浅谈能效管理平台在智慧园区综合能源管控一体化技术的设计与应用

时间：2023-06-29作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：265

摘 要：智慧园区是智慧城市的重要组成部分，安全可靠、绿色的能源供给与使用是园区可持续发展的基本**。能源管控一体化技术通过一二次设备融合、配电自动化技术和微网控制技术融合，形成具有适应多源馈入、可自感/自诊/自愈、全网优化协调运行的主动配电网，**园区供电可靠、用电；通过对多种形式的能源进行优化配置，将冷、热、电等能量形式整合在一起，形成能量输入和输出的实时协同，制订多种能源之间的能量互动机制以及相应的能量优化管理策略，实现系统全生命周期的*优化和能量的增效。
关健词：智慧园区；主动配电网；微网；能效
0前言
       随着国家新型城镇化进程的不断深入，作为推动区域经济发展、促进科技与经济融合重要载体的智慧园区建设成为众所关注的热点。目前，国内已建设了相当规模的各类大中型科技园区、工业园区和居民区，但是，大多数园区的能源供给和使用仍处于比较粗放的状态，不能适应园区整体智能化水平提升的需要。一方面，现有园区缺乏智能化的能源系统运行控制技术和能量管理手段，难以有效满足分布式电源、分布式储能装置、电动汽车的规模化接入及用户的需求侧响应；另一方面，现有园区内的供用能设备系统大多按各自专业独立建设，无法满足园区综合能效管理的要求。有鉴于此，本文对智慧园区综合能源管控一体化技术方案进行了研究，提岀通过一二次设备融合、配电自动化技术、微网控制技术和能效管理技术融合，形成适应智慧园区供能和用能需求，支撑其可持续发展的综合能源借控系统解决方案。
1综合能源管控一体化系统架构


       综合能源管控系统采用分层分布式的一体化设计思路，总体架构包括设备层、网络层、监控管理层。以智能开闭所/配电室、分布式电源、储能系统为基础，以高速可靠的通信网作为信息传输支撑，建设集园区配电自动化系统、微网能量管理系统于一体的主动配电网管控系统，以及集成园区建筑用能、供配电、微网、暖通空调等各种能源系统运行状态监控与优化的综合能效管理系统，应用云计算、数据挖掘等技术，将获取的信息进行传递和处理，完成各智能化模块信息交互，运营整合、统一指挥，优化用能控制，为园区提供系统集成服务和节能技术应用服务。并构建统一的综合能源应用展示体验平台，以低碳运行及节能减排为展示主题，实现生态主题交流体验的目的，实现园区能源系统运行和使用情况动态、灵活、直观和多维的可视化展示。方案整体架构如下图所示：

2主动配电网
       根据CIGREC6.ll工作组的定义，主动配电网是利用先进的信息、通信以及电力电子技术对规模化接入分布式能源的配电网实施主动管理，能够自主协调控制间歇式新能源与储能装置等DG单元，积消纳可再生能源并确保网络的安全经济运行，是智能配电网技术发展的高级阶段。结合目前园区建设的投资主体情况、配变电设备技术水平和实际供用电需求，以下从智能开闭所/配电室、分布式电源、储能系统、主动配电网管控系统等方面进行分析讨论。
2.1智能开闭所/变配电室
       智慧园区一般供电可靠性要求较高，供电设计一般由**提供2路以上独立外线电源，采用开闭所/变配电房二级组网方式。进线电源一般采用单母线分段设母联开关方式（主开关及母联开关，电气加机械联锁），母联开关可手/自动联络,平时分列运行，当一路外线电源故障或检修时，投入母联开关，由另一路外线电源承担重要负荷供电。变配电所髙压系统采用单母线分段分列运营方式，中间不设联络开关，变压器低压侧采用单母线分段加母联开关方式（主开关及母联开关，电气加机械联锁），母联开关可手/自动联络,平时分列运行，当一路高压进线或一台主变故障、检修时，投入低压母联开关，则另一台主变可带全部一、二级负荷。

