ABB新一代数字技术智慧能源管理系统简析

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新一代数字技术智慧能源管理系统简析 戴天鹰 （ABB （中国） 有限公司上海分公司，上海市 200023） 王永芳 （ABB （中国） 有限公司，福建省厦门市 361000） Brief Analysis of a New Generation of Digital Technology Smart Energy Management System DAI Tianying （ABB（China） Limited Shanghai Branch，Shanghai 200023，China） WANG Yongfang （ABB（China） Limited，Xiamen 361000，Fujian Province，China） Abstract： Analysis of the energy structure revolution and the new challenges brought by digital upgrades faced by future building energy systems is conducted. Smart energy management systems for building groups or commercial parks are developed through a new generation of digital technology，which could provide assistance to build a green，low⁃carbon， safe， reliable， smart， and efficient smart building energy system. The practical value brought by the smart energy management system is also analyzed through the case. Key words： smart energy management； low⁃carbon building； energy structure adjustment； energy system digitization； energy⁃consumption optimization strategy； precise load forecasting； equipment maintenance management； new energy dispatch 摘 要：分析未来建筑能源系统面临能源结构革 命和数字化升级的新挑战，利用新一代数字技术，针 对建筑群或商务园区，开发了智慧能源管理系统，助 力打造绿色低碳、安全可靠、智能高效的智慧建筑能 源系统，并通过案例分析智慧能源管理系统带来的实 际价值。 关键词：智慧能源管理；低碳建筑；能源结构调 整；能源系统数字化；能耗优化策略；负荷精准预 测；设备健康管理；新能源调度 中图分类号：TK01 + 8 文献标识码：A doi：10. 3969 / j. issn. 1003 － 8493. 2021. 05. 010 0 引言 2020 年 9 月 22 日，习近平在第七十五届联合国 大会上表示，中国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，2060 年前实现碳中和。至此以来，“碳 达峰”和“碳中和”成为国家重要战略部署。新时代 的中国能源发展白皮书提出修订实施 《节约能源法》， 健全节能管理等配套法律制度，并提出实行能源消费 总量和强度双控制度，加强节能管理。随着城镇化发 展，中国建筑物能耗占全社会能源消费比重达到 32 %，而目前建筑物由公共电网供电，能源成本高， 碳排放居高不下。因此建筑必将面临能源结构的调整 和能源系统数字化、网络化和智能化的升级。接入光 伏、风能为代表的清洁能源，提高新能源建设比例， 大幅降低能源成本；通过智慧能源管理系统进行全网 协调优化，提高新能源使用效率，加大终端能源消费 电气化率是实现建筑“碳中和”的有效途径。 ABB 公司创新的智慧能源管理系统是应对建筑 物能源结构革命和能源系统数字化带来的挑战而开 发，本文结合智慧能源管理系统从电源、电网、负 作者信息 戴天鹰，女，ABB （中国） 有限公司上海分公司，工程师，技术专家。 王永芳，男，ABB （中国） 有限公司，工程师，系统架构师。 55 BUILDING ELECTRICITY R 2021 年 第 5 期 荷、储能、设备端等环节来阐述如何对建筑物能源系 统进行管理，打造低碳、清洁、高效的绿色建筑。 1 建筑能源结构调整的挑战 分布式能源 （光伏、风能、地热能及生物质清洁 能源） 及储能系统接入建筑物后，电力系统安全及能 源管理将面临很多新的挑战： a. 新能源的调度管理。目前建筑物电能来源仅 为电网，电源从源端到负载端单一方向配送，而当建 筑物接入新能源后，这些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 性调配使用或出售给公共电网，因此建筑物供电系统 变为多种电源接入的交、直流微电网，分布式能源流 向是双向可逆，这要求能源管理系统进行统一管理， 实现多能互补调度，调节微电网，实现新能源的就近 消纳。 b. 配电网的保护和控制。配电网的中压和低压 保护设备各级间需要进行联动，实现多层级选择性保 护配合，快速识别定位故障及快速自愈。传统电网采 用保护方式为逐级整定，延时跳闸，这很难在含有 交、直流微网的复杂电网中实现快速故障定位和 自愈。 