综合能源系统能效提升理论与硬件结合技术 ——“能量网络”理论、方法与“优能柜E-Combo”配电系统节电装置

一、成果简介：

本项目成果通过理论知识与硬件设施相结合，围绕综合能源系统能源利用效率低下、用能成本居高不下、电能质量问题突出等问题，助力企业高效管理用能，实现安全、节能、降费。

理论成果上，提出了综合能源系统建模与分析的“能量网络理论”：基于热力学、电网络、传热学与流体力学，从物理的层面挖掘不同能源子网络的共同特性，根据各能量网络广义变量间的本构关系建立综合能源系统统一模型，并引入㶲的概念从本质上提升综合能源能效潜力。该成果的主要包含4个方面的工作：1、从物理学基础理论和能量本质出发，研究能量和㶲传递、转换的动力学行为特征，构建公理化的能量网络理论，建立能量网络方程；2、研究能量网络方程的实用化模型，并提出求解的数值方法；3、深入研究能量和㶲在各种能源传递、转换、储能单元以及不同综合能源系统中的动力学行为特征；4、以按能源品位梯级综合利用为主线思路，借鉴㶲经济学的思路，研究综合能源系统的优化规划与优化运行的基础理论，并从理论研究向工程应用拓展。

硬件成果上，研制了配电系统节电装置“优能柜E-Combo”综合管理用能系统：为用户提供集“数据采集+分析挖掘+智能应用+电力现货交易”于一体的全方位智慧用电管理服务，基于节电量计算标准和区块链技术，节电量的计量结果可溯源且不可篡改，公信力强，彻底解决节电效果无法达成共识带来的行业难题。该成果具体特点包括：1、组合功能：全方位电能质量治理与全局最优化节能完美结合，帮助客户解决配用电系统能耗损失与电能质量问题共存的两难问题；2、度身定制：基于大数据采集与分析，精准定位每个环节的电能质量问题与节电空间，定制个性化、精准化的智能节电解决方案；3、极致节电：通过智能控制算法进行配用电系统的全局自适应调优控制，将节电空间挖掘到极致，实现配用电系统全局最优化节能的目标；4、可信计量：基于全球首创的节电量计量标准和区块链应用，实现节电量实时计算、实时验证、全程记录、透明可视、不可篡改；5、效果付费：节电量评估简单可信，完美匹配融资租赁和合同能源管理模式，让企业免承担设备投入即可获取长期节电收益；6、高性价比：一体化解决方案可降低电能质量治理和节电改造的综合投入成本，实现8%以上的平均节电率，使用寿命达20年，性价比高。

1、佛山供电局某冷热电联产项目系统能量网络示意图与拓扑图（包括支路、节点、回路编号）：

2、对该系统2010年9月2日12:30至13:30的运行参数进行计算及分析，在该时间段内系统参数每30s采集一次。图中红色散点代表系统运行参数的实际值，绿色曲线代表能量网络方程求得的运行参数的计算值。以流体网络支路b5-b7处基本广延量（体积流量）为例，仿真情况如下，

3、优能柜E-Combo硬件拓扑结构示意图：

4、优能柜E-Combo软件系统图：

5、团体标准T/GEIA 11-2020，《配用电系统节电装置节电量测量和验证技术导则》：

6、2020中国工业互联网大会暨粤港澳大湾区数字经济大会“优能柜E-Combo智能节电装置”首次亮相

二、技术优势及性能指标：

技术优势：本项目的“能量网络理论”作为理论研究基础，能让综合能源系统的物理机理能得到根本的解决，从能量本质出发揭示各能源网络间的耦合-转换-传输的关系，基于“能量网络理论”的建模方法能充分利用多种源互补的基本物理特性，特别是未能开展综合能源系统至关重要的能质或㶲分析。“能量网络理论”可以打破不同能源系统在建模、规划设计、能量优化管理与最优化控制等领域的理论与技术壁垒，真正实现各能源子系统之间的融合以及提高综合能源系统能量利用率。同时，结合“优能柜E-Combo”配电系统节电装置，有助于综合能源系统中的重要组成网络——电能网络实现节能、降费，具体优势包括：配用电系统全方位电能质量治理与全局最优化节能一体化；智能算法动态跟踪配用电系统工况变化，最优节电率自适应控制；基于创新计量标准的节电量实时计算与实时展示；基于区块链的节电量实时验证和数据防伪；节电与非节电数据同步显示、状态一键切换；主电路直通与旁路母排双保险；低功耗与能量回馈设计，实现极致节电；远程智能运维与管理。

性能指标：能量传递管道截面A、B之间传递所产生的㶲损大小、㶲效率大小（为系统或设备中有效㶲与代价㶲之比，反映综合能源系统中有效功的质量与数量）、配电网节电量以及节电率。

1、㶲损大小

式中，是能量从截面A传递到截面B产生的㶲损，是传递过程的能量损失，为强度量的寂态值，是基本广延量流量，为强度量的寂态值，是能量传递过程与长度相关的基本广延量的函数。

