朱國皓 方建平 劉惠萍 宋天琦

1．上海航天能源股份有限公司

2．上海航天工業(yè)（集團）有限公司

3．上海市交通工程學(xué)會

0 概述

能源保障是所有應(yīng)急安全保障的重要基礎(chǔ)。能源與城市的發(fā)展、人民的生活密不可分?？箵魹?zāi)害，能源是所有應(yīng)急手段的重要支撐。城市化加速，突發(fā)事件頻發(fā)，對能源的應(yīng)急供應(yīng)和保障提出了挑戰(zhàn)。為此，航天智慧能源研究院于2018年牽頭承擔(dān)了上海市科委社發(fā)重大專項《超大型城市保障重要負(fù)荷安全的智慧能源關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》，形成了系統(tǒng)級的解決方案，研制了應(yīng)急供能關(guān)鍵設(shè)備綠色應(yīng)急救能車，并在張家港和上海的兩個廠房完成了兩次計劃停電救援演練。

2021年7月20日，河南遭暴雨災(zāi)害，綠色應(yīng)急救能車緊急前往實施救援，成功為河南省衛(wèi)輝市下園村一物資派發(fā)點提供了五天四夜的應(yīng)急電力保障，直到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)恢復(fù)，救能車通過實戰(zhàn)考驗，圓滿完成救援任務(wù)。

在此次救災(zāi)過程中，救能車也碰到了電壓和功率等級單一、網(wǎng)絡(luò)信號不暢、通過性受限等諸多新的挑戰(zhàn)。將來，災(zāi)害發(fā)生的情況或?qū)絹碓筋l繁，憑單一種類救援設(shè)備難以形成系統(tǒng)級的應(yīng)急能源保障能力，除在非常態(tài)場景下需要進一步優(yōu)化完善產(chǎn)品外，常態(tài)化管理方面，更需要布局多能源、可移動、可組合、平戰(zhàn)結(jié)合的分布式應(yīng)急能源體系來提升超大城市的風(fēng)險防范能力，并通過清潔的綠色應(yīng)急能源，為我國在雙碳背景下的降碳作出貢獻。

1 綠色應(yīng)急救能車開發(fā)與應(yīng)用

1.1 綠色應(yīng)急救能車新形勢下的新型應(yīng)急能源裝備

能源產(chǎn)業(yè)是生活之保障體系、應(yīng)急之支撐體系，構(gòu)建應(yīng)急能源基礎(chǔ)能力，打造應(yīng)急能源立體交叉保障體系，具有重要的戰(zhàn)略意義?！冻笮统鞘斜Ｕ现匾?fù)荷安全的智慧能源關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》項目圍繞“常態(tài)和非常態(tài)情況下保障城市重要負(fù)荷中心的能源安全”這一核心問題，通過對重要負(fù)荷能源安全保障的用戶需求、應(yīng)用場景、系統(tǒng)技術(shù)、政策機制和示范應(yīng)用等方面進行了長期研究積累，形成了對重要負(fù)荷用戶進行了分類，超大型城市大科學(xué)設(shè)施、交通樞紐、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、重要實驗室、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地等重要負(fù)荷中心的用能安全保障體系及解決方案，并研發(fā)了MNY120重要負(fù)荷保障智慧能源設(shè)備和綠色應(yīng)急救能車等重要成果（見表1）。

表1 重要負(fù)荷用戶分類

以下是以機場為例的重要電力負(fù)荷再細(xì)化分析（見表2）。

表2 以機場為例的重要電力負(fù)荷再細(xì)化分析

綠色應(yīng)急救能車的研發(fā)也源于能源應(yīng)急領(lǐng)域?qū)τ谝苿邮侥茉磻?yīng)急裝備的迫切需求，可為黨政司法機關(guān)、廣播電視與通信、公共事業(yè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、人員密集場所等社會類重要負(fù)荷用戶以及各類生產(chǎn)重要用戶提供應(yīng)急供電保障。如在機場風(fēng)險防范措施中，應(yīng)急救能車可作為能源保障的其中一個環(huán)節(jié)，為通信設(shè)施、站坪照明、應(yīng)急指揮中心、消防站和供油設(shè)施等一級負(fù)荷提供應(yīng)急供能、備份電源、能源補充等保障措施，也可為二級和三級負(fù)荷，如賓館、辦公樓和生活區(qū)提供電力保障。

綠色應(yīng)急救能車設(shè)計理念來源于航天空間站艙段式能源系統(tǒng)，具有模塊化、智能化、平戰(zhàn)結(jié)合、功能多樣、機動性強、供能時間長、綠色環(huán)保、噪音低等特點。該設(shè)備以液化天然氣為發(fā)電燃料，具有三相交流供電、直流新能源車快充、應(yīng)急照明、支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸和智能調(diào)度等功能，可用于城市應(yīng)急、搶險救災(zāi)和軍需供能等社會類和生產(chǎn)類場景的能源保障、補充和備份。產(chǎn)品已完成整車公告、環(huán)保公開、3C認(rèn)證和免征購置稅等各項認(rèn)證工作，具備上牌和現(xiàn)場作業(yè)資格（見圖1）。

