上海世博园区智慧能源网技术研究与示范

余岳峰 唐士芳 王 洪 吕宇航 丁 美

1.上海交通大学2.上海世博发展（集团）有限公司3.上海世博城市最佳实践区商务有限公司

上海世博园区智慧能源网技术研究与示范

余岳峰1唐士芳2王 洪3吕宇航3丁 美2

1.上海交通大学2.上海世博发展（集团）有限公司3.上海世博城市最佳实践区商务有限公司

介绍智慧能源网的技术现状和发展趋势，以及在上海世博城市最佳实践区的智慧能源网技术研究和示范建设。在世博园区智慧能源网功能设计中，系统采用四层体系构架，其功能包括供能系统、用能管理系统和服务系统。在技术示范实施中，完成了感知层和网络层的具体实施，实现了平台层和应用层功能，建立了基于大数据分析的智慧能源模型。

智慧能源网；世博园区；大数据分析；能源模型

上海世博园区作为上海市政府明确的“六大重点功能区域”，以及上海市首批智慧园区试点单位，正以将园区建设成为“全球领先的城市生活方式引领者”作为战略目标，打造世界顶级的商务办公区和绿色低碳世博园区，使其成为上海乃至全国的智慧、安全、低碳示范园区。如何在世博园区构建“安全、绿色、高效”的能源系统，以安全保障为优先，以节能绿色为引领，推动世博园区能源方式转型，对建设智慧园区和向着智慧城市方向发展，以及上海城市的可持续发展和战略转型有着重要意义。

1 智慧能源网技术现状与发展趋势

智慧能源网是以现有的能源系统为基础，包括电力、油、气、储能和水务等，利用先进的计算机、通讯和传感技术等建立高一层次网络来统一管理，对传统能源的流程架构体系进行改造创新，建造新型能源生产、消费的交互架构，形成不同能源网架间更高效率能源流的智能配置和智能交换，并以强大的软件功能来实现海量数据优化管理和智能控制，以达到优化能源系统的目的。智能能源网也是随着智能电网的深入研究和开发而产生，两者之间的许多基本理念和技术特点都是非常相关的。我国智能电网已成为国家的重大发展战略，各大电力公司先后投入了大量资金和人力来开展智能电网的相关研究和试点。由于电能与其他能源之间的转换比较方便，所以智能电网会成为智能能源网的核心，而且与智能电网相关的许多技术也可以直接或间接应用到智能能源网上。与智能能源网相关的智能电网技术有：（1）高级量测体系（Advanced Metering Infrastructure, AMI），包括智能设备、传感器和测量技术等；（2）能源管理系统（Energy Management System, EMS），包括高级输配电系统、以改进电网运行和效率的高级管理系统、先进的控制方法和决策支持；（3）集成通讯和完善的接口技术；（4）高级组件技术，包括储能技术和诊断技术等。

随着互联网、物联网及相关信息通信技术的高速发展，“智慧地球”的理念于2008 年提出后就受到了社会各界的广泛关注，并由此引伸出许多对应于不同地理范围的智慧构想，智慧城市即为其中最引人注目的一个。由于云计算、移动互联网、大数据等信息技术的不断发展突破，智慧城市这一理念迅速被各界人士所接受，世界各国的一些城市相继提出了智慧城市的发展战略。智慧城市是城市化和信息化发展到一定阶段的产物，目前已成为城市发展的主要趋势。我国研究人员提出了智慧城市的特征：（1）全面感知。利用遍布各处的智能传感器和设备实现对城市物理空间的实时、全面、综合的感知，动态的获取城市的各类信息，进而对城市核心系统进行实时感测、监控及分析。（2）充分整合。运用物联网和云计算平台对多元异构数据进行整合，呈现城市核心系统的运行全图，搭建成智慧城市的信息基础设施。（3）智慧服务。一种新的可提供服务的体系结构，对所感知到的海量数据能够进行不同深度的处理、挖掘与延伸，为人们提供不同种类、不同层次、不同要求的低成本、高效率的智慧化服务。（4）协同运作。基于搭建的基础设施，建立公共服务和管理平台，能够为城市的各个关键系统和参与者提供和谐高效的协作能力，使城市运行在最佳状态。智慧城市将涉及的关键技术有：物联网技术、云计算技术、移动互联网技术、大数据处理技术、标准与安全共性技术和虚拟现实技术。

