数字信息化技术在智慧能源项目中的应用研究

刘伟，唐喜庆，唐继旭

(上海航天智慧能源技术有限公司，上海 201112)

智慧能源系统是新能源技术、信息及互联网技术、储能技术等能源开发利用技术的最新成果和最新应用，横向上，通过电、气、热和冷综合能源服务实现不同能源品类的动态互补；纵向上，通过智能调度和先进储能实现电力供应侧和需求侧的灵活互动[1]。作为一种新兴的能源利用形式，以数字赋能实现智慧化和低碳化发展，并将服务前移，可以更好地贴近用户、服务用户[2]。构建智慧能源体系，能够加快推进能源供给侧清洁低碳转型，是实现“双碳”目标的必由之路。

本文重点关注数字信息化技术在智慧能源项目中的应用，以上海某园区智慧能源示范项目为例，介绍了项目多能互补方案设计，模块化能源站产品集成，对项目实施过程中图形化仿真、数字化设计、智能化运维等数字信息化技术的应用进行了研究和总结。

1 多能互补系统设计

项目包含219 kW分布式光伏发电系统、2×300 W分布式风力发电系统、微型气象站、MNY120多能能源站、NY40微型热电联产系统和14台新能源汽车充电桩。项目建成对增加园区可再生能源比重，保障供能安全，提高能源综合效率，实现节能减排，推动新能源汽车应用等方面具有重要意义。

项目基于“多能互补，系统集成”理念，构造微网与电网互补，风光资源互补，新能源与传统火电互补：正常运行时园区多能系统与电网共同满足用能需求，当电网失电时，微网系统实现无缝切换，确保重要负荷的安全运行；可再生资源利用方面，白天利用光照资源，夜晚利用风力资源为园区提供可再生电能，实现了风光互补。图1为项目拓扑结构图。系统集成方面，项目创造性的对微燃机、溴化锂机组、储能电池进行了结构布局、安装布置集成优化，实现多能供应和应急保障功能。一次能源利用效率方面，微型热电联产装置将排烟余热深度回收利用，能源利用效率达95%以上。与普通的风光分布式能源、三联供相比，多能互补系统可为园区提供冷、热、电、热水，并满足新能源充电的需求。同时，可再生能源消纳比例、一次能源利用效率以及供能安全性等均有大幅提升。

图1 项目拓扑结构图

1.1 风光分布式能源

园区3号厂房屋顶布置219 kW分布式光伏发电系统和2×300 W分布式风力发电系统。图2为楼顶光伏、风力发电、微型气象站。光伏系统主要由单晶组件、并网逆变器及计量装置组成。分布式风力发电系统由垂直轴风力发电机和并离储一体机组成，兼具并网和离网两种运行模式。为了对气象数据进行监测，三楼楼顶布置微型气象站，可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其通讯接口可接入微网能量管理系统，实时记录环境数据。

图2 楼顶光伏、风力发电、微型气象站

1.2 多能能源站

多能能源站MNY120布置在园区2号厂房外，MNY120采用模块化设计理念，将108 kW·h/PCS 50 kW储能系统、600 W微型光伏系统、Capstone C65微燃机、110 kW/82 kW吸收式溴化锂机组集成到一个撬装模块。图3为多能能源站MNY120。MNY120包含两个舱室，左边舱室为配电控制系统和储能系统，右边舱室为微燃机三联供系统，分舱设计充分考虑了储能系统温控要求和微燃机通风量要求。外围辅助设备包括天然气增压机、储气罐和溴机冷却塔，MNY120现场接入水、电和气即可工作。

图3 多能能源站MNY120

MNY120可提供冷、热、电三种能源，市政天然气通过增压机增压进入微燃机燃烧，将化学能转化为电能，并入园区市政电网，排出的高温烟气进入溴化锂吸收式机组，夏天产生空调冷水，冬天产生空调热水，供应园区部分办公区。储能系统利用峰谷价差，削峰填谷，节约用能成本。储能系统具有20 ms并离网无缝切换功能，在电网突然失电情况下可保障2号厂房数据机房、空气压缩机等重要负荷不间断运行。在离网状态下，储能系统可以作为微燃机黑启动电源，保证能源供应的可靠性。

1.3 微型热电联产

微型热电联产装置是小型化、模块化布置在用户侧的可同时发电和供热供能装置。微型热电联产NY40安装在1号厂房内，NY40额定耗气量为7 m3/h，额定发电功率22 kW，同时供热功率45 kW，折算40 ℃温差热水约1 t/h。NY40所发电量并入1号厂房配电柜，排烟余热热量用来加热水箱中的水。水箱中的热水主要满足1号厂房洗手间热水和员工淋浴的需求。

NY40从水箱下部取水，经加热后产热热水注入水箱上部，水箱中水温从上往下逐渐降低，当NY40取水温度达到设定值上限时自动停机，低于设定值下限时自动启动。图4为微型热电联产系统。

图4 微型热电联产系统

1.4 新能源汽车充电桩

为满足园区员工以及访客新能源汽车充电的需求，园区商务楼前布置充电桩。充电桩有交流和直流两种类型，交流充电桩一般体积小，充电速度慢，充电功率在15 kW以内。直流充电桩充电功率大，需要风扇散热，一般规格在30 kW～180 kW之间。结合园区使用需求和商务楼一楼配电柜容量，选择在商务楼前建设12台7 kW交流充电桩，另外2台7 kW交流充电桩并入MNY120配电柜。

