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综合智慧能源系统及其工程应用

发表时间：2021/4/28 来源：《电力设备》2020年第33期作者：袁琳

[导读] 摘要：能源互联网主要是凭借互联网技术手段来实现能源与互联网之间进行有效的结合，以此形成一个全新的能源利用模式。

        （国家电投集团信息技术有限公司 100033）
        摘要：能源互联网主要是凭借互联网技术手段来实现能源与互联网之间进行有效的结合，以此形成一个全新的能源利用模式。本文将以综合智慧能源管理系统架构为主线，进行简要的分析和描述。
        关键词：综合指挥能源管理；系统架构；应用
        1 综合智慧能源管理系统概述
        工业企业是能源消耗大户，节能一直是困扰我国各行业的重大问题之一，除了依靠节能技术降低能耗外，向能耗管理要效益是我们努力的方向。传统的能源管理是电力、动力、水道各自独立，采用制度能源管理模式，现已不适应现代化大规模生产的能源管理需要。科学的能源管理是现代化的信息集成模式，实现优化资源配置、改善能源合理利用，是从单一的装备节能向智能化、系统化节能转变的重要战略措施，是创建节能减排、清洁生产的新型企业的必然要求。建立集中监测、分析、控制、管理于一身的工业企业能耗管理系统（EMS，EnergyManagement System），实现了能源系统电力、动力、水道等各单元的数据采集与监测、分析与控制、预测与管理等全方位的智能化管理模式，为提供经济、高质的能源和优质、高效的服务创造了良好条件。
        2 系统架构
        2.1物理系统架构
        综合能源的物理系统架构主要由能源生产、转换、输送与智慧用能环节组成，通过综合管理系统的集中与分散式智慧管理实现系统的智慧运行。其物理系统的架构如图1所示。

        图1 综合能源物理系统架构
        能源生产、转换主要指电力、热力及天然气生产与能源形式转换设施。包含热电联产的燃煤、燃气电站、供热锅炉、各种可再生电源、储能系统、热泵、溴化锂等制冷、制热设备等，通常情况下其能源的生产或转换可以由其中的一种或几种装置设施共同组成。综合能源的多能互补特性依赖于不同类别能源间的转换得以实现，包括电气、电热、气热等。而在上述多种转换过程中，电与非电系统间的转换与交互能力是影响多种能源系统间是否可以高效集成的关键。对比不同类别能源间转换装置的实现方式如表2所示
        表2 系统主要能量转换装置及其实现方式

        能源传输系统主要包括依靠供热(冷)网、电力网、水网、气网等。其中，供热网多为枝状管网布置、地下敷设方式：电力网则是其骨干网架，多为与外网
        相连的环形或放射状；天然气网包括低、中、高压管网，具有调峰、调压等功能；综合管廊将电力、通讯，燃气、供热、给排水等各种功能管线集于一体，高效可靠。在智慧用能体系中，用户既是能源的消费者，也是能源的生产者，可实现不同能源产消者之间和产消者与能源主体之间的互动。并可通过高度市场化的能源价格机制，促进能源利用效率的明显提高。
        2.2信息系统架构
        信息系统是实现综合能源系统智慧管控的关键，主要包括信息在单一系统内的纵向传递与在不同系统间的横向传递，而作为系统物理融合设备的能源交换器则是整个系统的信息处理中心。由图2可以看出，智慧型综合能源系统与已有系统的主要不同是多能源间的信息交互以及不同类别信息间的综合智慧管控。其中，能源交换器是其关键部件，负责收集分配信息，指挥能源路由器，构成完整的信息物理系统，从而实现不同类别能源间的综合与智慧利用。因此，该信息系统是实现智慧型供能、用能的关键性基础，其架构必须在实际供能、配能与用能的特征分析基础上，结合实际能源供需特性。实现个性化的智能设计与智慧管控。

