王建宾 ，胡永朋 ，周忠堂 ，赵 冠 ，吕 辉

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001; 2.国家电网有限公司，北京 西城 100031;3.南京南瑞信息通信有限公司，江苏 南京 210000; 4.国网山东省电力公司临沂供电公司，山东 临沂 276000）

化石燃料大量使用的背景下，全球变暖和温室效应日趋显著[1]。我国积极稳妥推进碳达峰碳中和[2]。在“双碳”任务的紧迫性和重要性双重影响下，我国相关部门先后制定出台了建设循环经济园区、低碳园区、生态园区、绿色园区等政策文件[3]。

作为产业集聚发展的核心单元和先进要素高度集聚、创新活动蓬勃发展的产业活动主要载体，以产业园区为代表的各类型园区快速发展，已经成为推动我国工业化、城镇化发展和区域经济高质量发展的重要平台[4]。园区通过自身的质量变革、效率变革和动力变革，率先实现零碳化，树立发展标杆，对于区域落实“双碳”战略，实现高质量发展具有重要的意义[5]。

综合能源系统（integrated energy system，IES）作为将多种类型的能源系统在不同环节、不同时空尺度进行耦合而组成的综合能源系统[6-7]，是促进碳减排的重要方式。本文以某国家农业园区的零碳园区综合能源服务系统为例，从园区综合能源系统清洁替代方案、源网荷储多能互补、能效提升优化、能碳双控智慧能源管理系统4个方面，介绍农业园区碳中和智慧用能系统，为碳中和零碳园区建设提供示范与参考。

1 面向碳中和的零碳园区建设框架

围绕国家“双碳”战略与国家电网有限公司“一体四翼”发展布局要求，结合代村项目“区位优势明显、功能要素齐全、资源禀赋优越”的突出特点，因地制宜推进零碳园区新型电力系统建设，构建以新能源为主体的新型电力系统，以能源、办公、农业、养殖、餐饮等多场景的零碳园区数据体系建设，助力实现“双碳”目标落地，零碳园区建设整体思路框架图如图1所示。

图1 零碳园区建设整体思路框架图

零碳园区以优化能源结构、动态平衡碳能、推动产业转型升级、更新硬件设施、提升精细化管理水平为建设路径。通过物联网、区块链等技术实现能源综合管控平台和碳排放检测平台对分布式智能终端实现动态监测，并通过人工智能和大数据运算等智能计算技术进行趋势预测和对比分析，从而实现智能决策并实行优化策略。

2 园区综合能源系统清洁替代方案

2.1 可再生能源建设

根据园区所处地区的可再生能源资源禀赋情况，设计接入光伏发电系统和风力发电系统，以并网光伏发电系统为主要能源来源。

光伏发电系统主要建设于园区酒店主楼及配楼房顶、农展馆屋顶、食品加工厂屋顶，年发电量可达约2201.2 kWh。

安装部分风力发电机，风力发电系统不上网，供园区负荷自用。

2.2 电气化清洁电能替代

园区电气化清洁电能替代主要包括交通工具电气化和全电厨房改造[8]。对园区小火车、观光游览车、工作人员通勤车、农产品运输车等交通工具进行电气化改造，实现交通工具全电化。

针对酒店、老街餐饮企业和沿街商户大部分用天然气、液化气专控，采用全电厨房设备“以电代气”，具有无明火、智能稳定、无泄漏风险，同时替代的电能全部来源于可再生清洁能源，减少CO2排放。

3 园区源网荷储多能互补建设方案

为尽可能的就地消纳分布式风光资源，实现园区实时碳中和，同时提高电网友好互动能力，建设建设源网荷储多能互补系统[9]。

3.1 电储能系统建设

通过引入电储能系统，将光伏发电所产生的间歇性、随机性能量超出的负荷储存起来，在负荷增加时，释放到变压器输出侧，一方面平滑园区负荷曲线，实现对大电网网的友好负荷；另一方面，降低用户的用电成本，实现最大收益。

主要建设方案：储能变流器与电池包、BMS系统、消防系统均采用模块化设计，集成于标准储能柜内，与拟并网的变压器输出侧接入。每个储能柜的数据均通过5G网络与动态能量管理器相连，接入云端能量管理系统。储能变流器采用模块化设计，具备离网、并网及整流模式，并可在3种模式之间智能切换，同时兼备无功补偿及谐波补偿功能，采用先进控制算法实现多机并联，具备优良的负载适性和电网适应性。