2 数字信息化技术应用

项目在全生命周期内对数字信息化技术进行了应用和实践：项目前期决策阶段基于图形化仿真平台，对设计方案配置容量和运行策略进行了仿真模拟；项目实施阶段，采用数字化设计辅助项目实施，提高方案可视化程度和系统集成效率；项目运营阶段，利用智慧能源管理系统实时监测系统状态，挖掘园区节能潜力，确保智慧能源系统安全稳定运行在最佳状态。

2.1 图形化仿真

Mensys(Multi energy system simulation platform) 多能互补综合智慧能源仿真平台，可方便快捷的搭建不同结构形式的多能互补能源系统进行长周期、全系统动态仿真、评估、优化。平台采用图形化、模块化建模方法，具有可视化程度高，建模难度低，调试速度快的特点[3]。用户可根据智慧能源系统PID流程图对设备图符进行组态连接，平台可同步自动生成仿真模型进行仿真模拟。

项目中Mensys仿真平台主要用于项目前期评估优化，通过系统组态建模，对智慧能源系统综合能效进行评估，光伏容量进行多方案比选测算，同时对多能能源站、微型热电联产装置进行运行模式进行优化，软件功能、组态界面如图5、图6所示。以Capstone C65微燃机三联供为例，通过典型日工况进行仿真测试发现溴机制冷热惯性环节较大，与发电相比制冷延时明显，如果按照园区正常上班时间8:30开启机组，大约半小时后冷冻水回水才能达到设定值。因此，对机组运行策略进行了优化，工作日每天提前半小时开启机组，进入预制冷模式。

图5 软件整体功能划分

图6 风机、光伏、微燃机三联供仿真组态图

2.2 数字化设计

建筑信息模型(Building Information Modeling)技术是以三维可视化为特征的建筑信息模型的信息集成和管理技术。BIM能够应用于工程项目规划、勘察、设计、施工、运营维护等各阶段，实现项目各参与方在信息模型基础上的数据共享，支持对工程环境、能耗、经济、质量、安全等方面的分析、检查和模拟，为项目全过程的方案优化和科学决策提供依据[4]。

项目在设计过程中采用BIM设计手段，在规划、设计、施工等不同阶段辅助项目实施，提高方案可视化程度和系统集成效率，在进度、质量、施工指导等方面发挥了积极作用。规划阶段建立园区内场地、建筑的总体三维模型，初步布置智慧能源系统，便于规划方案的比选、展示汇报；设计阶段建立智慧能源系统BIM模型，体现系统设备布置、接口、管线布置等，用于三维展示、设计出图、施工指导等；施工阶段根据BIM模型，辅助指导施工准备、施工过程模拟、施工过程指导等，提前查找识别风险源，实现费用、进度、质量、安全的有效控制。图7～图9分别为项目VR虚拟现实展示、装配模拟、施工模拟。

图7 项目VR虚拟现实展示

图8 装配模拟

图9 施工模拟

2.3 智能化运维

智慧能源管理系统E2S是整个智慧能源系统的核心，对整个园区中各供能单元、发电设备、储能单元、电力电子装置、负荷的运行状态进行监测，在满足园区用能负荷需求及电能质量的前提下，对园区内部各 DG、储能设备及不同类型负荷进行合理调度，保证系统经济、安全、稳定的运行[5]。

智慧能源管理系统E2S主要功能包括：系统监控、历史数据查询、故障报警、能耗分析、优化控制、运行策略优化、新能源发电功率预测等。运维人员可以通过E2S实时掌握系统状态，及时发现故障报警，通过集中控制和调度优化，确保智慧能源系统安全稳定运行在最佳状态；管理人员可以通过E2S对大量历史数据的分析，从全局角度审视园区能耗现状，挖掘节能潜力并制定园区低碳发展战略。

项目中智慧能源管理系统采用“集中管理，分散控制”模式，设置能量管理中心对分布式风光、多能能源站、微型热电联产系统三个微网进行集中管理，同时监控园区配电、新能源充电桩使用情况。能量管理系统结构为两层：上位层为集中管理层，对智慧能源系统运行状态进行实时监控，对园区能耗数据进行统计分析。系统采集温度、辐照度、湿度、风速、风向等数据作为特征量，采用XGBoost算法对分布式光伏、风电进行出力预测。根据负荷需求、电力市场信息等数据，采用改进遗传算法(AGA)制定系统运行的调度计划；下位层为控制层，主要包括设备层控制系统和智能终端数据采集装置。其中：光伏逆变器、风电并离网控制系统，实现可再生能源最大出力MPPT跟踪控制。NY40控制系统，实现NY40启停控制，保护值设置，加热模式选择等。MNY120设置中央控制器，对储能系统、分布式三联供及外围辅助设备进行协调控制，实现MNY120的顺序启停、并离网运行模式切换控制、调度策略的执行等。

3 结语

智慧能源是先进能源技术与数字信息技术深度融合的新兴的能源利用形式，是推动我国能源转型升级、实现“双碳”目标的必由之路。项目建设过程中对数字信息化技术的应用进行了探索和实践。基于Mensys仿真平台，通过系统组态建模，对智慧能源系统综合能效进行评估，对系统配置方案，能源站产品运行模式进行了优化；采用BIM设计手段，在规划、设计、施工等不同阶段辅助项目实施，提高方案可视化程度和系统集成效率；建设E2S智慧能源管理系统，实时监测系统状态，挖掘园区节能潜力，确保智慧能源系统安全稳定运行在最佳状态。数字信息化技术与能源技术交叉融合是个不断深入的过程，大数据、云计算、区块链、人工智能等技术有力促进了能源生产、传输、存储、交易、消费全链条的数据信息连接，未来可以在质量管理、AI故障诊断、区块链能源交易、碳排放监测等方面进行更深入的实践。