        图2 智慧能源信息系统架构
        2.3综合能源系统的EMS架构
        能量管理系统(EMS)的实质是能源交换器的核心处理机构，是处于信息系统的上层管理机构，即综合能源系统的智慧管理中枢。其与通信系统、物理系统间的关系如图3所示。综合能源的能量管理系统是以大数据、物联网、移动互联网技术等为支撑的开放式多种能源综合管理服务平台，能够借助云数据中心等系统的分析和计算，对“感知”来的电、热(冷)、水、气等多种能源生产、输送、消费的各类信息进行智能处理，实现综合能源系统的智慧运行。EMS由能源管理平台、通信系统、终端(即实际的物理系统)3部分构成．可以分为集中式和分布式，通过创新的能源生产模式、消费模式实现能源供需互动，主要功能包含用能需求预测、能源的优化调度、系统监测与分析、智慧用能服务等。EMS的核心功能是融合物理系统与信息系统．使综合的信息物理系统能够高效、有序运行，而其关键则是运行控制的智慧化．即在能源综合的基础上实现智慧化，包括生产、转换、传输与用能等各个环节。

        图3 智慧型综合能源系统的EMS架构
        3综合智慧能源系统的实践应用
        目前，我国已有多个综合智慧能源或相类似的示范系统已经建成或正在建设中，以某工业园区局域网内的多能源项目为例，简单分析其系统架构特征。该示范工程依托地区内现有的煤、电、铝及铝后加工产业以及区域内丰富的风能、太阳能、劣质煤资源，建设以绿色、清洁、可再生性能源为主体(风电、太阳能发电)、就地合理利用劣质煤火电为补充、局域电网为保障的包括电热的循环经济示范项目。
        该系统规划电源装机222万kW，其中新能源装机占比达到20％以上；电解铝产能81万t；综合供电负荷达到140万kW；供热能力43万kW。投产后的年净外购电量比例降至5％，综合用能成本下降20％，系统内一次能源综合利用率提升8％，通过综合调控使用电峰值负荷降低22％以上。分析该系统的架构特点，其核心是电热储的综合应用、灵活可控负荷(铝业)与波动性风、光发电的大量接入，并通过电热储，实现了电储热与热系统的强耦合联系。通过综合能源应用与运行的智能管控。示范系统在新能源接纳、减少碳排放与降低用能成本等方面取得了明显的效益。在风、光等波动性电源发电接纳方面，在局域网风电渗透率已经达到38．25％的前提下．2015年风电利用小时数超过3 300 h，较同期内蒙古自治区的平均风电利用小时数1 600 h高出一倍多，甚至超过新能源利用率最高的丹麦。而在弃风限电方面，以示范区内的夏营风电场为例，2015年发电量为
        93 779万kWh．弃风率仅为0．9％，远低于全国同期15％的水平。几乎实现了区域内风电的全额消纳。在减少碳排放方面，相对于工程投产之前，吨铝碳排放量由每年16．39 t降低到13．91 t，降幅达到15．13％，并且通过减少燃煤，2015年全年实现减排二氧化硫171．4 t，氮氧化物302．2 t，二氧化碳69.7万t,并且预计远期的二氧化碳年度减排量可以
        达到289．8万t。在降低用能成本方面，主要体现在其通过局域电网自主供电而降低的成本上，以示范区内铝业用电为例，与2013年工程投产前相比，2015年全年供电单位成本0．206 8元／kWh，降低0．069 8元／kWh，吨铝用电成本降低949元，全年供电总成本降低8．07亿元，此外全年涉网费用降低1．550 8亿元。在此过程中，通过发电与用电的自主调度，实现了电网运行安全稳定与100％频率、电压合格率，通过系统的集中与智能管控，经济效益明显，供电成本大幅降低。与此同时，大幅提升了可再生能源的利用效率、包含电热的系统综合能源利用效率，大幅减少了系统的碳排放，降低了系统内的用能成本，因此，
        相对于传统运行模式．通过系统集成，综合运行与智慧管控下的多种能源系统综合智慧运行具有极其显著的经济与社会效益。
        4结语
        综合智慧能源系统能够满足新时期能源变化趋势，节省更多能源，最大限度避免环境受到污染，起到环保作用。因此要对其进行深入分析，掌握真实理念和内涵后，在对综合能源系统进行综合研究，始终坚持以节约能源、避免环境污染为主进行，使得社会可以节省更多能源，为各个领域提供更多服务。
        参考文献：
        [1]郭荣,张强,陈家颖,陈荣泽.基于大数据分析的综合智慧能源系统控制优化研究[J].发电设备,2020,34(06):386-391.
        [2]张福征,王长山.综合智慧能源的内涵与能源低碳发展路径[J].中外能源,2020,25(07):1-6.
        [3]胡春磊,徐红艳.综合智慧能源管理系统架构探究[J].电子世界,2020(13):126-127.