综合能源管理系统规划方案的探讨

王海华

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广州 510663)

目前能源和环境问题的日益严重，中国乃至世界范围内对新能源的大规模利用进入了一个全新的发展时期。在发展低碳经济的背景下，节能环保规划和智能前瞻构想将成为吸引企业和人才的独特优势。因此有必要对综合能源管理系统规划方案进行探讨，总结国内外开展能源综合利用相关实践的经验，为城市提供先进可行的能源供应方案，倡导全新能源消费理念，促进能源高效利用，打造能源综合应用示范区，引领世界能源未来发展方向[1]。

1 综合能源管理系统国内外现状及需求分析

1.1 国内外发展现状分析

经过市场化改革后的欧美等国能源行业与中国现有的能源行业存在巨大的差别。市场化改革带来了一个重要趋势即是原来在传统垂直体系下的能源公司，如电力公司负责发电、输电、配电，在被拆分后，开始在市场机制下进行横向的整合，如RWE德国莱茵集团、Scottish Power苏格兰电力、Vivendi法国威望迪集团等大型公用事业公司，它们提供的能源和服务不仅仅局限在一个领域，而是向同一个地区的用户提供包括电力、燃气、水务、供热等多种能源和相关服务。

近年，中国也提出了与综合能源管理相关的“智能能源网”概念，中国国际经济交流中心智能能源研究组在2009年提出将智能电网扩展成为“智能能源网”的构想，以绿色低碳技术、非生态消耗性技术为采纳重点，尝试新能源、分布能源等微网系统接入并网，通过传感终端与智能化信息控制系统，实现各能源管网的调峰、储能等功能，探索实现能源网的智能、互动架构。

1.2 需求分析

随着信息技术的不断发展，能源行业面临着巨大的发展机遇，其中一个趋势就是多能源的综合管理和优化。在一个城市中，电力、水务、燃气等传统独立运行的能源系统，以及微电网、电动汽车充电等新兴的智能系统得以借助智能表计、通讯和IT智能化等技术在一定程度上实现技术和管理上的融合并产生协同效应，从而降低了成本、提高了能效、减少了排放、提升了服务等多方面的收益[2]。

综合的能源管理面向的对象是城市的管理者，特别是以智能化、生态化为目标的新型城市。能源的供给和使用已经成为城市可持续发展的决定性因素，城市管理者需要及时、全面地掌握能源的供给、运行和使用情况，以及在此过程中产生的经济、环境成本，包括二氧化碳和其他污染物的排放，以便在制定短期措施和长期政策、规划时更加科学有效。

传统的电力、水务、燃气等能源系统独立管理于不同的运营企业或市政部门，而且层层上报的信息汇总机制不利于城市管理者获取及时的真实的信息。因此，综合能量管理的实现要求在政府层面构建一个能够从电力、水务、供热、燃气等相关企业或市政部门获取信息，并提供宏观管理建议的能源管理中心(或拥有这些权限的类似职能部门)。

2 综合能源管理系统规划方案

综合能源管理着眼于城市级别的整体能源监控和优化。应由政府设立能源管理中心(或赋予某政府职能部门)，对能源生产、传输、使用进行监管，同时电力、水务及燃气等公用事业公司或市政部门，以及终端能源消费者和生产者如楼宇、工厂、企业、居民、电厂等，应与能源管理中心紧密沟通协作，形成一个分层级的综合管理体系。通过采用先进的信息通信技术，对各个层级上能源子系统信息提取集成，实现管理体系的统一化、实时化和智能化，为政府管理者和公众了解掌握能源生产、传输、使用情况以及相关经济和环境因素，维持能源供给和安全，实现积极的经济发展和节能减排目标，制定能源相关政策及规划，提供信息技术支撑和科学的决策依据[3]。

具体目标:

