智慧园区的碳中和

自 1979 年深圳蛇口工业园打响了我国产业园区发展的第一炮，园区建设正式步入快车道，以科技创新驱动的高新区、科技园和以商贸流通驱动的物流园、自贸区相继涌现，推动着我国社会经济的飞速发展。

截至2018 年，经中央核定的国家级和省级工业园区共计 2,543 家，其他各级各类工业园区总数超过20,000 家，贡献了全国工业产值的一半以上以及全国生产总值的三分之一。2018 年，我国国家级经济技术开发区的生产总值为 10.2 万亿元，国家级高新技术产业开发区的生产总值为 11.1万亿元二者在同期国内生产总值占比超过 23%。若考虑省级及省级以下产业园区，江苏省产业园区对全省GDP 增长率贡献达到 80%，安徽则达到 50%。

与此同时，产业集群的壮大以及生产规模的扩增也为能源消耗带来了一定压力，各类产业园区的能源消费总量已超过全国能源消费总量的 1/3。

产业园区的能耗压力主要来自以下方面:

一：电能占园区用能比重持续上升

依照产业集群的多元化用能需求来看，离散制造业类生产以电能驱动为主，辅助系统中采暖和空调占总能耗比例较大，过程工业类产业用电占比较小，蒸汽及冷需求应用较多;新兴研发类产业与建筑能耗相似，电能消费占比较大。随着工业电气化的推进，预计到 2050 年全国工业生产电能占终端用能比重将达 52%，各类建筑电能占终端用能比重达到 65%。

二：现有园区供电方式与低碳路径相矛盾

从园区能源结构分析，由于受我国电能生产现状所限，2020 年采用电网供电的园区 67.8% 的电力供应仍然依靠化石能源:而且以单向供电为主的现有园区配电网结构无法适应大量分布式能源的接入而未来转变后的园区多端供电模式会导致电源波动频繁，难以快速定位并切除故障点;另外，随着越来越多的电力电子设备和光伏发电接入电网，变流环节容易造成能源损耗，同时所产生的谐波对电网的电能质量也存在一定影影响。

三、综合能源管理体系依旧落后

从园区能源管理情况来看，目前多数老旧园区缺乏有效的能源信息采集手段，能源管理数字化水平有待提升。而新建园区内的能源信息系统多为各自孤岛运行的独立系统，信息流通存在障碍，无法通过数据交互实现系统之间的调控和优化。

如何加快构建以新能源为主体的新型电力系统，助力园区实现高碳排放电能的有效替代，在这场厂泛而深刻的变革中如期实现“3060”双碳目标? 借助电网体制改革，以微电网、增量配电网为依托优先从综合能源管理体系建设着手，借助数字化手段，深入挖掘园区综合能源系统的绿色低碳效应探寻电能综合能源利用体系“最优解”，打造面向未来的碳中和园区。

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碳中和园区的全新样貌

未来的碳中和园区在自身规划、建设、管理等方面系统性地融入低碳理念，利用节能、减排、固碳碳汇等多种手段，通过产业绿色化转型、设施集聚化共享、资源循环化利用等途径，在保证生产活动安全高效的前提下，让园区实现碳排放与吸收自我平衡。

一、柔性交直流混合微电网保障大规模分布式清洁能源接入

电能将是未来园区能源消费的主要形式。与传统园区不同的是，将有大量分布式风、光、氢、余热生活垃圾、生物质等非化石能源发电就近接入园区微电网，多种能源互补利用，综合保障能源供应的安全稳定;电力传输宜交则交，宜直则直，缩减了电力电子器件的使用，从而抑制谐波的产生。交流微电网与直流微电网独立控制的同时又互为备用提高系统的可靠性;微电网能量管理系统实现能量的优化分配与平衡，建立“源- 网-荷 储”一体化网络，保证微电网的经济高效运行。

二、多能互补，实现产业协同共生

利用先进的物理信息技术和创新管理模式，构建“互联网 +”智慧能源系统，整合园区内不同类型的能源资源、储能设施及电气化交通等要素，通过天然气冷热电联供、分布式能源和能源智能微网等方式，结合新兴技术实现多能协同供应和能源综合梯级利用，推动能源清洁生产和就近消纳实现异质能源间的协同规划、交互响应和互补互济，在满足园区内多元化用能需求的同时，有效提升能源利用效率，降低能源生产与消费成本。

同时，挖掘园区内部和园区间的产业共生潜力将生产过程中的副产品及废物等回收利用，达到资源的最优化配置，形成绿色共享的闭环流动循环系统。

三、打造碳中和园区的数字化生命体

让园区成为有温度的数字化生命体是实现低碳发展的有效捷径。未来的智慧能源管理系统将全面地掌握园区内的能源生产、使用和碳排排放情况，实现在生产、传输、存储和消纳等环节的全程可视和智能分析，自动为园区内企业管理碳资产配额，完成碳汇交易。