       开闭所开关柜、变压器柜配置智能终端，以实现“三遥”功能为主，同时集成重要变配电设备状态监测功能，实现配电线路、设备数据的采集和监测，通过能源管控一体化系统通信网，上传配网运行、设备状态、故障实时信息或就地故障隔离信息，及时掌握系统运行情况、及时准确的定位故障点，增强网络的快速自愈能力。
2.2分布式电源及储能
       园区分布式电源可为结合建筑条件，在相关建筑建设分布式光伏屋发电系统，各屋光伏发电系统就近并人各变配电所低压侧母排，采用并网不上网的方式，就地消纳光伏发电电量，在应急的情况下,光伏屋发电系统还可通过联络线汇人储能系统，组成园区大微网，作为园区内特别重要负荷的备用电源。
       可供智慧园区选择的储能技术主要包括机械储能方式（如:飞轮储能）和电化学储能方式（如：各类电池储能），特别是后者在能量密度、功率密度、响应速度等性能指标方面具有较多的选择余地，建议在智慧园区配套的储能系统中选用。如一套全机液流电池和铅酸蓄电池组成的混合储能系统，可充分发挥全机液流电池循环寿命长、可深充深放的优势，同时利用铅酸蓄电池廉价的特点降低整套储能装置的成本，该储能系统平常可用于平滑分布式光伏等新能源发电的波动，电网故障时可作为离网运行条件下的微网恒压恒频控制节点运行。图2为1套MW级混合储能系统的拓扑结构图。



图2 混合电池储能系统拓扑结构
2.3主动配电网管控系统
       主动配电网管控系统的主要监控对象包括智能开闭所/变配电房、分布式光伏发电站，储能电站。主动配电网管控系统将智能开闭所/变配电室的保护监测，配电网自动化以及微电网能量管理功能融合为一体，可以进行开闭所、配电室的智能监控，配电线路/变压器的集中保护，以及微电网的集中控制和能量优化管理，具备数据采集、运行监控、稳定运行控制、能量管理、远程监控等功能。
       系统架构分为三层，自下至别是就地控制层、中间层和监控层，如图3所示：






图3主动配电网管控系统架构框图
       就地控制层由部署在开闭所开关柜、配电室、光伏接入点、蓄电池混合储能电站接入点的智能测控单元组成，采用高实时性的IEC61850标准规约，通过光纤将现场采集的数据送到中央控制层，同时接受中央控制层的控制命令，对断路器，分布式光伏发电站，混合储能电站行相应的控制。
       控制层由双重化配置的综合控制保护模块构成，通过基于IEC61850标准的过程层网络，与就地智能测控单元进行快速通信，实现电气量的全网同步采样，同步精度达到纳秒级。系统通过对获取的全网同步运行数据进行快速计算和分析，一方面保护程序能及时捕捉系统中出现的短路故障，在全网内快速与隔离故障；另一方面，通过对各分布式电源的运行模式及控制参数进行设置，合理规划和控制分布式光伏系统的输出，保储能设备工作在*优化状态，做到电网节能经济运行；在微电网进入孤岛运行时，控制电压/频率维持在允许范围之内，以*大限度满足负荷、光伏、储能等并网运行的需求。
       监控控制层主机采用双机热备冗余配置，实现实时信息监测、历史信息存储、经济运行控制、高级能量管理及报表统计等功能。
3园区综合能效管理系统




       智慧园区不仅承载着科技、发展经济的功能，而且大都定位成为生态、绿色的示范项目，采用包括分布式光伏发电、储能、集中能源站、冰蓄冷、地源热泵等在内的大量新能源和节能技术，因而需要通过综合能效管理系统对园区内的电、水、冷、热、气等能耗进行监测和管理，实现各类能耗分类分项统计分析，并对园区冰蓄冷、地源热泵、太阳能、储能等节能和新能源系统进行综合优化利用。图4为综合能效管理系统基本功能架构。
       如图4所示，园区能效管理系统从功能逻辑上可划分数据采集模块、数据展示模块、能耗分析模块和能耗优化等模块。数据采集包括对园区内个栋建筑的电、水、燃气使用情况的采集和预处理，以及从主动配网管控系统、楼宇自动化系统等园区内相关智能化系统中获取能耗数据；数据展示包括数据图表展示、数据报表展示、能耗査询等功能；能耗分析模块包括能耗目标管理、能耗对比管理、能耗统计管理、能耗告警管理等功能；能源优化系统通过对能耗数据分析挖掘能耗潜力，拓展节能空间，提出节能建议，从而实现园区能源综合优化，解决园区能源网中多种新电源之间的互补问题，实现节能设备及清洁能源的*优化利用，实现系统能效*大化



