浅谈智能微电网技术在零碳园区新型电力系统中的关键作用

摘要：建筑园区作为城市中数量众多、功能重要的生产生活空间载体，在建设和运行过程中会产生大量碳排放。建筑园区在运行阶段如何通过技术路径实现零碳化运行，聚焦智能微电网技术在零碳园区新型电力系统中的关键作用。采用了案例分析法，以德国柏林欧瑞府零碳能源科技园和中国上海傅雷图书馆作为国内外案例研究对象。对智能微电网技术在零碳园区新型电力系统中的应用进行理论结合实践的介绍，并对其未来发展展开展望。其呈现了智能微电网技术在零碳园区新型电力系统中的实际应用情况，以及基于此对其未来应用前景的展望。

关键词：零碳园区；新型电力系统；智能微电网技术

1研究背景

1.1中国“3060碳达峰碳中和”战略

为应对气候变化及其负面影响，2015年12月12日，第21届联合国气候变化大会在巴黎举行，世界各国领导人共同达成了具有历史意义的《巴黎协定》，并于2016年11月4日正式生效，是具有法律约束力的国际条约，它标志着一个向净零排放世界转变的开始。

1.2零碳园区建设的必要性

根据《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》显示，2020年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿tCO2，占全国碳排放的比重为50.9%。其中：

●建材生产阶段碳排放28.2亿tCO2，占全国碳排放总量的比重为28.2%；

●建筑施工阶段碳排放1.0亿tCO2，占全国碳排放总量的比重为1.0%；

●建筑运行阶段碳排放21.6亿tCO2，占全国碳排放总量的比重为21.7%。

由此可见，实现建筑园区在运行阶段的零碳化，对我国实现“3060碳达峰碳中和”战略有着积极的促进作用。

2智能微电网技术

2.1问题与挑战

（1）电气安全

我国的建筑园区已经从开发建设阶段转向运营管理阶段，众多建筑园区建成时间已达十余年甚至更久，面临着电力系统设施设备老旧、运行维保品质不佳的局面，不仅存在能源使用效率方面的问题，更存在电气安全方面的隐患。

（2）能碳双控

众多建筑园区存在尚未建立健全能碳双控管理体系、配备有效能碳双控管理工具的现象。由于缺乏连续、准确、透明的能碳数据作为分析、决策的依据，园区无法制定切实可行的节能减碳解决方案。

（3）用电成本

实行两部制电价的园区，其电价由基本电价和电度电价组成。基本电价分为按固定容量收费和按实际需量收费。采用分时电价的电度电价有着不同的尖峰平谷电价。园区的用电负荷如不加以精细化、科学化的管理，不仅会造成电费成本过高，持续较高的需量也会造成电力系统的安全隐患。

2.2智能微电网系统

（1）微电网定义

微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统。微电网分为并网型微电网和独立型微电网，可实现自我控制和自治管理。并网型微电网既可以与外部电网并网运行，也可以离网独立运行；独立型微电网不与外部电网连接，电力电量自我平衡。文章研究的微电网特指并网型微电网。

（2）智能微电网技术

智能微电网技术是指运用物联网、云计算、大数据、人工智能等数字化技术，为零碳园区新型电力系统搭建一套云边端三层架构的电力能源物联网。

①设备层（端）

通过部署数字化传感器、表计实现电力参数、电量参数、设施设备温度参数、断路器健康状态参数的采集与上传。

②边缘控制层（边）

通过部署软硬件一体化的边缘监控设备，实现电力系统在线监测、断路器远分合闸程控制、储能充放电控制、充电桩功率输出控制、空调温度控制等功能。

③应用分析层（云）

a.智慧运维功能

结合电力系统在线监测功能，通过预先设置报警阈值的方式，将处于非正常运行状态的站房、系统、设备的信息推送至运维人员的手机端和电脑端，运维人员可提前进行保养、检修、更换等措施，进而降低设备故障和安全事故的隐患、延长资产使用寿命。

b.能碳管理与电费管理功能

为建筑园区建立统一的可视化、智能化的能耗、碳排放、用电成本数字化管理系统，系统对各园区的能源和资源运营数据进行实时采集与监测。以安全、准确、稳定的大数据管理为底层基础，对能源与资源的运营数据进行可视化呈现和智能化分析，提升能碳管理、电费管理质量的同时降低人工成本。在企业经营层，可与企业的OA、ERP、MES系统对接，提供直接、透明、合规的数据。

c.源网荷储一体化功能

源网荷储一体化功能的实现，有助于建设电网友好型的零碳园区新型电力系统。可减少大规模分布式电源接入对电网造成的冲击，并网型微电网与外部电网的交换功率和时段具有可控性，通过对电源、负荷和储能系统的协同控制，实现与电网之间的功率交换。

