大用户综合能源建设方案及应用分析

刘建伟，赵 号，李学斌，刘 剑

(中国能源建设集团天津电力设计院有限公司，天津 北辰 300400)

0 引言

大用户综合能源系统呈现用能密度大、负荷利用小时数高、可再生能源比例增加、用能形式多样化等特点，是促进可再生能源就地消纳、 提高能源综合利用效率、实现节能减排目标的有效途径[1]。大用户作为各地的重点用能单位，是推进区域综合系统发展最急需也是最佳的切入点，具备广阔的发展前景和机遇[2-3]。

在大用户综合能源系统产业发展方面，相关的理论和技术成果已在国外得到应用，并完成了一些示范项目[4-6]。美国能源部提出了建设用户侧综合能源系统的开发计划，并启动了Chevron Energy、 ecoENERGY等几个示范工程。德国政府于2009年启动了E-Energy计划，利用需求响应，智能调度和能量存储等技术，依靠电力市场中的互动激励措施来消纳高比例的可再生能源，并建立了6个示范区。日本NEDO公司建立了智能工业园区示范项目，通过协调多能源调度，将电力、天然气、供热/制冷等多种能源系统有机地集成在一起，以提高企业的能源效率并满足用户的多级能源利用。国内也相继建立了一些综合能源利用示范项目，例如国家电网客户服务中心北中心公共建筑综合能源系统项目、国家电网天津电力公司北辰商务中心建筑综合能源项目、天津中新生态工程示范项目等。

目前，国内已有研究侧重于电力系统单一供能系统优化配置，对综合能源系统的协调开发与整体效益研究尚处起步阶段，缺乏成熟的多种能源产供用系统性的集成解决方案，大用户综合能源系统研究正处于概念、基础理论与示范阶段[7-9]，距离实际工程应用尚有一段差距。因此，亟需探索既符合国情又符合产业发展趋势的大用户综合能源系统建设方案与应用研究，促进大用户清洁能源就地消纳与综合能源的利用。

本文从大用户多能互补的综合能源系统工程建设出发，针对综合能源系统需求进行深入分析，阐述以用户为中心的综合能源系统架构，以及大用户综合能源管理系统，并对大用户综合能源系统建设思路和方法进行案例分析，为未来大用户综合能源系统的建设提供借鉴。

1 大用户用能系统和用能特性

1.1 大用户用能需求分析

工业大用户负荷模式识别是大用户供能方案设计的关键，是综合能源建设方案配置的基础，也是确定商业模式的依据。大用户用能需求分析通过负荷指标计算掌握用能水平，通过模式识别确定主要用能方式，辅助供能系统配置方案。

1.1.1 负荷特性指标

为了描述和区分不同类型大用户的负荷特性，需要使用负荷特性指标。描述负载特性的维度越多，负载特性识别越好。考虑到用户提供的信息有限，有必要在满足工程精度的前提下实现对大用户负载特性的描述。负载特性指标不仅要满足大用户对指标的区分和描述，还应考虑用户可以提供的信息[10]。综合考虑到这2个因素，得出负载特性指标计算方法，如表1所示，分别计算大用户电、热、气负荷的用能水平。

表1 负荷特性指标Table 1 Load characteristics

表中：Pav为平均负荷；Pmax为日用能峰值；Pmin为日用能基荷；Pav,peak为峰期平均功率；Pav,sh为平期平均功率；Pav,val为谷期平均功率。

1.1.2 负荷模式识别

大用户用电模式识别有以手工为主向计算机辅助计算转变的趋势，其中计算机算法有预处理技术、聚类方法、决策树模型法、评价指标法等[11-13]。结合大用户提供的参数，大用户负荷模式识别过程为：根据用户的提供参数，参照表1计算用户的负荷特性指标，然后反复进行数据处理、负荷识别、评价与反馈，最终生成用户分类和典型负荷分布。识别流程如图1所示。