同时，数字时代下的园区工作方式也将发生改变包括无感打卡、智慧停车、无人食堂、智能会议共享工位、数字化办公等，进一步减少资源消耗赋予园区更多低碳内涵。

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统筹协调与科学部署下所面临的重重困惑

随着碳达峰、碳中和目标升级为国家战略，产业园区的低碳化转型势在必行。一方面，高排放园区面临着限产、停产的政策约束。另一方面，受限于电力送出和消纳条件，清洁能源发电建设的重点将人告统集中式大容量过渡到集中式与分布式并行的格局，以园区为单位的微电网将成为清洁能源建设的重要新方向。在统筹协调与科学部署中推动园区绿色低碳发展，普遍面临如下挑战:

一：如何科学制定低碳发展战略，部署低碳发展技术架构

打造完善的能源绿色管理体系是园区实现低碳目标的核心底座。大部分园区仍停留在环境管理体系的认证与建设阶段，能源管理体系建设相对滞后且缺乏行之有效的低碳发展技术架构，其次，园区普遍缺乏适用的标准规范及相关核算经验，无法对园区内或厂界范围内的温室气体及其他排放物进行精准核算、分析，并制定相关改善策略。这就需要园区结合自身特性来主动探索减碳技术架构，从全局层面考虑能源供给、消费、分配和管理上的发展趋势和兼容性，避免重复投资。

二：如何在园区微网上进行多策略柔性调控

在园区低碳发展的技术架构中，设备层级(子系统)的技术相对成熟，如光伏发电子系统、楼宇自控子系统、电机驱动变频化、照明设施直流化、园区交通电气化等。但园区微网层面的能源调控系统则处于起步阶段。如何以园区为边界，对各个设备进行有机调控，实现能源微网的供应低碳化和消耗可控化，是园区需要深入研究的课题之一。

在园区能源微网内，新能源发电特性与园区负荷特性存在天然“时间差”，仅靠清洁能源发电建设无法实现能源供应的低碳化。小规模分布式光伏发电量远无法满足园区日常运营的电力需求:大比例建设光伏发电难以做到就地消纳且日间发电的随机性与负荷波动性成香加式可能加剧电网公共连接点的功率波动，影响大电网供电的稳定性。如何实现在大比例清洁能源渗透的同时，兼顾就地消纳和电网稳定，是园区亚待解决的问题。

为实现能源脱碳目标，未来电网峰谷电价将进一步加大，传统随机用能方式将面临越来越大的能源成本上涨压力: 随着园区内新能源汽车充电基础设施等可调节负载的增加，以及园区内冷、热、气等可控用能系统的完善，负荷侧的弹性用能调节能力将趋于增加。而在现有园区管理体系中各主体在碳排放管控上彼此独立，各类能源系统间也相互割裂。如何科学部署园区能源管理体系架构，实现高效负荷侧需求响应调节，从而提高能源使用效率，降低峰值能源需求，是园区在运营阶段的痛点所在。

三、如何保障未来园区能源微网高效自主运行

新能源的大比例建设及消纳、高电气化率和可靠供电等特性对未来园区的能源微网有着更为严苛的要求。

园区配电技术路线上，传统园区电力系统均采用全交流配电网架构，随着光伏新能源发电系统、新能源汽车充电基础设施、园区边缘型数据中心等直流发电和负载的增加，传统交流配电方案在配电效率、电能质量及安全性等方面面临新的挑战:主流的单一辐射式配电网络灵活性较差，无法高效满足不同建筑主体间的能源互济需求，难以支撑园区弹性网络建设。

能源微网的安全自主运行很大程度上取决于微网的供电可靠性以及对电气故障的处理能力，而这背后也面临着重重考验:

1.需求端:供电可靠性要求日渐严苛

以国家电网公司在核心城市建设的 A+ 配电网示范区为例，要求示范区供电可靠率达到 99.999%即年停电时间小于 5 分钟。这不仅需要外部电网具备超高的供电稳定性，也对园区能源微网系统内部的可靠运行提出了更高要求。

2.供电端:多端供电模式导致故障处理复杂性呈指数级增长

由于分布式能源发电在地理位置上较为分散，造成整个电网结构中具有多个分散的电源点，园区电网从单一电源的辐射型网络变成多端电源的网状结构。当系统发生故障时，故障电流的方向和大小会随之变化，保护装置的动作电流整定和时限整定将变得更为困难，可能造成保护选择性失效，引发越级跳闸等继发事故，为人工巡检增加了工作难度。