圖1 綠色應(yīng)急救能車效果圖

綠色應(yīng)急救能車的主要用途是應(yīng)急供電保障，能源方艙是它的核心部件，方艙內(nèi)包含一臺LNG發(fā)電機組，發(fā)電的同時可實現(xiàn)低排放；而使用LNG作為發(fā)電燃料也提升了低溫啟動能力，可實現(xiàn)-20℃啟動；整個能源方艙進行了靜音設(shè)計，結(jié)合低噪音的LNG發(fā)電機組，工作噪音低于70 d B（見表3）。

表3 能源方艙參數(shù)

二代綠色應(yīng)急救能車較一代產(chǎn)品增加了數(shù)據(jù)傳輸和遠程調(diào)度功能，并開發(fā)了調(diào)度管理平臺，提升了智能化程度。二代車上裝有一套智能終端設(shè)備，包含智能終端主機、高清攝像頭、各能源輸入輸出傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等組件，可通過智慧化調(diào)度管理平臺實時采集綠色應(yīng)急救能車工況參數(shù)、現(xiàn)場視頻、地理位置等數(shù)據(jù)，并可提供可視化指揮調(diào)度、實時預(yù)警推送、大數(shù)據(jù)分析等功能，實現(xiàn)車輛智能化管控，大大降低了運維成本（見圖2）。

圖2 智慧化調(diào)度管理平臺

1.2 綠色應(yīng)急救能車平戰(zhàn)結(jié)合的實戰(zhàn)應(yīng)用

綠色應(yīng)急救能車可用于常態(tài)情況下的能源風(fēng)險防范和非常態(tài)情況下的應(yīng)急能源保障場景。常態(tài)情況下，可用城市計劃性能源保障，如社區(qū)、工廠、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、演出場館、交通樞紐、智慧交通大數(shù)據(jù)中心等的能源供給、補充和備份，也可供普通老百姓預(yù)約提供供能服務(wù)；非常態(tài)情況下可用于如方艙醫(yī)院、救援裝備、臨時安置點、物資補給點等搶險救災(zāi)供能場景。

常態(tài)應(yīng)急場景方面，綠色應(yīng)急救能車已針對工廠計劃性停電案例，在張家港和上海分別進行了兩次救援演練。張家港的救援演練地點在一個停電的壓力容器制造廠車間內(nèi)，用戶預(yù)約了一輛綠色應(yīng)急救能車來到現(xiàn)場，通過救能車為工廠車間內(nèi)行車及空壓機等設(shè)備應(yīng)急供電，此次演練導(dǎo)通了應(yīng)急發(fā)電應(yīng)用場景的技術(shù)路徑。上海的演練安排在一個能源設(shè)備制造廠房，主要結(jié)合調(diào)度管理平臺進行應(yīng)用應(yīng)急供電演練，為車間行車、照明等設(shè)備供電的同時，也驗證了數(shù)據(jù)傳輸、智能調(diào)度、工況監(jiān)控等功能。在兩次演練中，綠色應(yīng)急救能車低噪音、低污染和智能化等優(yōu)點發(fā)揮了良好的效果，演練成果顯著。

非常態(tài)應(yīng)急場景方面，在“720河南暴雨災(zāi)害”期間，八院上航工業(yè)當(dāng)?shù)弥嵵菁爸苓叾鄶?shù)重災(zāi)區(qū)供電中斷的情況后，迅速成立了援豫救災(zāi)搶險工作組和突擊隊，并緊急調(diào)用應(yīng)急救能車前往救援，開啟了五天四夜的抗災(zāi)之旅。

突擊隊歷經(jīng)36 h長途跋涉1 000 km抵達河南新鄉(xiāng)，隨時準(zhǔn)備執(zhí)行發(fā)電救援任務(wù)。7月26日，突擊隊受當(dāng)?shù)乜篂?zāi)指揮部統(tǒng)一調(diào)度安排，前往衛(wèi)輝市下園村一容納5 000人左右的物資派發(fā)集散點執(zhí)行救能供電任務(wù)。衛(wèi)輝是受災(zāi)最嚴(yán)重的地方，為了安全，電網(wǎng)無法開啟，電力成為最稀缺的資源，集散點人員密集。室外溫度居高不下，通風(fēng)、潮濕等一系列問題，使得多名群眾和志愿者中暑暈倒，白天有100多位工作人員及災(zāi)民參與物資發(fā)放和接收，夜間有20個房間供40人休息，主要用電設(shè)施為空調(diào)、照明燈、水泵、電磁爐、電水壺等，用電負(fù)荷在5~20 kW，現(xiàn)場僅有一臺5．5 kW的小型發(fā)電機，難以發(fā)揮作用。突擊隊于27日凌晨成功將應(yīng)急救能車接到現(xiàn)場配電柜，為整個安置點提供了電力保障。

