基于集中供電的分布式能源管理系統(tǒng)

付杰 萬久地 羅正岳 陳進(jìn)

摘要：分布式能源具有能源利用效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是能源技術(shù)的重要發(fā)展方向，已成為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、保障能源安全的重要內(nèi)容。目前我國(guó)分布式能源主要應(yīng)用在天然氣、太陽能、風(fēng)能的冷熱電三聯(lián)供方面。隨著我國(guó)的5G建設(shè)如火如荼地進(jìn)行，5G移動(dòng)通信技術(shù)性能指標(biāo)的大幅提升，但是基站設(shè)備的用電功耗增長(zhǎng)迅猛。單個(gè)5G基站系統(tǒng)的功耗（基站設(shè)備與天面功耗之和）為4G基站系統(tǒng)功耗的2～3倍，因此基站原有的供電系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。引入基于集中供電的分布式能源已是大勢(shì)所趨，本文通過分析基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)構(gòu)架、各類能源的供能關(guān)系、能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線以及整體系統(tǒng)架構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)能源的智能化管理和集中控制。

關(guān)鍵詞：集中供電;分布式;能源管理

一、引言

分布式能源具有能源利用效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是能源技術(shù)的重要發(fā)展方向，已成為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、保障能源安全的重要內(nèi)容。目前我國(guó)分布式能源主要應(yīng)用在天然氣、太陽能、風(fēng)能的冷熱電三聯(lián)供方面。隨著我國(guó)的5G建設(shè)如火如荼地進(jìn)行，5G移動(dòng)通信技術(shù)性能指標(biāo)的大幅提升，但是基站設(shè)備的用電功耗增長(zhǎng)迅猛。單個(gè)5G基站系統(tǒng)的功耗（基站設(shè)備與天面功耗之和）為4G基站系統(tǒng)功耗的2～3倍，因此基站原有的供電系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。引入基于集中供電的分布式能源已是大勢(shì)所趨，本文通過分析基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)構(gòu)架、各類能源的供能關(guān)系、能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線以及整體系統(tǒng)架構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)能源的智能化管理和集中控制。

二、分布式能源的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際分布式能源聯(lián)盟WADE定義“分布式能源”由下列發(fā)電系統(tǒng)組成，而這些系統(tǒng)能夠在消費(fèi)地點(diǎn)或附近的地方發(fā)電：1）高效利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能來生產(chǎn)熱和電的系統(tǒng);2）具有現(xiàn)場(chǎng)端的可再生能源發(fā)電系統(tǒng);3）包括利用現(xiàn)場(chǎng)廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不考慮規(guī)模、燃料、技術(shù)及系統(tǒng)是否聯(lián)網(wǎng)等條件。十 方.什么是分布式能源[J].中外能源，2009，14（8）：10.

我國(guó)從上世紀(jì)90年代中期開始發(fā)展分布式能源，1998年1月1日起實(shí)施的《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第三十九條就明確指出“國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展下列通用節(jié)能技術(shù)：發(fā)展熱能梯級(jí)利用技術(shù)，熱、電，冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，提高熱能綜合利用率”。

2011年10月13日，國(guó)家發(fā)改委公布了《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，對(duì)天然氣分布式能源發(fā)展的目標(biāo)和扶持政策做出了規(guī)劃。按照規(guī)劃，“十二五”期間將建設(shè)1000個(gè)左右天然氣分布式能源示范項(xiàng)目，并擬建設(shè)10個(gè)左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。

隨著我國(guó)持續(xù)推進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動(dòng)能源發(fā)展方式由粗放式向提質(zhì)增效轉(zhuǎn)變，電改9號(hào)文、《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)”+智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》、《能源技術(shù)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》等一系列新政策的出臺(tái)，都為分布式能源發(fā)展提供了強(qiáng)力的政策支持。

三、基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)構(gòu)架

（一）基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)的電源形式

基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)電源形式主要包括：高壓或低壓市電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以儲(chǔ)能電池。相對(duì)于傳統(tǒng)集中式供電方式而言，分布式能源系統(tǒng)將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在基站附近，可以彌補(bǔ)站點(diǎn)市電容量不足、市電停電、以及對(duì)集中供電的微電網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)急供電。應(yīng)根據(jù)所在區(qū)域內(nèi)市電、風(fēng)、光資源以及區(qū)域內(nèi)的基站及拓展業(yè)務(wù)用電需求等各類能源需求，綜合考慮多種能源穩(wěn)定供給、能源綜合利用效率、投資運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及綠色環(huán)保的要求，合理配置各類電源和供能裝置，優(yōu)化組合。

