碳中和園區(qū)智慧能源管理系統(tǒng)應(yīng)用探索

王永芳， 戴天鷹

(1. ABB(中國(guó))有限公司，廈門(mén) 361000； 2. ABB(中國(guó))有限公司，上海 200023)

0 引言

全球變暖不斷加劇，極端災(zāi)害頻發(fā)，中國(guó)主動(dòng)承諾，將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。 在此大環(huán)境下，園區(qū)將面臨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和能源系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化升級(jí)的挑戰(zhàn)。 目前實(shí)現(xiàn)智慧園區(qū)“碳中和”的有效途徑有:加大終端能源消費(fèi)電氣化率；建設(shè)光伏、風(fēng)能、地?zé)崧?lián)產(chǎn)等為代表的清潔能源，提高新能源投建比例；通過(guò)智慧能源管理系統(tǒng)進(jìn)行“源－網(wǎng)－荷－儲(chǔ)”全網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的柔性調(diào)控，提高新能源使用效率。

1 智慧園區(qū)能源管理面臨的新挑戰(zhàn)

1.1 新能源的調(diào)度管理和提高使用效率

分布式清潔能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入園區(qū)后，能源管理系統(tǒng)將面臨對(duì)新能源的管理和提高使用率的難題。 分布式能源既可以直接給負(fù)載供電，又可把多余的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)行柔性調(diào)配使用或者出售給公共電網(wǎng)，能源流向雙向可逆給電網(wǎng)的調(diào)度管理帶來(lái)困難。 光伏或風(fēng)電等清潔能源的發(fā)電還存在不確定性，使得使用率偏低，通常只占到園區(qū)用電的5%～10%，因此能源管理系統(tǒng)需要在整個(gè)園區(qū)層面進(jìn)行統(tǒng)一管理，調(diào)節(jié)微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)調(diào)度，提高新能源的使用率。

1.2 信息孤島對(duì)園區(qū)層面管理帶來(lái)難度

典型的工業(yè)園區(qū)按功能分為有生產(chǎn)設(shè)施辦公設(shè)施、員工住宅樓以及為園區(qū)提供基礎(chǔ)服務(wù)的場(chǎng)所。 通常各區(qū)域能源管理系統(tǒng)是獨(dú)立建設(shè)，分開(kāi)管理的，各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，信息不共享，存在信息孤島現(xiàn)象，能源使用上只監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有調(diào)度和優(yōu)化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)從園區(qū)層面上的進(jìn)行能源的柔性調(diào)配，統(tǒng)一管理。

ABB 深入分析智慧園區(qū)能源現(xiàn)狀，結(jié)合電力行業(yè)的百年經(jīng)驗(yàn)和能力，利用“云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能”等新一代數(shù)字技術(shù)，打造了ABB AbilityTM智慧能源管理系統(tǒng)，集成“智慧建筑＋新能源＋智能制造”的方案，把園區(qū)的各區(qū)域功能打通，在電氣和信息上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連接。 打造碳中和智慧園區(qū)，實(shí)現(xiàn)能源的安全可靠、智能高效使用。

2 智慧園區(qū)能源管理方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)介

ABB AbilityTM智慧能源管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“智慧能源管理系統(tǒng)”)分成設(shè)備層、通訊層和管理層(圖1)。 支持300 多種專(zhuān)業(yè)電力行業(yè)通信協(xié)議，靈活接入各廠家的各種設(shè)備；采用分布式的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)分布式控制，集中式管理；應(yīng)用層具備軟PLC 能力，可提供可靠的控制能力，另外通用的軟件平臺(tái)快速進(jìn)行針對(duì)性的算法及應(yīng)用的部署(如智慧能源調(diào)度、儲(chǔ)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、負(fù)荷精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、配網(wǎng)安全運(yùn)行、設(shè)備健康管理、能效優(yōu)化策略、地理信息管理等)，實(shí)現(xiàn)多維度多角度的統(tǒng)一管理，代替人工分析，對(duì)園區(qū)用電管控起到輔助決策的作用。 典型的智慧園區(qū)能源應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2。

圖1 智慧能源管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

圖2 ABB AbilityTM智慧園區(qū)能源應(yīng)用架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 智慧能源系統(tǒng)和智慧建筑的關(guān)聯(lián)

建筑是園區(qū)的基本單元，同時(shí)也是城市能源消耗的主體。 全品類(lèi)能耗監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)三級(jí)配電能耗數(shù)據(jù)的高顆粒度采集；樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)完成水泵、通風(fēng)、冷熱源、給排水、鍋爐、電梯等設(shè)備層自動(dòng)控制；其次，結(jié)合AI 算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層精準(zhǔn)能效調(diào)控，打造建筑智慧能源典范。

