基于“互聯網+智慧能源”的冷熱電聯供系統的架構分析

顧玉新， 茅大鈞， 代憲亞， 周婧怡

(1.上海華電閔行能源有限公司 市場營銷部， 上海 201108；2.上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090；3.國網宿遷供電公司， 江蘇 宿遷 223800；4.上海工程技術大學 電子電氣工程學院， 上海 201620)

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基于“互聯網+智慧能源”的冷熱電聯供系統的架構分析

顧玉新1， 茅大鈞2， 代憲亞3， 周婧怡4

(1.上海華電閔行能源有限公司 市場營銷部， 上海 201108；2.上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090；3.國網宿遷供電公司， 江蘇 宿遷 223800；4.上海工程技術大學 電子電氣工程學院， 上海 201620)

為落實國家“互聯網+智慧能源”的產業政策，以上海華電閔行能源有限公司在莘莊工業區冷熱電三聯供改造項目為研究對象，對“互聯網+智慧能源”總體方案設計、基本架構、能源供給與蓄能、能源數據中心和信息安全建設作了分析，其結果對我國各地區域型能源互聯網的建設發展具有一定參考指導價值。

互聯網+智慧能源； 冷熱電聯供； 能源互聯網

《電力發展“十三五”規劃(2016—2020年)》指出，中國經濟快速穩健發展，同時也步入了改革、轉型的關鍵時期，中國的生態環境約束、霧霾天氣等大氣污染問題和氣候變化的壓力越來越突顯。中國發展低碳經濟、安全節能的可持續發展的綠色轉型之路已是燃眉之急[1]。

天然氣冷熱電聯供(Combined Cooling，Heating and Power，CCHP)系統是利用燃機設備向用戶端供應冷、熱、電能源負荷，將能源利用效率從傳統火電系統的30%提高到了70%左右[2-5]。與傳統發電系統相比，其優勢是更接近用戶端，不需要建設遠距離高壓輸電線路，既節省了輸配電系統的建設費用，也大大降低了線損，從而降低了一筆非常可觀的供應成本[2-5]。另外，隨著社會的發展，加上近幾年霧霾天氣的嚴重影響，人們對環境保護的意識也逐漸增強，天然氣資源越來越受到能源產業的青睞。天然氣因其清潔環保、能源利用率高，加上國家大力提倡，近年來國內逐漸興起。

上海“十三五”規劃以及上海建設“全球城市”的藍圖中，綠色發展和生態文明建設是重要內容。為落實國家“互聯網+智慧能源”的產業政策，依據中國華電集團公司在上海市的戰略部署，上海華電閔行能源有限公司通過市場調研后認為，閔行區莘莊工業區供熱工程可以實施燃氣熱-電-冷三聯供改造。本文以上海莘莊工業區CCHP改造項目為研究對象，詳細分析了“互聯網+智慧能源”總體方案設計、基本架構、能源供給與蓄能、能源數據中心和信息安全建設等內容，對我國各地區域型能源互聯網的建設發展具有一定參考指導價值。

1 “互聯網+智慧能源”總體方案設計

上海華電閔行能源有限公司“互聯網+智慧能源”項目旨在應對我國新型城鎮化可持續發展的需求，將基于能源互聯網需求側負荷特性與供給側多種能源進行耦合，著眼于能源互聯網中天然氣和光伏等多種能源有機集成、高效轉換及蓄能調能、溫度對口等關鍵技術的集成創新，形成一套以分布式能源為主的智慧型區域能源互聯網，為新型城鎮化園區的建設發展提供技術支撐和示范[6-9]。

上海華電閔行能源有限公司以CCHP、光伏發電系統為能源供應基礎，應用蓄能技術、大數據處理等技術，構建電、汽、冷、熱等多種能源綜合利用體系，開展清潔能源與終端需求側可控負荷協調運行[10-15];形成智慧、互動、開放的能源消費模式，實現不同能源供給的有機融合和智能化運營，促進能源的高效、清潔、綠色利用[10-15]，將以上海市莘莊工業區為主體的園區打造成為智慧型區域能源互聯網示范項目。