4应用案例
       按照前述基于综合能源管控一体化技术的智慧园区建设思路，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司已成功承建了一批智慧园区综合能源管控项目，了良好的社会效益和经济效益。如武汉未来科技城项目，该项目占地面积500亩，含3座智能化开闭所、18座智能化变配电室，总装接配变容量约为50MVA,建设了包括主动配电网（含配电自动化、微网能量管理）、分布式风光储联合电站、智能楼宇、电动汽车充电设施、园区综合能效管理系统等10项子项目，为武汉未来科技城提供了安全可靠的能源**和绿色的用能服务，有力支撑了未来科技城“创新，开放，人本，低碳，共生”理念的实现。
5 AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理平台
5.1平台概述

       AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理平台集变电站综合自动化、电力监控、电能质量分析及治理、电气安全、能耗分析、照明控制、设备运维于一体，为建立可靠、安全、的工厂能源管理体系提供数据支持。同时引入先进技术，配合厂务系统优化，简化全厂管理，并利用实时数据，优化能效并预防风险，**关键制造设备的稳定运行和良品率，降低综合成本，*终达到运营和**制造的目的。
5.2平台组成
       安科瑞AcrelEMS-SEMI电子厂房管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了电力监控系统、变电所综合自动化、电能质量监测与治理、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、消防应急照明和疏散指示系统、智能照明控制系统、能耗监测系统、新能源充电桩、预付费系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对电子厂房的用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足厂房用电可靠、安全、稳定、、有序的要求。
6平台拓扑图



7平台子系统
7.1电力监控
       电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。



7.2电能质量监测与治理
       监测各进线回路电能质量，包括电压暂降、谐波畸变、闪变等数据波形记录，进而判断配电系统扰动方向。
       配置有源滤波装置和无功补偿装置对0.4kV侧电能质量进行补偿和治理，并监测有源滤波装置和无功补偿装置运行情况，确保电能质量符合生产要求。








7.3变电站综合自动化
       变电站综合自动化系统主要针对110kV变电站、10kV变电所和10kV柴油发电机部分，在变电站设置Acrel-1000变电站综合自动化系统子站，实现本地遥测、遥信、遥控、报警、报表等功能，并把数据上传至AcrelEMS-SEMI能效管理平台，实现集中监测和报警。



7.4电气安全
       AcrelEMS电子厂房能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。



7.5智能照明控制
        单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式。



7.6能耗分析
       AcrelEMS电子厂房能效管理系统为工厂搭建计量体系，显示能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助企业分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对工厂用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。



7.7充电桩管理
       电动汽车和电瓶车充电桩管理，包括收费管理、资产管理。



7.8职工公寓管理
       对厂区内职工宿舍进行负载管理，包括恶性负载识别管理、负载阈值管理，避免因为恶性负载引起火灾。对员工宿舍进行水电收费管理，支持微信、支付宝等缴费方式，采集职工宿舍能耗数据。



8相关平台部署硬件选型清单
8.1电力监控系统硬件配置









8.2能耗管理系统硬件配置方案

8.3智能照明控制系统硬件配置方案





8.4电气火灾监控系统硬件配置方案



8.5消防设备电源监控系统硬件配置方案



8.6防火门监控系统硬件配置方案



8.7消防应急照明和疏散指示系统硬件配置方案





8.8电能质量治理解决方案硬件配置方案





8.9充电桩系统硬件配置方案



8.10预付费系统硬件配置方案









9结语
       本文提出通过采用智慧园区能源管控一体化技术，形成具有适应多源馈入、可自感/自诊/自愈、全网优化协调运行的主动配电网，**园区供电可靠、用电；通过对多种形式的能源进行优化配置，将冷、热、电等能量形式整合在一起，形成能量输入和输出的实时协同，实现系统全生命周期的*优化和能量的增效。由于可充分适应智慧园区的供用能需求和发展趋势，能源管控一体化技术必将在智慧园区建设中不断发展，具有广阔的应用前景。

参考文献
[1]蔡炜.智慧园区综合能源管控一体化技术研究
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.


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