交流供電方面，通過遠程監(jiān)控平臺上讀取數(shù)據(jù)顯示，移動能源車全天發(fā)電功率區(qū)間在5~15 kW，頻率50．1 Hz。圖3和圖4為調(diào)度平臺和車載顯示器呈現(xiàn)的典型瞬時運行參數(shù)。

圖3 救能車平臺實時反饋的發(fā)電參數(shù)

圖4 救能車控制屏實時反饋的發(fā)電參數(shù)

應(yīng)急照明方面，救能車應(yīng)急照明系統(tǒng)可實現(xiàn)水平360°、垂直90°旋轉(zhuǎn)。在實際應(yīng)用的5個晚上，應(yīng)急照明系統(tǒng)均正常運行，實際效果在100 m范圍內(nèi)可提供足夠亮度的照明，有效照明距離達250 m（見圖5、圖6）。

圖5 、圖6 能源車應(yīng)急照明應(yīng)用情況

此次援豫救災(zāi)之行從出發(fā)到返程一共補充了3次燃料，每次400 L，約180 kg（見表4具體參數(shù)）。

表4 燃料使用和發(fā)電成本計算表

監(jiān)控方面，在E2S應(yīng)急服務(wù)平臺地圖調(diào)度界面，選取目標(biāo)車輛，可獲得車輛GIS信息及發(fā)電艙參數(shù)等基礎(chǔ)信息，進一步點擊擴展按鈕，可了解發(fā)電系統(tǒng)詳細(xì)工況及傳感器狀態(tài)、歷史行駛軌跡（見圖7）、工單執(zhí)行情況及歷史工單情況。

圖7 歷史行駛軌跡查詢界面

在整個救援行動中，應(yīng)急救能車共為物資派發(fā)點的空調(diào)、照明燈、水泵、電磁爐、電水壺等設(shè)備供電約1 200 kWh，最長連續(xù)運行時間達40 h，大大改善了現(xiàn)場條件的同時，也驗證了綠色應(yīng)急救能車在搶險救災(zāi)實戰(zhàn)場景中的重要作用。

通過此次援豫救災(zāi)行動，綠色應(yīng)急救能車進行了一次全方位實戰(zhàn)演練，雖然總體應(yīng)用情況良好，但單一應(yīng)急供能設(shè)備也存在應(yīng)用的局限性：一是能源種類單一，目前應(yīng)急救能車僅能提供400 V/80 kW的電力，如遇到民用家電或不匹配的負(fù)荷等級，就難以發(fā)揮作用；二是提供的救援種類少，目前救能車僅能應(yīng)急供電和照明，而災(zāi)區(qū)往往還有生活用水、天然氣等多種資源需求；三是通信不暢，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場通信設(shè)施基本處于癱瘓狀態(tài)，需要穩(wěn)定的通信設(shè)施提高通信能力；四是受災(zāi)地區(qū)車輛通過性不佳，為加強運輸能力，需要陸地和空中多種運輸方式提升相應(yīng)能力。針對以上幾點，急需一套可提供多類型能源、充足的燃料保障、通信穩(wěn)定、運輸方式多樣、響應(yīng)能力更強的分布式應(yīng)急能源系統(tǒng)，提升應(yīng)急能源保障能力和風(fēng)險防范能力（見表5）。

表5 綠色應(yīng)急救能車提升空間

2 E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)設(shè)想

航天智慧能源研究院牽頭開展對艙段式、可移動、模塊化、多能源、平戰(zhàn)結(jié)合的E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)的技術(shù)研究，并成立了“E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)生態(tài)圈”。目前，系統(tǒng)已列入《上海市應(yīng)急管理“十四五”規(guī)劃》，已有申能集團、上海電力公司浦東供電公司、上海電力大學(xué)、臨港集團等單位陸續(xù)加入了生態(tài)圈。

