臨港科創城智慧能源管理研究

屈林喬 (上海市建筑科學研究院，上海　200032）

上海市《關于加快建設具有全球影響力的科技創新中心的意見》中將臨港地區列為上海市建設科技創新中心的6個重要承載區之一。上海市《關于在臨港地區建立特別機制和實行特殊政策的意見》，將臨港地區定位為上海市實現創新驅動、轉型發展的戰略空間。建設臨港“智慧新城”是浦東新區(國家第一批智慧城市試點)智慧發展的一項重點任務。臨港也是國家第一批下一代互聯網試點城區。臨港受惠于國家智慧城市和互聯網+戰略的政策驅動。本文以臨港科創城為基礎，研究科技創新類園區的智慧能源管理規劃。

1　臨港能源管理特點及智慧能源管理需求

1.1　能源管理特點

(1) 能源品種主要是電能和天然氣。臨港科技創新城位于臨港主城區，規劃面積 3.2 km2，主要功能包括初創、總部辦公、教育科研、戰略型產業、居住休閑等。用地以教育科研用地為主，開發強度適中；能源供應主要為電能和天然氣，沒有城市集中供暖。其中天然氣主要集中在住宅和商業建筑，整個臨港科創城實現電力全覆蓋。

(2)能源需求主要是低溫、低壓、低品位能源。臨港科技創新城定位于先進制造業和現代服務業，能源的需求主要是用于保障建筑環境的照明、供暖、供冷、熱水和辦公設備的能耗。科技創新類園區對能源的要求不再是工業時代的高溫、高壓、高品位的能源。這為分布式能源和新能源在園區的推廣提供了有利條件。

(3)先進技術的接受度高。園區定位為科技創新類園區，其中的居民、工作人員和企業機構均對新技術有較高的接受度，這為新技術的進駐提供了較好的環境條件。這主要體現在新能源技術和能源管理技術兩方面。以此為基礎可以在臨港科創城進行新能源電力系統、新能源汽車和能源綜合管理系統的試點工作。建議在規劃中始終考慮到對智能電網的兼容。

(4)需求側資源多樣。新能源電力系統與傳統電力系統相比雙側隨機性和不可控性更加顯著[1]，必須進行供應側和需求側的負荷調控以達到電網荷源協同，從而保障區域能源供應安全。科創城區域依靠國家電網進行電力供應，供應側的調節主要由國家電網進行。園區內需求側的負荷類型多樣，存在諸如電動汽車充電樁、電加熱、冰蓄冷等可轉移負荷和居民空調、溫控負荷等可削減負荷。

1.2　智慧能源管理需求分析

園區管理日趨精細化，通過智慧能源管理系統的建立，管理者對整個園區的能源結構、可再生能源的利用情況和典型建筑的能效水平都有了細致深入的了解，從而為保障園區能源安全指引低碳生態建設提供了數據基礎。同時智慧能源建設也為園區需求側響應策略的制定提供了數據基礎和基礎設施支撐。對于園區用戶而言，智慧能源系統提供了建筑的實時能源消耗情況，同時也對建筑的能效水平給出評價。這有助于用戶了解自身的能效水平，優化建筑能效從而優化能源費用的支出。此外，智慧能源管理系統的建設也為園區用戶提供了參與需求側響應的機會，有助于園區用戶優化自身的能源費支出[2]。

目前國內的需求側資源調度仍舊以行政手段為主。但是，新能源分布式發電系統和電動汽車等負荷資源的廣泛接入和智能電網的發展使得需求側響應的調控模式日漸成熟。園區的規劃建設應該考慮到日后可能的多種形式的需求側響應方式。