(1)基礎(chǔ)調(diào)控模式:根據(jù)預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級(jí)和時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)備層響應(yīng)系統(tǒng)發(fā)出的能源調(diào)節(jié)指令，釋放功率用于其他負(fù)載。

(2)智能調(diào)控模式:結(jié)合傳感器采集的信息，系統(tǒng)預(yù)設(shè)多種場(chǎng)景模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。 設(shè)備層響應(yīng)系統(tǒng)發(fā)出的能源調(diào)節(jié)指令，釋放功率用于其他負(fù)載。

(3)場(chǎng)景AI 調(diào)控模式:以傳感器信息為基礎(chǔ)，結(jié)合門(mén)禁、視頻人臉識(shí)別等異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，搭建基于場(chǎng)景的AI 大數(shù)據(jù)分析算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層與設(shè)備層互動(dòng)協(xié)調(diào)，將經(jīng)濟(jì)性與舒適性進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一。

得益于智慧能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，可實(shí)現(xiàn)多種能源與多棟建筑之間的聯(lián)動(dòng)調(diào)控、靈活調(diào)節(jié)建筑能源需量等。 高彈性的能源調(diào)節(jié)，確保資源按需使用，推動(dòng)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

2.2.2 智慧能源系統(tǒng)和智慧生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)

電力是工業(yè)生產(chǎn)的核心基礎(chǔ)，工業(yè)對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性及電能質(zhì)量提出更高的要求。 ABB 在提供安全可靠配電設(shè)備的基礎(chǔ)上，還可面向細(xì)分場(chǎng)景提供針對(duì)性解決方案。

針對(duì)工業(yè)節(jié)能減排的需求，將廠區(qū)用能及分布式發(fā)電設(shè)備全面接入智慧能源管理中臺(tái)，結(jié)合工廠MES 制造系統(tǒng)，提供能源最優(yōu)配置的生產(chǎn)排單計(jì)劃，降低能源成本。 其次，當(dāng)處于生產(chǎn)高峰時(shí)，聯(lián)動(dòng)園區(qū)其他輔助設(shè)備，如充電設(shè)施和暖通等設(shè)施，短時(shí)間內(nèi)為生產(chǎn)讓步，避免尖峰負(fù)荷及配電設(shè)備過(guò)載。 同時(shí)，智慧能源系統(tǒng)可以幫助落實(shí)企業(yè)碳足跡核查、碳排放評(píng)估監(jiān)測(cè)等，利用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)與手段， 建立高效的管理規(guī)章與制度， 遵循ISO50001 能源管理體系。

針對(duì)產(chǎn)線上電能質(zhì)量敏感設(shè)備，提供動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定方案，無(wú)需儲(chǔ)能設(shè)施即可在10ms 內(nèi)穩(wěn)定電壓波動(dòng)，確保精密設(shè)備不停機(jī)，提高良品率，助力高端制造無(wú)憂運(yùn)行。

2.2.3 智慧能源系統(tǒng)和新能源調(diào)度

新能源就地消納的核心是多能調(diào)度算法，包括經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法及大數(shù)據(jù)調(diào)度算法。 經(jīng)濟(jì)調(diào)度結(jié)合分時(shí)電價(jià)、新能源出力規(guī)律，預(yù)置發(fā)、配、用邏輯，完成微電網(wǎng)管理；大數(shù)據(jù)調(diào)度則在經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)聚合與大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電預(yù)測(cè)及負(fù)荷預(yù)測(cè)，將微電網(wǎng)調(diào)度顆粒度進(jìn)一步細(xì)化，優(yōu)化用電成本，提高電源使用效率。

(1)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式下

白天，陽(yáng)光充足時(shí)，利用儲(chǔ)能靈活性，實(shí)現(xiàn)光伏滿發(fā)滿用，并穩(wěn)定電網(wǎng)的功率需求。 光伏發(fā)電不足時(shí)，儲(chǔ)能進(jìn)行短時(shí)間補(bǔ)充供電，若長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電不足，則儲(chǔ)能僅在峰值電價(jià)期間供電。

夜間，峰值電價(jià)期間，儲(chǔ)能單元放電，降低峰值電費(fèi)。 夜間谷值電價(jià)期間，儲(chǔ)能單元充電至預(yù)設(shè)容量值。

(2)大數(shù)據(jù)調(diào)度下

增加對(duì)光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)，增加負(fù)荷預(yù)測(cè)。 將多種方案預(yù)先進(jìn)行沙盤(pán)推演，得出當(dāng)天經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的儲(chǔ)能充放電策略及負(fù)荷柔性調(diào)節(jié)策略，進(jìn)一步降低5%的能源成本。

除了微電網(wǎng)管理系統(tǒng)，ABB 最新的“光儲(chǔ)直柔”智慧園區(qū)能源方案，以直流系統(tǒng)作為新能源的連接，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。