图1 电力大用户负荷模式提取流程Fig.1 Load mode extraction process of large power users

1.2 大用户供用能系统分析

大用户综合供能系统一般独立运行或与配电网连接，呈规模小、容量小、分散式布置的特点，优先满足自身用能需求[14]。天然气分布式能源系统作为就地或就近解决能源需求的常用方式，可根据用户需求提供冷热电联供，因其更小巧的体积、更高的能效以及更低的成本，备受用户青睐。典型用户需求和系统配置特征如下。

(1) 工业用户。

用户需求特点： 稳定蒸汽需求或工艺用导热油需求、持续稳定的电力供应，对能源成本敏感。

系统配置的特征：主要考虑解决工业蒸汽、导热油或热风等用热需求；原动机按需求可采用燃气轮机(满足蒸汽需求)或内燃机(加热导热油)等；系统年运行时间长，一般高于5 000 h。

(2) 数据中心。

用户需求特点：供能安全性要求高；全年空调需求；持续稳定的电力供应。

系统配置的特征：较低电源使用效率；冷(热)比电接近1∶1，系统配置采用“以冷定电”+冷电平衡原则；原动机多采用内燃机，主要考虑内燃机发电量和其余热通过溴化锂之后产冷量接近1∶1，因此可保障系统经济性；供能安全性要求高，系统原动机、溴化锂及水泵等设备需采用N+1配置。

(3) 医院。

用户需求特点：全年热水需求；持续稳定的电力供应；严格的噪声及污染排放；经济的能源成本。

系统配置的特征：主要考虑解决全年热水需求及一部分持续稳定的电力供应，系统设计常采用“以热定电”原则；原动机宜采用微燃机以保证系统对噪音和污染排放的要求；系统年运行小时长，基本上可超过6 500 h。

典型综合能源系统适合场合及特性如表2所示。

表2 综合能源系统适用场合及目标用户Table 2 Application occasions and target users of integrated energy system

2 综合能源系统架构与管理系统

2.1 系统架构

以用户为中心的综合能源系统除了具备多种能源交叉互补、可提高能源供给的可靠性和经济性、可促进大规模可再生能源的消纳利用等特点之外，还具备如下特点：

(1) 互联网的普及为多元用户积极参与综合能源系统的交互提供可能性。

(2) 用户侧灵活资源的大规模普及为多元用户积极参与综合能源系统的交互提供了物质基础。

(3) 以用户为中心的综合能源系统呈现扁平化、 分布式布局体系。

(4) 以用户为中心的综合能源系统具有供需之间智能交互的运行特性。

(5) 以用户为中心的综合能源系统将促进端到端能源贸易的发展[15]。

综上所述，以用户为中心的综合能源系统包含了分布式电源、空调、热泵、电转气设备、电动汽车等用户侧灵活资源，实现了用能侧电、气、冷、热等多种能源形式的交叉互补和优化管理。

大用户电热气综合能源系统由电力子系统、热力子系统、天然气子系统和多能量转换设备组成，系统架构如图2所示。

图2 大用户综合能源系统架构Fig.2 Architecture of integrated energy system for large users

2.2 管理系统

大用户综合能源管理系统，是适用于工业园区、体育场馆、工业制造、智能楼宇、工矿企业、商业建筑等高能耗领域等大中型工商业用户，通常采用矩阵式架构设计，对能源数据进行精细化采集、分析、建模优化、预测及价值挖掘，面向系统优化、设备性能评估、风险分析预判、能量管理、运营管理、资产管理、预测性维护、节能决策等服务，从而达到提高运维效率、增加项目收益、运维成本透明化的效果。面向大用户综合能源管理系统正朝着基于云计算、大数据、能源物联网技术，通过集成用户能效管理系统、能源大数据、智能运维系统，形成源-网-荷-储高效的能源综合利用系统方向发展。

