智慧园区数字化能源解决方案——ABB(中国)有限公司

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据统计我国目前有超过2万个工业园区,将近3000所高等院校,还有各类的商业建筑及各类型工厂,园区是工作与生活的载体,是经济发展的核心抓手,同时也是能源消耗大户,其中电力是能源的核心。在园区电力能源上,普遍面临着如下挑战:

供电可靠性有待提高:传统的设计理念,仅考虑了供电容量的备用(如“一用一备”),出现电力问题仍需人为干预,缺乏全电力系统的故障自知自愈能力的建设,无法满足日益增长的供电可靠性要求。

综合能耗有待优化:当前的园区管理粗犷,普遍采用人工抄表和统计方法,无法实现有效监管,更谈不上优化,各类能耗指标和电能质量具有较大的优化空间。

能源数字化运维管理尚待建设:以传统的人工巡检、应急抢修为主,各类数据和资料缺乏有效的记录,设备健康状态无法感知,运维效率有待提高。

ABB在深入分析当今园区能源现状及挑战的基础上,结合电力行业的百年经验和能力,提出智慧园区数字化能源解决方案,助力打造安全可靠、绿色低碳、智能高效的园区能源系统。该方案具有如下优势:

1. “三道防护”打造安全可靠的电力能源系统: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,为园区安全生产保驾护航。

2. 全面监视,就地治理,动态优化,打造绿色低碳园区: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;针对能耗优化,可实现“肖锋填谷”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,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。

3. 数字传感,智能诊断,移动运维,实现智能高效园区: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,若设备出现告警,可实时推送运维建议、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,通过智慧园区数字化能源解决方案,园区供电可靠性可达99.9999%,年均停电时间小于30秒;且电能质量100%达标,综合能耗降低2~6%;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。

解决方案介绍

ABB 智慧园区数字化能源解决方案立足于当今园区能源现状及挑战,提供软、硬件一体化整体解决方案,由安全可靠的电力能源系统、绿色低碳园区、智能高效园区三部分组成。

1. “三道防护”打造安全可靠的电力能源系统

电力系统的可靠性是园区招商引资的魅力,也是经济发展的动力。近年来ABB接触过不少工业园区客户,他们仍然面临着供电中断的挑战,列举如下:



根据对各类园区能源需求及故障的调研分析,ABB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的电力系统“三道防护”,确保园区供电可靠性满足用户需求。

(1) 第一道防护:外部电源故障——自动切换约1.2 s。

针对时间要求较低,系统频发故障为外线故障的情况,推荐采用分布式自动切换方案。中低压配电系统的分布式备用电源自动投切方案,利用IEC61850 GOOSE技术,通过以太网实现不同控制保护装置的快速水平通信,无需人为干预可自动切换电源。同时具有如下特点:

采用分布式部署,无需专用自动切换装置,减少装置间的硬接线;

支持PLC编程功能,满足多种切换需求:“自投自复”、“手投手复”和“投合环保护”等;

可视化功能,方便调试、运行维护;



(2) 第二道防护:园区内电气故障——自知自愈150ms。

针对园区内部10kV电缆线路较多,园区占地面积大,供电可靠性要求高的情况推荐采用基于IEC61850 GOOSE的智能电流选跳技术,可实现所有回路的故障自知自愈,动作时间仅150ms,且后续维护工作量极低。同时对10kV频发的单相接地故障采用创新的多频导纳技术,可实现99%的定位准确率。针对大型的工业园区,其园区内部具有较大容量的自备电源,利用动态能量平衡算法,当发生电源故障时,可在150ms内完成故障电源切除,并根据功率计算联跳部分负载,使系统迅速问题,缩小故障范围。

以园区内部发生电气短路故障为例,当故障发生后,线路上的综合测控保护装置监测到方向过流信号,并利用IEC61850 GOOSE技术快速交换上下级的故障信号,通过逻辑比较,迅速定位故障,隔离故障,同时自动触发命令恢复未故障区域的供电。全过程无需人为干预,自主完成自知自愈。其优势有:

适用于多种网架结构,可实现供电可靠率99.9999%,年停电时间少于30s;

故障判断时间40ms,故障处理全过程少于150ms;

无需任何复杂接线,减少二次铜缆及后续维护工作量;

中、低压保护配合,非故障区域自动恢复供电,实现全系统保护;