面对以上两点供需矛盾冲突，园区能源微网需要在供电可靠性、故障处理时效性和人员工作强度等方面找到统筹兼顾的解决方案。

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低碳理念与绿色技术的交融

一：建立科学碳管理策略，整体布局低碳能源系统

在低碳园区的建设上，园区管理者应战略先行依照相关国际、国内标准与行业政策，大力构建清晰的绿色管理体系，在园区运营活动中强化低碳发展理念，整体布局低碳能源系统，打造示范性低碳园区。

1.构建清晰的绿色管理体系，以组织与规章为切入点，保障低碳园区的实现

园区管理层及园区内各企业须成立专项能源管理团队，依据相关要求与能源管理方针，结合自身能源使用特点，加快建设 ISO50001 能源管理体系，将能源目标指标、能源绩效参数、能源监测分析、能源审计、能源计量等管理要求进行有机关联、系统整合，借助先进的数字化手段与综合能源管理平台，建立可视化的能源管理体系，为打造绿色低碳园区、工厂夯实基础。

2.强化低碳发展理念，充分优化碳排排放强度

以制造单元为例，充分考虑绿色制造和智能制造的融合，降低万元产值能耗及单位产品能耗:在园区基础设施的设计规划、工程建设与升级改造上依照绿色环保要求，采用高能效设备和工艺减少温室气体及其他排放物的排放:建立明确的碳排放核查管理细则，可根据ISO14064《温室气体计算与验证》，结合第三方机构对园区内各主体的温室气体年排放量进行核算，让低碳发展有迹可循。

3.整体布局低碳能源系统，以绿色技术践行低碳园区建设

园区低碳能源系统的本质是构建以新能源为主体的园区能源微网，其关系到园区整体规划布局及未来发展。典型园区能源微网架构参考如下图所示，园区可视其规模及行业属性差异进行相应的变形拓展

能源端: 电源侧的分布式能源正逐步部署，除了传统的园区外电源，需在园区内以建筑物为主体规划分布式光伏、储能、风电等电源设备的安装空间及电源接口，在应急电源方面，需考虑园区能源微网的孤网运行情况，以替代应急柴油发电机的使用;电能在未来仍有较大的发展空间，需考虑由此带来的负荷侧电力容量的增加，以及相关的能源接口和设施空间等需求:随着能源转化技术的广泛应用，电、冷、热、气等多种能源可高效灵活转换互济互通，需统筹规划负荷容量。

配电网络:随着直流发电和用能设施的增多，除传统的交流配电架构外，需在配电末端考虑分布式直流微电网的设计，以便分布式能源就地消纳:在不同园区外电源间可建设直流配电系统，用于灵活调整各线路负荷率，并解决园区电能质量等问题:配电网络架构需从原来的放射型网络向单环网及双环网等更高可靠性供电网络过渡，为园区弹性网络构建能源全局流动的基础。

能源管理:典型园区级能源管理系统由边缘控制层和能源管理平台构成。边缘控制层主要用于秒级乃至毫秒级控制，如故障定位、静态减载、平抑光伏波动、储能削峰填谷、孤网运行控制等功能，并承担能源设施的通讯接口: 能源管理平台负责园区分钟级调度以及大数据分析等功能，如负荷预测虚拟电厂策略、资产健康管理等，两层架构并行实现对园区能源的一体化管理。

二、“源- 储- 荷”多策略柔性调控助力园区弹性微电网建设

多策略柔性调控基于园区全局视角出发，以能源安全和碳排放最低为目标，进行“源- 储-荷多策略柔性控制，将“源随荷动”的模式转变为“源荷互动调优”模式，释放碳减排潜力。

实现多策略柔性调控需突破以下难点:

1.园区多端能源供应，负荷波动大，调控策略复杂园区内多端供电、多级配电、未端用电等环节，以及冷、热、气等子系统的全融合对多策略调控系统网络稳定性和系统兼容性提出了 更高要求。且由于“源- 储- 荷”各设施的波动特性、调节裕度、响应特性均不同，受调控的成本及用能体验的影响，多策略柔性调控难度较大，需要融合 OT 和IT 技术以确保调控的合理性和低碳性。

2.调控场景不同，调控策略多变

随着外部能源环境的变化，以及内部分布式发电的波动性，不同园区的智能节碳、限电运行模式、安全备用模式等典型能源调控场景需定制不同控制策略，要求具备丰富的能源系统运行经验，以确保策略的完整性及模式切换过程中的稳定性。

3.能源安全性对调控实时性和可靠性有着高要求

由于能源系统处于实时供需平衡状态，如多策略柔性调控中的削峰管理、调频功能、平抑新能源波动及后备电源等，均要求有毫秒级的响应控制速度所以高时效性是保障能源安全调控的核心。

