碳中和园区智慧能源管理系统应用探索

王永芳， 戴天鹰

(1. ABB(中国)有限公司，厦门 361000； 2. ABB(中国)有限公司，上海 200023)

0 引言

全球变暖不断加剧，极端灾害频发，中国主动承诺，将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。 在此大环境下，园区将面临着能源结构的调整和能源系统数字化、网络化和智能化升级的挑战。 目前实现智慧园区“碳中和”的有效途径有:加大终端能源消费电气化率；建设光伏、风能、地热联产等为代表的清洁能源，提高新能源投建比例；通过智慧能源管理系统进行“源－网－荷－储”全网协调优化的柔性调控，提高新能源使用效率。

1 智慧园区能源管理面临的新挑战

1.1 新能源的调度管理和提高使用效率

分布式清洁能源及储能系统接入园区后，能源管理系统将面临对新能源的管理和提高使用率的难题。 分布式能源既可以直接给负载供电，又可把多余的电能储存在储能系统，进行柔性调配使用或者出售给公共电网，能源流向双向可逆给电网的调度管理带来困难。 光伏或风电等清洁能源的发电还存在不确定性，使得使用率偏低，通常只占到园区用电的5%～10%，因此能源管理系统需要在整个园区层面进行统一管理，调节微电网，实现多能互补调度，提高新能源的使用率。

1.2 信息孤岛对园区层面管理带来难度

典型的工业园区按功能分为有生产设施办公设施、员工住宅楼以及为园区提供基础服务的场所。 通常各区域能源管理系统是独立建设，分开管理的，各系统独立运行，信息不共享，存在信息孤岛现象，能源使用上只监测数据没有调度和优化，无法实现从园区层面上的进行能源的柔性调配，统一管理。

ABB 深入分析智慧园区能源现状，结合电力行业的百年经验和能力，利用“云计算、物联网、移动互联网、大数据及人工智能”等新一代数字技术，打造了ABB AbilityTM智慧能源管理系统，集成“智慧建筑＋新能源＋智能制造”的方案，把园区的各区域功能打通，在电气和信息上实现系统连接。 打造碳中和智慧园区，实现能源的安全可靠、智能高效使用。

2 智慧园区能源管理方案

2.1 系统架构简介

ABB AbilityTM智慧能源管理系统(以下简称“智慧能源管理系统”)分成设备层、通讯层和管理层(图1)。 支持300 多种专业电力行业通信协议，灵活接入各厂家的各种设备；采用分布式的网络部署架构，可实现分布式控制，集中式管理；应用层具备软PLC 能力，可提供可靠的控制能力，另外通用的软件平台快速进行针对性的算法及应用的部署(如智慧能源调度、储能实时监测、负荷精准预测、配网安全运行、设备健康管理、能效优化策略、地理信息管理等)，实现多维度多角度的统一管理，代替人工分析，对园区用电管控起到辅助决策的作用。 典型的智慧园区能源应用系统架构图如图2。

图1 智慧能源管理系统平台架构

图2 ABB AbilityTM智慧园区能源应用架构图

2.2 系统功能

2.2.1 智慧能源系统和智慧建筑的关联

建筑是园区的基本单元，同时也是城市能源消耗的主体。 全品类能耗监测模块可实现三级配电能耗数据的高颗粒度采集；楼宇自动控制系统完成水泵、通风、冷热源、给排水、锅炉、电梯等设备层自动控制；其次，结合AI 算法，实现系统层精准能效调控，打造建筑智慧能源典范。

(1)基础调控模式:根据预先设置的优先级和时间进行调节，设备层响应系统发出的能源调节指令，释放功率用于其他负载。

(2)智能调控模式:结合传感器采集的信息，系统预设多种场景模式进行调节。 设备层响应系统发出的能源调节指令，释放功率用于其他负载。

(3)场景AI 调控模式:以传感器信息为基础，结合门禁、视频人脸识别等异构系统数据，搭建基于场景的AI 大数据分析算法，实现系统层与设备层互动协调，将经济性与舒适性进行有机统一。

得益于智慧能源系统的数据共享，可实现多种能源与多栋建筑之间的联动调控、灵活调节建筑能源需量等。 高弹性的能源调节，确保资源按需使用，推动园区可持续发展。

2.2.2 智慧能源系统和智慧生产的关联

电力是工业生产的核心基础，工业对电力供应的稳定性及电能质量提出更高的要求。 ABB 在提供安全可靠配电设备的基础上，还可面向细分场景提供针对性解决方案。

针对工业节能减排的需求，将厂区用能及分布式发电设备全面接入智慧能源管理中台，结合工厂MES 制造系统，提供能源最优配置的生产排单计划，降低能源成本。 其次，当处于生产高峰时，联动园区其他辅助设备，如充电设施和暖通等设施，短时间内为生产让步，避免尖峰负荷及配电设备过载。 同时，智慧能源系统可以帮助落实企业碳足迹核查、碳排放评估监测等，利用先进的数字化技术与手段， 建立高效的管理规章与制度， 遵循ISO50001 能源管理体系。

