基于碳中和背景下節能示范園區智慧能源管理平臺的設計與研究

李 輝，孫云增，梁康元，王 丹

(國網中興有限公司，北京 100761)

2020年，我國正式提出將在2030年前達到碳排放峰值，于2060年前力爭實現“碳中和”。為實現這樣宏偉的藍圖，“碳吸收”與“碳排放”這2條技術路線應共同發展[1]。如果能提高如石油、煤炭、化工及建筑等高能耗行業的能源利用率，那么將會在降低“碳排放”這條技術路線上邁出堅實的一步。

從能源需求側出發，可針對不同行業建立不同類型的能源管理平臺來提高能源利用率[2]，基于能源管理平臺可以實現能耗數據的統一管理與分析，全面反映系統內各類用能設備的運行狀態，為進一步優化提供了可靠的數據來源。例如，劉合山[3]針對大煤溝煤礦生產過程中效率低、能耗高等問題，采用“互聯網+”能源管理技術建成了一套完整的能源管理中心平臺，提高了能源使用效率。鄭芳雄[4]針對石油化工企業能源管理主要依賴電子報表層級傳遞能耗數據的問題，利用信息化技術搭建了企業能源管理平臺，實現了對各種能耗設備的實時監測與優化調度。張珣珣等[5]搭建了“源—網—荷”分布式能源系統一體化監測平臺，實現了供給側與使用側能源信息的管理，促進了能源的有效利用。

不同類型的能源管理平臺具有相同核心設計要點，設備運行數據采集與平臺可視化分析。本研究以某節能示范園區為對象設計的智慧能源管理平臺，不僅具有基礎的監測功能，還設計有云端協同優化控制與節能減排數據可視化功能。該平臺基于IoT監控設備[6]和云計算對子系統能耗數據實行統一的規劃和管理，實現能源的按需分配與綜合利用，提升能源利用率，降低CO2排放。

1 系統架構設計

1.1 系統架構

以自動控制及信息化技術為基礎，融合優化算法[7]，建立智慧能源管理平臺。該平臺將能源管理、樓宇自控、視頻監控、防盜報警、門禁管理、電梯管理等子系統接入平臺，實現信息匯集、資源共享及優化管理等綜合功能[8]。其結構如圖1所示。

圖1 智慧管理平臺系統架構Fig.1 System architecture of smart management platform

根據子系統功能，智慧能源管理平臺主要分為設備運行管理和安防消防管理2類。設備運行管理類子系統包含智慧配電系統[9-10]、智慧制冷系統[11-12]、智慧供暖系統[13-14]和智慧照明系統[15-16]，采用優化算法優化各子系統間的配合，降低設備運行能耗。安防消防管理類子系統包含安防系統、消防系統、電梯控制系統、門禁及訪客系統和停車場管理系統，采用冗余控制算法、多目標跟蹤算法等保障子系統的穩定運行。本文主要討論采用優化算法對能源利用效率的提升。

各類現場監控IoT設備是本平臺穩定運行的支撐，因而在平臺設計時采用各類智能化硬件設備提高數據采集效率，達到構建云端大數據計算優化的目的。如在智慧配電系統中使用帶有FLUKE-435電能質量分析器的低壓配線柜，能夠進行能耗數據實時監控。在智慧制冷系統中安裝中央空調智能運維子系統，使用智能傳感器采集設備運行數據，實現所控設備的自動開啟和變頻運行。在智慧供熱系統中安裝FLUKE F430-2型數據監測裝置，該裝置能夠適應高溫環境，從而穩定地展現出供暖設備的能耗狀態。在智慧照明系統中，采用SW-1500智能回路控制器，使用該控制器可以實現多場景自動控制，并且可以結合人員檢測裝置對接考勤系統。

1.2 智慧配電系統

為提高配電系統的安全性、可靠性和經濟性，針對配電室設計了智能運維子系統。該系統基于電能質量分析器、電量計量器等智能監控設備及云端數據傳輸網絡，實現了一套智能化、信息化的電力監測系統[17]。智能運維子系統主接線監測如圖2所示。該智能運維系統包含高壓回路監測、變壓器綜合工況監測、低壓回路監測以及環境監測等監測功能。