“互聯網+智慧能源”項目以分布式能源(燃氣分布式、分布式光伏發電)、蓄能裝置為能源互聯網體系的核心載體，通過大數據及互聯網平臺構建能源中心，進行全局的能源優化分析與決策，構成能源互聯網的智能中樞。“互聯網+智慧能源”項目總體內容框架如圖1所示。

圖1 “互聯網+智慧能源”項目總體內容框架

2 “互聯網+智慧能源”基本架構

在邏輯功能上，能源互聯網自下而上由4個層面組成：能源生產與消費層、能源傳輸層、綜合能源管理大數據平臺、應用層。

(1) 能源生產與消費層。用戶既是能源的生產者，又是能源的消費者，這就構成了能源的生產和消費單元。能源的種類是多樣化的(包括電、汽、冷、熱等)，其來源也是多樣化的(包括電網、分布式供能站、光伏、蓄能裝置等)。

(2) 能源傳輸層。主動配送網是能源傳輸、配送的主要載體，承擔了能源“路由”的職責，具有拓撲靈活、潮流可控等優點。

(3) 綜合能源管理大數據平臺。實現多種能源生產、輸配、消費等全過程的實時數據存儲、調用、分析、挖掘和管理。

(4) 應用層。為能源全生命周期提供優化控制、決策服務，為能源互聯網的參與主體提供互動服務，為社會和用戶提供公共服務。

“互聯網+智慧能源”的建設，是根據園區情況，充分利用園區豐富的新能源資源，從能源生產(燃氣供能、光伏、蓄能等)、能源配送網絡、網絡與數據中心及運營模式4個層面進行的智慧型區域能源互聯網的建設。

3 能源供給與蓄能建設

上海華電閔行能源有限公司為上海華電莘莊工業區智慧型能源互聯網項目的建設主體，一期采用2×60 MW燃氣-蒸汽聯合循環供能系統為周圍18 km2內的企業提供集中供熱、供冷等多種能源服務，并規劃在已有的120 MW燃氣CCHP系統的基礎上，擴展60 MW燃氣CCHP系統，進一步融合30 MW屋頂光伏發電系統。

3.1 燃氣-蒸汽聯合循環三聯供系統

上海華電莘莊工業區燃氣CCHP系統采用燃氣-蒸汽聯合循環供能方式，其生產工藝流程圖如2所示，以清潔的天然氣為原料，實行高能源利用率的CCHP生產工藝流程。

由圖可見，燃氣輪機利用天然氣為燃料做功，帶動發電機產生電能,其排出的高溫煙氣送入余熱鍋爐;利用鍋爐生產的高溫、高壓蒸汽帶動蒸汽輪機，完成第一級做功后,抽取一部分蒸汽滿足周圍工業區的工業生產，其余蒸汽繼續推動葉輪旋轉，帶動發電機發電。鍋爐中的低溫、低壓蒸汽，在冬季傳送給換熱器輸出熱負荷，在夏季則被溴化鋰吸收式制冷機組充分利用，達到制冷效應，滿足莘莊工業區的企業、商務中心、辦公樓宇等的生活熱、冷需求,最終構成熱-電-冷多聯產系統，實現能源的梯級利用。

圖2 華電莘莊工業區冷熱電聯供生產工藝流程圖

Fig.2 Flow chart of CCHP in Huadian Xinzhuang industrial park

3.2 光伏發電

太陽能光伏發電具有如下優點[16]：無運動部件，無噪聲，無污染，模塊化安裝，建設周期短，避免長距離輸電，可就近供電。

光伏電站系統原理如圖3所示。太陽能光伏并網發電系統主要由光伏方陣、并網逆變器、測量通信系統及公共電網組成。光伏方陣將太陽能轉化為電能(直流電)，并傳遞到與之相連的逆變器上，由逆變器將直流電(DC)轉換成交流電(AC)，輸出的電力與公共電網相連接，為當地提供電力。

圖3 光伏電站系統原理圖

Fig.3 Principle of photovoltaic power station system

在項目建設中，充分利用了莘莊工業園區內的標準廠房屋頂，建設光伏發電場，積極開發利用本地區的太陽能等清潔可再生能源，以多元化能源開發的方式滿足園區經濟發展的需求，建設20個以上廠區的屋頂光伏系統，光伏發電系統總裝機容量達到30 MW。