c. 负荷管理的优化。优化负荷管理需要对负荷 进行分析和预测，识别新能源接入用电端的用能情 况，判断什么时间、什么电源的出力能力和流向跟 踪，建立起负荷端和能源端柔性调配；对尖峰负荷进 行“削峰填谷”，实现建筑内能源平衡，缓解变压器 增容的需求。 d. 储能系统的问题。储能系统是实现电网平 衡负荷，提高清洁能源发电比率的重要手段，但电 池的可靠性、电池衰减和转化效率是系统安全和高 效运行的障碍，因此需要对储能系统进行柔性调配 和控制。 e. 设备端的数字化及智慧运维。智慧建筑的电 力设备可靠性要求高，巡检维护工作量大，因此需要 智慧运维。随着物联网技术的蓬勃发展，万物互联的 时代已经开启，ABB 在深入分析智慧建筑能源现状 及挑战的基础上，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，结合电 力行业的百年经验和能力，打造了 ABB Ability™智慧 能源管理系统，克服了目前建筑能源结构革命和能源 系统数字化遇到的种种挑战，助力打造绿色低碳、安 全可靠、智能高效的智慧建筑能源系统。 2 ABB Ability™智慧能源管理系统 2. 1 系统简介 ABB Ability™ 智慧能源管理系统设备接入层支 持 300 多种专业电力行业通信协议，灵活接入各厂 家、各型号的设备；在部署上，采用分布式架构，可 实现分布式控制，集中式管理；在应用层上，系统具 备软 PLC 能力，可提供可靠的控制能力，通用的软 件平台可快速部署针对性的算法及应用 （如智慧能源 调度、配网安全运行、负荷精准预测、储能实时监 测、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，对建筑物用电管控起到辅助决策的作用。其系统 架构如图 1 所示。 2. 2 系统功能 智慧能源系统除了实现传统能源管理系统能耗数 据的收集、分析、显示和优化的基本功能外，其创新 的高级功能模块如下： a. 智慧能源调度模块。对新能源的接入调控、 消纳能力以及储能单元的柔性调配，实现“削峰 填谷”。 举例来说，对微电网柔性调度实现多能互补的调 配方式如下：① 基础调度：光伏优先供电，储能单 元平滑光伏输出；峰谷电价时给储能单元供电；尖峰 值电价时，储能单元放电，余量上网。② 精准调度： 实时监测光伏发电量及预测信息、储能系统容量及预 测，并结合时间特征分解，确定负荷预测周期，细划 多电源出力策略，柔性调整光、储、充、用，优化用 电成本，提高电源使用效率。 b. 配网安全运行模块。在配网上实现安全可靠 供电，快速识别定位故障，采用 IEC 61850 的技术 实现中压和低压保护装置的联动配合以及微网保护设 备间的配合。IEC 61850 GOOSE 技术可以实现保护 装置水平通信，通信延时小于 3 ms，利用这个技术， 上、下游的保护装置可以快速交换过流启动信号。比 56 如当连接线路出现故障，此时故障上游的保护装置都 会检测到过流信号，各保护装置过流启动后，将自动 向上、下游设备发送本装置的过流信号。下游保护动 作将闭锁上游保护跳闸，从而在 40 ms 以内，实现故 障的选择性切除。全过程无需人员干预，故障自动定 位、隔离，并在毫秒级时间内恢复供电，实现系统自 主运行。 c. 负荷精准预测模块。对负荷分析和预测，建 立能耗轨迹跟踪，识别新能源接入到用电端，对什么 时间、什么电源的出力能力和流向进行精确跟踪。对 建筑物的负荷做影响特征分解，如天气特征、人流特 征、时间特征、区域特征和功能特征等，建立该建筑 物的负荷分析模型，再通过对这个负荷模型的优化和 迭代，获得负荷精准预测，然后和能源端进行柔性调 配。把整个建筑变成虚拟电厂，对能耗占比最高的如 暖通和照明，定义管理方案，对尖峰负荷进行调节， 实现建筑内能源平衡。 d. 能耗优化策略模块。在全面能耗监视的基础 上，针对不同用能对象及用能特点，分别从控制策 略、运行策略及用能大数据分析角度进行不断的用能 优化。 针对酒店、办公大楼等场所，可在控制策略上优 化。通过负载管理技术，实现“削峰填谷”，控制运 行功率在既定水平，如控制总功率在安全设定值 Pc， 当总功率 P 超过 Pc 时，系统会自动将非重要负载切 断，确保 P < Pc。当 P < Pc 且保持安全设定时间后， 非重要负载会按重要顺序投切回去，从而降低系统的 总安装功率，并提高整个配电系统的效率。 针对负荷波动明显的用户，如工厂或学校，可在 运行策略上优化。如变压器经济运行策略，数据管理 平台通过分析网络拓扑，结合负载分析及设备健康指 数，自动判断经济最优的变压器运行策略，可有效降 低变压器损耗，提高变压器的使用寿命。 电动汽车充电桩也存在运行策略优化的空间，数 据管理平台实时分析建筑负荷，采用有序充电以及制 定基于不同充电需求的充电价格，下发到充电桩，即 可满足不同用户的充电需求，同时降低大功率充电对 园区电网的影响。 随着大数据、AI 等技术的发展，通过对建筑用 电数据的分析，基于超短期负荷预测和多能互补优化 算法，开展最大需量 （峰值负荷） 影响因素研究，提 供需量预测工具和多能互补模块，降低峰值负荷，降 低需量电价，避免扩容投资，为安装储能、光伏、开 展需求侧响应提供数据支撑。 图 1 ABB Ability™智慧能源管理系统架构 Fig. 1 ABB Ability™ smart energy management system structure 57 BUILDING ELECTRICITY R 2021 年 第 5 期 如图 2 所示，这是某建筑一天的能耗需求及优化 的曲线图，从图上看出，没有优化策略的初始值在 18 时达到用电高峰，太阳能在 10 时到 15 时输出功 率高，其他时间低，因此太阳能减少的能耗需求曲线 仍旧在 20 时左右达到高峰，此时再引入电动车及储 能单元进行“削峰填谷”优化，可以得到图示优化后 的曲线，波峰和波谷峰值明显平缓。 