电储能控制策略如图2所示，储能系统根据负荷曲线、园区用电成本、天气情况等进行详细的优化控制，主要分为日前调度与日内滚动调度两阶段。

图2 电储能控制策略示意图

日前调度[10]：根据日前负荷曲线及天气预报，以园区用户用电成本最小、园区净负荷曲线尽量平缓为目标，综合考虑需量防守、储能充放约束、充放效率、能量约束、网络拓扑约束等，建立日前储能充放电优化模型，通过二次规划方法，获取日前储能最优充放电策略。

日内滚动调度[11]：考虑日前负荷及光伏出力预测误差及其随机波动特征，以需量防守为约束，基于模型预测控制技术，对储能充放功率进行实时追踪控制。

根据具体负荷情况，各储能柜配置在相应变压器输出侧，通过联络线和云端能量管理系统，实现区域协同。在每台变压器输出侧安装低压线路智能监控终端，根据典型工作日负荷曲线情况，由动态能量控制器来进行日前优化调度和日中实时滚动控制的储能柜的充放电工作策略，实现平滑负荷和用户最优用电效益。

3.2 蓄热系统建设

由于电储能设备前期投资较大，且园区玻璃温室大棚以及部分景区存在一定的用热需求，为提高园区储能系统经济性和最大化利用光伏发电，同时满足园区生产车间的用热需求，拟采用固体电蓄能机组进行蓄热，利用峰、谷、平电价差，在低谷电时段直接蓄热[12]，利用电加热将蓄热体加热到750 °C储存起来，并以热能形式储存在蓄热体器内供白天峰或平电时段使用，满足供暖需热量，以达到完全避峰、平电时段的用电量，削峰填谷，大大减少运行费用的目的。

蓄热系统采用PLC控制系统[13]，可提供本地和异地监控，具有手动、自动、远程控制功能，具有良好的人机界面，输出报表内容全面。控制系统智能化管理，可分时段运行模式，每天可设定多个时段，依次定时自动运行，每个时段可分别设置不同的运行温度，并可实现气候补偿控制，实现分时段按需供暖。具有通用的485接口，可以实现楼宇自控等多种控制方式。

3.3 智慧充电桩建设

为实现绿色出行从而减少园区碳排放，丰富园区直流元素，在园区内建设电动汽车智慧直流充电桩。

智慧直流充电桩接入方式如图3所示，通过网联模块与充电桩控制器等关键元器件配合，实现充电桩安全接入、用户充电鉴权、电量实时采集、负荷监测、启动停止控制以及各类异常告警上送等功能。根据需要，网联模块可安装在充电桩内部，也可安装在充电桩外部。

图3 智慧充电桩接入方式

综合历史负荷、用户数据、配变容量、充电需求等信息，形成电动汽车智慧充电桩有序充电控制策略，如图4所示，当充电服务运营平台下发的有序充电控制策略后，可实现输出功率的实时调节和控制。当智慧直流充电桩处于正常状态时，能源控制器接受到充电计划后，通过向能源路由器下发充电功率设定值，最终通过PWM控制车辆充电功率；当智慧直流充电桩处于配变运行越限时，能源控制器在感知到配变越限状态后，立即在既有充电计划基础上进行越限紧急控制。

图4 智慧充电桩有序充电基本架构图

3.3.1 充电模式

根据用户用车需求，设计有序充电的控制策略，将用户主要分为“时间优先型用户”和“费用优先型用户”两部分，为其提供“尽快充”和“低费充”两类有序充电模式。

3.3.2 管理策略

事件即时调度：当充电用户发起充电请求时，对其进行充电计划的预调度编排，审核充电请求的合理性和有效性。

周期滚动调度：在有序充电过程中，根据电网实时运行状况、负荷预测以及用户订单执行偏差，周期滚动进行充电调度计划的编排。

3.3.3 控制策略

在充电桩台区配变充电容量不足、上级电网紧急负荷控制请求等条件下，需要进行对充电负荷进行在线调度控制。

3.4 低压柔直多台区用能互济建设

为实现各个台区之间的功率互济，优化用能水平，在选择分布式电源配置与负荷特性具有互补特性的临近台区，建设如图5所示的低压柔性直流配电系统进行台区低压侧互联。

图5 低压柔直多台区用能互济技术框架图

主要建设方案如下：在各台区低压侧分别建设部署低压柔性直流配电换流阀，各个换流阀之间通过直流母线互联，从而形成台区之间的低压柔性互联。就地部署能源控制器，将各台区负荷数据、分布式电源的运行数据以及低压柔性直流用电系统的运行监控数据通过HPLC方式在能源控制器进行汇总，控制器根据各台区负荷水平、光伏出力、其他负荷需求以及储能系统的SOC对低压柔性配电系统进行调度控制，进行各个台区之间的功率互济。