基于成熟的智慧能源管理系统，“源-储- 荷”多策略柔性调控方案可实现园区设施的全融合，通过能源调控两层架构实现快速可靠调控。其中，能源管理系统层负责全局调控策略的实时推演分析生成对各种分布式能源和可控负荷的调节指令，边缘控制层通过超链接响应平台控制需求，进行快速可靠的设备控制。

多策略柔性调控可分为: 多策略的新能源调控及多策略负荷侧需求柔性调控

多策略的新能源调控是指利用储能的灵活性，降低新能源输出的波动性并进行削峰管理，降低园区峰值功率，同时留有一定的备用容量，以便作为园区的备用电源。由于分布式光伏和分布式储能的异地、大量离散性接入，对分布式光伏和储能的控制策略也需进行多层级调配。基于智慧能源管理平台，以园区具体能源架构为基础进行机理性建模分析，包括系统架构、可调节裕度、响应速度、系统安全性评估等元素，以数据分析和预测为驱动进行日前及日内实时分布式发电预测和负荷预测综合进行新能源调控推演，得出兼顾低碳和安全的新能源控制策略，并依托成熟可靠的边缘控制器进行毫秒级控制，如新能源并网控制、出力控制诸能并网控制、储能出力控制等，在新能源大比例渗透的园区微网内，可视场景需要实现削峰管理调频功能、电能质量管理、平抑新能源波动及后备电源等功能。

多策略负荷侧需求柔性调控，旨在通过对部分可控负荷的柔性调节，以不影响负荷功能性运转为基础，有序的分时段控制负荷用能需求，达到弹性用能的目的。多策略负荷侧需求柔性调控有助于新能源的就地消纳，同时降低电网基础设施投资。由于园区负荷层面体量大、分布广，控制成本不同，负荷重要性等级不同，响应速度不同，故而需要统筹谋划，制定用能调控组合，达到高效用能。基于智慧能源管理平台，以建筑体为调节对象，首先结合天气、人流、生产等跨系统数据进行负荷预测及可调空间分析: 其次，与建筑自动化系统、充电桩系统等进行跨系统联接，以便进行快速可靠的负荷柔性控制:根据实时的运行模式，如智能节碳模式、限电运行模式、安全备用模式等,由园区级能源管理系统进行全局调控实现微电网的低碳高效运行。

三、自主运行，确保园区能源微网的高效稳定

园区能源微电网的高效稳定运行是低碳园区的基础保障，而新能源的随机性、不稳定性、间歇性等特点可能导致微电网的电力支撑能力减弱。因此在规划设计阶段需进行如下综合考量。

合理的结构布局:满足分层分区原则，任一元件断开，应能保持系统的稳定运行。

合理的系统互联: 能合理控制系统短路电流，交直流相互适应、协调发展。

合理的能源储备:在故障后经调整的运行方式下园区系统应具有相应的静态稳定储备，并满足再-次故障后的稳定运行需求。

在运行阶段要重点考虑园区微电网整体故障处理方案。依托成熟的 IEC61850/GOOSE 数字化电力通信技术，园区微电网整体故障自知自应方案以边缘设备的高速自主通信为基础，结合园区微电网拓扑动态进行实时分析，实现电力故障的自知自愈。目前，该方案在行业内已有应用落地，但大多仅局限在同一电压等级电网的故障自愈场景中，后备方案仍待提高。基于此，ABB 进一步完善了园区微电网整体故障处理方案，实现年均停电小于 30s供电可靠性高达 99.9999%。具体特点如下:

1.全域覆盖故障范围

相较于成熟的 10kV 配电领域，该方案率先在400V 侧的开关设备上实现 IEC61850 通讯支持并完成了中、低压配电设备的通讯打通，将故障范国的快速处理扩大到低压配电侧。

2.率先支持 5G 通讯网络

故障自知自应依赖于快速且可靠的通讯传输技术重要的通讯报文要求点对点通讯延时小于3ms告统方案均依靠光纤专网进行传输，投资较大。随着 5G 技术趋于成熟，其低延时特性可替代光纤通信。据此，ABB 携手知名 5G 厂商，完成基于 5G通讯技术的故障自知自愈方案的研究和测试，率先实现在 5G 网络上进行IEC61850/GOOSE二层网络通信，可完美替代传统光纤网络。

3.丰富的故障处理应用

首先，在故障处理可靠性上引入了通讯连接状态在线监测技术，并且当通讯中断时，可自动触发预案确保故障选择性切除。其次，针对分布式能源接入产生的防孤岛等问题，提供基于 GOOSE 通信的全面保护，可在 10ms 内检测孤岛状态，选择性的进行快速防孤岛保护，保障分布式能源的稳定供应。同时，提供创新的单相接地故障诊断算法，可全面识别多种不同的接地故障，准确率高达 99.9%，特别是针对电缆线路的间歇性接地诊断，可提前发现早期电缆故障，避免事故的扩大。