3项目案例研究

3.1项目概况

欧瑞府零碳能源科技园位于德国柏林，是全球零碳园区标杆案例。园区已经超前实现了德国联邦政府制定的2050年气候保护目标——二氧化碳减排80%。

3.2智能微电网技术解决方案

基于智能微电网核心技术的新型电力系统是超前实现这一目标的核心解决方案：

园区内的建筑和设备的建设以高能效为首要目标，并通过智能化的能源管理系统集中控制，首先实现了园区的能效提升目标。其次，园区通过使用可再生能源，如沼气、光伏和风能，以及沼气热电联供站等设备来实现供暖、制冷和供电，进一步实现了绿色清洁能源替代的目标。园区接入了1.8兆瓦时的电池储能系统，由大约能满足100辆电动汽车和公交车充电的智能充电站，以及运行电转热和电转冷设备共同组成零碳园区新型电力系统，通过智能微电网技术的应用，实现了新型电力系统“源网荷储一体化”的功能，达到了100%使用可再生能源供电的目标。

4项目实践研究

4.1项目概况

2019年落成开馆的傅雷图书馆，位于中国上海市浦东新区周浦镇。园区主体为一栋四层建筑物，总面积约5401.45㎡。图书馆全年365天运行，用电时长远高于普通公共机构，面临能效、碳排放强度、用电成本“三高”的挑战。傅雷图书馆零碳改造项目的“设计、建设和运营”均对标国际权威的LEED净零碳认证体系，是世界首座LEED净零碳认证图书馆。

4.2智能微电网技术解决方案

在改造阶段，项目团队结合图书馆的场地与空间条件、运营管理需求和日常用能特点，为项目规划了“提高能源使用效率、高比例绿电替代、源网荷储一体化运行”的实施路径，确保项目落地后的可持续减碳。

首先，项目团队为图书馆设计了科学化、精细化的能碳管理体系并部署了数字化能碳管控平台，通过“技术改造+管理优化+公众参与”的方式，提高图书馆的能源使用效率。针对主要用能分项之一的照明系统，项目部署了轻量化易于安装的智能控制系统。物业人员通过远程集中控制的方式，不仅能集中控制所有灯具的开关，还能结合室内空间的照度和读者的人数，通过预先设置的“节能场景”，关闭部分灯具的同时不影响图书馆的运营，大幅提升了工作效率和节能减碳的参与度。

针对主要用能分项之一的空调系统，项目团队贴心地制作了温馨提示，告知读者空调温度的设定有利于图书馆的节能减碳，并且邀请读者共同参与其中，大大减少了读者自行调节温度的现象。同时，通过部署智能控制系统，在光伏发电富裕的时候，联动温度控制、消纳绿电，并利用建筑进行“蓄热蓄冷”。

计量系统是摸清建筑“能碳家底”的必要条件。图书馆不仅按照用能设备类型增设了分项计量系统，还针对运营时间或主体有差异的空间，例如：剧场、深夜书店、新能源汽车充电站，设置了分区计量。实现能耗数据采集的科学化、精细化。同时，结合数字化能碳管理系统，实现了对能耗数据的实时采集和连续存储，为图书馆的可持续节能减碳建立了透明、可信的能碳台账。

在提高能源使用效率的基础上，减碳的重要措施是绿电替代。项目充分利用屋顶及室外停车场空间建设光伏电站（装机量约300kW，年发电量约30万度，自消纳率约88%，约67%的建筑年用电量实现绿电替代）大幅度降低了建筑运行碳排放。项目同时配置了50kW/100kWh的储能系统，运用智能微电网技术，对储能系统实行智能化充放电调度，优先用于提升光伏自消纳率，尽可能减少光伏发电量上网造成对电网的冲击。低碳交通也是项目减碳的技术体系之一，4台120kW快充桩、10台7kW慢充桩，大大改善了读者和周边社区的充电配套服务。

随着光伏、储能、充电桩等新能源设备的接入和数字化升级，傅雷图书馆的传统电力系统蜕变成为用户侧新型电力系统。通过引进施耐德电气的智能微电网技术、结合项目团队所在企业的硬件制造能力，项目团队为图书馆搭建了集“物联网、大数据、云计算和人工智能技术”为一体的微电网管控平台。云边端三层架构、软硬件一体化的微电网管控平台是实现零碳园区新型电力系统安全可靠、低碳、绿色经济的核心产品。通过预测未来24小时的光伏发电量和建筑用电量，实现空调温度设定、充电桩功率调节、储能充放电调度的全自动协同控制，实现用户侧新型电力系统的源网荷储一体化运行。可持续优化建筑能效和用电成本、提高光伏消纳率、降低建筑运行碳排放，同时为虚拟电厂建设打下用户侧基础。