E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)具備平戰(zhàn)結(jié)合的應(yīng)用場景：在常態(tài)場景下，可通過公共服務(wù)熱線，向社會提供跨區(qū)域、快速反應(yīng)、管理智能的綜合能源保障服務(wù)，如辦公樓、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心的能源保障，充電站、工廠、商業(yè)中心、演出場館等的電力調(diào)峰；在非常態(tài)場景下，可針對目標(biāo)應(yīng)急能源場景，通過多能的移動能源模塊（艙段），進行快速組合，形成不同時長、不同能源供給能力的新型、智慧、快捷、可靠的應(yīng)急能源系統(tǒng)，處理超大城市區(qū)域突發(fā)、緊急能源保障事件，如災(zāi)區(qū)能源保障方面，E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)可根據(jù)需求進行方案規(guī)劃并調(diào)度各站點資源，通過網(wǎng)絡(luò)或高效的衛(wèi)星連接通信，從各個能源站點調(diào)用可用方艙，組成能源供給系統(tǒng)，通過車輛、飛機、輪船等運輸方式，將方艙運至現(xiàn)場，通過標(biāo)準(zhǔn)接口快速搭建組合，第一時間為災(zāi)區(qū)提供電、熱、冷能和天然氣輸出（見圖8）。

圖8 E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)基于航天艙段式空間站理念設(shè)計，具備艙段式、可移動、模塊化、多能源、平戰(zhàn)結(jié)合等特點。較傳統(tǒng)應(yīng)急能源體系，E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)有燃料種類多、運行可靠性好、功能豐富、智能化程度高、環(huán)境適應(yīng)性好、噪聲污染低、運輸方式多等優(yōu)勢（見表6）。各方艙功能：E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)包含E2S云平臺、能源方艙、集控方艙、服務(wù)方艙；E2S云平臺及智能終端設(shè)備可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸、移動能源裝備調(diào)度、跨站信息對接，實現(xiàn)應(yīng)急裝備智能化管理和調(diào)度；能源方艙以天然氣、太陽能或谷電為能源輸入，提供電、熱、冷能和天然氣輸出，能源方艙包含電能方艙、冷能方艙、熱能方艙、儲能方艙、燃料方艙、應(yīng)急救能車等；集控方艙提供數(shù)據(jù)通信和應(yīng)急能源站內(nèi)能源調(diào)度控制等；服務(wù)方艙存放工作設(shè)備、工具、測試儀器等物資，并設(shè)有對外工作區(qū)域，為各類應(yīng)急供能場景提供對接及保障服務(wù)。

表6 E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)應(yīng)急能源體系比較

能源方艙、集控方艙、服務(wù)方艙進行組合，可形成不同規(guī)模、不同時長、不同能源供給能力、規(guī)模從100 kW~1 MW不等的應(yīng)急能源站，在城市中按需求布局若干應(yīng)急能源站，形成應(yīng)急能源體系，由E2S云平臺統(tǒng)一調(diào)度管理。

3 思考與建議

分布式的E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)可實現(xiàn)電、熱、冷、氣等能源的互保。在常態(tài)情況下可預(yù)防城市或區(qū)域突發(fā)、緊急能源保障事件。在非常態(tài)情況下，可針對不同目標(biāo)場景，快速形成對應(yīng)應(yīng)急能源保障系統(tǒng)。作為電網(wǎng)和氣網(wǎng)的補充力量，守住基本能源供應(yīng)底線，為城市和人民提供移動式、安全、清潔、智慧的可持續(xù)能源。

在未來，自然災(zāi)害和停電限電情況或?qū)⒃桨l(fā)頻繁，布局分布式的E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)，可作為城市常態(tài)化應(yīng)急管理下的重要能源保障手段，提升超大城市的風(fēng)險防范能力，同時可帶動新型能源保障產(chǎn)品的形成，促進應(yīng)急能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與產(chǎn)值的提升。在力爭2030年前碳達峰和2060年前碳中和的國家戰(zhàn)略背景下，E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)的綠色清潔能源也可為超大型城市的降碳貢獻力量。為充分發(fā)揮E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)在超大型城市能源安全防范中的作用，建議可從技術(shù)、機制等方面系統(tǒng)設(shè)計、科學(xué)推進各項工作。

技術(shù)方面，建議依托上海市等地方政府開展對E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)的技術(shù)研究與應(yīng)用示范，通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，開發(fā)集控、能源、服務(wù)等方艙，形成可復(fù)制、可推廣的技術(shù)方案，并針對城市能源安全風(fēng)險防范、自然災(zāi)害等重點場景進行應(yīng)用示范和實戰(zhàn)考驗。另外，可持續(xù)吸納用戶單位、高校、科研院所、行業(yè)單位、協(xié)會等擴大“E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)生態(tài)圈”，通過“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的平臺合作，夯實研究成果。

機制方面，E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)作為一項新技術(shù)來進行示范運行及推廣，現(xiàn)有相關(guān)法律、政策、機制等必然會對其有所限制，需在政府的指導(dǎo)下、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持下，通過課題研究或應(yīng)用示范項目在機制方面進行充分研究，探索適合E2S應(yīng)急能源系統(tǒng)的全新機制模式，為促進應(yīng)急產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、提升超大型城市的風(fēng)險防范能力與雙碳目標(biāo)下的降碳減排作出應(yīng)有的貢獻。