李樹泉，李思維，楊世海，劉曉丹，岳靚

（1.國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心，天津 300010；2.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100070；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024）

1 引言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的進一步推進，電能逐漸成為主要能源傳送單元，提高區(qū)域能源系統(tǒng)利用效率已成為普遍共識。繼智能電網(wǎng)之后，能源互聯(lián)網(wǎng)成為人們關(guān)注的熱門話題[1]。2016年國家發(fā)展和改革委員會（以下簡稱國家發(fā)改委）、國家能源局發(fā)布了關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見，進一步明確了面向終端用戶電、熱、冷、氣等的系統(tǒng)集成應(yīng)用，通過統(tǒng)一管理、能量調(diào)配，實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級利用，同時明確了局域能源互聯(lián)網(wǎng)為最終能源消納主體的應(yīng)用單元。局域能源互聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)冷熱能源中心、區(qū)域分布式能源、微電網(wǎng)的建設(shè)思路，更合理地依托能源需求，實現(xiàn)能源管理的生產(chǎn)與消費匹配。

目前，國內(nèi)已建成了相當(dāng)規(guī)模的局域能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范，如江蘇蘇州工業(yè)園區(qū)多能互補集成優(yōu)化示范工程、北京海淀北部新區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目、安徽合肥高新區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范園、山東青島中德生態(tài)園多能互補集成優(yōu)化示范工程、寧夏銀川經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)區(qū)域綜合能源供應(yīng)及微電網(wǎng)項目等。

· 江蘇蘇州工業(yè)園區(qū)多能互補集成優(yōu)化示范工程，是國家能源局首批多能互補集成優(yōu)化示范工程，涉及天然氣、光伏、地源熱泵、儲能、微風(fēng)發(fā)電等多種能源形式，通過能源互聯(lián)網(wǎng)、能源大數(shù)據(jù)、多能互補集成優(yōu)化、需求側(cè)管理等技術(shù)手段，為園區(qū)提供高效清潔的能源支持，助推園區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。

· 北京海淀北部新區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目，實施了供熱（采暖和供熱水）、制冷及發(fā)電過程一體化的能源綜合利用，采用多種可調(diào)控負(fù)荷進行需求側(cè)管理，通過優(yōu)化不同類型能源的生產(chǎn)，提高能源管理水平、降低能源傳輸與分配損耗。

· 安徽合肥高新區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范園項目，由微網(wǎng)系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)、智慧能源管理系統(tǒng)和用戶互動服務(wù)平臺 4部分組成，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展清潔能源與終端需求側(cè)可控負(fù)荷協(xié)調(diào)運行，形成智慧、互動、開放的能源消費模式，實現(xiàn)不同能源供給的有機融合和智能化運營。

· 山東青島中德生態(tài)園多能互補集成優(yōu)化示范工程，將園區(qū)的燃?xì)舛嗦?lián)供系統(tǒng)、光伏、光熱、風(fēng)能、生物沼氣、地源熱、淡水源熱能、工業(yè)余能等新型能源進行綜合集成和高效利用，可實現(xiàn)多種能源的互補調(diào)峰，解決園區(qū)80%以上的能源需求。

· 寧夏銀川經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)區(qū)域綜合能源供應(yīng)及微電網(wǎng)項目，建設(shè)包含儲能電站、燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電站、微電網(wǎng)示范項目、綜合售能及智慧能源云網(wǎng)管理平臺的綜合能源供給體系，增強電網(wǎng)調(diào)峰能力，提高能源利用效率。

雖然能源互聯(lián)網(wǎng)的部分構(gòu)想和技術(shù)路線已在實踐中有所嘗試[2]，但是對集成的技術(shù)解讀和探討依然不足。本文圍繞著設(shè)計方案與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)匹配、設(shè)備與系統(tǒng)集成、系統(tǒng)與系統(tǒng)集成3部分開展局域能源網(wǎng)集成技術(shù)研究，實現(xiàn)了局域能源互聯(lián)網(wǎng)多系統(tǒng)間的高效集成技術(shù)，為局域能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與建設(shè)提供解決方案。