在运营阶段，利用数字化能碳管理系统，项目团队为图书馆提供电力系统设施设备运维和能碳资产管理服务。通过“线下巡检、维保、抢修”+“线上监控、数据分析”相结合的方式，确保项目的可持续减碳和迭代更新。经过1年多的运营，傅雷图书馆2023年用电强度较2021年下降14.46%，2023年碳排放强度较2021年下降36.78%。

傅雷图书馆零碳改造项目在2023年获得了联合国工发组织颁发的全球零碳城市创新典范奖，是绿色建筑专业的一个铂金级获奖项目。项目也在今年入选上海市节能减排持采用高标准进行改造和运营的肯定和鼓励。

安科瑞作为专业的智慧能源管理解决方案提供商，能为零碳园区建设提供包括碳计量电表、分布式光伏、分布式储能、电动车有序充电以及智慧能源管理平台等解决方案，为零碳园区的建设提供“云-边-端”一体化解决方案，利用“云边协同”智慧策略帮助园区充分利用好新能源，帮助园区明确降碳成本效益路线图。

5.1碳电表

碳电表是一种新型的计量工具，它的出现是为了帮助我们更好地理解和计算企业在电力使用中的碳排放。它的工作原理是根据实际电能消耗的计量数据，动态计算并按照使用条件、区域等因素更新电碳因子，也就是平均每度电所蕴含的碳排放量。这个数值是实时更新的，能够真实反映企业电力使用中的碳排放情况。碳电表的出现对于企业有着非常重要的意义，有了这些数据，企业就可以追踪产品生产过程的碳排放，根据碳排放情况优化电源结构，制定更加绿色低碳的生产模式。

AEM96三相多功能碳电表，集成三相电力参数测量、分时电能计量及碳排放统计，根据不同使用工况的电碳折算因子集成碳结算功能，包含12组碳排放值及对应的碳排放因子，它能够实时计算并给出企业生产用电带来的碳排放量，让碳排放像电能一样方便记录，配合安科瑞碳资产管理平台，大大简化企业的碳排放统计工作。

图1 AEM96三相多功能碳电表

5.2分布式光伏解决方案

分布式光伏是零碳园区新能源建设的首选，随着新型电力系统的发展以及国能发新能规〔2025〕7号文、发改价格〔2025〕136号文相继出台，分布式光伏建设越来越需要面临并网、运行安全和能量管理方面的问题，并不是建了就能用，建了便可以有稳定收益的。供电部门对于分布式光伏电站保护、稳控系统、电能质量以及和调度的通信要求都比较高。

图2分布式光伏建设系统图

分布式光伏建设相关二次设备：

5.3分布式储能解决方案

储能系统作为光伏发电蓄水池和中转站，在消纳光伏发电过程中起着很重要的作用，在零碳园区建设中必不可少。

按照GB/T 36547-2018《电化学储能系统接入电网技术规定》要求，储能系统的微机保护配置要求：储能电站并网点配置AM5-IS防孤岛保护，非计划孤岛时应在2s动作，将储能电站与电网断开。

关于储能系统计量点的设置：如果储能系统接入园区内部电网，计量点设置在并网点。

储能单元应具备绝缘监测功能，当储能单元绝缘低时应能发出报警和/或跳闸信号通知储能变流器及计算机监控系统，如果BMS或者PCS不具备绝缘监测功能可单独配置直流绝缘监测装置。

通过10kV接入公用电网的储能系统电能质量宜满足GB/T19862要求的电能质量监测装置，当储能系统的电能质量指标不满足要求时，配置电能质量在线监测装置监测并网点电能质量。

图3储能系统图

储能系统二次设备选型

5.4有序充电解决方案

以电代油、以电代气是零碳园区能源转型中一个必不可少的过程，为新能源车补充能源的充换电站也是必配设施。安科瑞有序充电系统基于预测算法，可以实现对企业变压器负荷率、光伏发电和充电负荷需求预测结合充电桩的监控、调度和管理，提高光伏发电消纳，提升园区微电网的运行可靠性，降低充电成本。

图4有序充电系统图

有序充电系统设备选型方案

AcrelEMS3.0智慧能源管理平台碳资产管理采用权威碳排放核算因子数据库，符合SO14064-1：2018组织层级温室气体排放和清除的量化和报告指南要求，为园区提供包括碳盘查清册、碳配额管理、碳排放分析、碳流向、碳盘查报告、碳交易记录等等功能，帮助园区建立碳排放统计、核算、报告、核查体系。

图5碳排放核算符合性评估声明

ACCU-100微电网协调控制器主要采集光伏逆变器、储能系统、变压器负荷等数据，根据设置的新能源使用逻辑来构建本地控制策略以及云端数据的交互，控制储能设备、分布式能源、可调负荷设备的出力与电力需求，并能根据经济效益模型在满足调度的前提下，进行光储置换，响应云端策略配置，充分消纳利用新能源。ACCU-100微电网协调控制器具备以下功能特点：

