泵系統(tǒng)按機組出力情況，冬、夏季節(jié)分開考慮，依據(jù)當前機組效能，冬季供暖COP 取值4.0，預計每年制冷季節(jié)電能節(jié)約65.7 萬kW·h、供暖季節(jié)電能節(jié)約566.5 萬kW·h；冰蓄冷系統(tǒng)主要作用是削峰填谷，考慮機組容量及冷量需求，預計每年節(jié)約電能103.4 萬kW·h；蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)采用全蓄熱模式，預計每年節(jié)省電能47.72 萬kW·h，考慮蓄熱損失，蓄熱效率按90%考慮。

當前園區(qū)高峰電價1.313 3 元/kW·h，低谷電價0.427 3 元/kW·h，綜合電價0.820 1 元/kW·h，各系統(tǒng)年均供能效益計算如表3 所示。

表3 KQ 產(chǎn)業(yè)園項目各系統(tǒng)年均供能效益

節(jié)能減排效益：考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)只在設(shè)備生產(chǎn)、運輸及建設(shè)過程中產(chǎn)生環(huán)境成本，項目建成后直接貢獻清潔電能，不再排放污染物，而其他4 種供能系統(tǒng)僅起能量中轉(zhuǎn)作用，投運前后，用能環(huán)節(jié)均沒有污染物的產(chǎn)生，因此在對KQ 產(chǎn)業(yè)園多能互補系統(tǒng)節(jié)能減排效益計算時，僅須考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)的出力情況。

園區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)年均發(fā)電量139.43 萬kW·h，折合425.26 t 標準煤；風力發(fā)電系統(tǒng)年均發(fā)電量240 萬kW·h，折合732 t 標準煤，節(jié)能減排效益如表4 所示。

表4 KQ 產(chǎn)業(yè)園項目光伏、風電系統(tǒng)節(jié)能減排效益

3.2 園區(qū)多能互補項目經(jīng)濟性評價

項目全投資分年現(xiàn)金流量如表5 所示，由該表可知KQ 產(chǎn)業(yè)園多能互補項目動態(tài)投資回收期4.94 年，凈現(xiàn)值6 638.72 萬元，項目內(nèi)部效益率26.17%，因此，本項目具有經(jīng)濟性。

表5 KQ 產(chǎn)業(yè)園項目全投資分年現(xiàn)金流量表元

3.3 園區(qū)多能互補項目敏感性分析

本文利用財務內(nèi)部效益率IRR 及項目敏感性要素SAF 評價指標對KQ 產(chǎn)業(yè)園多能互補項目做不確定分析。SAF 絕對值大于1 時，該因素為敏感性因素；反之亦然。

數(shù)據(jù)表明，風光發(fā)電量、固定資產(chǎn)投資以及經(jīng)營成本這3 項經(jīng)濟因素是影響本項目經(jīng)濟性的主要因素。設(shè)定基準效益率8%，分別計算變化率在-20%、-10%、10%及20%時，各不確定因素對應的內(nèi)部效益率及敏感度系數(shù)如表6 所示。

表6 KQ 產(chǎn)業(yè)園項目各經(jīng)濟因素敏感性分析表

財務內(nèi)部效益率、凈現(xiàn)值以及動態(tài)投資回收期3 項數(shù)據(jù)表明，KQ 產(chǎn)業(yè)園多能互補項目具有經(jīng)濟性。

KQ 產(chǎn)業(yè)園項目中，固定資產(chǎn)投資是敏感性最強的因素，風光發(fā)電量次之，經(jīng)營成本敏感性最低。因此，在對小微園區(qū)多能互補項目投資時，須要對固定資產(chǎn)投資及風光發(fā)電量這2 個因素重點考慮。

4 結(jié)束語

本文深入研究了小微園區(qū)用能特性及碳排放現(xiàn)狀，深刻分析了當前數(shù)字孿生技術(shù)與多能互補技術(shù)的發(fā)展應用，創(chuàng)新性提出“構(gòu)建小微園區(qū)多能互補能源網(wǎng)絡(luò)”能源利用新模式，從實現(xiàn)方法與評價標準2 個維度出發(fā)，開展實地調(diào)研與建模探究。并以KQ 產(chǎn)業(yè)園為建模樣本，搭建多能互補能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生模型，通過肉眼可辨的能源網(wǎng)絡(luò)即時狀態(tài)分布，輔助動態(tài)調(diào)度；同時利用效益測算模型，量化分析其間產(chǎn)生的成本集約與碳值壓降，多方評價項目經(jīng)濟性。