（二）基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)供能關(guān)系

基于集中供電的分布式能源的多樣化、供電能力的差異以及負(fù)荷結(jié)構(gòu)的多樣化導(dǎo)致其內(nèi)部各層次元素的不同和層次間聯(lián)結(jié)關(guān)系的差異。基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)供能關(guān)系見圖一。能源輸入主要由電網(wǎng)、風(fēng)、光能源供應(yīng)。儲(chǔ)能電池除了存儲(chǔ)多余的風(fēng)、光發(fā)電能源外，還可以在電網(wǎng)波谷階段進(jìn)行充電，通過移峰填谷降低電網(wǎng)的高峰負(fù)荷，從中賺取峰谷電價(jià)差收益。

四、基于集中供電的分布式能源管理系統(tǒng)

（一）技術(shù)路線

1 借助5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)感知

在基于集中供電的分布式能源系統(tǒng)中，5G+物聯(lián)網(wǎng)能有效解決分布式能源網(wǎng)絡(luò)信息的過程化、精細(xì)化、快速化采集等問題。

通過5G廣覆蓋、大連接、低時(shí)延、超可靠實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以清楚地認(rèn)識(shí)到不同客戶、不同時(shí)段、不同終端設(shè)備等各個(gè)方面的能耗數(shù)值以及各分布式電源的能力值，通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，既準(zhǔn)確認(rèn)知了解能源需求和電源能力，又為能源管理提供了大數(shù)據(jù)支撐。

2 結(jié)合能耗管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)分析

通過大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)分類、分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，滿足用能管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)耗能數(shù)據(jù)，通過能源政策、電價(jià)信息，實(shí)現(xiàn)電能交換、分布式能源調(diào)度、最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化的能源使用。

3利用智能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡

分布式能源系統(tǒng)中的可調(diào)節(jié)變量比常規(guī)的電力系統(tǒng)更加豐富。在滿足整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行約束的前提下，通過調(diào)節(jié)各分布式能源的輸出以及輸入等變量，保證很好地利用可再生能源以及實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，其能量管理重點(diǎn)在于分布式能源系統(tǒng)接入帶來的影響、分布式發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的異同、整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)單元的控制技術(shù)以及由多能互補(bǔ)能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。

（二）基于集中供電的分布式電源管理體系架構(gòu)

基于集中供電的分布式能源管理系統(tǒng)從整體架構(gòu)上主要分為以下幾個(gè)層面，如圖二所示：

1分布式感知層：包含兩部分內(nèi)容，其一是供能側(cè)能源設(shè)備和能源管網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、能源端口信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等;其二是需求側(cè)的能耗數(shù)據(jù)，包括冷熱計(jì)量、電能計(jì)量以及區(qū)域建筑信息等原始數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成便于分析的數(shù)據(jù)格式。

分布式感知層的建設(shè)包括：

基于物聯(lián)網(wǎng)的各種計(jì)量裝置：用來度量各種分類、分項(xiàng)能耗，包括電能表（含電量雙向計(jì)量的智能電表、雙向功率表、電壓頻率和相位以及波動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表、分布式能源設(shè)備的溫度、振動(dòng)等設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)監(jiān)測(cè)儀表等。）計(jì)量裝置具有智能接口，便于數(shù)據(jù)傳送。

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集器：數(shù)據(jù)采集器是在一個(gè)集中供電區(qū)域內(nèi)進(jìn)行電能或其它能耗信息采集的設(shè)備。它通過信道對(duì)其管轄的各類表計(jì)的信息進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，并通過5G無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2網(wǎng)絡(luò)層：需要依托5G的關(guān)鍵技術(shù)mMTC、uRLLC實(shí)現(xiàn)海量終端的接入和能源數(shù)據(jù)的安全傳輸。

3數(shù)據(jù)資源層：通過搭建數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，滿足TB數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析處理。管理的數(shù)據(jù)主要包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)，能源管理數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)等。

4業(yè)務(wù)應(yīng)用層：業(yè)務(wù)應(yīng)用層是系統(tǒng)建設(shè)的核心部分，包括能源分析系統(tǒng)、能源監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、能源數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)、系統(tǒng)綜合優(yōu)化系統(tǒng)。應(yīng)用支撐子層提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、權(quán)限管理和報(bào)表等服務(wù)。通過以上系統(tǒng)的建設(shè)和集成，實(shí)現(xiàn)能源集中展示、管理和控制。

5表現(xiàn)層：通過Web/移動(dòng)APP服務(wù)的方式，以及GIS地圖、圖文報(bào)表等多種方式展現(xiàn)能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、故障、告警以及能耗情況。

五、結(jié)語

隨著5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各行業(yè)通信水平都邁入高速、高可靠的時(shí)代?；诩泄╇姷姆植际侥茉垂芾硐到y(tǒng)既是5G技術(shù)發(fā)展中5G基站建設(shè)最重要的能源保障，又是5G關(guān)鍵技術(shù)eMBB、URLLC、mMTC的受益者，兩者互相促進(jìn)、共同發(fā)展，最終確保整個(gè)行業(yè)都走上可持續(xù)發(fā)展道路。