数据采集：支持串口、以太网等多通道实时运行，满足各类风电与光伏逆变器、储能等设备接入；

通讯管理：支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-103、IEC 60870-5-104、MQTT等通信规约，可实现云边协同（结合安科瑞智慧能源管理云平台进行远程运维）、OTA升级、就地/远程切换、本地人机交互（选配）；

边缘计算：灵活的报警阈值设置、主动上传报警信息、数据合并计算、逻辑控制、断点续传、数据加密、4G路由；

策略管理：防逆流、计划曲线、削峰填谷、需量控制、有功/无功控制、光储协调等，并支持策略定制;

系统安全：基于不可信模型设计的用户权限，防止非法用户侵入；基于数据加密与数据安全验证技术，采用数据标定与防篡改机制，实现数据固证和可追溯；

运行安全：采集分析包括电池、温控及消防在内的全站信号与测量数据，实现运行安全预警预测。

6 AcrelEMS3.0智慧能源管理平台-园区级微电网能源管理

在零碳或近零碳园区建设中，“光伏+储能+充电”组合必不可少的被应用到园区电网之中。随着新能源占比增加，园区的管理必须依靠智慧能源管理平台来实现碳资产管理、新能源策略控制、有序充电管理、能耗分析、设备运维等等。AcrelEMS3.0智慧能源管理平台可以帮助园区有效的管理能源，其功能包括：

图6 AcrelEMS3.0智慧能源管理平台

7零碳园区建设是实现双碳目标的重要途径

零碳园区并非单一的减排单元，而是集能源转型、产业升级、技术创新、治理改革于一体的系统工程，是实现“双碳”（碳达峰、碳中和）目标的关键抓手。其规划和建设需要合理利用工具和能源管理软件，来实现高效的能源利用。未来，随着更多零碳园区的建成，其不仅将成为区域经济的“绿色名片”，更将成为中国参与全球气候治理的核心竞争力之一。

8总结与展望

8.1重视电力系统的安全可靠性

上海地区的建筑园区能源系统以电力能源系统为主。随着大量分布式光伏和充电桩的接入，以及二次能源电气化的趋势，建筑电力系统日趋复杂，伴随着气候日趋频繁的趋势，在既有建筑节能减碳改造过程中，首先要关注电力系统的安全可靠。对运行时间较长的电力系统设施设备要进行检测和诊断，对超出使用寿命、不符合能效指标、发生过故障的设施设备及时进行维保或更换。

8.2重视数字化技术的应用

既有建筑改造受限于投资回报率、建筑运营时间、建筑场地空间等多种因素。随着物联网、云计算、大数据、人工智能技术的成熟与普及，数字化系统改造相对于建筑围护结构改造、能源系统改造、暖通空调系统改造而言，更易于部署实施，且投入成本低、改造时间短。通过部署数字化能碳管理系统，可降低能碳管理的人工成本、提高能源系统安全性、提升能碳管理效率和质量，同时为后续更为复杂的节能改造工作提供数据支撑和决策依据。

8.3重视改造后的运营管理

随着城市建设从大拆大建模式转向精细化管理模式，既有建筑要实现可持续的节能减碳，运营管理工作愈发重要。运营管理工作主要分为“设施设备运维、能碳双控管理和用能成本管理”三部分。首先，无论是针对光伏、储能、充电桩等较为复杂的新设备，还是既有的老设备，高标准、高品质的维护保养，不仅是实现电力系统安全可靠的必要条件，也能提升设备的使用寿命。确保设备始终处于健康的运行状态，是实现可持续能碳双控的首要步骤。其次，通过对建筑能碳数据进行定期分析，梳理总结节能减碳潜力，并给出经济适用的技术或管理解决方案，是实现可持续能碳双控的关键措施。最后，通过能碳双控实现公共机构用能成本降低，甚至通过碳资产管理等方式产生经济效益、提升城市绿色低碳竞争力，是倡导绿色低碳高质量发展的意义所在！

参考文献：

［1］张腾,左元成,卢育发.智能微电网在BIPV建筑上的应用研究

［J］.安徽电子信息职业技术学院学报,2023,22(04):10-14.

［2］马伟,唐喜庆,王斐.多能互补智慧微网系统在楼宇型零碳建筑中的应用［J］.能源与节能,2021,(12):159-162.

［3］祝侃,唐觉民,姜楠,张伟伟.零碳建筑技术在社区服务中心的应用实践［J］.建筑节能,2019,47(09):11-16.

［4］企业微电网设计与应用手册.2022.05版

作者简介

叶丹，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事与安全用电的研发与应用，手机：[phone]（微信同号），QQ：2762228183，邮箱[e-mail]。

审核编辑 黄宇