2 總體設(shè)計思路

2.1 局域能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)思路

能源互聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)造的能源體系，使能源以開放、共享的形式在網(wǎng)絡(luò)中傳送及互補使用，實現(xiàn)了能量流的優(yōu)化調(diào)控和高效利用[3]。一般的冷熱傳統(tǒng)能源中心、微電網(wǎng)項目遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到局域能源互聯(lián)網(wǎng)的要求，一方面，現(xiàn)有的冷熱能源中心、微電網(wǎng)單元主要考慮能源生產(chǎn)單元的自平衡，無法智能化感知、預(yù)測用戶側(cè)能源優(yōu)化利用；另一方面，現(xiàn)有冷熱能源中心、微電網(wǎng)基于單一能源技術(shù)集成，沒有考慮多種能源的混合集成問題。

基于天津東麗湖能源項目的局域能源互聯(lián)網(wǎng)以電能為支撐，以能源網(wǎng)運行調(diào)控平臺為中心，利用太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能等多種清潔型能源建設(shè)滿足區(qū)域負(fù)荷需求的能源供給網(wǎng)絡(luò)。局域能源互聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上分為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；在運行結(jié)構(gòu)上分為基礎(chǔ)系統(tǒng)層、單體系統(tǒng)層、局域系統(tǒng)層?；A(chǔ)系統(tǒng)層集成各種終端設(shè)備，采集數(shù)據(jù)上傳至上層，接收單體系統(tǒng)層的運行指令并實施，它是能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐層。單體系統(tǒng)層介于基礎(chǔ)系統(tǒng)層與局域系統(tǒng)層之間，對下層進行管理控制，接收上層的指令分析并轉(zhuǎn)化成下層可以接收的信號，它是信號傳輸?shù)闹袠?。局域系統(tǒng)層負(fù)責(zé)運行調(diào)度整個系統(tǒng)，相當(dāng)于系統(tǒng)的“大腦”。

2.2 局域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成思路

局域能源互聯(lián)網(wǎng)以電能為中心，靈活接納高比例分布式電源和其他多種能源形式[4]，全面整合區(qū)域內(nèi)分布式能源，廣泛集成能量信息，實現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)控制和綜合能效管理，建成多點接入、網(wǎng)絡(luò)共享、需求感知的能源網(wǎng)絡(luò)[5]。局域能源互聯(lián)網(wǎng)由電、冷、熱等多個能源系統(tǒng)構(gòu)成，電、冷、熱等多個獨立能源系統(tǒng)再由多個獨立的子系統(tǒng)或含有部分混聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)成，例如，天津東麗湖局域能源互聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)由電網(wǎng)配電、光伏、微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成，冷源系統(tǒng)由地源熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)、水蓄冷系統(tǒng)、常規(guī)制冷機組等構(gòu)成，熱源系統(tǒng)由蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)等構(gòu)成，有利于局域能源網(wǎng)運行調(diào)控平臺集成運行管理。局域能源互聯(lián)網(wǎng)總體技術(shù)集成如圖1所示。

圖1 局域能源互聯(lián)網(wǎng)總體技術(shù)集成示意

局域能源互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)集成一般由規(guī)劃方案與終端接入匹配、設(shè)備與系統(tǒng)集成、系統(tǒng)與系統(tǒng)集成3部分構(gòu)成。規(guī)劃方案與終端接入匹配主要為前期設(shè)備選型后，通過電氣部分通道共享、多系統(tǒng)冷暖通道共享、弱電終端共享，實現(xiàn)能源供需資源最大化共享及供給安全保障；設(shè)備與系統(tǒng)集成通過結(jié)構(gòu)化的布線、采集終端設(shè)置、計算機布置，將獨立的設(shè)備、系統(tǒng)、傳感單元集成在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)單元設(shè)備能夠在統(tǒng)一指揮下協(xié)調(diào)運行；系統(tǒng)與系統(tǒng)集成主要通過綜合能源運行調(diào)控管理平臺與其他本地化監(jiān)控系統(tǒng)集成，采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)信息模型，利用數(shù)據(jù)集成技術(shù)、業(yè)務(wù)集成技術(shù)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，友好地實現(xiàn)了人機交互及日常運行管理。