2、㶲效率

式中，为截面B处㶲的大小，为截面A处㶲的大小。

3、节能量指标计算：

式中，，为选取的不同测量工况，为选取的所有工况之和；为第种测量工况下系统边界内的节电功率，单位为千瓦；为节电装置关闭时，第种测量工况下系统边界内的电功率，单位为千瓦；为节电装置开启时，第种测量工况下系统边界内的电功率，单位为千瓦；为第种测量工况下的误差调整值。其中，在统计报告期内，测量方必须保证同一工况下进行测试，经多组工况的测试后，测量方按下式计算节电量：

式中，为统计报告期内节电装置投运后的节电量，单位为千瓦时；为第种测试工况下的运行时间，单位为小时。

4、节电率的计算：

三、所属领域：

综合能源系统方向：能源网络技术

综合能源服务方向：综合能效服务技术

智慧能源方向：能源互联网

四、成熟度：

生产阶段

五、市场应用情况及经济效益分析：

就“能量网络理论”成果发表论文11篇，相关论文《能量网络的传递规律与网络方程》（《西安交通大学学报》2014年10期）入选“中国精品科技期刊顶尖学术论文”（领跑者5000，F5000），为综合能源系统统一建模与分析奠定了基础；关于时变能量网络理论的论文《时变能量网络建模与分析》已被《中国科学：技术科学》（2019年第3期）接受并发表；关于分布式供能系统㶲分析的论文《基于能量网络理论的分布式供能系统分析》已在《电力自动化设备》（2017年第6期）发表；另外，《面向综合能源系统建模与分析的能量网络理论》（《南方电网技术》2020年第2期）阐述了“能量网络理论”的具体内涵与研究方法，还在国内其他知名期刊和国际会议上发表了一系列相关论文，具有深厚的研究基础和工作经验，基于“能量网络理论”能实现综合能源系统能精准建模与能效提升。具体论文发表详情如下：

1、陈皓勇, 文俊中, 王增煜, 等. 能量网络的传递规律与网络方程[J]. 西安交通大学学报, 2014, 48(10):66-76.

2、Ge H , Liu F , Chen H , et al. Coordinated optimization of district electricity and heating system based on genetic algorithm[C]// 2016 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC). IEEE, 2016.

3、葛海麟, 陈皓勇, 邱明. 基于键合图的区域综合能源系统动态仿真研究[J]. 智慧电力, 2017(2).

4、葛海麟，陈皓勇，文俊中，等. 基于能量网络理论的分布式供能系统分析[J]. 电力自动化设备, 2017, 37(6): 34-40.

5、葛海麟, 陈皓勇, 刘飞. 基于遗传算法的区域电力和供热系统优化[J]. 南方能源建设, 2017, 4(001):25-30.

6、Chen H , Qiu M , Ge H , et al. The Application of Energy Network Theory in the Analysis of District Electricity and Heating System[C]// 2017 IEEE International Conference on Energy Internet (ICEI). IEEE, 2017.

7、李明, 陈皓勇, 邱明, 等. 基于能量网络理论的区域综合能源系统运行优化研究[J]. 分布式能源, 2018, 3(4): 1-8.

8、陈皓勇, 陈思敏, 黄龙, 等. 基于时变能量网络理论的综合能源系统动态仿真研究[J]. 供用电，2018, 11: 20-26.

9、陈皓勇, 李明, 邱明, 等. 时变能量网络建模与分析[J]. 2019, 49(3): 243-254.

10、陈皓勇, 陈思敏, 陈锦彬, 等. 面向综合能源系统建模与分析的能量网络理论[J]. 南方电网技术, 2020, 14(2): 62-74.

11、Chen H , Chen S , Li M , et al. Optimal Operation of Integrated Energy System Based on Exergy Analysis and Adaptive Genetic Algorithm[J]. IEEE Access, 2020, 8: 158752-158764.

工信部副部长、广东省副省长等政府领导于2020年11月25日参观华工能源展区，展区包含了园区智慧用能服务产业集群在肇庆国家高新区所取得的成果，其中包含“优能柜E-Combo”的应用。“优能柜E-Combo”于2020年11月19日，在第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛中获得金奖；于2020年3月8日发布了团体标准T/GEIA 11-2020，《配用电系统节电装置节电量测量和验证技术导则》；于2019年6月，在项目《东莞某橡胶制品公司配用电系统改造项目》中部署“能眼E-eyes”企业综合用能管理系统，经过1个多月数据采集与分析，对该企业配用电系统电能质量健康状态形成评估报告，报告显示企业整体电能质量水平良好，但电压偏差高达17.48%，存在较大的优化改善空间。2019年7月，结合客户需求为其度身定制智能节电装置“优能柜E-Combo”。2019年9月初完成安装调试，并顺利通过验收，正式交付客户使用。自“优能柜E-Combo”投运至2020年1月，平均节电率达11.3%，累计为企业实现电能节约7.7万kWh，累计实现节电收益5.1万元，预计全年可节省电费约20万元。在节电价值上，节电率可达8%以上，每年可为企业节省几十到几百万元用电成本，更可享受20年的装置使用寿命，投资回报率高；在配用电系统安全运行上，可以降低配用电系统故障率和因故障导致的经济损失，减少配用电系统的人工维护与管理成本；在设备生命周期管理价值上，能全面优化配用电系统电能质量，有助于延长生产设备使用寿命，大幅降低电力设备的维修、保养、更换费用；在社会生态价值上，能助力企业实现节能减排，响应低碳生产号召，为环境保护贡献力量。