基于“互联网+智慧能源”的冷热电联供系统的架构分析

顾玉新， 茅大钧， 代宪亚， 周婧怡

(1.上海华电闵行能源有限公司 市场营销部， 上海 201108；2.上海电力学院 自动化工程学院， 上海 200090；3.国网宿迁供电公司， 江苏 宿迁 223800；4.上海工程技术大学 电子电气工程学院， 上海 201620)



基于“互联网+智慧能源”的冷热电联供系统的架构分析

顾玉新1， 茅大钧2， 代宪亚3， 周婧怡4

(1.上海华电闵行能源有限公司 市场营销部， 上海 201108；2.上海电力学院 自动化工程学院， 上海 200090；3.国网宿迁供电公司， 江苏 宿迁 223800；4.上海工程技术大学 电子电气工程学院， 上海 201620)

为落实国家“互联网+智慧能源”的产业政策，以上海华电闵行能源有限公司在莘庄工业区冷热电三联供改造项目为研究对象，对“互联网+智慧能源”总体方案设计、基本架构、能源供给与蓄能、能源数据中心和信息安全建设作了分析，其结果对我国各地区域型能源互联网的建设发展具有一定参考指导价值。

互联网+智慧能源； 冷热电联供； 能源互联网

《电力发展“十三五”规划(2016—2020年)》指出，中国经济快速稳健发展，同时也步入了改革、转型的关键时期，中国的生态环境约束、雾霾天气等大气污染问题和气候变化的压力越来越突显。中国发展低碳经济、安全节能的可持续发展的绿色转型之路已是燃眉之急[1]。

天然气冷热电联供(Combined Cooling，Heating and Power，CCHP)系统是利用燃机设备向用户端供应冷、热、电能源负荷，将能源利用效率从传统火电系统的30%提高到了70%左右[2-5]。与传统发电系统相比，其优势是更接近用户端，不需要建设远距离高压输电线路，既节省了输配电系统的建设费用，也大大降低了线损，从而降低了一笔非常可观的供应成本[2-5]。另外，随着社会的发展，加上近几年雾霾天气的严重影响，人们对环境保护的意识也逐渐增强，天然气资源越来越受到能源产业的青睐。天然气因其清洁环保、能源利用率高，加上国家大力提倡，近年来国内逐渐兴起。

上海“十三五”规划以及上海建设“全球城市”的蓝图中，绿色发展和生态文明建设是重要内容。为落实国家“互联网+智慧能源”的产业政策，依据中国华电集团公司在上海市的战略部署，上海华电闵行能源有限公司通过市场调研后认为，闵行区莘庄工业区供热工程可以实施燃气热-电-冷三联供改造。本文以上海莘庄工业区CCHP改造项目为研究对象，详细分析了“互联网+智慧能源”总体方案设计、基本架构、能源供给与蓄能、能源数据中心和信息安全建设等内容，对我国各地区域型能源互联网的建设发展具有一定参考指导价值。

1 “互联网+智慧能源”总体方案设计

上海华电闵行能源有限公司“互联网+智慧能源”项目旨在应对我国新型城镇化可持续发展的需求，将基于能源互联网需求侧负荷特性与供给侧多种能源进行耦合，着眼于能源互联网中天然气和光伏等多种能源有机集成、高效转换及蓄能调能、温度对口等关键技术的集成创新，形成一套以分布式能源为主的智慧型区域能源互联网，为新型城镇化园区的建设发展提供技术支撑和示范[6-9]。

上海华电闵行能源有限公司以CCHP、光伏发电系统为能源供应基础，应用蓄能技术、大数据处理等技术，构建电、汽、冷、热等多种能源综合利用体系，开展清洁能源与终端需求侧可控负荷协调运行[10-15];形成智慧、互动、开放的能源消费模式，实现不同能源供给的有机融合和智能化运营，促进能源的高效、清洁、绿色利用[10-15]，将以上海市莘庄工业区为主体的园区打造成为智慧型区域能源互联网示范项目。