1)分析梳理所有能源管理相关参与方，包括能源管理中心、能源公用事业公司以及其他能源生产者、消费者，并划分能源管理层级。

2)定义在不同层级上能源管理的内容和范围，明确相应的管理功能需求，使整个能源体系形成完善的数据、分层采集、分析、整合体系。

3)设计综合能源管理的技术体系，包括体系构架、数据采集和通信接口要求等。依据建设规划，分步骤建设实施综合能源管理体系。

2.1 能源管理体系架构

城市能源体系的复杂性决定了综合能源管理的多层级和多维度。每一个能源体系的参与者(管理方、供应方、使用方)既是能源管理的主体也是能源管理的对象，在综合能源管理的理念下，尽管能源管理中心位于最主要的位置，但其他的每一个参与者也都被赋予一定的能源管理任务，即拥有一定管理的范围和内容。这些位于不同层级和环节上的管理内容共同组成了综合能源管理体系。

2.1.1 能源业务流

能源业务流指能源按照时间顺序发生转换的不同环节。尽管不同能源类型依据用途的不同可能产生多样化的业务流，但在综合能源管理规划中，业务流的划分仅作为帮助阐明相应能源管理内容的一个框架，因此不应过细。从宏观上而言，能源业务流可以分为输入、使用和输出三个主要环节。其中，输入指能源的生产及传输环节，使用指能源在用能部门的消耗，而输出指在能源消耗时所带来的污染物或废弃物的排放。三个环节业务流以及相应涵盖的典型业务内容如图1所示。

图1 能源业务流和典型业务

2.1.2 能源管理层级

在综合能源管理理念下，能源管理的主体涵盖了管理方、供应方、使用方等所有参与者。政府、电力公司、燃气公司、市政水务公司、工业企业、医院、学校、商业楼宇、居民、电动汽车充电站、电动汽车车主等都是综合能源管理体系下的管理主体，同时也是管理对象。对这么多的参与者进行层级的划分是阐明综合能源管理内容的必要步骤。

依据信息汇集从下往上和政策、措施从上往下的原则，结合能源管理在中国的普遍实践，将能源管理参与者分为三个层级(由下往上):

第一层级:终端使用者和生产者。终端使用者和生产者不承担针对自身以外的能源管理任务，主要行为模式是提供信息和接受指令，因此被归于第一层级。能源终端用户包括工业企业、市政设施管理部门、商业楼宇、居民小区、医院、学校、电动汽车充电站等。能源生产者包括电厂(可再生能源或化石能源)、水处理厂、污水处理厂、燃气供应站、热电站等能源生产企业。

第二层级:能源公用事业公司。在现行体制下，能源公用事业公司兼有盈利性公司非盈利的行政管理部门的角色。比如电力公司不仅负责输、配、售电给用户以赚取利润，同时也对保证城市电力供应，平衡电力供给和需求，维护电力系统稳定等赋有责任，亦具备一定程度的管理权力。在综合能源管理体系内，公用事业公司接受来自终端使用者和生产者的信息，并向他们发出指令;同时公用事业公司也向政府能源部门汇报，并执行政府的行政指令。因此，能源公用事业公司属于第二层级。

能源公用事业公司包括电力公司、供水集团、燃气集团等。

第三层级:政府——能源管理中心。政府是对能源管理承担最终责任的能源管理主体，设立能源管理中心或相应的职能部门能够使得这种职责得到更好的体现和实现。整体的能源供需平衡、安全稳定、高效低碳等问题的最终责任主体和管理主体都是政府。政府收集从公用事业公司和终端用户和生产者汇总的能源运行信息，并通过短期行政命令、调节措施和中长期的政策，规划管理能源体系的运行。同时向上级政府汇报能源管理的成果，为公众提供能源运行相关信息。因此，政府位于综合能源管理体系的第三层级。

三个层级的关系如图2所示。

图2 能源管理层级

其中，数据/信息从下往上汇总、整合，基础的数据来源于第一层级和第二层级，经过筛选和汇总后提供给第三层级作为政府决策的信息支持。政府的决策(目标、措施、政策等)则由第三层级发出，在第二层级和第一层级分解并得到执行。层级之间信息交换的流畅、及时和准确是能源管理合理、高效的前提，这也正是综合能源管理体系要实现的重要目标之一。

