临港科创城智慧能源管理研究

屈林乔 (上海市建筑科学研究院，上海　200032）

上海市《关于加快建设具有全球影响力的科技创新中心的意见》中将临港地区列为上海市建设科技创新中心的6个重要承载区之一。上海市《关于在临港地区建立特别机制和实行特殊政策的意见》，将临港地区定位为上海市实现创新驱动、转型发展的战略空间。建设临港“智慧新城”是浦东新区(国家第一批智慧城市试点)智慧发展的一项重点任务。临港也是国家第一批下一代互联网试点城区。临港受惠于国家智慧城市和互联网+战略的政策驱动。本文以临港科创城为基础，研究科技创新类园区的智慧能源管理规划。

1　临港能源管理特点及智慧能源管理需求

1.1　能源管理特点

(1) 能源品种主要是电能和天然气。临港科技创新城位于临港主城区，规划面积 3.2 km2，主要功能包括初创、总部办公、教育科研、战略型产业、居住休闲等。用地以教育科研用地为主，开发强度适中；能源供应主要为电能和天然气，没有城市集中供暖。其中天然气主要集中在住宅和商业建筑，整个临港科创城实现电力全覆盖。

(2)能源需求主要是低温、低压、低品位能源。临港科技创新城定位于先进制造业和现代服务业，能源的需求主要是用于保障建筑环境的照明、供暖、供冷、热水和办公设备的能耗。科技创新类园区对能源的要求不再是工业时代的高温、高压、高品位的能源。这为分布式能源和新能源在园区的推广提供了有利条件。

(3)先进技术的接受度高。园区定位为科技创新类园区，其中的居民、工作人员和企业机构均对新技术有较高的接受度，这为新技术的进驻提供了较好的环境条件。这主要体现在新能源技术和能源管理技术两方面。以此为基础可以在临港科创城进行新能源电力系统、新能源汽车和能源综合管理系统的试点工作。建议在规划中始终考虑到对智能电网的兼容。

(4)需求侧资源多样。新能源电力系统与传统电力系统相比双侧随机性和不可控性更加显著[1]，必须进行供应侧和需求侧的负荷调控以达到电网荷源协同，从而保障区域能源供应安全。科创城区域依靠国家电网进行电力供应，供应侧的调节主要由国家电网进行。园区内需求侧的负荷类型多样，存在诸如电动汽车充电桩、电加热、冰蓄冷等可转移负荷和居民空调、温控负荷等可削减负荷。

1.2　智慧能源管理需求分析

园区管理日趋精细化，通过智慧能源管理系统的建立，管理者对整个园区的能源结构、可再生能源的利用情况和典型建筑的能效水平都有了细致深入的了解，从而为保障园区能源安全指引低碳生态建设提供了数据基础。同时智慧能源建设也为园区需求侧响应策略的制定提供了数据基础和基础设施支撑。对于园区用户而言，智慧能源系统提供了建筑的实时能源消耗情况，同时也对建筑的能效水平给出评价。这有助于用户了解自身的能效水平，优化建筑能效从而优化能源费用的支出。此外，智慧能源管理系统的建设也为园区用户提供了参与需求侧响应的机会，有助于园区用户优化自身的能源费支出[2]。

目前国内的需求侧资源调度仍旧以行政手段为主。但是，新能源分布式发电系统和电动汽车等负荷资源的广泛接入和智能电网的发展使得需求侧响应的调控模式日渐成熟。园区的规划建设应该考虑到日后可能的多种形式的需求侧响应方式。

2　智慧能源管理系统架构

从确保园区低碳建设先进性、适用性出发，建立园区智慧能源管理系统，相应的平台总体架构见图1。

图1 园区智慧能源系统架构

(1) 综合管理展示层是在数据应用的基础上针对典型情景对关键数据进行展示，访问者可以快速直观地了解园区能源情况。

(2) 应用层是在数据层和应用支撑层的基础上集成和构建的各种业务应用系统功能。该层功能模块主要包括指标概览、建筑能耗监测、区域能源供应监测、低碳技术监控展示、统计汇总等功能。

(3) 数据管理层包括建筑能耗数据库、低碳环境数据库、低碳综合数据库，同时包含统一认证、系统管理、数据交换等应用支撑服务。

(4) 数据传输层和信息采集层主要包括系统软件、机房及配套、主机服务器系统、存储备份系统、网络、远程数据采集设备和其他基础硬件设施。

(5) 信息安全体系包括网络、主机、应用等安全防护、故障恢复及容灾等。信息安全体系是为保障信息体系各个层面的安全。

(6) 标准规范体系包括应当遵守的法律法规、标准规范体系。标准与规范支撑体系是保障整个信息体系规划和建设成功的软性因素，也是成功实施的最重要一环。

3　智慧能源管理规划内容

3.1　能源供给

全面掌控园区能源结构，实时监测可再生能源使用情况，对不同能源品种的实际供应量进行在线监测记录，评估园区的能源结构。根据历史数据与实时数据预测电网负荷，制定相应的平衡策略改善发电与负荷的时间匹配度，提高电能利用效率保障能源供给安全。

制定基于电价的需求侧响应机制。根据园区的运行数据划分园区用电的峰谷时段，根据负荷曲线确定峰值电价、谷值电价以及平均时段的基本电价。更进一步，可以根据预测的负荷曲线确定尖峰时段和相应的尖峰费率，与分时电价叠加，加大激励力度。