“互联网+智慧能源”项目以分布式能源(燃气分布式、分布式光伏发电)、蓄能装置为能源互联网体系的核心载体，通过大数据及互联网平台构建能源中心，进行全局的能源优化分析与决策，构成能源互联网的智能中枢。“互联网+智慧能源”项目总体内容框架如图1所示。

图1 “互联网+智慧能源”项目总体内容框架

2 “互联网+智慧能源”基本架构

在逻辑功能上，能源互联网自下而上由4个层面组成：能源生产与消费层、能源传输层、综合能源管理大数据平台、应用层。

(1) 能源生产与消费层。用户既是能源的生产者，又是能源的消费者，这就构成了能源的生产和消费单元。能源的种类是多样化的(包括电、汽、冷、热等)，其来源也是多样化的(包括电网、分布式供能站、光伏、蓄能装置等)。

(2) 能源传输层。主动配送网是能源传输、配送的主要载体，承担了能源“路由”的职责，具有拓扑灵活、潮流可控等优点。

(3) 综合能源管理大数据平台。实现多种能源生产、输配、消费等全过程的实时数据存储、调用、分析、挖掘和管理。

(4) 应用层。为能源全生命周期提供优化控制、决策服务，为能源互联网的参与主体提供互动服务，为社会和用户提供公共服务。

“互联网+智慧能源”的建设，是根据园区情况，充分利用园区丰富的新能源资源，从能源生产(燃气供能、光伏、蓄能等)、能源配送网络、网络与数据中心及运营模式4个层面进行的智慧型区域能源互联网的建设。

3 能源供给与蓄能建设

上海华电闵行能源有限公司为上海华电莘庄工业区智慧型能源互联网项目的建设主体，一期采用2×60 MW燃气-蒸汽联合循环供能系统为周围18 km2内的企业提供集中供热、供冷等多种能源服务，并规划在已有的120 MW燃气CCHP系统的基础上，扩展60 MW燃气CCHP系统，进一步融合30 MW屋顶光伏发电系统。

3.1 燃气-蒸汽联合循环三联供系统

上海华电莘庄工业区燃气CCHP系统采用燃气-蒸汽联合循环供能方式，其生产工艺流程图如2所示，以清洁的天然气为原料，实行高能源利用率的CCHP生产工艺流程。

由图可见，燃气轮机利用天然气为燃料做功，带动发电机产生电能,其排出的高温烟气送入余热锅炉;利用锅炉生产的高温、高压蒸汽带动蒸汽轮机，完成第一级做功后,抽取一部分蒸汽满足周围工业区的工业生产，其余蒸汽继续推动叶轮旋转，带动发电机发电。锅炉中的低温、低压蒸汽，在冬季传送给换热器输出热负荷，在夏季则被溴化锂吸收式制冷机组充分利用，达到制冷效应，满足莘庄工业区的企业、商务中心、办公楼宇等的生活热、冷需求,最终构成热-电-冷多联产系统，实现能源的梯级利用。

图2 华电莘庄工业区冷热电联供生产工艺流程图

Fig.2 Flow chart of CCHP in Huadian Xinzhuang industrial park

3.2 光伏发电

太阳能光伏发电具有如下优点[16]：无运动部件，无噪声，无污染，模块化安装，建设周期短，避免长距离输电，可就近供电。

光伏电站系统原理如图3所示。太阳能光伏并网发电系统主要由光伏方阵、并网逆变器、测量通信系统及公共电网组成。光伏方阵将太阳能转化为电能(直流电)，并传递到与之相连的逆变器上，由逆变器将直流电(DC)转换成交流电(AC)，输出的电力与公共电网相连接，为当地提供电力。

图3 光伏电站系统原理图

Fig.3 Principle of photovoltaic power station system

在项目建设中，充分利用了莘庄工业园区内的标准厂房屋顶，建设光伏发电场，积极开发利用本地区的太阳能等清洁可再生能源，以多元化能源开发的方式满足园区经济发展的需求，建设20个以上厂区的屋顶光伏系统，光伏发电系统总装机容量达到30 MW。