3.3 蓄能系統

蓄能系統是將低谷時段的廉價電能進行蓄存，以減輕電網的峰值負荷，起到削峰填谷的作用。通常，區域的供冷、供熱與蓄能技術相結合形成蓄能系統，其最大優點在于降低電網高峰負荷，減少運行電費。

如圖4所示為水蓄冷系統原理圖。當夜間用電低谷時，6臺功率為9 MW的電動離心式冷水機同時工作，生產冷凍水，且儲存在容積為37×103m3的水蓄冷罐中；平電和峰電時期，則由制冷機組和蓄冷罐聯合運行，為1.125 km2建筑面積的區域提供空調服務。冬季時，蓄能系統充分利用燃氣熱電廠的余熱和廢熱資源，為整個區域供熱。

圖4 水蓄冷原理圖

上海華電莘莊工業區智慧型能源互聯網項目的蓄能系統為3 MW。隨著區域的開發，冷、熱負荷將不斷增大，當蓄能系統的能量不能滿足整個區域的要求時，將考慮燃氣電廠二期工程的余熱供熱。

4 能源數據中心建設

能源數據中心是“互聯網+智慧能源”系統的智能中樞，處于基本邏輯架構中的大數據平臺和應用層，其采用大數據挖掘、服務化架構等云計算關鍵技術，為工業園區建立統一的開發、運行和管理服務平臺[17-19]。

能源大數據管理平臺在高標準的、安全的網絡環境下，使各業務系統得到安全、穩定地運行；同時，通過集約化部署，大幅度減少了帶寬和資源的浪費。

基于綜合能源大數據管理平臺，能源數據中心包括信息融合、運行管理、決策支持、用戶側分析和商業模式5個內容，如圖5所示。

圖5 能源數據中心建設內容

(1) 信息融合。信息融合主要指由能源監測系統對園區內的各種負荷及相關能源、能耗進行監測與數據統計，包括相關電、熱、冷設備的全壽命資產管理和日常檢修保養等。主要完成以下內容：① 在能源互聯網中，實現對清潔能源大規模的分布式“就地收集，就地存儲，就地使用”，以及對冷、熱等其他形式能源的監測； ② 實現對清潔能源發電信息的共享，以信息流控制能量流；③ 實現對清潔能源所發電能的高效傳輸與共享，減輕發電不穩定帶來的不利影響，實現清潔能源的真正有效利用。

(2) 運行管理。主要包括3個方面:① 基于綜合能源大數據管理平臺,針對能源互聯網中的多種能源形式、多時間尺度和多用戶類型的特點，建立各種發電設備的動態模型和能源網絡模型；通過能源網絡模型達到描述能源互聯網時空特性的目的；② 以能源網絡模型為基礎，以蓄能設備和儲熱設備為手段，根據蓄能設備的不同時間和能量特性，研究在不同時間尺度下的能源互聯網調度策略；③ 針對能源互聯網的即插即用和間歇性，采用基于時間驅動的滾動優化調度策略。

(3) 決策支持。決策支持系統是能源管理信息系統的高級形式，其在能源管理信息系統監控、管理和分析的數據基礎上，利用經過處理和分析的信息，為能源運營商進行能源決策服務。能源互聯網決策支持系統通過能源大數據分析，為園區管理者提供相關決策依據，為所有用戶提供優化用能策略和區域節能措施。針對綜合各種政策與整個園區用能情況等信息，通過大數據分析及相關核心算法對內、對外做出相關決策。

(4) 用戶側分析。“互聯網+智慧能源”用戶側分析，是通過用戶側冷、熱、電綜合能源的消費結構、需求特點以及需求市場分析，即從需求的角度研究能源互聯網用戶側冷、熱、電的生產和消費，通過選擇合理的能源供應方式和消費結構，來實現能源利用的最大效應，從更高層次上處理能源互聯網需求側和供應側的關系，根本上達到節約能源的目的，為能源互聯網的發展提供意見和建議。