3 局域能源互聯(lián)網(wǎng)的集成

局域能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)集成技術(shù)根據(jù)不同模塊的協(xié)調(diào)分工，使各設(shè)備、終端在同一層內(nèi)、層與層之間實現(xiàn)自由而獨立的雙向通信。同時通過采用能源集成技術(shù)，將采集終端與模式控制器集成，子系統(tǒng)與設(shè)備集成，子系統(tǒng)與平臺集成，將會使各節(jié)點開放自由的互聯(lián)互通，促進各設(shè)備間能量的自由傳輸與信息的交互，提高能源的利用率，確保能源供應(yīng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3.1 規(guī)劃方案與終端接入匹配

局域能源互聯(lián)網(wǎng)是一項系統(tǒng)性工程，整個集成方法也是根據(jù)項目的實施步驟，按照時間總線進行推移，每一部分看似獨立卻又彼此相關(guān)，在開展規(guī)劃方案與終端接入匹配上，要確定項目的建設(shè)定位及目標(biāo)，再根據(jù)實際的能源負(fù)荷需求，結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域自然資源、氣候條件等情況，考慮后期運行經(jīng)濟最優(yōu)、綠色節(jié)能最優(yōu)等多個方面，最終確定設(shè)計方案總體思路。

第一步，在前期規(guī)劃設(shè)計階段要綜合考慮項目的地域特點及自然資源情況，選取考慮實施性、經(jīng)濟性的新能源應(yīng)用，確定好新能源應(yīng)用后，綜合考慮新能源與傳統(tǒng)能源的耦合性及互補性，實現(xiàn)規(guī)劃方案集成。第二步，基于規(guī)劃方案集成開展終端接入集成設(shè)計，完成能源生產(chǎn)、流向、管道結(jié)構(gòu)的確定，系統(tǒng)再通過冷、熱、電生產(chǎn)母線并列接入[4]，實現(xiàn)局域能源互聯(lián)網(wǎng)各功能模塊的共享、耦合，最終完成第二步終端接入集成。局域能源互聯(lián)網(wǎng)以電網(wǎng)為支撐，利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芏喾N可再生能源終端接入滿足區(qū)域內(nèi)負(fù)荷需求，如圖2所示。局域能源互聯(lián)網(wǎng)還以能源網(wǎng)運行調(diào)控平臺驅(qū)動冷、熱、電、熱水多種能源協(xié)同生產(chǎn)，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)能源生產(chǎn)與消費需求的動態(tài)匹配。

圖2 規(guī)劃方案與終端接入匹配

3.2 設(shè)備與系統(tǒng)集成

圖3列出通過集成冰蓄冷、常規(guī)冷水機組、地源熱泵等設(shè)備后構(gòu)成局域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)冷源子系統(tǒng)；通過集成地源熱泵、蓄熱式電鍋爐、太陽能換熱裝置等設(shè)備后構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)熱源子系統(tǒng)。為實現(xiàn)這些設(shè)備與系統(tǒng)之間的穩(wěn)定接入，首先，需要制定運行監(jiān)控系統(tǒng)與各終端能效采集設(shè)備之間的接口功能規(guī)范和通信協(xié)議；其次，需要研制相關(guān)的接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，開發(fā)相應(yīng)的模式控制器來實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的集成。