系统可靠性强,当发生通信网络中断时,系统自动检测,自动投入预案。

(3) 第三道防护:电网晃电——快速补偿10ms。

根据运行经验,无论电力公司花多少代价来改善电网,但是还是无法避免电压暂降或暂升(统称电网晃电)等电力品质问题的发生,其给园区电力用户带来巨大的经济影响。近年来,随着数字化工厂的发展,大量的应用数字化控制器、机器人、变频器等各类对电网晃电敏感的设备,电网晃电问题越来越受关注。针对这类挑战,推荐采用动态电压调节器方案,它可以快速调整电压,确保其不受电网电压暂降或暂升的影响,避免电网波动引起敏感装置停机甚至损坏,从而导致大面积的停产事故。

动态电压调节器AVC串联在供电电源和受保护的负载之间,它会持续监测输入侧电源电压,一旦发现供电电压偏离额定电压水平,动态电压调节器会通过IGBT逆变器和注入变压器迅速注入一个适当的补偿电压。动态电压调节器不需要储能元件,因为它从电网中吸取所需的额外能量用于补偿所缺损的电压。多年的运行经验表明动态电压调节器具有如下优点:

主回路无需串联半导体器件,设备自身的故障不会引起断电;

无电池、飞轮储能元件,几乎免维护,运行成本极低,无环境污染;

占地极小,不产生谐波污染;

快速响应,0.25ms内开始补偿,10ms内补偿完毕。



综上所述,通过秒级、百毫秒级和毫秒级的“三道防御”,全系统故障,无需人为干预即可自动处理故障,满足不同负载对供电可靠性的需求,为园区安全生产保驾护航。

2. 全面监视,就地治理,动态优化,打造绿色低碳园区

当前园区普遍存在的用能困扰有:能耗数据未有效互联、数据的获取和分析能力有待提升;电能质量缺乏有效治理,随着工艺复杂化和智能化,电能质量问题愈发突出;环保和能耗要求不断提高寻找新的机会优化工厂运行,降低能耗。据此,本方案提出“全面监视,就地治理,动态优化”的绿色低碳园区解决方案。

(1) 用能全面监视是基础。

以电力行业专业数据管理平台ABB zenon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。该平台采用分布式的架构,可实现灵活的架构部署,同时支持300多种专业电力行业通信协议,方便快速调试,并且其强大的跨平台整合能力,可以兼容多个不同边缘计算层的信息(如电力监控、资产健康管理、能效管理、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,有效的解决当前市场上多平台操作、跨平台协调的问题。



(2) 就地电能质量治理是重点。

近年来,由于电能质量问题导致的各种损失显得尤为突出,ABB提供高效灵活易用的PQ系列新一代多功能模块化电力电子平台,确保电能质量100%达标。

ABB电能质量治理方案可提供瞬时无级无功功率补偿,同时解决由于负载电流变化引起的电压压降问题。并通过动态无功功率补偿和负载不平衡治理,提高功率因数,使设施运行符合电力部门的规定。同时,针对由快速变化的高波动负载引发的电能质量问题,新一代有源无功功率发生器PQdynaC除了能具备上述治理功能外,设备效率进一步提升,其模块化的设计也使治理方案更具灵活性。此外,用户还可以选择配置一定的滤波功能。实现全系统电能质量的可视、可诊、可优,放心用电。

(3) 动态用能优化是目标

基于全面能耗监视的基础上,针对不同的用能对象及用能特点,本方案分别从控制策略、运行策略及用能大数据分析的角度进行不断的用能优化,实践证明其效果显著。

针对酒店、办公大楼等场所,可在控制策略上就行优化。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,系统会自动将非重要负载切断,确保P<Pc。当P<Pc小于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,若工厂或学校,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ABB zenon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。其次,园区内的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ABB zenon实时分析园区负荷,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桩对园区电网的影响。



随着大数据、AI等技术的发展,通过对园区用电数据的分析,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,可降低峰值负荷,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。

3. 数字传感,智能诊断,移动运维,实现智能高效园区

随着市场竞争的日益加剧,设备的高可靠性是园区生产效率和产品质量的关键因素,设备高可靠性的需求从未如此大。根据ARC公司调研的结果,定期检修仅能覆盖18%的设备故障,对其他82%的设备进行预防性维护也可能导致故障。对园区电力设备而言,其故障问题复杂,故障影响巨大,急需进行预测性维护,据此本方案提出,“数字传感,智能诊断,移动运维”的智能高效园区解决方案。