(5) 商業模式。基于綜合能源大數據管理平臺，結合氣象、社會經濟、用電側、用戶信息、地理信息、電價政策等多種信息和因素，對用戶類型進行細分，建立不同區域、不同行業、不同類別用戶的典型負荷模型庫，用以分析各類影響因素與用戶用電行為之間的關聯性及其影響機理。根據用電行為分析、能效管理、需求響應策略來評估電價政策，制定合理的價格套餐模式，為用戶提供細分與定制服務等用電服務模式。研究能源的增值服務，包括用能咨詢、節能解決方案、新能源汽車后市場等，建設能源資產的服務平臺，包括能源資產的代理運行服務、開發和交易，能源資產證券化的互聯網金融、電子商務等，形成多樣化的電力供給和需求商業模式。

5 信息安全建設

信息安全作為一個不容忽視的國家安全戰略，任何國家、政府、部門、行業都必須重視。對此，“互聯網+智慧能源”系統除了定期對云服務器進行病毒防護系統升級外，還從以下3個方面進行安全策略建設[20-23]。

(1) 邊界安全。為應對由于網絡邊界模糊產生的安全隱患，對信息系統的防火墻、入侵檢測等邊界系統進行安全改造，提供虛擬化環境下的安全保護措施。將物理防火墻進行虛擬劃分，實現每個虛擬化后的防火墻不但擁有各自獨立的管理權限，能獨立監控和調整配置策略，也可同時并行操作。另外，虛擬化后的防火墻能像普通的物理防火墻一樣，由不同的業務系統進行獨立管理和配置，實現安全隔離。

(2) 數據傳輸安全。云端的數據傳輸主要有兩種：用戶與云端的遠程傳輸、不同虛擬機之間的云內部傳輸。為了保證數據傳輸安全，進行端到端的傳輸加密，具體的技術手段采用協議安全套接層或傳輸層安全協議(SSL/TLS)，在云終端與云服務器之間、云應用服務器之間實現數據傳輸加密配置。

(3) 數據存儲安全。本系統制定兩種安全措施：對象存儲加密和卷標存儲加密。將對象存儲系統配置為加密狀態，即系統默認對所有數據進行加密;卷標存儲加密是將卷標模擬為一個普通的硬件卷標，對卷標的數據存儲加密，主要采用加密代理設備進行加、解密配置。

6 結 語

上海華電閔行能源有限公司“互聯網+智慧能源”項目旨在應對我國新型城鎮化可持續發展的需求，構建了一套以分布式能源為主的智慧型區域能源互聯網，為新型城鎮化園區的建設發展提供技術支撐和示范。以分布式能源(燃氣分布式、分布式光伏發電)、蓄能裝置為能源互聯網體系的核心載體，通過大數據及互聯網平臺構建能源中心，進行全局的能源優化分析與決策。“互聯網+智慧能源”CCHP系統的構建可對我國各地區域型能源互聯網的建設發展提供一定參考價值。

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Architecture of Combined Cooling Heating and Power System Based on Internet Plus Smart Energy

GU Yuxin1， MAO Dajun2， DAI Xianya3， ZHOU Jingyi4

(1. Marketing Department， Shanghai Huadian Minhang Energy Co.， Ltd.， Shanghai 201108， China；2. School of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China； 3. Start Grid Suqian Power Supply Company, Suqian 223800, Jiangsu, China；4. School of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620， China)

To implement the national policy of Internet Plus Smart Energy, this paper studies a renovation project of combined cooling heating and power (CCHP) in Xinzhuang Industry Park for Huadian Minhang Energy Co., Ltd., Shanghai. Design of the overall scheme, base architecture, energy supply, energy storage, energy data center, and information security are described. The result of this study may provide guide to the regional energy internet in various areas of China.

internet plus smart energy; combined cooling heating and power (CCHP); energy internet

2017 -03 -26

顧玉新(1967-)，男，工程師，主要研究方向為天然氣CCHP能源供應系統建設與效益提升， E-mail：guyuxin207@163.com

2095 - 0020(2017)03 -0181 - 06

TK 019

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