綜合能源管理系統規劃方案的探討

王海華

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 510663)

目前能源和環境問題的日益嚴重，中國乃至世界范圍內對新能源的大規模利用進入了一個全新的發展時期。在發展低碳經濟的背景下，節能環保規劃和智能前瞻構想將成為吸引企業和人才的獨特優勢。因此有必要對綜合能源管理系統規劃方案進行探討，總結國內外開展能源綜合利用相關實踐的經驗，為城市提供先進可行的能源供應方案，倡導全新能源消費理念，促進能源高效利用，打造能源綜合應用示范區，引領世界能源未來發展方向[1]。

1 綜合能源管理系統國內外現狀及需求分析

1.1 國內外發展現狀分析

經過市場化改革后的歐美等國能源行業與中國現有的能源行業存在巨大的差別。市場化改革帶來了一個重要趨勢即是原來在傳統垂直體系下的能源公司，如電力公司負責發電、輸電、配電，在被拆分后，開始在市場機制下進行橫向的整合，如RWE德國萊茵集團、Scottish Power蘇格蘭電力、Vivendi法國威望迪集團等大型公用事業公司，它們提供的能源和服務不僅僅局限在一個領域，而是向同一個地區的用戶提供包括電力、燃氣、水務、供熱等多種能源和相關服務。

近年，中國也提出了與綜合能源管理相關的“智能能源網”概念，中國國際經濟交流中心智能能源研究組在2009年提出將智能電網擴展成為“智能能源網”的構想，以綠色低碳技術、非生態消耗性技術為采納重點，嘗試新能源、分布能源等微網系統接入并網，通過傳感終端與智能化信息控制系統，實現各能源管網的調峰、儲能等功能，探索實現能源網的智能、互動架構。

1.2 需求分析

隨著信息技術的不斷發展，能源行業面臨著巨大的發展機遇，其中一個趨勢就是多能源的綜合管理和優化。在一個城市中，電力、水務、燃氣等傳統獨立運行的能源系統，以及微電網、電動汽車充電等新興的智能系統得以借助智能表計、通訊和IT智能化等技術在一定程度上實現技術和管理上的融合并產生協同效應，從而降低了成本、提高了能效、減少了排放、提升了服務等多方面的收益[2]。

綜合的能源管理面向的對象是城市的管理者，特別是以智能化、生態化為目標的新型城市。能源的供給和使用已經成為城市可持續發展的決定性因素，城市管理者需要及時、全面地掌握能源的供給、運行和使用情況，以及在此過程中產生的經濟、環境成本，包括二氧化碳和其他污染物的排放，以便在制定短期措施和長期政策、規劃時更加科學有效。

傳統的電力、水務、燃氣等能源系統獨立管理于不同的運營企業或市政部門，而且層層上報的信息匯總機制不利于城市管理者獲取及時的真實的信息。因此，綜合能量管理的實現要求在政府層面構建一個能夠從電力、水務、供熱、燃氣等相關企業或市政部門獲取信息，并提供宏觀管理建議的能源管理中心(或擁有這些權限的類似職能部門)。

2 綜合能源管理系統規劃方案

綜合能源管理著眼于城市級別的整體能源監控和優化。應由政府設立能源管理中心(或賦予某政府職能部門)，對能源生產、傳輸、使用進行監管，同時電力、水務及燃氣等公用事業公司或市政部門，以及終端能源消費者和生產者如樓宇、工廠、企業、居民、電廠等，應與能源管理中心緊密溝通協作，形成一個分層級的綜合管理體系。通過采用先進的信息通信技術，對各個層級上能源子系統信息提取集成，實現管理體系的統一化、實時化和智能化，為政府管理者和公眾了解掌握能源生產、傳輸、使用情況以及相關經濟和環境因素，維持能源供給和安全，實現積極的經濟發展和節能減排目標，制定能源相關政策及規劃，提供信息技術支撐和科學的決策依據[3]。

具體目標:

1)分析梳理所有能源管理相關參與方，包括能源管理中心、能源公用事業公司以及其他能源生產者、消費者，并劃分能源管理層級。

2)定義在不同層級上能源管理的內容和范圍，明確相應的管理功能需求，使整個能源體系形成完善的數據、分層采集、分析、整合體系。

3)設計綜合能源管理的技術體系，包括體系構架、數據采集和通信接口要求等。依據建設規劃，分步驟建設實施綜合能源管理體系。

2.1 能源管理體系架構

城市能源體系的復雜性決定了綜合能源管理的多層級和多維度。每一個能源體系的參與者(管理方、供應方、使用方)既是能源管理的主體也是能源管理的對象，在綜合能源管理的理念下，盡管能源管理中心位于最主要的位置，但其他的每一個參與者也都被賦予一定的能源管理任務，即擁有一定管理的范圍和內容。這些位于不同層級和環節上的管理內容共同組成了綜合能源管理體系。

2.1.1 能源業務流

能源業務流指能源按照時間順序發生轉換的不同環節。盡管不同能源類型依據用途的不同可能產生多樣化的業務流，但在綜合能源管理規劃中，業務流的劃分僅作為幫助闡明相應能源管理內容的一個框架，因此不應過細。從宏觀上而言，能源業務流可以分為輸入、使用和輸出三個主要環節。其中，輸入指能源的生產及傳輸環節，使用指能源在用能部門的消耗，而輸出指在能源消耗時所帶來的污染物或廢棄物的排放。三個環節業務流以及相應涵蓋的典型業務內容如圖1所示。

圖1 能源業務流和典型業務

2.1.2 能源管理層級

在綜合能源管理理念下，能源管理的主體涵蓋了管理方、供應方、使用方等所有參與者。政府、電力公司、燃氣公司、市政水務公司、工業企業、醫院、學校、商業樓宇、居民、電動汽車充電站、電動汽車車主等都是綜合能源管理體系下的管理主體，同時也是管理對象。對這么多的參與者進行層級的劃分是闡明綜合能源管理內容的必要步驟。

依據信息匯集從下往上和政策、措施從上往下的原則，結合能源管理在中國的普遍實踐，將能源管理參與者分為三個層級(由下往上):

第一層級:終端使用者和生產者。終端使用者和生產者不承擔針對自身以外的能源管理任務，主要行為模式是提供信息和接受指令，因此被歸于第一層級。能源終端用戶包括工業企業、市政設施管理部門、商業樓宇、居民小區、醫院、學校、電動汽車充電站等。能源生產者包括電廠(可再生能源或化石能源)、水處理廠、污水處理廠、燃氣供應站、熱電站等能源生產企業。

第二層級:能源公用事業公司。在現行體制下，能源公用事業公司兼有盈利性公司非盈利的行政管理部門的角色。比如電力公司不僅負責輸、配、售電給用戶以賺取利潤，同時也對保證城市電力供應，平衡電力供給和需求，維護電力系統穩定等賦有責任，亦具備一定程度的管理權力。在綜合能源管理體系內，公用事業公司接受來自終端使用者和生產者的信息，并向他們發出指令;同時公用事業公司也向政府能源部門匯報，并執行政府的行政指令。因此，能源公用事業公司屬于第二層級。

能源公用事業公司包括電力公司、供水集團、燃氣集團等。

第三層級:政府——能源管理中心。政府是對能源管理承擔最終責任的能源管理主體，設立能源管理中心或相應的職能部門能夠使得這種職責得到更好的體現和實現。整體的能源供需平衡、安全穩定、高效低碳等問題的最終責任主體和管理主體都是政府。政府收集從公用事業公司和終端用戶和生產者匯總的能源運行信息，并通過短期行政命令、調節措施和中長期的政策，規劃管理能源體系的運行。同時向上級政府匯報能源管理的成果，為公眾提供能源運行相關信息。因此，政府位于綜合能源管理體系的第三層級。

三個層級的關系如圖2所示。

圖2 能源管理層級

其中，數據/信息從下往上匯總、整合，基礎的數據來源于第一層級和第二層級，經過篩選和匯總后提供給第三層級作為政府決策的信息支持。政府的決策(目標、措施、政策等)則由第三層級發出，在第二層級和第一層級分解并得到執行。層級之間信息交換的流暢、及時和準確是能源管理合理、高效的前提，這也正是綜合能源管理體系要實現的重要目標之一。