圖3 多種能源設(shè)備集成母線

圖4 設(shè)備與系統(tǒng)集成

如圖4所示，模式控制器是運行監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備之間集成的橋梁，設(shè)備與系統(tǒng)的集成通過模式控制器完成了數(shù)據(jù)的采集、指令的下達(dá)、協(xié)議的轉(zhuǎn)換。模式控制器需要兼具對底層終端能源設(shè)備下達(dá)指令并與上層系統(tǒng)通信等功能，進而實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的連接。模式控制器內(nèi)部與智能 IED裝置、遠(yuǎn)程 I/O端口、傳感器、執(zhí)行器、壓力變送器、智能儀表等終端設(shè)備聯(lián)通，集成為各終端采集系統(tǒng)；模式控制器外部與子系統(tǒng)互聯(lián)并傳遞控制信息。模式控制器通過信息交互總線與遠(yuǎn)程I/O端口傳遞控制信號；通過HART協(xié)議與壓力變送器、智能儀表傳遞控制信號；通過硬接線方式連接傳感器、執(zhí)行器等。

3.3 系統(tǒng)與系統(tǒng)集成

系統(tǒng)與系統(tǒng)集成主要通過綜合能源運行調(diào)控管理平臺與其他本地化監(jiān)控系統(tǒng)集成，采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)信息模型，利用數(shù)據(jù)集成技術(shù)、業(yè)務(wù)集成技術(shù)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，友好地實現(xiàn)了人機交互及日常運行管理。

在實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)上，各能源子系統(tǒng)之間通過通信總線互聯(lián)互通，各能源子系統(tǒng)與綜合能源運行調(diào)控管理平臺之間通過控制總線集成接入平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流、信息流和業(yè)務(wù)流的互聯(lián)互通。各能源子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)控平臺，調(diào)控平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘等一系列過程，形成調(diào)控策略，并將策略下發(fā)至各能源子系統(tǒng)，實現(xiàn)了能源生產(chǎn)和能源消費的協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化運行。

系統(tǒng)與系統(tǒng)集成主要考慮通信服務(wù)與數(shù)據(jù)應(yīng)用的一致性。常用的集成方法是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間點對點集成，兩個系統(tǒng)之間只要接口規(guī)范、通信協(xié)議統(tǒng)一，集成就可以成功進行。在數(shù)據(jù)集成方面，系統(tǒng)與系統(tǒng)集成采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)輸出接口、數(shù)據(jù)輸入接口，通過數(shù)據(jù)模型設(shè)計、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理，實現(xiàn)綜合能源運行調(diào)控管理平臺與其他本地化監(jiān)控系統(tǒng)深度數(shù)據(jù)對接，利用模型同步及消息指令引擎處理多信息的查詢訪問方法，實現(xiàn)了能量控制信息的交互穩(wěn)定，大大提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性、安全性以及實時性，同時也大大提高了數(shù)據(jù)管理效率。在通信集成方面，系統(tǒng)與系統(tǒng)集成采用統(tǒng)一通信服務(wù)，各子系統(tǒng)進行通信協(xié)議集成，實現(xiàn)局域能源互聯(lián)網(wǎng)通信一致性。在業(yè)務(wù)集成方面，通過對各能源子系統(tǒng)的特性分析，形成經(jīng)濟效益最優(yōu)、綠色節(jié)能最優(yōu)、能源利用效率最優(yōu)、綜合策略四大協(xié)同控制策略，并通過綜合能源運行調(diào)控管理平臺實現(xiàn)對各能源子系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)控。系統(tǒng)與系統(tǒng)集成如圖5所示，能源網(wǎng)平臺外部集成了太陽能發(fā)電子系統(tǒng)、光伏發(fā)電子系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電子系統(tǒng)等多子系統(tǒng)，能源網(wǎng)運行調(diào)控平臺內(nèi)部集成了能源監(jiān)測、能源調(diào)控、能源分析等功能模塊。通過平臺模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計，平臺能夠通過以太網(wǎng)、信息交互總線等方式，有效實現(xiàn)與系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)貫通、能源信息的雙向流動與多維共享、能源調(diào)控的有效執(zhí)行。