圖2 主接線監測Fig.2 Main wiring monitoring

(1)高壓回路監測。在配電室高壓監測中設計中置柜，并安裝有ABB_REF615綜合保護繼電器。可以實現采集高壓系統的電流、電壓、功率、電量等模擬量參數，此外還可以對開關狀態和事故告警等開關量信號進行采集。

(2)變壓器綜合工況。傳統變壓器缺乏對電網運行溫度和故障信息的采集，本平臺采用智能溫控器進行變壓器綜合工況監測。通過該溫控器可以對變壓器三相繞組的運行溫度及報警狀態等信息進行采集。

(3)低壓回路監測。在低壓進線柜內設計安裝具有諧波監測功能的智能電表，可以對變壓器低壓側電網運行參數及電能質量狀況等信息進行采集。

(4)環境監測。為了監測配電室內的各項環境參數，在低壓電容柜內及室內適當位置設計安裝智能溫濕度傳感器，實現對高低壓配電設備的運行環境進行監測。

1.3 智慧制冷系統

冰蓄冷空調系統具有轉移高峰電力需求，“移峰填谷”的能力，對平衡電力的供應，提高電能的有效利用具有卓越表現[18-19]。研究設計的中央空調智能運維子系統采用模糊控制算法優化空調系統的運行狀況，實行低能耗運行策略。其子系統結構原理如圖3所示。

圖3 中央空調智能運維子系統Fig.3 Central air-conditioning intelligent run subsystem

為實現對制冷機房內所有設備的集中管控，采用在系統管道上增加溫度變送器、壓力變送器等IoT設備。通過將設備運行工況信號傳輸至中央空調智能運維子系統，進而實現對采集信號的對比與計算，完成設備的自動開啟和變頻運行，達到制冷系統恒溫差的供水目的。

1.4 智慧供暖系統

為了實現智慧化供暖，設計采用智能變頻器、流量計量器及溫度傳感器等IoT設備改造傳統的供暖系統[20]。在供暖時段內，可以根據室外氣候的變化情況，結合用戶供熱需求，調節供水溫度實現按需供熱。在保證用戶舒適性的前提下，減少了一次熱源不必要的消耗，起到了節能減排的作用。在設計中，還采用氣候補償控制器按照設定的曲線自動調節板換器一次側電動調節閥，保證板換器二次側合理的供水溫度。通過變頻器結合供回水策略，實現供暖循環水泵自動調頻運行。根據水泵的相似定律，變頻調速前后流量、揚程、功率與轉速之間關系見式(1)。

(1)

式中，Q1、Q2分別為水泵在轉速n1、n2時的流量；H1、H2分別為水泵在轉速n1、n2時的揚程；P1、P2分別為水泵在轉速n1、n2時的壓力。

根據式(1)可得出不同運行頻率下流量及功率大小。變頻水泵功率與流量關系如圖4所示。

圖4 變頻水泵功率與流量關系Fig.4 Relation of variable frequency water pump power and flow

1.5 智慧照明系統

傳統的照明系統照明強度固定不變，容易產生人員需求與照明供給不匹配，引起能源浪費。公共場景的管控燈光設備需耗費人工運維，還可能因為漏關導致電能浪費[21]。為更加全面地監測園區內照明系統的運行工況，不僅需對設備的照明狀態進行監控，還需具備用電安全(如漏電保護、過載過流保護、短路保護)等特性[22]。研究基于分布式控制設計了智慧照明系統(圖5)。分布式控制方式可靠性好，出現故障時對系統的影響小。該智慧照明系統可以根據人體及恒照度感應探測器對于照度進行補償。其中，照度探測器可以實現對全天光照進行智能管理，自動調整燈具照度。在走廊、衛生間及樓梯間，采用人體感應系統與照度可調燈具進行配合，如在有人通行的情況下照度100%，無人情況下功率降至20%以保證基礎照度。

圖5 智慧照明系統Fig.5 Smart lighting system

2 基于云計算的子系統優化控制

研究設計的智慧能源管理平臺具有云計算協同優化控制的特點，通過建立的各子系統云端數據傳輸網絡，使得智慧配電系統、智慧制冷系統、智慧供暖系統以及智慧照明系統的所有IoT設備的運行數據均會傳輸至云端數據庫進行存儲，并使用優化算法自動調整各子系統的運行工況。