e. 设备健康管理模块。资产健康管理模块将设 备端集成数字传感器，时时采集运行状态，通过网关 上传到资产管理中心云平台，并通过云端的智能算法 模型实时分析并预测设备的健康水平，给出设备健康 状态评估和运维建议，再根据运维策略进行智能运 维，从而实现从被动运维到主动预测。 f. 平台互联及大数据分析。能源管理系统与楼 宇控制系统可进行对接，优化计算及碳减排预测， 给出节能量及碳减排实时显示。同时进行数据挖掘， 利用大数据分析实现精准的超短期负荷预测，指导 “风光储”协同工作以及生产生活用电，实现智慧 用能。 2. 3 系统优势 相比于市面上常见能效管理系统，智慧能源系统 拥有如下的优势。 2. 3. 1 全面监视、就地治理、多能互补、动态优 化，打造绿色低碳建筑 智慧能源管理系统以电力行业专业数据管理平台 为基础，实现所有能耗数据的收集和分析，能耗和电 能质量一览无余；针对发现的电能质量问题，提供高 效灵活易用的电能治理产品，就地治理。针对新能源 的调度实现多能互补；针对能耗优化，可实现“削峰 填谷”控制总功率、变压器经济运行调整、电动车有 序充电管理功能，释放电网的灵活性，减少增容需 求。充分利用清洁能源及负荷柔性调节技术，打造绿 色低碳的恒功率建筑。 2. 3. 2 打造安全可靠的电力能源系统 数字化联接技术，以及全栈安全防护设计，确保 配网系统的坚强稳定、安全可靠。针对不同停电时间 要求，提供秒级、百毫秒级和毫秒级的全电力系统自 知自愈功能，无需人为干预即可自动处理故障，有力 保障供电可靠性。 2. 3. 3 数字传感、智能诊断、移动运维，实现智能 高效建筑 采用集成数字传感器的智能化电气设备，并通 过云端的智能算法模型实时分析并预测设备的健康 水平，设备健康状态了然于胸，并实时推送运维建 议、工单及各类设备信息资料，真正实现数字化 运维。 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. 999 9 %，年均停电时间 小于 30 s，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 北京 ABB 低压电器有限公司是 ABB 全球低压 产品制造基地之一，占地达 1. 84 万 m2。ABB 低压 电器有限公司光伏发电及系统集成项目是 ABB 电 气积极践行“零排放”愿景的典型示范，于 2020 年 7 月启动，2021 年 3 月完成项目验收，在现有电力 能源基础上，增加屋顶光伏、储能、充电桩等设 施，通过 ABB 智慧能源管理系统统筹协调，并上 传到合作伙伴的云端交易管理平台。将 ABB 北京 低压电器有限公司打造成绿色低碳的智慧能源示范 基地。 图 2 建筑物能耗优化 Fig. 2 Building energy‐consumption optimization 58 3. 1 项目情况概述 项目架构如图 3 所示。分为能源层、运行管理层 和云端交易层。在原有厂房设备上增加光伏装机容 量 400 kW，共计 1 194 片光伏组件，占用屋顶面积 6 000 m2，年发电量 42 万 kWh，300 kW / 1MWh 储能 及 3 台 7 kW 交流充电桩和 2 台 60 kW 直流充电桩等 设施，通过 ABB 智慧能源管理系统在园区管理层面 统筹协调，实现工厂级、车间级、重点能耗设备级三 级能源管理，并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。能源管理系统与楼宇控制系统 对接，优化计算及碳减排预测，给出节能量及碳减排 实时显示。 能源管理要求：优先使用新能源发电，并通过储 能，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 的一部分，作为第二优先级调节。 3. 2 智慧能源管理价值 北京 ABB 低压电器有限公司获得了工信部认证 的“国家级绿色工厂”。在建立“绿色工厂”期间， 该公司运用领先技术降低废弃物和碳排放对环境的影 响，实现用水量下降 10 %，耗电量下降 3. 2 %，包 装材料可回收率达到 100 %，废气净化效率提升至 94%。每年减少约 400 吨的温室气体排放，加快推进 工厂能源供给清洁化、低碳化。 4 结语 “碳达峰”和“碳中和”国家战略给未来建筑能 源管理带来了能源结构革命和数字化升级新的挑战， ABB 在深入分析当今建筑能源现状及挑战的基础上， 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，结合电力行业的百年经验 和能力，打造了 ABB Ability™智慧能源管理系统，助 力打造绿色低碳、安全可靠、智能高效的智慧建筑能 源系统，以期能为能源管理技术的应用提供可借鉴的 方案。 ［1］ 中华人民共和国国务院新闻办公室. 《新时代的 中国能源发展》 白皮书［R］，2020. ［2］ 中国建筑节能协会能耗统计专委会. 中国建筑 能耗研究报告 （2020）［R］，2020. ［3］ 中华人民共和国工业和信息化部. 物联网的十 三五发展规划 （2016 - 2020 年）［R］，2016. ［4］ International Electrotechnical Commission. 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