4 园区能效优化提升建设方案

为实现用电用能的综合监控和管理，满足园区用户用电用能需求，提高园区能源利用率和可靠性，通过空调热泵用能优化、5G+配电自动化监控运维升级、5G+光伏智慧运维实现园区能效优化提升。

4.1 空调热泵用能优化

目前园区内农业大棚使用大量的空气源热泵供冷、供热。酒店及办公大楼都使用多联机系统进行供冷供热，普遍存在着能效地下，用能管理粗放等问题。通过在部署能源控制器，对所有的底层感知设备进行信息采集、数据诊断、策略生成和下发，实现供能侧的能源协同优化以及以公共用能设备的用能侧负荷控制，构建“以电能为核心”的电、气、热、冷终端一体化综合能源供应体系。通过“多能服务应用”入口，用户可以查询用能信息、参与电力需求响应等智慧用能服务，设备厂商可以获取设备运行状态、质量情况、市场份额等商业信息，电网公司可获知用户用能情况，掌握用户侧可调负荷数据，实现用户侧需求响应，平抑电网峰谷差。

主要控制策略如下：

在多联机空调机组外机上安装专用通信板卡，用于采集多联机空调机组运行的相关数据和控制多联机的启停，通过485通信线、无线LoRa或TCP/IP方式将数据上传综合能源管理平台。

建设一套空气源热泵系统，在空气源热泵机组控制箱安装专用通信网关，用于采集制冷机组运行的相关数据并提供通信接口，在空气源热泵机组管路上安装冷热量表、压力变送器做数据采集，通过485通信线、无线LoRa或TCP/IP方式将数据上传综合能源管理平台。

由综合能源管理平台根据用户实际需求和环境状况进行智能化策略分析，自动帮助用户选择最节能、效率最高的运行模式。

4.2 园区电能监管系统建设

为提高对配电网的运行管理水平及供电可靠性，实现用电的综合监控和管理，满足园区内精密设备的高质量供电要求，建立如图6所示园区电能监管系统。

图6 园区电能监管系统示意图

园区配电自动化系统通过部署电力专用UPF，建立电力生产控制大区端到端切片，实现业务安全隔离，降低通信时延，实现故障区间ms级快速判断，主要包括集中式配电自动化部分和分布式配电自动化部分。

集中式配电自动化：在配电站点部署5G通信单元，通过网口或串口接入DTU、FTU、故障指示器等业务终端，通过专用切片接入5G无线网络，并在地市部署的电力专用UPF侧将数据本地分流，最后经过安全接入区进入配电自动化主站系统，提高业务数据安全。

分布式配电自动化：同集中式配电自动化，在配电站点部署5G通信单元，接入分布式配电终端并通过专用切片接入5G网络，相邻配电终端之间利用电力专用UPF直接交互开关状态信息，实现故障区间快速判断和开关跳闸功能。

4.3 光伏智慧运维监测系统建设

为实时监测光伏系统的发电情况，并通过智能运维机器人智能运维，确保光伏足额发电，建立如图7所示光伏运维监测系统。

图7 光伏智慧运维监测系统示意图

光伏智慧运维监测系统一方面可将园区原有的监测系统接入综合能源管理平台；另一方面可在园区光伏发电现场增加智能运维设备，通过综合能源管理平台的相关智能管控策略，对园区光伏系统进行统一监测、管控和智能运维。例如，通过加装光伏系统智能运维机器人（导轨式）设备对光伏板进行智能清洗，去除光伏板灰尘，以保证光伏系统高效运行。