圖3 光儲(chǔ)直柔能源方案

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)的能效管理系統(tǒng)，智慧園區(qū)能源系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢(shì)。

(1)開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)

靈活的系統(tǒng)架構(gòu)，快速打通園區(qū)內(nèi)各個(gè)用能場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)園區(qū)能源分布式控制集中式管理，從而提供以平臺(tái)為中心的管理模式。 并且降低重復(fù)投資的成本和后續(xù)維護(hù)工作量。

(2)靈活的應(yīng)用部署

基于開(kāi)放的系統(tǒng)平臺(tái)，將應(yīng)用功能快速部署到園區(qū)內(nèi)，包括:光儲(chǔ)充多能互補(bǔ)調(diào)度、智慧能源＋智慧生產(chǎn)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)智慧調(diào)控技術(shù)、虛擬電廠應(yīng)用、有序充電應(yīng)用、大數(shù)據(jù)負(fù)荷AI 預(yù)測(cè)算法應(yīng)用、基于數(shù)字孿生技術(shù)的資產(chǎn)健康管理應(yīng)用、基于數(shù)字化IEC61850 技術(shù)自知自愈園區(qū)配電網(wǎng)應(yīng)用。

根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)智慧建筑智慧能源解決方案，供電可靠性可達(dá)99.9999%，年均停電時(shí)間＜30s；且電能質(zhì)量100%達(dá)標(biāo)，智慧能耗降低2%～6%；減少碳排放30%以上；同時(shí)減少設(shè)備維護(hù)成本20%，減少20% 非計(jì)劃停機(jī)，減少20% 計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間。

3 智慧能源管理在智慧工業(yè)園區(qū)應(yīng)用示例

ABB 廈門(mén)工業(yè)中心是ABB 全球最大制造基地之一，占地達(dá)600 畝。 2020 年啟動(dòng)園區(qū)智慧能源升級(jí)改造工程，在現(xiàn)有電力能源上，增加屋頂光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和充電樁等設(shè)施，通過(guò)ABB 綜合能源管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)配，并上傳到合作伙伴的云端交易管理平臺(tái)。

3.1 項(xiàng)目情況概述

項(xiàng)目架構(gòu)如圖4 所示。 分成能源層、運(yùn)行管理層和云端交易三層。 在廠房屋頂增加7.5 MWp 光伏(占用10 萬(wàn)m2工廠屋頂面積)，建設(shè)300kW/1MWh 儲(chǔ)能系統(tǒng)及4 臺(tái)60kW 直流充電樁和7 臺(tái)7kW 交流充電樁等設(shè)施。 各種能源通過(guò)ABB 智慧綜合能源管理系統(tǒng)在園區(qū)層面統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)配管理，上傳到合作伙伴的云端管理平臺(tái)進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)度及電力交易。 能源管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算及碳減排預(yù)測(cè)，給出節(jié)能量及碳減排的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。 能源管理系統(tǒng)與辦公樓的樓宇控制系統(tǒng)對(duì)接，對(duì)暖通等設(shè)施進(jìn)行負(fù)荷調(diào)配。 能源管理系統(tǒng)還與MES 制造系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，提供能源最優(yōu)配置的生產(chǎn)排單計(jì)劃，降低能源成本。

圖4 智慧工業(yè)園區(qū)方案圖

采用合同能源管理商業(yè)模式，由綜合能源公司負(fù)責(zé)投資。 能源管理要求:優(yōu)先使用新能源發(fā)電，并通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)新能源100%自發(fā)自用；通過(guò)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)削峰填谷，降低峰值電度；暖通空調(diào)及充電樁作為可調(diào)負(fù)載，作為第二優(yōu)先級(jí)調(diào)節(jié)。

3.2 綜合能源管理價(jià)值

廈門(mén)中心項(xiàng)目將采用合同能源管理的模式，能源公司總投資約3 500 萬(wàn)人民幣，園區(qū)管理者前期無(wú)需額外投資即可享受節(jié)能收益，預(yù)計(jì)全生命周期25 年可累計(jì)節(jié)約電費(fèi)1 200 萬(wàn)人民幣，年均減少CO2排放8 500t。 新能源使用比例提升到園區(qū)用電的25%。

4 結(jié)束語(yǔ)

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)給工業(yè)園區(qū)帶來(lái)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和管理的數(shù)字化升級(jí)的挑戰(zhàn)，ABB 利用“云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能”等新一代數(shù)字技術(shù)，結(jié)合對(duì)智慧工業(yè)園區(qū)能源的深入理解和分析，打造了ABB AbilityTM智慧能源管理系統(tǒng)，集成智慧建筑＋新能源＋智慧生產(chǎn)，為實(shí)現(xiàn)“碳中和”智慧園區(qū)能源管理提供新的解決方案。 以期能為能源管理技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒。