淺談工業(yè)園區綜合能源數字化系統建設方案-安科瑞 蔣靜

以下內容摘自微信公眾號：PPP產(chǎn)業(yè)大講堂，《產(chǎn)業(yè)園區中工業(yè)廠(chǎng)房的能源綜合配置》。

園區工業(yè)地產(chǎn)中能源綜合配置存在的問(wèn)題

我國園區工業(yè)地產(chǎn)建設已歷經(jīng)近40年的發(fā)展, 園區在區域經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)集聚方面發(fā)揮了重要的載體和平臺作用, 有力推動(dòng)了我國社會(huì )經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展。園區工業(yè)地產(chǎn)是國民經(jīng)濟的發(fā)展的重要載體, 但同時(shí)也是集中的環(huán)境污染源。綠色、低碳發(fā)展對園區工業(yè)地產(chǎn)尤為重要,園區迫切需要構建全新的清潔、低碳、安全的能源體系。園區因其經(jīng)濟基礎好、能源消耗大、產(chǎn)業(yè)集聚等特點(diǎn)成為了能源轉型與變革試點(diǎn)、示范的重要對象，是綜合能源服務(wù)的“理想試驗田"。

目前我國園區工業(yè)地產(chǎn)的能源系統主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

1、能源供應安全保障不足，很多園區由于供電、供氣、供熱等能源供應安全保障不足，影響其經(jīng)濟發(fā)展。

2、能源消費結構不合理，傳統能源的使用比例過(guò)高，給園區節能減排帶來(lái)巨大壓力。

3、管理方式粗放，管理平臺覆蓋率低，存在管控盲點(diǎn)。

4、新能源應用比例不高，開(kāi)發(fā)利用可再生能源的意識不足。

5、管理方式粗放，數據變量大、屬性雜，對于能源的使用情況難以實(shí)時(shí)掌控和直觀(guān)呈現。

在園區工業(yè)地產(chǎn)開(kāi)展電冷熱（暖）供應、多能協(xié)同供應、綜合梯級利用，以及低品位余熱利用等綜合能源服務(wù)，可以有效解決園區工業(yè)地產(chǎn)的能源利用問(wèn)題，越來(lái)越多的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)為解決園區工業(yè)地產(chǎn)用能問(wèn)題，已在這方面深耕多年。幫助園區工業(yè)地產(chǎn)在用能方面：運營(yíng)精細化、數據可視化、管理多維化。多層次完善園區整體及各項管理流程；運用數字分析手段，整合及協(xié)調園區資源，促進(jìn)園區的產(chǎn)業(yè)推進(jìn)，創(chuàng )建園區科學(xué)管理體系。

園區工業(yè)地產(chǎn)綜合能源系統架構

工業(yè)園區是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分，如何實(shí)現經(jīng)濟、環(huán)保的發(fā)展十分重要。綜合能源服務(wù)能夠實(shí)現多能綜合利用，提高能源利用率，增加可再生能源消納能力，成為節能減排的有效方式。園區工業(yè)地產(chǎn)在發(fā)展綜合能源服務(wù)方面具有天然的優(yōu)勢,隨著(zhù)我國能源變革進(jìn)程的不斷推進(jìn)，可以想見(jiàn)，未來(lái)園區的綜合能源服務(wù)市場(chǎng)將成為各類(lèi)市場(chǎng)參與主體開(kāi)展競爭的重要領(lǐng)域。

園區工業(yè)地產(chǎn)的能源消費情況

園區工業(yè)地產(chǎn)按其產(chǎn)業(yè)類(lèi)型可分為綜合類(lèi)、行業(yè)類(lèi)和靜脈產(chǎn)業(yè)類(lèi)園區。綜合類(lèi)園區工業(yè)地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)集群程度較高, 行業(yè)類(lèi)別較多,資源消耗種類(lèi)也繁多復雜;行業(yè)類(lèi)園區工業(yè)地產(chǎn)一般以某一類(lèi)行業(yè)及其衍生行業(yè)為核心, 資源消耗種類(lèi)相對簡(jiǎn)單,靜脈產(chǎn)業(yè)類(lèi)園區主要從事再生資源回收、加工和利用, 其用能類(lèi)型也相對簡(jiǎn)單, 以電等二次能源為主。

園區綜合能效提升分類(lèi)指導亟待加強

園區地域分布廣，資源稟賦差異大，個(gè)性共性兼具，園區間能耗總量和強度、碳排放總量和強度差異大。按照能源消耗總量和強度雙控向碳排放總量和強度雙控轉變的要求，不同地域不同園區差異很大，控能控碳哪個(gè)優(yōu)先、如何來(lái)控，缺乏分類(lèi)指導。亟需加強園區綜合能效提升的分類(lèi)指導，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。