美国是世界上最早提出智慧城市概念的国家，作为全球领先的发达国家，美国智慧城市建设以促进国家经济繁荣和社会发展为目的开展。2009年9月美国中西部爱荷华州的迪比克市（Dubuque）宣布将建设美国第一个智慧城市。迪比克市智慧城市建设的目标是成为世界上首个一体化的“智能城市”，并成为其他城市发展的模板。迪比克市智能城市建设的核心就是智能的水、电和交通运输，利用互联网、计算机、传感器、软件等一套智能系统，用以指导政府、企业和市民用水、用电和交通运输。迪比克市智慧城市实施步骤为与当地电力与照明公司（电力）和能源公司（天然气）合作，为超过1 000 户家庭安装智能电表，为250 户家庭安装智能天然气表，还将300 户家庭所用的水表替换成具有智能接口的智能水表。这些智能仪器中使用了低流量传感器技术，能够检测到间歇性泄漏、持续泄漏等多种情况，可以有效防止公共设施和民宅水泄漏，减少浪费。在精准测量的同时，智能仪器收集到的所有数据还能够汇聚到一起，使得资源使用情况能够被绘制成图表形式，向居民和城市提供关于水、电、天然气消耗的实时数据。目前，迪比克市智能水、电表项目已经取得了良好的成效：总体用电量减少了11%，总体用水量下降了7 %，加入该项目的家庭用户数也已增长了8 倍多。

世界各国为了应对能源与环境压力，提高能源与资源的利用效率，大力发展可再生能源和走可持续发展的道路，率先提出了智能电网概念，后又提出了智能能源网和智慧城市概念。这些理念的提出和相应的技术发展，顺应了当前世界各国的经济建设和社会发展的需求。这些概念分别处于不同层面，可以从上至下覆盖，即智能电网可以是智能能源网的核心内容，而智能能源网又可以是智慧城市的重要内容。

2 世博园区智慧能源网功能设计

上海世博园区智慧能源网总体设计是以新一代移动互联网为核心，功能覆盖以下3种类型系统：（1）供能系统，即分布式能源中心，包括太阳能发电、冷热电三联供机组、地源热泵机组，以及常规制冷供热机组；（2）用能管理系统，包括办公楼宇智能管理系统、商业智能管理系统、场馆智能管理系统、路灯智能管理系统、楼宇3D智能灯光管理系统、雨水智能管理系统、污水监测管理系统；（3）服务系统，包括能源安全系统、能源统计系统、能源（节能）服务系统。智慧能源网功能结构见图1所示。

图1 上海世博园区智慧能源网功能图

上海世博园区智能能源网系统采用4层体系构架，实现界面表现与业务逻辑、数据访问分离，并且通过标准接口层连接外部的应用服务程序，从而提供可靠的数据交互通道。按从下至上的结构模式描述可分为4层。

（1）感知层（数据采集层）。采集园区内用能侧电力、水务、热力的实时数据；采集供能侧35kV电力监控系统数据、能源中心江水源热泵机组运行数据、太阳能发电光伏系统运行数据。

（2）网络层（信息传输层）。能源和资源信息数据的传输、双向互动数据分享等；传感器网络为有线网和无线网，传感层信息至平台层传输主要为有线光缆，平台层信息至应用层传输为无线公用Internet网，即可将数据信息传输至用户智能接收终端（智能手机、平板电脑等）或接受用户查询等。

（3）平台层（系统管理层）。能源网实时监控和设备运行管理系统，实时数据采集，数据及数据库管理，其他功能包括自动诊断、自动报警、自动记录、静态报表数据和动态实时数据综合分析；通过互联网向应用层传输实时数据，用于Web页面显示。

（4）应用层（节能服务层）。通过互联网接受实时数据，采用基于Web的页面显示技术；具有各种管理和应用供能，如节能与能源服务管理系统，功能为基于数据挖掘的节能潜力分析与智能响应、各能源品种消耗的合理分配、设备在不同负荷工况下的优化运行以及可再生能源技术和蓄能技术的有效应用；提高能耗动态监管和互联网大数据优化决策服务支持，并可为园区企业提供基础能源规范化管理服务，有效提高能源利用率。