3.3 蓄能系统

蓄能系统是将低谷时段的廉价电能进行蓄存，以减轻电网的峰值负荷，起到削峰填谷的作用。通常，区域的供冷、供热与蓄能技术相结合形成蓄能系统，其最大优点在于降低电网高峰负荷，减少运行电费。

如图4所示为水蓄冷系统原理图。当夜间用电低谷时，6台功率为9 MW的电动离心式冷水机同时工作，生产冷冻水，且储存在容积为37×103m3的水蓄冷罐中；平电和峰电时期，则由制冷机组和蓄冷罐联合运行，为1.125 km2建筑面积的区域提供空调服务。冬季时，蓄能系统充分利用燃气热电厂的余热和废热资源，为整个区域供热。

图4 水蓄冷原理图

上海华电莘庄工业区智慧型能源互联网项目的蓄能系统为3 MW。随着区域的开发，冷、热负荷将不断增大，当蓄能系统的能量不能满足整个区域的要求时，将考虑燃气电厂二期工程的余热供热。

4 能源数据中心建设

能源数据中心是“互联网+智慧能源”系统的智能中枢，处于基本逻辑架构中的大数据平台和应用层，其采用大数据挖掘、服务化架构等云计算关键技术，为工业园区建立统一的开发、运行和管理服务平台[17-19]。

能源大数据管理平台在高标准的、安全的网络环境下，使各业务系统得到安全、稳定地运行；同时，通过集约化部署，大幅度减少了带宽和资源的浪费。

基于综合能源大数据管理平台，能源数据中心包括信息融合、运行管理、决策支持、用户侧分析和商业模式5个内容，如图5所示。

图5 能源数据中心建设内容

(1) 信息融合。信息融合主要指由能源监测系统对园区内的各种负荷及相关能源、能耗进行监测与数据统计，包括相关电、热、冷设备的全寿命资产管理和日常检修保养等。主要完成以下内容：① 在能源互联网中，实现对清洁能源大规模的分布式“就地收集，就地存储，就地使用”，以及对冷、热等其他形式能源的监测； ② 实现对清洁能源发电信息的共享，以信息流控制能量流；③ 实现对清洁能源所发电能的高效传输与共享，减轻发电不稳定带来的不利影响，实现清洁能源的真正有效利用。

(2) 运行管理。主要包括3个方面:① 基于综合能源大数据管理平台,针对能源互联网中的多种能源形式、多时间尺度和多用户类型的特点，建立各种发电设备的动态模型和能源网络模型；通过能源网络模型达到描述能源互联网时空特性的目的；② 以能源网络模型为基础，以蓄能设备和储热设备为手段，根据蓄能设备的不同时间和能量特性，研究在不同时间尺度下的能源互联网调度策略；③ 针对能源互联网的即插即用和间歇性，采用基于时间驱动的滚动优化调度策略。

(3) 决策支持。决策支持系统是能源管理信息系统的高级形式，其在能源管理信息系统监控、管理和分析的数据基础上，利用经过处理和分析的信息，为能源运营商进行能源决策服务。能源互联网决策支持系统通过能源大数据分析，为园区管理者提供相关决策依据，为所有用户提供优化用能策略和区域节能措施。针对综合各种政策与整个园区用能情况等信息，通过大数据分析及相关核心算法对内、对外做出相关决策。

(4) 用户侧分析。“互联网+智慧能源”用户侧分析，是通过用户侧冷、热、电综合能源的消费结构、需求特点以及需求市场分析，即从需求的角度研究能源互联网用户侧冷、热、电的生产和消费，通过选择合理的能源供应方式和消费结构，来实现能源利用的最大效应，从更高层次上处理能源互联网需求侧和供应侧的关系，根本上达到节约能源的目的，为能源互联网的发展提供意见和建议。