2　智慧能源管理系統架構

從確保園區低碳建設先進性、適用性出發，建立園區智慧能源管理系統，相應的平臺總體架構見圖1。

圖1 園區智慧能源系統架構

(1) 綜合管理展示層是在數據應用的基礎上針對典型情景對關鍵數據進行展示，訪問者可以快速直觀地了解園區能源情況。

(2) 應用層是在數據層和應用支撐層的基礎上集成和構建的各種業務應用系統功能。該層功能模塊主要包括指標概覽、建筑能耗監測、區域能源供應監測、低碳技術監控展示、統計匯總等功能。

(3) 數據管理層包括建筑能耗數據庫、低碳環境數據庫、低碳綜合數據庫，同時包含統一認證、系統管理、數據交換等應用支撐服務。

(4) 數據傳輸層和信息采集層主要包括系統軟件、機房及配套、主機服務器系統、存儲備份系統、網絡、遠程數據采集設備和其他基礎硬件設施。

(5) 信息安全體系包括網絡、主機、應用等安全防護、故障恢復及容災等。信息安全體系是為保障信息體系各個層面的安全。

(6) 標準規范體系包括應當遵守的法律法規、標準規范體系。標準與規范支撐體系是保障整個信息體系規劃和建設成功的軟性因素，也是成功實施的最重要一環。

3　智慧能源管理規劃內容

3.1　能源供給

全面掌控園區能源結構，實時監測可再生能源使用情況，對不同能源品種的實際供應量進行在線監測記錄，評估園區的能源結構。根據歷史數據與實時數據預測電網負荷，制定相應的平衡策略改善發電與負荷的時間匹配度，提高電能利用效率保障能源供給安全。

制定基于電價的需求側響應機制。根據園區的運行數據劃分園區用電的峰谷時段，根據負荷曲線確定峰值電價、谷值電價以及平均時段的基本電價。更進一步，可以根據預測的負荷曲線確定尖峰時段和相應的尖峰費率，與分時電價疊加，加大激勵力度。

將園區視為一個整體，整合能源生產供應的各個環節，引入環境影響指數，統計展示園區能源消耗帶來的環境影響。可分別展示園區在整體能源供應這一部分對全球溫室效應(GWP)、臭氧層消耗量(ODP)、光化學煙霧生成(POCP)、酸雨(AP)、富營養化潛值(EP)的影響。其中，富營養化雖與能源管理無直接聯系，但考慮到臨港科創城中較為豐富的水體資源，仍舊建議將水質監測納入規劃。量化園區運行過程中的實際碳排放，豐富園區能源管理的維度和廣度，為園區后續的節能減排和低碳發展提供參照指標。

3.2　能源管理

實時監測園區內的各類業態的能耗，分析評價典型建筑的能效水平，制定節能措施及相關配套策略。通過能源管理系統對城區各建筑能耗進行實時監控、分項計量，對不同業態、不同建筑、不同場合、不同時段的建筑的各能源品種消耗進行在線監測并記錄，綜合所納入的監控能源信息及其他室外環境信息和室內環境信息，如空氣質量、溫濕度、聲音、照度等，掌握實際能源消耗狀況，通過智能分析，同時結合相關的建筑能耗要求，制定能源消耗控制預警線。

通過安裝在城區電力傳輸設備機組線路的視頻監控及電流、電壓等各種傳感器，能實時分析各種電力及傳輸設備的運行情況和運行狀態，及時發現潛在的故障，能實時對視頻監控內容進行自動判定及報警。實時監控電力傳輸設備及線路的運行安全，確保城區用電安全。建立園區能源管理中心，監管多種能源消耗、工況、報警、應急聯動。

整合園區中分散的負荷形成負荷組，充分挖掘園區負荷的需求響應潛力，使得小負荷(如單個家庭用戶)也可以參與到需求側響應中去。

建設管理分布式能源和可再生能源裝置，同時配置適當的儲能裝置，例如電動汽車。一方面增加需求側響應的可控調度資源，從而強化需求側響應的能力。另一方面推廣可再生能源和分布式能源的應用普及，減少化石能源的使用，推進園區的低碳建設。