管理系统的主要功能为：(1)监控，包括水电、燃气、冷热等监控，实时采集及显示设备的运行状态和各种测量值。(2)预警，包括设备能耗、参数异常、告警管理等，统计并计算水、电、气、冷、热源、光伏等设备的总能耗值、最大值、最小值、平均值，对多个地理区域、多个功能区域的能耗进行排名，对各种能耗或能耗分项关键绩效指标进行定额管理，从而完成能源审计、诊断、告警、综合报表生成等任务。(3)控制，包括远程控制、系统联动控制、动态环境控制等，完成分布式能源管理、电动汽车充放电管理、微电网控制等功能。(4)运维，包括人工智能、能耗管理、辅助巡检等，以便为用户提供更好的综合能源运维服务。

管理系统平台的构建通常采用分层形式，分为测量控制层、本地通信层、数据采集层、远程通信层、系统管理等。测量控制层负责电、水、气、热等信息的测量和控制，包括智能表和相关测量控制设备等；本地通信层为数据采集层与测量控制层之间数据交互提供通信信道，可采用电力线载波、微功率无线、RS-485总线、M-Bus总线等；数据采集层负责测量控制设备的信息采集和监控，包括集中器和采集器；远程通信层为系统管理层与数据采集层之间数据交互提供通信信道，可采用光纤、无线专网、通用无线分组业务(general packet radio service, GPRS)、3G/4G/5G等数据传输网络；系统管理层是整个系统的管理中心，负责整个系统的信息采集，用能管理以及数据管理和数据应用等。组网方案可分自有服务器模式和租用云服务器模式，具体如图3所示。

3 综合能源方案设计与评价

3.1 方案设计

综合能源方案由于需要考虑的参数较多、数据输入量大等原因，选择设计难度较大，因此当前国内外并无成熟的可以借鉴的模型。 本文在查阅了大最资料文献的基础上，基于常规能源方案设计的基本模型，确定了大用户综合能源方案设计模型，见图4。

图4左侧为客观输入条件，包括资源储量、需求量及现阶段各类分布式能源的使用情况，仅是方案设计的前提条件。即：估算出的能源储量不一定都要开发利用完；预测出的能源需求，也不一定都要用分布式能源来供给。

图4右侧输入条件为方案实现所要满足的能源交易机制、保障措施和方法。外部市场环境和相关政策导向是设计未来综合能源服务运营模式，测算其盈利空间的重要边界条件。影响方案设计的条件主要包括：(1)上游电力批发市场发展程度，包括中长期交易市场、现货市场和辅助服务市场开展情况。(2)电力零售市场放开程度，包括区域内用户用电价格制定和对等(peer-to-peer，P2P)模式的分布式电源直接交易。(3)政府对于综合能源系统或者可再生能源微网项目整体的投资补贴或者优惠政策。(4)输配电价定价机制。综合能源不同板块的影响因素如表3所示。

图4上侧为安全约束条件，必须满足，包括功率平衡约束、设备运行约束、设备容量约束等。

图4下侧为政策及财务约束条件，必须满足。政策约束如企业所要满足的可再生能源利用目标，以及节能减排等相关要求。财务约束为企业投资所要达到的工程经济性指标。

3.2 方案评价

一般对于工程的经济性评价分析以盈利能力分析为主，清偿能力分析为辅，通过各种分析指标评价判断项目在经济上的可行性。大用户综合能源方案设计经济评价分析模型是在项目全生命周期内，综合考虑能源系统的生产协调调度优化问题，聚合不同供能单元间和不同能源品类间的能量传输供给，实现电、热等能量的平衡，从而准确地计算得出工程项目的经济性。

对于综合能源系统，由于装机规模和结构，供热方案、储能容量和形式、投资强度和经济性等都需要分析确定，方案评价是一个多变量寻优问题，常以投资内部收益率最高为目标[16-17]，采用“解耦研究、分步迭代”的方法进行，计算流程如图5所示。“解耦研究”指通过需求预测和可利用资源分析，提出电、热初步供给方案，实现热电解耦，进而确定不同能源需求品种的装机规模与结构。“分步迭代”指对初步供给方案确定的装机规模与结构，设置步长进行调整，计算得出以投资内部收益率最高为目标的较优解。