5 经济效益分析

5.1 示范园区基本情况

示范农业园区建设有100000 m2，5个大型智能温室和数百个冬暖式大棚，同时拥有近6.667 km2的绿色植被，本地碳汇资源丰富。示范区源端新能源接入比例高，正在建设1.8 MW分布式光伏，光伏年辐射量均在5600 MJ/m2以上；示范区主要从事智慧农业生产、农业旅游观光和科研办公，终端用能电气化程度高，具备建设“碳中和”背景下新型电力系统的优越条件。

区负荷主要为农展馆、农业公园设施场馆以及温室大棚、酒店、商业街等用电负荷，以及酒店、商业街餐饮用气。农业公园和酒店旅游场馆负荷随旅游淡旺季变化规律波动，旅游淡季负荷较低，旅游旺季尤其是夏季负荷较高且相对稳定。2021年，全年园区内总电量约385.7686万kWh，用气用煤量比较分散，没有统计。

传统的火力发电方式每产生1 kWh电量，需消耗0.4 kg标准煤，排放0.997 kg CO2。以2021年电力数据为例，2021年园区内年供电负荷为385.7686万kWh，每年约产生CO2量为3846 t，其他商业街旅游接待设施、购物设施、餐饮厕所等约排放CO2900 t。

5.2 经济效益分析

5.2.1 光伏收益

示范区在酒店主楼及配楼房顶布置682块光伏组件，共368.28 kW。农展馆屋顶布置470块光伏组件，共253.8 kW。新天地食品加工厂屋顶布置2222块光伏组件，共1199.88 kW，其中1号变压器接入926块光伏组件，共500.04 kW；2号变压器接入186块光伏组件，共100.44 kW；3号变压器接入1110块组件，共599.4 kW。年发电量约2201.2 kWh，按照25年统计，累计收益2544.86万元，年均101.79万元。

5.2.2 蓄热收益

蓄热设备采用谷电进行蓄热，完全蓄热需8 h（可边蓄热边使用），设备输入功率按60 kW，输出功率42 kW，蓄热系统用电量480 kWh。

在实际使用中，蓄热系统的耗电功率通常在多时段低于60 kW，其耗电量与原电烤箱用电量基本相同。由于电烤箱使用时间不固定，因此按平均电价进行计算，平均电价为0.7073元/kW，蓄热系统采用低谷电价进行蓄热，低谷电价为0.429元/kW，蓄热系统每天节省电费92元。

年节电费用（按300天计算）为27600元。

将蓄热系统与太阳能结合使用，光伏上网电价为0.3949元/kW，蓄热系统每天节省电费 104元。

年节电费用（按300天计算）为31200元。

由此可知，将光伏系统与蓄热系统进行结合更为经济。

5.2.3 电储能系统削峰填谷效益估算

每天有两段低谷电价时间，假定电储能系统可每天在低谷电价时段进行蓄能，在电价高峰时进行放能，则电储能系统通过峰谷电价差可获得的年收益为(按300天计算)为7008元

5.2.4 碳汇及综合效益估算

基于新能源发电、电能替代、节能减排等相关项目，预计累计减排CO2达2800 t/年（其中光伏投资1.8 MW碳减排2286 t/年、智慧照明改造减排170 t/年、储能带来节能减排109 t/年、空调节能改造减排116 /年）。此外，对于园区绿色植物接近6.667 km2，每年减少碳排放约72000 t，产生潜在碳汇价值260万元/年，基本可实现园区碳中和，达到零排放要求。最后，通过建设面向能源物联网的创新型综合能源管控平台，可实现园区能源清洁化、电气化、智能化和互联网化，打造绿色能源互联网友好互动的微型、典型示范区。

6 结束语

零碳园区综合能源服务平台，结合光伏发电系统相关优化运行策略，对园区光伏发电系统进行智能管控，同时实现园区重点负荷的用能优化，提高用户负荷综合管理水平，打造“零碳”产业园区，实现园区的绿色、低碳运行，助力企业降本增效、绿色低碳发展。积极为园区入驻企业提供能效诊断、节能改造等市场化服务，提供用能监测、智慧运维、需求响应等多元化、个性化、定制化解决方案，不断提升企业及园区综合能效水平，促进新能源发展，打造国内领先的“能源自平衡零碳产业园”。项目形成可推广、可借鉴的管理技术成果及相关实践经验，可进一步推广至其他地区，构建基于综合能源的零碳示范园区，具有非常可观的推广前景。