(1) 数字传感

为了实现设备健康状态的实时感知,需要在主体设备增加数字传感器,在确保主体设备的安全稳定运行的基础上,ABB历经多年开发了多种智能化电气设备,实现设备状态全感知。



(2) 智能诊断

在数字传感的基础上,如何有效进行综合诊断成为当今热门,ABB在大量实践的基础上提出了,以机理模型为核心 + 以工业大数据为补充的智能算法模型。利用ABB在设备制造、维护等诸多方面积累的丰富数据,结合云计算和大数据分析,帮助客户量化设备的健康状态,预测设备失效的可能性,指导客户优化状态不佳的设备,保障设备连续、稳定运行,让运行维护越来越简单。

如开关设备实时动态温升诊断算法。首先对开关设备进行机理分析,得出其特征模型,然后通过大量的实验及现场运行数据进行数据测试,并结合统计学规律,得出最终的开关设备实时动态温升诊断算法。该算法的相关研究,于2015年发布在“第23届国家供电会议(CIRED 2015)”,得到与会学者的一致认可!



(3) 移动运维

紧接着智能诊断,当系统出现问题就需要智能工单系统派单进行人工现场确认,移动运维应运而生。移动运维系统基于设备运维理念和专业电气技术,可对电气设备的全寿命周期进行计划性管理。移动运维系统结合人员、设备、系统、物料等的综合因素,对设备档案、设备工单、报警状态、设备及系统绩效等进行综合性管理。其优势体现在:

提供SaaS化服务,用户无需要花费大量的IT成本,实现按需使用;

凝固了ABB多年的设备制造经验及服务能力,大量模板确保现场简单易用,同时提供多维度的运维保障;

自动生成电力系统状态总结及电力系统优化报告,持续改善运行管理水平。



设备资产健康管理已经不再是理念,诸多落地项目证实其带来的巨大价值,如减少设备维护成本20%,减少20%非计划停机,减少20%计划检修时间。

综上所诉,ABB 智慧园区数字化能源解决方案是立足于当今园区能源现状及挑战,面向未来数字化发展趋势,并在实践中获得认可的整体解决方案,其内容全面、技术细节详实、可操作性强,并极具创新性,可为我国园区智慧能源发展提供借鉴,助力中国实现能源转型,打造能源互联网。

创新亮点及应用前景

ABB 智慧园区数字化能源解决方案立足于电力行业的特殊需求,结合ICT技术、IOT技术和大数据分析技术,为未来园区能源安全可靠、绿色低碳和智能高效提供了全新的解决方案。针对园区用能提供的软硬件结合的整体解决方案,其创新亮点体现在:

(1) 在安全可靠电力能源系统上,采用先进的IEC61850通信技术,实现保护装置的水平通信,解决了传统保护方案在选择性和时效性上无法兼顾的历史难点,同时内置多种预案机制,确保了极端情况下保护机制可靠运行。本方案无须人为干预即可实现故障自知自愈,相比传统的方案,铜缆减少80%,安装用时缩短40%,运行成本减少80%。

(2) 在园区能耗管理及优化上,以电力行业专业数据管理平台为基础,解决了传统自动化系统“烟囱式“架构数据无法互联互通的痛点;并从控制策略、运行策略及用能大数据分析的角度提供多种能耗优化算法,不断降低园区能耗。可实现电能质量100%达标,综合能耗降低2%-6%。

(3) 在园区电气设备管理上,利用智能传感技术实现设备健康状态的有效采集,取代传统的人工巡检;以机理模型为核心 + 以工业大数据为补充的智能算法模型实现健康状态的预测,取代人工经验判断;并结合多年运行经验提供可执行的建议,实现人-设备-服务的互联。最终减少设备维护成本20%,减少20%非计划停机,减少20%计划检修时间。

该方案是立足于当今园区电力能源现状及挑战,面向未来数字化发展趋势,并在实践中获得认可的整体解决方案,其内容全面、技术细节详实、可操作性强,并极具创新性,可为我国各类园区(工业园区、校园、商业住宅小区等)智慧能源发展提供借鉴,助力中国实现能源转型,打造能源互联网。

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