3.3　能源使用

通過信息采集傳輸和數據管理，用戶可以實時了解自身的能耗水平、設備的運行狀態和可能的需求側響應機會。從而使得個體用戶更加全面地了解自身的能耗水平，改善個體用戶提升自身能效的可操作性，調動個體用戶合理化用能的積極性。

通過安裝的智能計量裝置，實時監測統計單體建筑的能源消耗情況，在線生成建筑能源消耗報表。綜合納入其他室外環境信息和室內環境信息，掌握實際建筑能效，根據相關標準評價該建筑的能效水平，分析建筑的節能潛力。更進一步，個體用戶可根據節能潛力的分布，有針對性地制定節能方案，高效推進建筑節能改造，優化自身的能效水平。

監測家庭用能設備的運行狀態并對數據進行實時展示，用戶通過訪問平臺或是其他訪問終端了解自身涉及的設備的運行狀態，監測用能設備，對異常運行進行報警應急聯動。此外還可設定使用情景根據時間表控制設備的運行狀態，或是用戶通過智能終端實時控制設備的運行。智能運行模式在精細化了解用戶需求時間表的基礎上，為用戶提供便捷的設備控制平臺，在改善用戶使用體驗的同時，優化各類設備的運行時間表。

響應電網信號，進行相應的負荷調整，在平衡電網負荷的同時優化自身的能源費用支出。大用戶可直接參與需求側響應，對自身的負荷調節類型和負荷容量進行報價；小用戶則可以通過園區管理方整合成負荷組參與需求響應。

3.4　綜合展示管理

綜合展示管理可以以低碳信息管理平臺為載體。平臺將集中展示城區的全過程能源管理，為園區管理部門的日常事務管理、低碳指標體系的對標情況展示、低碳技術的實際效果展示提供技術支撐和數據基礎。為數據處理調配所需的計算能力，并對整個基礎構架的后臺進行管理。通過建立一體化運行指揮中心，匯聚整合各方面的信息，可以為臨港地區的整體運行績效提供數據統計、分析和地區運行優化方案提供數據支撐。在系統設計的過程中應全面考慮與大數據云計算技術的兼容性，為以后可能的平臺遷移和深度數據挖掘預留發展空間。

3.5　數據管理層

園區內建設數據管理體系，對相關的數據進行分類存儲、統一共享和分析挖掘等操作。設施包括建筑能耗數據庫、低碳環境數據庫、低碳綜合數據庫等，同時包含統一認證、系統管理、數據交換等應用支撐服務。

3.6　數據傳輸層

園區內建立完善的網絡基礎設施，如無線寬帶網絡和移動互聯網，以此保障數據的傳輸。完善寬帶網絡結構，優化網間互聯，擴容城域網絡，提升網速。同時也應實現園區的4G 網絡深度覆蓋，構建可靠的全覆蓋移動通訊網絡。

3.7　信息采集層

能源監測系統和控制通信系統。在建筑中部署能源監測系統，實時監測能源使用情況，并將能耗數據實時回傳給數據中心。安裝控制和通信設備，實現部分可調控建筑耗能設備的遠程控制，從而實現負荷的按計劃調節和實時調節。

4　結　語

智慧能源管理是互聯網大數據技術發展下誕生的一種新的管理模式。通過信息技術和大數據技術規劃、設計、管理和運營整個園區的能源系統，促進園區能源結構的持續優化和能源供應的源網荷協同，可以改善園區用戶的能效，提升園區的低碳水平。

參考文獻：

[1] 曾博,楊雍琦,段金輝,等. 新能源電力系統中需求側響應關鍵問題及未來研究展望[J]. 電力系統自動化,2015 (17) ：10-18.

[2] 高賜威,李倩玉，李彗星, 等. 基于負荷聚合商業務的需求響應資源整合方法與運營機制[J]. 電力系統自動化,2013,37 (17) ：78-86.