2.1.3 能源管理内容分析

能源管理的内容即位于不同层级上的参与者能源管理任务。对于每一个能源管理主体(所有层级上的)而言，内部和外部的驱动力、管理权限和管理手段决定了能源管理的内容。

将能源业务流概念引入能源管理内容来分析，可以更好地理解综合能源管理理念下不同层级和环节上能源管理的内容[4]。能源管理内容分析如表1所示。

表1 能源管理内容分析

2.2 能源管理功能分析

综合能源管理的功能需求包括以下几点:监测(实时或非实时)、数据统计分类、指标计算和对标比较、根源分析、运行及趋势预测、运行协调等。

第一层级:终端使用者和生产者。能源终端使用者和生产者的能源管理包括各种能源(电力、燃气、水、热等)的购买输入，生产或其他环节的能源使用过程，能源生产过程，能源的一级市场交易，相关的二氧化碳和其他废水、污染物的排放等。为了实现对以上内容的管理，终端使用者和生产者侧的能源管理需要包含的功能为:监测;数据分类统计;指标计算和对标比较;能源审计等。

第二层级:能源公用事业公司。公用事业公司的能源管理包括能源传输管网运行、能源市场交易、供给调度、能源传输损耗和泄漏、故障和紧急情况处理、需求侧管理、污水排放和回收、二氧化碳排放等。在能源运营公司层级，如下能源管理功能将与综合能源管理相关:监测;数据分类统计;指标计算和对标比较;趋势分析;运行预警等。

第三层级:能源管理中心。能源管理中心作为综合能源管理的最高层级，是综合能源管理体系的核心。其能源管理的内容包括能源中长期政策及规划制定、能源短期行政命令和管理措施制定、能源价格、能源市场机制、节能减排实施和跟踪，污染物排放和生态环境保护等。在最高层级上，综合能源管理应包含的功能为:监测及预警;分类统计、汇总、分析;指标对标;智能可视化呈示;综合能源审计。

2.3 能源管理指标体系分析

综合能源管理核心绩效指标体系是构建在其他层级的能源管理指标之上的核心部分，作用于政府层级，是政府了解、控制和优化整体能源运行以及分行业、分区域、分领域能源体系运行的主要工具，为政策和规划的制定提供科学的决策依据[5]。指标体系可以作为主要内容，在主管部门的综合能源管理系统(如大屏幕界面)上呈现。

2.3.1 指标体系规划原则

指标体系规划原则包含国际化与本土化结合;关键绩效指标可测可控;追根寻源、找出差距;实现自上而下的能源绩效管理;全面绩效指标管理;关键指标服务于策略目标的实现等。

2.3.2 指标体系规划设计

规划设计指标体系是基于国内外研究以及相关实践项目中获取的大量相关指标。按照业务流划分，涵盖能源生产传输、能源使用和输出各个环节。指标不仅涉及直接的能源运行，同时考虑能源相关的社会经济、环境以及用户服务等各个方面。

核心指标体系的规划设计应在综合能源管理项目的实施中进行，需要对指标进行详细论证并增加关键绩效指标对标标准。标准值的确定可以遵循以下原则:

1)对于有国家标准或国际标准的指标，参考规定的标准值;

2)参考国外具有良好特色的城市的现状值作为标准值;

3)参考国内城市的现状值，作趋势外推，确定标准值;

4)对目前统计数据不十分完整的指标，用类似指标替代;

5)结合城市规划和发展目标，对可以获得的指标做适当的调整[6]。

2.3.3 指标体系的完善改进

指标体系需要在运行实践中得到持续的改进才能实现最好的管理目标。综合能源管理绩效指标体系的构建和完善遵循“初步设计”-“实施运行”-“检查与纠正”-“分析”-“设计修改”的循环步骤。