2.1.3 能源管理內容分析

能源管理的內容即位于不同層級上的參與者能源管理任務。對于每一個能源管理主體(所有層級上的)而言，內部和外部的驅動力、管理權限和管理手段決定了能源管理的內容。

將能源業務流概念引入能源管理內容來分析，可以更好地理解綜合能源管理理念下不同層級和環節上能源管理的內容[4]。能源管理內容分析如表1所示。

表1 能源管理內容分析

2.2 能源管理功能分析

綜合能源管理的功能需求包括以下幾點:監測(實時或非實時)、數據統計分類、指標計算和對標比較、根源分析、運行及趨勢預測、運行協調等。

第一層級:終端使用者和生產者。能源終端使用者和生產者的能源管理包括各種能源(電力、燃氣、水、熱等)的購買輸入，生產或其他環節的能源使用過程，能源生產過程，能源的一級市場交易，相關的二氧化碳和其他廢水、污染物的排放等。為了實現對以上內容的管理，終端使用者和生產者側的能源管理需要包含的功能為:監測;數據分類統計;指標計算和對標比較;能源審計等。

第二層級:能源公用事業公司。公用事業公司的能源管理包括能源傳輸管網運行、能源市場交易、供給調度、能源傳輸損耗和泄漏、故障和緊急情況處理、需求側管理、污水排放和回收、二氧化碳排放等。在能源運營公司層級，如下能源管理功能將與綜合能源管理相關:監測;數據分類統計;指標計算和對標比較;趨勢分析;運行預警等。

第三層級:能源管理中心。能源管理中心作為綜合能源管理的最高層級，是綜合能源管理體系的核心。其能源管理的內容包括能源中長期政策及規劃制定、能源短期行政命令和管理措施制定、能源價格、能源市場機制、節能減排實施和跟蹤，污染物排放和生態環境保護等。在最高層級上，綜合能源管理應包含的功能為:監測及預警;分類統計、匯總、分析;指標對標;智能可視化呈示;綜合能源審計。

2.3 能源管理指標體系分析

綜合能源管理核心績效指標體系是構建在其他層級的能源管理指標之上的核心部分，作用于政府層級，是政府了解、控制和優化整體能源運行以及分行業、分區域、分領域能源體系運行的主要工具，為政策和規劃的制定提供科學的決策依據[5]。指標體系可以作為主要內容，在主管部門的綜合能源管理系統(如大屏幕界面)上呈現。

2.3.1 指標體系規劃原則

指標體系規劃原則包含國際化與本土化結合;關鍵績效指標可測可控;追根尋源、找出差距;實現自上而下的能源績效管理;全面績效指標管理;關鍵指標服務于策略目標的實現等。

2.3.2 指標體系規劃設計

規劃設計指標體系是基于國內外研究以及相關實踐項目中獲取的大量相關指標。按照業務流劃分，涵蓋能源生產傳輸、能源使用和輸出各個環節。指標不僅涉及直接的能源運行，同時考慮能源相關的社會經濟、環境以及用戶服務等各個方面。

核心指標體系的規劃設計應在綜合能源管理項目的實施中進行，需要對指標進行詳細論證并增加關鍵績效指標對標標準。標準值的確定可以遵循以下原則:

1)對于有國家標準或國際標準的指標，參考規定的標準值;

2)參考國外具有良好特色的城市的現狀值作為標準值;

3)參考國內城市的現狀值，作趨勢外推，確定標準值;

4)對目前統計數據不十分完整的指標，用類似指標替代;

5)結合城市規劃和發展目標，對可以獲得的指標做適當的調整[6]。

2.3.3 指標體系的完善改進

指標體系需要在運行實踐中得到持續的改進才能實現最好的管理目標。綜合能源管理績效指標體系的構建和完善遵循“初步設計”-“實施運行”-“檢查與糾正”-“分析”-“設計修改”的循環步驟。