4 综合能源应用案例分析

某商务中心办公大楼位于国家级产城融合示范区内，采用综合能源建设形式进行能效提升改造，利用其中心屋顶、停车场及相邻湖岸等场地资源，建设了太阳能光伏发电系统、风力发电系统、风光储系统与大楼内既有的用电系统、地源热泵系统、电动汽车充电桩系统共同组成了一个综合能源应用系统，同时在以上系统基础上搭建能效分析与综合能源智慧管控平台。该项目分布式光伏、分布式风电、储能系统接入电网接线原理如图6所示，综合能源各子系统配置参数如表4所示。

图3 大用户综合能源管理系统物理架构Fig.3 Physical architecture of integrated energy management system for large users

图4 大用户综合能源系统方案设计模型Fig.4 Design model of integrated energy system for large users

表3 综合能源不同板块的影响因素Table 3 Influencing factors of different sectors of comprehensive energy

图5 大用户综合能源系统方案评价流程Fig.5 Evaluation process of integrated energy system scheme for large users

图6 电气系统接入电网示意图Fig.6 Schematic diagram of electrical system connected to power grid

表4 综合能源配置参数Table 4 Allocation parameters for comprehension energy

综合能源系统采用分层控制，分为设备层、站控层和上层运营管理层。以电动汽车充电桩为例，控制系统除能够实时监视整车充放电设备的运行状态外，还需具备专业化数据分析及能量控制功能，根据电价与能量需求指令实现不同阶段的充放电动态响应，追踪电力调度曲线以满足可移动能量储存单元与配电网的电能双向交换，具体监控系统组网如图7所示。

图7 电动汽车充电桩监控系统组网示意图Fig.7 Network diagram of electric vehicle charging pile monitoring system

该工程针对大楼能效现状进行分析，结合大楼特征，对大楼用电三相不平衡度、负载均衡度、谐波等电能质量运行指标考核与评估；对负荷特性进行分析，结合峰谷电价提出负荷特性优化建议；对电力配送、转换情况、及对变压器、电机类的经济运行提出建议，对主设备与辅助设备的协调匹配进行分析和建议；对电能效情况进行诊断和评估，提出综合能源建设方案，并进行成本效益分析，综合能源能效分析系统硬件构架如图8所示。

图8 综合能源能效分析系统硬件构架图Fig.8 Hardware architecture diagram of integrated energy efficiency analysis system

根据近1年的运行情况测算，商务中心大楼的综合能源服务实现了多种能源的互联互补，优化了管控平台的控制，能效比达到2.38，综合能源利用效率提高了19%。 新能源的自发自用、储能系统，地源热泵以及综合能源管控制平台的智能控制均取得了显著成效。年节电208×104kW·h，年节约电费140.61×104元，年减少温室气体CO2排放量2 073.1 t， 预计不到7年即可收回总投资成本。

5 结论

电力、天然气、热(冷)系统的差异性，给大用户多能源耦合的综合能源系统建设提出了巨大挑战，如何充分利用多种能源的互补特性，通过研究不同能源系统的工作特性和耦合机制，挖掘源-网-荷-储等各个环节能效空间，提升可再生能源的消纳能力，是综合能源系统建设的关键问题。相比传统能源系统分产分供的形式，综合能源系统在可再生能源利用、能效 提升、削峰填谷及经济性方面释放出新的价值空间，为区域低碳、绿色的能源发展提供了可持续发展的技术支撑，显示出综合能源系统的优势。本文通过对大用户综合能源建设方案关键环节的论述，对大用户用能系统和用能特性、综合能源系统架构和管理系统配置、方案设计及评价等进行了研究，并以某商务中心办公大楼综合能源建设为实例，验证了建设方案的合理性，希望可以为大用户综合能源建设应用以及策略控制提供参考。