圖5 系統(tǒng)與系統(tǒng)集成

系統(tǒng)可選的集成方式有 3種[6]：第一，通過適配器集成，詳細(xì)規(guī)劃細(xì)分功能，將不同功能的子系統(tǒng)分布于不同的服務(wù)器上，通過接口適配器進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后接入總線連接，在不同的系統(tǒng)之間建立連接交互的通道。本集成方法適用于對已建成的局域能源網(wǎng)擴容或改造的情形。第二，信息交互總線集成，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議建立的子系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間的信息數(shù)據(jù)在不通過適配器連接的情況下，可以直接接入總線。這樣信息交互的數(shù)據(jù)明顯提高，適用于園區(qū)在規(guī)劃中的情況，可以通過建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來集成系統(tǒng)。第三，基于統(tǒng)一平臺式集成，可以在平臺上統(tǒng)一規(guī)劃并采集數(shù)據(jù)。這種集成方式可以開發(fā)出各種交叉業(yè)務(wù)，便于一體化采集。

4 局域能源網(wǎng)多系統(tǒng)集成實踐

本文所提方案在國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心（簡稱國網(wǎng)客服中心）北方園區(qū)進行了實踐。根據(jù)區(qū)域內(nèi)能量使用數(shù)量、目的、時間段等不同需求，通過局域能源網(wǎng)將區(qū)域內(nèi)的電能及其他清潔能源轉(zhuǎn)化為區(qū)域所需的冷、熱、電等能量，并通過運行調(diào)控平臺的優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)不同時段的耗能需求與能源生產(chǎn)的高度匹配[7]。園區(qū)接入8種能源轉(zhuǎn)換裝置，形成了4類底層控制信號，870項能源生產(chǎn)系統(tǒng)控制參量，遵從3種典型調(diào)控準(zhǔn)則。系統(tǒng)根據(jù)底層采集上傳的參數(shù)，分析存儲并下達(dá)控制指令。系統(tǒng)下發(fā)指令就會產(chǎn)生底層控制信號，這些控制信號負(fù)責(zé)向底層傳遞其能夠接收的指令，系統(tǒng)通過控制指令下發(fā)的控制信號達(dá)到控制子系統(tǒng)的目的。在系統(tǒng)平臺調(diào)度中，調(diào)度主站可以遵從4種優(yōu)化配比準(zhǔn)則：經(jīng)濟效益最優(yōu)準(zhǔn)則、綠色節(jié)能最優(yōu)準(zhǔn)則、能源利用效率最優(yōu)準(zhǔn)則、綜合策略準(zhǔn)則。通過調(diào)度準(zhǔn)則、下發(fā)的控制指令、產(chǎn)生的控制參量、回傳的采集參數(shù)等，區(qū)域電網(wǎng)實現(xiàn)了靈活接入多能源轉(zhuǎn)換設(shè)備。在能源信息實時采集、高度融合和深入分析的基礎(chǔ)上，形成內(nèi)部能源優(yōu)勢互補、互聯(lián)共享的局面，使園區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)成為間歇性清潔能源的接納器以及高效可靠的能量發(fā)生器，最大限度接納風(fēng)、光、地?zé)岬雀鞣N類型清潔能源。

5 結(jié)束語

本文重點介紹了局域能源網(wǎng)集成技術(shù)的研究思路，通過規(guī)劃方案與終端接入匹配、設(shè)備與系統(tǒng)集成、系統(tǒng)與系統(tǒng)集成等集成技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)高效、高可靠性集成，為國內(nèi)廣大的城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、大型公用設(shè)施（機場、車站、醫(yī)院、學(xué)校等）、商務(wù)區(qū)和海島地區(qū)等局域能源網(wǎng)的智能化集成與改造建設(shè)提供全面的解決方案。隨著電力體制改革的不斷推進以及可再生能源、儲能、電動汽車等電力相關(guān)技術(shù)與領(lǐng)域的發(fā)展，信息通信、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等基礎(chǔ)技術(shù)的滲透融合，局域能源互聯(lián)網(wǎng)未來在對資源進行優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，將實現(xiàn)用戶熱、電、氣等多元化用能需求的綜合能源供應(yīng)服務(wù)創(chuàng)新。

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