園區能源基礎設施規模效率結構性鎖定

園區廣泛推行基礎設施共享，以熱定電為特征的集中式熱電聯(lián)產(chǎn)能源基礎設施普及推廣，但同時(shí)又呈現出“規?！?結構性鎖定，以及以化石能源為主的傳統能源與新能源供給結構失衡，導致溫室氣體排放結構性鎖定。目前，大部分基礎設施服役未到設計壽命的一半，園區基礎設施節能降碳改造需要解決好成本收益的平衡，能源加工轉化效率及系統優(yōu)化亟待提升。

終端電氣化面臨規模數量成本綜合制約

終端電氣化是園區深化節能降碳的關(guān)鍵舉措。當前，園區大部分企業(yè)的裝備電氣化面臨單體規模小、數量多的問(wèn)題，節能提效技術(shù)創(chuàng )新及裝備推廣存在投入成本高等短板。課題組對某典型精細化工園區進(jìn)行了專(zhuān)題研究，分析了其八大類(lèi)5000臺存量電機設備，總容量100 MW，單臺設備的平均容量約10kW，其中單機容量大于15kW以上的電機設備數量?jì)H占設備總數的35%，容量占81%，小規模電機的能效提升面臨較大挑戰，需要電機技術(shù)的整體提升。

拓展園區工業(yè)地產(chǎn)的綜合能源增值服務(wù)

工業(yè)園區的人地關(guān)系調控是園區綠色發(fā)展的重要科學(xué)問(wèn)題。園區尺度上，“人"主要體現為經(jīng)濟活動(dòng)，“地"即園區的資源環(huán)境基礎，主要表現為能源、水資源、土地資源、環(huán)境影響等。經(jīng)濟、能源、水、土地、環(huán)境構成了工業(yè)園區人地系統中的子系統，各子系統之間存在著(zhù)許多聯(lián)系與作用。能源、水、土地資源開(kāi)發(fā)利用既對園區經(jīng)濟發(fā)展及其生態(tài)環(huán)境有直接作用，又對更大尺度的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題產(chǎn)生影響。

園區綜合能源規劃的定量分析離不開(kāi)經(jīng)濟性測算結果。常規的經(jīng)濟性測算工具主要針對單種能源系統，當開(kāi)展綜合能源系統規劃時(shí)將面臨不同的稅收優(yōu)惠政策、不同的財政補貼方式、不同的項目評價(jià)周期及不同的可變成本系數。同時(shí)，園區綜合能源規劃的經(jīng)濟性評價(jià)結果需覆蓋系統全壽命階段，不僅考慮設備初始投資，還包括運行期內的外購燃料成本及運維檢修成本。

園區綜合能源規劃的經(jīng)濟性測算也跟采用的商業(yè)模式息息相關(guān)，采用常規銷(xiāo)售模式時(shí)，能源收入就是能源量乘以能源單價(jià)。采用節能量分成時(shí)，能源收入就變成了節能收益的分成比例。采用能源托管方式時(shí)，能源收入可能就變成了一個(gè)固定量。因此，建議在開(kāi)展園區綜合能源規劃經(jīng)濟性測算時(shí)需要多種等效方式，比如將不同周期的能源設備更替作為分階段規劃的一個(gè)節點(diǎn)，或者將部分設備的更替費用折算成更大的運維費用放入經(jīng)濟性評價(jià)。同時(shí)，園區綜合能源規劃需要及時(shí)更新稅收優(yōu)惠、補貼政策，確保園區綜合能源規劃經(jīng)濟性測算更加真實(shí)可信。

園區數智強鏈數字化電氣化工程

推動(dòng)數字要素、智能制造加快向園區集聚發(fā)展，促進(jìn)企業(yè)層面和園區層面數字化、智能化、綠色化發(fā)展，強化電力管理智能化，提升產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈、創(chuàng )新鏈協(xié)同配套能力，提高產(chǎn)業(yè)鏈韌性，增強產(chǎn)業(yè)鏈安全性，催生“產(chǎn)業(yè)化+數字化+智能制造"新業(yè)態(tài)；加強園區企業(yè)生產(chǎn)計劃、工藝技術(shù)、物料配送、設備監控維護、質(zhì)量管控以及能量流物質(zhì)流智能化跟蹤管理。

搭建數據驅動(dòng)的園區節能降碳決策支撐平臺，設計開(kāi)發(fā)園區基礎數據庫，并定期動(dòng)態(tài)更新，由專(zhuān)業(yè)機構和科研單位聯(lián)合運維并開(kāi)展數據挖掘研究，支撐管理決策。