2.1 中央空調優化控制系統

研究設計的中央空調智能運維子系統采用模糊PID控制算法跟蹤設備的運行曲線，其目標是實現空調系統的設備綜合能耗最低。模糊PID控制是結合了模糊理論和PID控制算法，利用模糊規則在線整定PID參數，適用于一些大時滯、非線性系統，而中央變風量空調系統是一個典型的大時滯、非線性系統[23]。因此設計采用模糊PID控制算法優化系統的動態與抗干擾特性，其結構原理如圖6所示。

圖6 基于模糊PID控制的變風量空調系統溫度控制回路Fig.6 Temperature control loop of variable air volume air conditioning system based on fuzzy PID control

此外，該運維子系統也是基于云計算進行優化控制的，其決策參數不僅來自現場層的IoT監控設備還來自其他子系統的運行工況，如智慧照明系統中檢測到的房間人員數量。當房間處于無人狀態時，那么該運維子系統會自動降低設備運行功率，以達到低能耗運行狀態。當房間內人數較多時，根據當前的室內外溫差調節房間內的設定溫度。

2.2 智慧供暖優化控制系統

研究設計的智慧供暖系統通過流經閥門的供回水流量控制室內溫度。使用現場層的IoT監控設備進行數據采集與閥門控制，通過云端計算自動實現二級管網的智能平衡調節。云端計算的決策參數不僅來自監控設備的運行參數，還來自室外環境。使用氣候補償器可以在保證用戶舒適性的前提下，減少不必要的能量消耗，起到了節能減排的作用。其結構原理如圖7所示。

圖7 氣候補償工作原理Fig.7 Working principle of climate compensation

在供熱系統中使用氣候補償器，可對室外溫度進行實時監測，將室外溫度的實時數據傳到控制中心進行熱量調整。例如當早晚溫差較大時，在中午可適當減少供熱量，早晨和夜晚溫度相對較低則增加供熱量，從而形成動態調整的供熱系統。

3 智慧能源管理平臺效果

智慧能源管理平臺以提高管理效率、降低設備運行能耗，達到節能減排的目的。智慧能源管理平臺主界面如圖8所示。我國是以火力發電為主的國家，以燃燒煤炭的火力發電為參考，計算節約電能所帶來減碳效果。據估計，每節約1 kWh電相當于節約了0.4 kg標準煤，同時減少排放0.997 kg的CO2。

圖8 智慧能源管理平臺主界面Fig.8 Main interface of the smart energy management platform

該園區耗能設備主要為空調設備、照明設備、供暖設備以及特殊用電設備等。2018年，園區內智慧制冷、供暖及照明系統耗電量分別為2694654.9、1 976 080.5、988 039.3 kWh。

在經過智慧能源管理平臺對各子系統運行工況優化后，2019年與2020年園區內各子系統的耗電量見表1，該園區綜合節能率約8.6%。按照減碳效果計算，該園區每年制冷、供暖與照明子系統可降低碳排放分別為220 298.8、128 059.9、133 970.2 kg。此外，采用智慧配電子系統后可以有效降低運維成本，如通過在線可視化的配電自動管理降低人工成本；通過高壓回路監測、變壓器綜合工況監測、低壓回路監測等做到實時監測與自動報警，提高配電系統故障的響應與處理速度。

表1 智慧能源管理平臺節能效果Tab.1 Energy-saving effects of smart energy management platform

4 結語

研究設計的智慧能源管理平臺不僅是為監測設備運行，更是為了優化各子系統的運行工況，降低運行能耗，并以直觀的數據形式呈現對降低碳排放所做出的貢獻。通過云端大數據計算來協調智慧配電系統、智慧制冷系統、智慧供暖系統和智慧照明系統的運行，提高能源利用效率。研究為不同行業、不同機電系統的能源管理平臺提供了新的評價方法，通過引入節能減排數據，直觀體現不同應用場景的實時能源消耗情況，為實現“碳中和”的偉大目標提供數據支撐。