3 世博园区智慧能源网技术示范

智慧能源网技术示范在上海世博城市最佳实践区（UBPA）实施。在技术示范实施方案中，感知层、网络层和平台层采用相对独立的3个子系统，即在感知层、网络层有：电能采集系统、供水计量系统和热力采集系统，相应的在平台层为：电能监控系统、供水监控系统和热力监控系统。3个子系统中，电能监控系统和供水监控系统汇集在北街坊的UBPA办公楼1楼监控室，而热力监控系统设置在南街坊的分布式能源中心内。北街坊UBPA办公楼和南街坊分布式能源中心可以通过光缆使3个子系统进行数据传递互通，3个子系统通过Internet以Web页面显示方式显示实时数据和分析结果以及实现其他业务应用，构成应用层（见图2）。

图2 智慧能源网技术示范实施系统构架

3.1 感知层和网络层实施

（1）电能采集与监控系统。目前已接入电能采集与监控系统的建筑共有4幢，都分布在北街坊，它们分别为：B1（上海设计中心南馆），建筑面积8 000m2，智能电表电能分项计量；B2（斯凯孚），建筑面积12 390 m2，智能电表电能分项计量；N3-1（星巴克），建筑面积500 m2，智能电表电能分项计量；N3-2（上海馆/沪上生态家），建筑面积2 217 m2，智能电表电能分项计量。

还将接入的建筑有：北街坊UBPA办公楼，建筑面积5 368 m2，采用智能电表电能分项计量；南街坊B3和B4楼群，各有3幢建筑（共6幢），B3建筑面积18 000 m2，B4建筑面积18 890 m2，都采用智能电表电能分项计量。

接入电能采集与监控系统的建筑共11幢（北街坊5幢，南街坊6幢），均采用智能电表的电能分项计量。各幢建筑智能电表的电能分项计量实时数据通过光缆全部汇入UBPA办公楼1楼监控室交换机，并在此建电能监控系统。太阳能光伏发电系统运行实时数据也接入UBPA办公楼1楼监控室的电能监控系统中。

（2）供水计量与监控系统。在北街坊的UBPA办公楼、N3-2（上海馆/沪上生态家），南街坊B3和B4楼群总水管安装智能水表，构建供水计量系统；通过无线网络将供水计量实时数据传输至UBPA办公楼1楼监控室，并在此建供水监控系统。

（3）热力采集与监控系统。热力采集与监控系统以江森公司在UBPA分布式能源中心开发的热力与江水源热泵机组能源管理平台为基础，系统对供热和制冷数据，以及分布式能源中心江水源热泵机组运行实时数据进行采集与监控。通过整合，将江森公司已有的建筑设施能效管理系统纳入园区智慧能源网技术示范范畴，并通过连接南区和北区的通讯光缆，实现园区新建信息系统与已有系统的互联互通。

3.2 平台层和应用层功能

平台层核心功能是能源监测服务系统，将园区的电力、水务和热力等能源与资源信息整合到一个统一的平台，监控各个能源(电、水、冷、热)使用状态，并对数据进行性能、效率的计量和分析，根据采集分析结果进行优化以实现节能、环保、经济的目的。平台层包括电能监控系统、供水监控系统和热力监控系统3个子系统，其主要功能为3个实时数据库管理和系统监控。如果考虑将平台层数据通过Internet网并以Web页面显示方式构成应用层，则将大数据分析，系统能源模型及智能协同控制的算法软件放在平台层实现。而以Web页面显示方式的应用层功能简化，只显示实时数据以及相应的趋势图表，以及由平台层完成的各应用软件的计算结果。

应用层为平台层的功能扩展，应用层与平台层的部分功能通过软件模型共同实现：能源网实时监控、设备运行管理和优化控制策略系统、节能与能源服务管理系统，功能为能源和资源消费实时监控（包括水表监控、电表监控、燃气表监控）、自动诊断、自动报警、自动记录、远程维护、人机交互，静态报表数据和动态实时数据综合分析，设备状况实时监控（空调末端监控、制冷站系统监控等），设备运行管理和优化控制策略（如设备启停安全控制，设备故障诊断，制冷机组冷水流速控制，泵组和通风设备变频控制等），优化控制以及可再生能源技术和蓄能技术的有效应用；基于数据挖掘的节能潜力分析与智能响应、各能源品种消耗的合理分配、设备在不同负荷工况下的优化运行、以及可再生能源技术和蓄能技术的有效应用；提高能耗动态监管和互联网大数据云计算优化决策服务支持，并可为园区企业提供基础能源规范化管理服务，有效提高能源利用率。