加強園區電氣化建設。針對園區海量中低壓小容量電力用戶(hù)，開(kāi)發(fā)終端智控裝置和資源群控平臺，建立碎片資源喚醒聚合互動(dòng)新模式，以“小裝置"感知、柔性調節、本地控制用戶(hù)多類(lèi)型設備，以“大平臺"聚合可調資源，智能輔助決策，開(kāi)展分層分級響應；以“強服務(wù)"注重用戶(hù)無(wú)感體驗，拓展節能降費增值服務(wù)，實(shí)現政府、用戶(hù)、電網(wǎng)多方共贏(yíng)。

加強園區電力資源配置優(yōu)化。通過(guò)能源系統綜合規劃、多用戶(hù)互動(dòng)、電網(wǎng)協(xié)調控制及智能化改造，實(shí)現冷熱電氣協(xié)同、源網(wǎng)荷儲集群聯(lián)控；通過(guò)優(yōu)化負荷和儲能有功控制及電力電子設備無(wú)功調控對沖有功和無(wú)功沖擊，提升園區電能質(zhì)量；通過(guò)智慧電務(wù)，基于設備級用能數據，開(kāi)展精細化綜合能源服務(wù)。

--以上內容摘自微信公眾號：PPP產(chǎn)業(yè)大講堂，2023年5月23日《產(chǎn)業(yè)園區中工業(yè)廠(chǎng)房的能源綜合配置》。

1. 文章解讀

文章指出當前園區工業(yè)地產(chǎn)能源配置存在的主要問(wèn)題，包括能源供應保障不足、傳統能源比例過(guò)高、能源管理方式粗放、新能源利用比例偏低、對多種能源的使用情況無(wú)法實(shí)時(shí)掌握等。通過(guò)園區綜合能源架構：物理層、信息層、服務(wù)層三個(gè)層次進(jìn)行園區綜合能源的規劃、設計與實(shí)施，推進(jìn)園區工業(yè)地產(chǎn)節能降碳工程包括五個(gè)方面：園區節能降碳分類(lèi)指導能力建設工程、園區三級計量精細化物質(zhì)流能量流管理提升工程、園區基礎設施共生節能減污降碳提效工程、園區數智強鏈數字化電氣化工程和園區綜合能效提升系統工程。

近三年來(lái)，政府多部門(mén)發(fā)文均有提及針對工業(yè)園區節能減排工作指導意見(jiàn)，要求提升工業(yè)園區能源利用效率，加快園區能源數字基礎設施建設，利用數字技術(shù)構建智慧能源體系，打造綠色低碳型工業(yè)園區。

2. 工業(yè)園區能源數字化系統構成

把一個(gè)工業(yè)園區的能源系統看成一個(gè)微網(wǎng)，這個(gè)能源微網(wǎng)可能由微電網(wǎng)、給/排水網(wǎng)、供冷/熱管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)等等組成。要提高園區的能源利用效率，管理者首先要實(shí)現對園區各類(lèi)能源的精細化管理，實(shí)現多級能源計量和評估，這就需要建立一套園區能源的數字化系統，系統可以反饋整個(gè)園區能源的運行情況。能源數字化系統包括物理系統、感知系統和信息系統三個(gè)維度。

圖1 園區微電網(wǎng)數字化系統的三維構成

物理系統是能源的物質(zhì)基礎,實(shí)現能源生產(chǎn)、傳輸、供應等功能，以微電網(wǎng)為例，包括市電、新能源(光伏、風(fēng)力發(fā)電等)、變壓器、輸配電開(kāi)關(guān)柜、儲能系統、用電負荷（空調、照明、電機等）、V2G充電樁等等。

很多物理系統不具備數字化通訊能力，需要配置感知設備實(shí)現對物理系統的數字化展現，主要為二次設備，其中包括保護控制裝置、監測和計量?jì)x表、電量變送器、電能質(zhì)量分析治理設備等，這些二次設備組成了園區能源數字化的感知系統。

還需要把感知系統的數據通過(guò)簡(jiǎn)單易懂的界面展示給管理人員，并提供分析建議和控制策路以達到園區能源管理和節能降耗的目的。感知系統的大量數據通過(guò)邊緣計算網(wǎng)關(guān)采集并初步處理后傳輸給人機界面--信息系統，提供能源數據服務(wù)和控制、運維功能，網(wǎng)絡(luò )架構見(jiàn)圖2。