综合能源管理涉及多个管理主体、多种管理内容和管理功能，这个体系的实现依赖于一系列相应的智能化技术，包括数据采集、通讯、自动化系统、运营智能化平台等。其中，位于最上面的政府层级的综合能源管理平台是整个体系的核心部分，承担数据/信息整合、信息处理和呈示、决策支持等综合能源管理的主要议题。外围是与之相连的处于较低层级的其他系统，包括能源生产监控系统、微电网管理系统、能源管网运行监控系统、智能表计管理系统、智能楼宇能耗管理系统、工厂能量管理系统、市政设施监控和能量管理系统、电动汽车充电站管理系统等。同时一些非智能化的传统管理系统也可以作为数据源与平台交互。综合能源管理的理念并不影响较低层级系统的独立性，水、电、燃气等第二层级的能源管理任务依然由各个主体进行分散管理，并在最上层的综合能源管理平台进行整合和交互。综合能源管理体系的概念图如图3所示。

图3 综合能源管理体系概念图

2.4 综合能源管理平台

2.4.1 规划设计原则

综合能源管理在政府层级上应包括监测及预警、分类统计、汇总、分析、指标对标、智能可视化呈示等功能，这些功能的实现依托一个智能化的管理平台。因此，根据需求和未来的发展规划、能源行业运行特点，以及政府对于能源管理的方式，对综合能源管理整体设计原则应着重考虑:系统的适应性;系统的先进性;系统的安全性;采用统一标准;数据高度集成和应用;注重灵活的数据分析;系统的可维护性和扩充性;系统的灵活性等。

2.4.2 系统构架

综合能源管理平台的基本构架应包括信息访问与集成、信息加工与处理、信息展现与升华三层结构，同时应具有高度的可扩展性。

第一层:信息访问与集成-数据源。这一层的功能实现与各类系统的通讯连接，全面支持各种产品和各层面专业IT系统，包括过程控制系统、过程历史数据系统、关系数据系统、以及收集型数据系统等。

第二层:信息加工与处理-信息模型。系统平台应给予面向业务需求/信息模型的数据加工和处理方法，按照业务对数据进行逻辑分组和分析。

第三层:信息展示与升华-客户端/信息呈示。客户端层采用纯粹的瘦客户端形式，通过纯浏览器/服务器的网络体系结构，让用户只需要IE浏览器就能实现对业务的有效监控和及时管理。

2.4.3 与各系统接口及带宽要求分析

1)数据采集要求和接口要求。综合能源管理平台通过连接框架实现对外围相关系统的连接和信息集成，要求外围的相关系统提供统一、标准的接口，以便有效地实现对各类能源数据/信息的采集。

2)带宽要求。根据城市发展用地规划及用户报装情况等，估算远期企业连接到综合能源管理平台数量。大量的信息将在综合能源管理平台与各个层级的子系统间发生交换，综合能源管理平台需要租用合适的带宽来保障所有功能的实现。

3 结论

本文充分运用国内外先进的管理理念，基于先进、成熟的运营智能化平台，提出综合能源管理系统的总体目标，分别对能源管理体系架构、管理功能、指标体系、管理平台等进行了分析。通过综合能源管理系统的规划方案建设，不仅满足当前能源管理的需要，同时最大限度地适应未来城市发展和技术发展的变化，大幅提升城市的能源管理水平，提高能源利用效率。

[1]牛彦涛.不确定城市能源系统规划模型研究及应用[D].北京:华北电力大学，2007:1-20.

[2]王大中.21世纪中国能源科技发展展望[M].北京:清华大学出版社，2007:1-20.

[3]曾鸣，盛绪美.北京大气环境与能源综合规划决策模型及其应用[J].系统工程理论与实践，1991(5):67-72，79.

[4]何斯征.可持续发展能源指标体系及应用实例[J].能源工程，2007(5):16-20.

[5]张鹤丹，王惺，付峰，等.中国城市能源指标体系初探[J].中国能源，2006，28(5):42-45.

[6]牛彦涛，黄国和，杨勇平，等.基于不确定性优化模型的北京市能源系统规划研究[Z]，2010.