綜合能源管理涉及多個管理主體、多種管理內容和管理功能，這個體系的實現依賴于一系列相應的智能化技術，包括數據采集、通訊、自動化系統、運營智能化平臺等。其中，位于最上面的政府層級的綜合能源管理平臺是整個體系的核心部分，承擔數據/信息整合、信息處理和呈示、決策支持等綜合能源管理的主要議題。外圍是與之相連的處于較低層級的其他系統，包括能源生產監控系統、微電網管理系統、能源管網運行監控系統、智能表計管理系統、智能樓宇能耗管理系統、工廠能量管理系統、市政設施監控和能量管理系統、電動汽車充電站管理系統等。同時一些非智能化的傳統管理系統也可以作為數據源與平臺交互。綜合能源管理的理念并不影響較低層級系統的獨立性，水、電、燃氣等第二層級的能源管理任務依然由各個主體進行分散管理，并在最上層的綜合能源管理平臺進行整合和交互。綜合能源管理體系的概念圖如圖3所示。

圖3 綜合能源管理體系概念圖

2.4 綜合能源管理平臺

2.4.1 規劃設計原則

綜合能源管理在政府層級上應包括監測及預警、分類統計、匯總、分析、指標對標、智能可視化呈示等功能，這些功能的實現依托一個智能化的管理平臺。因此，根據需求和未來的發展規劃、能源行業運行特點，以及政府對于能源管理的方式，對綜合能源管理整體設計原則應著重考慮:系統的適應性;系統的先進性;系統的安全性;采用統一標準;數據高度集成和應用;注重靈活的數據分析;系統的可維護性和擴充性;系統的靈活性等。

2.4.2 系統構架

綜合能源管理平臺的基本構架應包括信息訪問與集成、信息加工與處理、信息展現與升華三層結構，同時應具有高度的可擴展性。

第一層:信息訪問與集成-數據源。這一層的功能實現與各類系統的通訊連接，全面支持各種產品和各層面專業IT系統，包括過程控制系統、過程歷史數據系統、關系數據系統、以及收集型數據系統等。

第二層:信息加工與處理-信息模型。系統平臺應給予面向業務需求/信息模型的數據加工和處理方法，按照業務對數據進行邏輯分組和分析。

第三層:信息展示與升華-客戶端/信息呈示?？蛻舳藢硬捎眉兇獾氖菘蛻舳诵问剑ㄟ^純瀏覽器/服務器的網絡體系結構，讓用戶只需要IE瀏覽器就能實現對業務的有效監控和及時管理。

2.4.3 與各系統接口及帶寬要求分析

1)數據采集要求和接口要求。綜合能源管理平臺通過連接框架實現對外圍相關系統的連接和信息集成，要求外圍的相關系統提供統一、標準的接口，以便有效地實現對各類能源數據/信息的采集。

2)帶寬要求。根據城市發展用地規劃及用戶報裝情況等，估算遠期企業連接到綜合能源管理平臺數量。大量的信息將在綜合能源管理平臺與各個層級的子系統間發生交換，綜合能源管理平臺需要租用合適的帶寬來保障所有功能的實現。

3 結論

本文充分運用國內外先進的管理理念，基于先進、成熟的運營智能化平臺，提出綜合能源管理系統的總體目標，分別對能源管理體系架構、管理功能、指標體系、管理平臺等進行了分析。通過綜合能源管理系統的規劃方案建設，不僅滿足當前能源管理的需要，同時最大限度地適應未來城市發展和技術發展的變化，大幅提升城市的能源管理水平，提高能源利用效率。

[1]牛彥濤.不確定城市能源系統規劃模型研究及應用[D].北京:華北電力大學，2007:1-20.

[2]王大中.21世紀中國能源科技發展展望[M].北京:清華大學出版社，2007:1-20.

[3]曾鳴，盛緒美.北京大氣環境與能源綜合規劃決策模型及其應用[J].系統工程理論與實踐，1991(5):67-72，79.

[4]何斯征.可持續發展能源指標體系及應用實例[J].能源工程，2007(5):16-20.

[5]張鶴丹，王惺，付峰，等.中國城市能源指標體系初探[J].中國能源，2006，28(5):42-45.

[6]牛彥濤，黃國和，楊勇平，等.基于不確定性優化模型的北京市能源系統規劃研究[Z]，2010.