圖2 能源數字化建設網(wǎng)絡(luò )架構

3. 工業(yè)園區能源數字化系統功能

AcrelEMS工業(yè)園區能源管理系統幫助搭建工業(yè)園區的能源計量體系和能源管理，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數據技術(shù)，可實(shí)現園區電網(wǎng)電力監控、能耗統計、負荷預測、照明控制、負荷監控、充電樁運營(yíng)管理、分布式光伏監控、儲能控制管理、用水監測、暖通管網(wǎng)監測、環(huán)境監測、能源計費等功能，通過(guò)一套平臺實(shí)現園區能源數字化集中管理，達到可靠、安全、節約、低碳用能的目的。

圖3 園區能源管理系統功能一覽圖

3.1 電力監控，提升園區電網(wǎng)運行安全

AcrelEMS對園區變電站、高低壓變配電系統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無(wú)功補償柜及電纜等配電相關(guān)設備的電氣參數、運行狀態(tài)、漏電電流、接點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和控制，監測園區電網(wǎng)主要回路的電能質(zhì)量并進(jìn)行治理，對故障及時(shí)處理并發(fā)出告警信息，提高園區供電可靠性。

圖4 電力監控和溫度監測

3.2 新能源接入，提升園區能源供應安全

AcrelEMS接入園區分布式光伏電站運行數據，包括逆變器、箱變、計量?jì)x表及電能質(zhì)量監測裝置，協(xié)助管理者進(jìn)行光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統計，擴展園區供電容量，降低用電成本，減少碳排放。

圖5 光伏發(fā)電曲線(xiàn)對照分析

3.3儲能策略控制，提升新能源消納

AcrelEMS接入儲能系統（EMS）、電池管理系統(BMS)和儲能變流器(PCS)數據，為管理者提供運行模式監視和控制策略選擇，系統監測電芯電流、溫度、SOC、SOH，檢測直流系統絕緣狀況，并根據企業(yè)峰谷特點(diǎn)和電價(jià)波動(dòng)以及上級平臺指令設置儲能系統的充放電策略，控制儲能系統充放電，實(shí)現削峰填谷，促進(jìn)新能源消納，降低園區用電成本。  

圖6 儲能系統PCS監測和電池監測

3.4能耗管理，搭建計量體系

AcrelEMS采集園區電、水、熱、燃氣等能源消耗，搭建三級能源計量體系，進(jìn)行分類(lèi)分項能耗統計，計算單位面積或單位產(chǎn)品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進(jìn)行能效診斷，計算企業(yè)碳排放，為園區實(shí)現能源精細化管理，制定碳達峰、碳中和路線(xiàn)提供數據支持。

圖7 能耗分析

3.5負荷控制及計費，精細化管理降低能耗

AcrelEMS系統通過(guò)對園區建筑內部和公共照明的集中控制、感應控制、定時(shí)控制等方式節約照明能源，還可以幫助管理者更好地管理轉供電的能源收費，做到欠費提前通知、欠費控制以及支付對接，通過(guò)算法消納園區能耗公攤，避免不合理收費，保障能源收支平衡。

圖8 照明智能控制和能源預付費管理

3.6負荷預測，協(xié)調控制，保障園區供用平衡

AcrelEMS系統基于歷史負荷數據，結合天氣因素、園區生產(chǎn)計劃等，預測園區功率需求、光伏發(fā)電功率、充電需求，根據變壓器負載率和負荷變化，對園區可調可控設備進(jìn)行統一協(xié)調控制，引導有序充電，調整儲能充放電計劃，為園區制定能源計劃、優(yōu)化用能結構提供技術(shù)支持。

圖9 充電樁控制和功率預測

4. 能源數字化系統感知設備

園區能源數字化系統除了軟件外，還離不開(kāi)安裝于現場(chǎng)的各類(lèi)感知設備，包括高低壓配電保護控制裝置、監測和計量?jì)x表、電量變送器、電能質(zhì)量分析治理設備、照明控制器、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、水表、燃氣表、能量表等各類(lèi)產(chǎn)品，安科瑞可以為園區能源數字化系統建設提供一站式服務(wù)。

5. 工業(yè)園區能源數字化系統的建設意義

園區作為實(shí)體經(jīng)濟主戰場(chǎng)，未來(lái)隨著(zhù)經(jīng)濟持續增長(cháng)能耗總量和碳排放總量仍將繼續增長(cháng)。要實(shí)現雙碳計劃，工業(yè)園區節能減排任務(wù)相當緊迫，碳排放評價(jià)試點(diǎn)產(chǎn)業(yè)園區也開(kāi)始實(shí)施，如果我們還在依靠傳統的手段來(lái)管理園區的能源體系顯然是不可取的。國家主管部門(mén)陸續出臺政策推動(dòng)產(chǎn)業(yè)園區數字化轉型，打造綠色低碳產(chǎn)業(yè)園區，因此園區的能源數字化管理系統也是勢在必行。