针对产线上电能质量敏感设备，提供动态电压稳定方案，无需储能设施即可在10ms 内稳定电压波动，确保精密设备不停机，提高良品率，助力高端制造无忧运行。

2.2.3 智慧能源系统和新能源调度

新能源就地消纳的核心是多能调度算法，包括经济调度算法及大数据调度算法。 经济调度结合分时电价、新能源出力规律，预置发、配、用逻辑，完成微电网管理；大数据调度则在经济调度的基础上，通过数据聚合与大数据分析，实现光伏发电预测及负荷预测，将微电网调度颗粒度进一步细化，优化用电成本，提高电源使用效率。

(1)经济运行模式下

白天，阳光充足时，利用储能灵活性，实现光伏满发满用，并稳定电网的功率需求。 光伏发电不足时，储能进行短时间补充供电，若长时间发电不足，则储能仅在峰值电价期间供电。

夜间，峰值电价期间，储能单元放电，降低峰值电费。 夜间谷值电价期间，储能单元充电至预设容量值。

(2)大数据调度下

增加对光伏发电的预测，增加负荷预测。 将多种方案预先进行沙盘推演，得出当天经济最优的储能充放电策略及负荷柔性调节策略，进一步降低5%的能源成本。

除了微电网管理系统，ABB 最新的“光储直柔”智慧园区能源方案，以直流系统作为新能源的连接，系统架构如图3。

图3 光储直柔能源方案

2.3 系统优势

相比传统的能效管理系统，智慧园区能源系统具有如下的优势。

(1)开放的系统架构

灵活的系统架构，快速打通园区内各个用能场景，实现园区能源分布式控制集中式管理，从而提供以平台为中心的管理模式。 并且降低重复投资的成本和后续维护工作量。

(2)灵活的应用部署

基于开放的系统平台，将应用功能快速部署到园区内，包括:光储充多能互补调度、智慧能源＋智慧生产的联动实现智慧调控技术、虚拟电厂应用、有序充电应用、大数据负荷AI 预测算法应用、基于数字孪生技术的资产健康管理应用、基于数字化IEC61850 技术自知自愈园区配电网应用。

根据项目经验，通过智慧建筑智慧能源解决方案，供电可靠性可达99.9999%，年均停电时间＜30s；且电能质量100%达标，智慧能耗降低2%～6%；减少碳排放30%以上；同时减少设备维护成本20%，减少20% 非计划停机，减少20% 计划检修时间。

3 智慧能源管理在智慧工业园区应用示例

ABB 厦门工业中心是ABB 全球最大制造基地之一，占地达600 亩。 2020 年启动园区智慧能源升级改造工程，在现有电力能源上，增加屋顶光伏系统、储能系统和充电桩等设施，通过ABB 综合能源管理系统进行统筹调配，并上传到合作伙伴的云端交易管理平台。

3.1 项目情况概述

项目架构如图4 所示。 分成能源层、运行管理层和云端交易三层。 在厂房屋顶增加7.5 MWp 光伏(占用10 万m2工厂屋顶面积)，建设300kW/1MWh 储能系统及4 台60kW 直流充电桩和7 台7kW 交流充电桩等设施。 各种能源通过ABB 智慧综合能源管理系统在园区层面统一进行调配管理，上传到合作伙伴的云端管理平台进行电网调度及电力交易。 能源管理系统进行优化计算及碳减排预测，给出节能量及碳减排的实时数据显示。 能源管理系统与办公楼的楼宇控制系统对接，对暖通等设施进行负荷调配。 能源管理系统还与MES 制造系统联动，提供能源最优配置的生产排单计划，降低能源成本。

图4 智慧工业园区方案图

采用合同能源管理商业模式，由综合能源公司负责投资。 能源管理要求:优先使用新能源发电，并通过储能系统，实现新能源100%自发自用；通过储能实现削峰填谷，降低峰值电度；暖通空调及充电桩作为可调负载，作为第二优先级调节。

3.2 综合能源管理价值

厦门中心项目将采用合同能源管理的模式，能源公司总投资约3 500 万人民币，园区管理者前期无需额外投资即可享受节能收益，预计全生命周期25 年可累计节约电费1 200 万人民币，年均减少CO2排放8 500t。 新能源使用比例提升到园区用电的25%。

4 结束语

“双碳”战略目标给工业园区带来能源结构调整和管理的数字化升级的挑战，ABB 利用“云计算、物联网、移动互联网、大数据及人工智能”等新一代数字技术，结合对智慧工业园区能源的深入理解和分析，打造了ABB AbilityTM智慧能源管理系统，集成智慧建筑＋新能源＋智慧生产，为实现“碳中和”智慧园区能源管理提供新的解决方案。 以期能为能源管理技术的应用提供借鉴。