将园区视为一个整体，整合能源生产供应的各个环节，引入环境影响指数，统计展示园区能源消耗带来的环境影响。可分别展示园区在整体能源供应这一部分对全球温室效应(GWP)、臭氧层消耗量(ODP)、光化学烟雾生成(POCP)、酸雨(AP)、富营养化潜值(EP)的影响。其中，富营养化虽与能源管理无直接联系，但考虑到临港科创城中较为丰富的水体资源，仍旧建议将水质监测纳入规划。量化园区运行过程中的实际碳排放，丰富园区能源管理的维度和广度，为园区后续的节能减排和低碳发展提供参照指标。

3.2　能源管理

实时监测园区内的各类业态的能耗，分析评价典型建筑的能效水平，制定节能措施及相关配套策略。通过能源管理系统对城区各建筑能耗进行实时监控、分项计量，对不同业态、不同建筑、不同场合、不同时段的建筑的各能源品种消耗进行在线监测并记录，综合所纳入的监控能源信息及其他室外环境信息和室内环境信息，如空气质量、温湿度、声音、照度等，掌握实际能源消耗状况，通过智能分析，同时结合相关的建筑能耗要求，制定能源消耗控制预警线。

通过安装在城区电力传输设备机组线路的视频监控及电流、电压等各种传感器，能实时分析各种电力及传输设备的运行情况和运行状态，及时发现潜在的故障，能实时对视频监控内容进行自动判定及报警。实时监控电力传输设备及线路的运行安全，确保城区用电安全。建立园区能源管理中心，监管多种能源消耗、工况、报警、应急联动。

整合园区中分散的负荷形成负荷组，充分挖掘园区负荷的需求响应潜力，使得小负荷(如单个家庭用户)也可以参与到需求侧响应中去。

建设管理分布式能源和可再生能源装置，同时配置适当的储能装置，例如电动汽车。一方面增加需求侧响应的可控调度资源，从而强化需求侧响应的能力。另一方面推广可再生能源和分布式能源的应用普及，减少化石能源的使用，推进园区的低碳建设。

3.3　能源使用

通过信息采集传输和数据管理，用户可以实时了解自身的能耗水平、设备的运行状态和可能的需求侧响应机会。从而使得个体用户更加全面地了解自身的能耗水平，改善个体用户提升自身能效的可操作性，调动个体用户合理化用能的积极性。

通过安装的智能计量装置，实时监测统计单体建筑的能源消耗情况，在线生成建筑能源消耗报表。综合纳入其他室外环境信息和室内环境信息，掌握实际建筑能效，根据相关标准评价该建筑的能效水平，分析建筑的节能潜力。更进一步，个体用户可根据节能潜力的分布，有针对性地制定节能方案，高效推进建筑节能改造，优化自身的能效水平。

监测家庭用能设备的运行状态并对数据进行实时展示，用户通过访问平台或是其他访问终端了解自身涉及的设备的运行状态，监测用能设备，对异常运行进行报警应急联动。此外还可设定使用情景根据时间表控制设备的运行状态，或是用户通过智能终端实时控制设备的运行。智能运行模式在精细化了解用户需求时间表的基础上，为用户提供便捷的设备控制平台，在改善用户使用体验的同时，优化各类设备的运行时间表。

响应电网信号，进行相应的负荷调整，在平衡电网负荷的同时优化自身的能源费用支出。大用户可直接参与需求侧响应，对自身的负荷调节类型和负荷容量进行报价；小用户则可以通过园区管理方整合成负荷组参与需求响应。

3.4　综合展示管理

综合展示管理可以以低碳信息管理平台为载体。平台将集中展示城区的全过程能源管理，为园区管理部门的日常事务管理、低碳指标体系的对标情况展示、低碳技术的实际效果展示提供技术支撑和数据基础。为数据处理调配所需的计算能力，并对整个基础构架的后台进行管理。通过建立一体化运行指挥中心，汇聚整合各方面的信息，可以为临港地区的整体运行绩效提供数据统计、分析和地区运行优化方案提供数据支撑。在系统设计的过程中应全面考虑与大数据云计算技术的兼容性，为以后可能的平台迁移和深度数据挖掘预留发展空间。

3.5　数据管理层

园区内建设数据管理体系，对相关的数据进行分类存储、统一共享和分析挖掘等操作。设施包括建筑能耗数据库、低碳环境数据库、低碳综合数据库等，同时包含统一认证、系统管理、数据交换等应用支撑服务。

3.6　数据传输层

园区内建立完善的网络基础设施，如无线宽带网络和移动互联网，以此保障数据的传输。完善宽带网络结构，优化网间互联，扩容城域网络，提升网速。同时也应实现园区的4G 网络深度覆盖，构建可靠的全覆盖移动通讯网络。

3.7　信息采集层

能源监测系统和控制通信系统。在建筑中部署能源监测系统，实时监测能源使用情况，并将能耗数据实时回传给数据中心。安装控制和通信设备，实现部分可调控建筑耗能设备的远程控制，从而实现负荷的按计划调节和实时调节。

4　结　语

智慧能源管理是互联网大数据技术发展下诞生的一种新的管理模式。通过信息技术和大数据技术规划、设计、管理和运营整个园区的能源系统，促进园区能源结构的持续优化和能源供应的源网荷协同，可以改善园区用户的能效，提升园区的低碳水平。

参考文献：

[1] 曾博,杨雍琦,段金辉,等. 新能源电力系统中需求侧响应关键问题及未来研究展望[J]. 电力系统自动化,2015 (17) ：10-18.

[2] 高赐威,李倩玉，李彗星, 等. 基于负荷聚合商业务的需求响应资源整合方法与运营机制[J]. 电力系统自动化,2013,37 (17) ：78-86.