3.3 基于大数据分析的智慧能源系统模型

智慧能源网技术示范还包括基于大数据分析的智慧能源系统模型及优化分析。能源系统来自内外部的不确定因素纷繁复杂，具有连续/离散、随机/模糊以及多重不确定并存的特点。可以通过大数据分析技术，建立高效智慧能源调度模型，实现以安全可靠、经济高效、节能减排等多目标协调的能源调度决策机制。例如园区分布式能源中心江水源热泵机组的运行状态和江水温度，环境因素，外循环系统结垢老化，内循环系统流速控制等多种因素有关，基于智慧能源网平台，就可以采用大数据挖掘和分析技术，建立机组运行优化模型，最终找出优化运行方案。又例如以世博园区的能源利用效率，清洁能源和可再生能源使用率，节能减排量，供能用能平衡率，最佳供能端能源经济型指标为优化目标，以智慧能源网大数据分析平台为基础，提出高效智慧能源系统调度的快速仿真算法，最终实现园区高效智慧能源系统运行数据分析与调度决策的有效联动。

4 结论

以上海世博城市最佳实践区分布式供能系统和建筑用能为研究范围，通过智能仪表和先进的测量技术以及信息网络技术，实现园区消耗的电力、水务和热力等能源与资源信息的统一管理和实时监测；并以大数据平台为基础，建立多目标能源系统控制策略与调度决策动态优化模型，为今后提供反馈控制、优化用能和决策支持等智能节能服务，形成智能互动能源网奠定基础。世博园区智慧能源网功能设计，系统采用4层体系构架，其功能包括供能系统、用能管理系统和服务系统。在技术示范实施中，完成了感知层和网络层的具体实施，实现了平台层和应用层功能，建立了基于大数据分析的智慧能源模型。为以安全保障为优先、节能绿色为引领，推动园区能源方式转型，以及建设智慧园区和向着智慧城市方向发展提供了有益的探索。

美成功研制利用人体热量发电的“可穿戴热电发生器”

最近，美国北卡罗莱纳州立大学（NC State）研究人员进行了一项新设计，可吸收人体热量，将其转化成电量，供可穿戴设备使用，新设备名为“可穿戴热电发生器”（TEG），能利用身体和环境空气间不同温度差异来发电。

据介绍，TEG的基本原理是“泽贝克”效应，即两种不同的金属连接起来构成一个闭合回路时，如两个连接点的温度不一样，就能产生微小的电压。一般而言，温差越大产生的电压越大。“可穿戴热电发生器”产生的能量高达20 nW/m2。

新设备使用了一层附着在皮肤上的导热材料，将热量传播出去。导热材料顶部是一个聚合物层，防止热量消散到外界的空气中，迫使人体的热量通过处于中间只有1 cm2的TEG。整个系统厚度仅2 mm，而且充满柔性。

研发团队还进行了将TEG集成到T恤的实验。结果表明T恤中的TEG仍然能够产生6 nW/m2的电力，人在运动时可以达到16 nW/m2。

可穿戴技术还可以应用于长期健康监控。

Technology Research and Demonstration of Intelligent Energy Network in Shanghai Expo Park

Yu Yuefeng1, Tang Shifang2, Wang Hong3, Lv Yuhang3, Ding Mei2
1.Shanghai Jiaotong University 2.Shanghai Expo Development (Group) Co.，Ltd 3.Shanghai Expo City Best Practice Area Business Co.，Ltd

The article introduces technology situation and development trend of intelligent energy network with technology research and demonstration construction of intelligent energy network in Shanghai expo city best practice area. System applies four levels architecture, its function includes energy supply system, energy using management system and service system in intelligent energy network function design at expo park. The author finishes concrete implementation of perceptual layer and network layer during technology demonstration implementation, realizes function of platform layer and application layer, which builds up intelligent energy model based on big data analysis.

Intelligent Energy Network, Expo Park, Big Data Analysis, Energy Model

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.003

（李忠东 译）