(5) 商业模式。基于综合能源大数据管理平台，结合气象、社会经济、用电侧、用户信息、地理信息、电价政策等多种信息和因素，对用户类型进行细分，建立不同区域、不同行业、不同类别用户的典型负荷模型库，用以分析各类影响因素与用户用电行为之间的关联性及其影响机理。根据用电行为分析、能效管理、需求响应策略来评估电价政策，制定合理的价格套餐模式，为用户提供细分与定制服务等用电服务模式。研究能源的增值服务，包括用能咨询、节能解决方案、新能源汽车后市场等，建设能源资产的服务平台，包括能源资产的代理运行服务、开发和交易，能源资产证券化的互联网金融、电子商务等，形成多样化的电力供给和需求商业模式。

5 信息安全建设

信息安全作为一个不容忽视的国家安全战略，任何国家、政府、部门、行业都必须重视。对此，“互联网+智慧能源”系统除了定期对云服务器进行病毒防护系统升级外，还从以下3个方面进行安全策略建设[20-23]。

(1) 边界安全。为应对由于网络边界模糊产生的安全隐患，对信息系统的防火墙、入侵检测等边界系统进行安全改造，提供虚拟化环境下的安全保护措施。将物理防火墙进行虚拟划分，实现每个虚拟化后的防火墙不但拥有各自独立的管理权限，能独立监控和调整配置策略，也可同时并行操作。另外，虚拟化后的防火墙能像普通的物理防火墙一样，由不同的业务系统进行独立管理和配置，实现安全隔离。

(2) 数据传输安全。云端的数据传输主要有两种：用户与云端的远程传输、不同虚拟机之间的云内部传输。为了保证数据传输安全，进行端到端的传输加密，具体的技术手段采用协议安全套接层或传输层安全协议(SSL/TLS)，在云终端与云服务器之间、云应用服务器之间实现数据传输加密配置。

(3) 数据存储安全。本系统制定两种安全措施：对象存储加密和卷标存储加密。将对象存储系统配置为加密状态，即系统默认对所有数据进行加密;卷标存储加密是将卷标模拟为一个普通的硬件卷标，对卷标的数据存储加密，主要采用加密代理设备进行加、解密配置。

6 结 语

上海华电闵行能源有限公司“互联网+智慧能源”项目旨在应对我国新型城镇化可持续发展的需求，构建了一套以分布式能源为主的智慧型区域能源互联网，为新型城镇化园区的建设发展提供技术支撑和示范。以分布式能源(燃气分布式、分布式光伏发电)、蓄能装置为能源互联网体系的核心载体，通过大数据及互联网平台构建能源中心，进行全局的能源优化分析与决策。“互联网+智慧能源”CCHP系统的构建可对我国各地区域型能源互联网的建设发展提供一定参考价值。

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Architecture of Combined Cooling Heating and Power System Based on Internet Plus Smart Energy

GU Yuxin1， MAO Dajun2， DAI Xianya3， ZHOU Jingyi4

(1. Marketing Department， Shanghai Huadian Minhang Energy Co.， Ltd.， Shanghai 201108， China；2. School of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China； 3. Start Grid Suqian Power Supply Company, Suqian 223800, Jiangsu, China；4. School of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620， China)

To implement the national policy of Internet Plus Smart Energy, this paper studies a renovation project of combined cooling heating and power (CCHP) in Xinzhuang Industry Park for Huadian Minhang Energy Co., Ltd., Shanghai. Design of the overall scheme, base architecture, energy supply, energy storage, energy data center, and information security are described. The result of this study may provide guide to the regional energy internet in various areas of China.

internet plus smart energy; combined cooling heating and power (CCHP); energy internet

2017 -03 -26

顾玉新(1967-)，男，工程师，主要研究方向为天然气CCHP能源供应系统建设与效益提升， E-mail：guyuxin207@163.com

2095 - 0020(2017)03 -0181 - 06

TK 019

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