从绿色应急救能车到E2S应急能源系统的研究探讨

朱国皓 方建平 刘惠萍 宋天琦

1．上海航天能源股份有限公司

2．上海航天工业（集团）有限公司

3．上海市交通工程学会

0 概述

能源保障是所有应急安全保障的重要基础。能源与城市的发展、人民的生活密不可分。抗击灾害，能源是所有应急手段的重要支撑。城市化加速，突发事件频发，对能源的应急供应和保障提出了挑战。为此，航天智慧能源研究院于2018年牵头承担了上海市科委社发重大专项《超大型城市保障重要负荷安全的智慧能源关键技术及应用》，形成了系统级的解决方案，研制了应急供能关键设备绿色应急救能车，并在张家港和上海的两个厂房完成了两次计划停电救援演练。

2021年7月20日，河南遭暴雨灾害，绿色应急救能车紧急前往实施救援，成功为河南省卫辉市下园村一物资派发点提供了五天四夜的应急电力保障，直到当地电网恢复，救能车通过实战考验，圆满完成救援任务。

在此次救灾过程中，救能车也碰到了电压和功率等级单一、网络信号不畅、通过性受限等诸多新的挑战。将来，灾害发生的情况或将会越来越频繁，凭单一种类救援设备难以形成系统级的应急能源保障能力，除在非常态场景下需要进一步优化完善产品外，常态化管理方面，更需要布局多能源、可移动、可组合、平战结合的分布式应急能源体系来提升超大城市的风险防范能力，并通过清洁的绿色应急能源，为我国在双碳背景下的降碳作出贡献。

1 绿色应急救能车开发与应用

1.1 绿色应急救能车新形势下的新型应急能源装备

能源产业是生活之保障体系、应急之支撑体系，构建应急能源基础能力，打造应急能源立体交叉保障体系，具有重要的战略意义。《超大型城市保障重要负荷安全的智慧能源关键技术及应用》项目围绕“常态和非常态情况下保障城市重要负荷中心的能源安全”这一核心问题，通过对重要负荷能源安全保障的用户需求、应用场景、系统技术、政策机制和示范应用等方面进行了长期研究积累，形成了对重要负荷用户进行了分类，超大型城市大科学设施、交通枢纽、医院、数据中心、重要实验室、现代农业基地等重要负荷中心的用能安全保障体系及解决方案，并研发了MNY120重要负荷保障智慧能源设备和绿色应急救能车等重要成果（见表1）。

表1 重要负荷用户分类

以下是以机场为例的重要电力负荷再细化分析（见表2）。

表2 以机场为例的重要电力负荷再细化分析

绿色应急救能车的研发也源于能源应急领域对于移动式能源应急装备的迫切需求，可为党政司法机关、广播电视与通信、公共事业、交通运输、医疗卫生、人员密集场所等社会类重要负荷用户以及各类生产重要用户提供应急供电保障。如在机场风险防范措施中，应急救能车可作为能源保障的其中一个环节，为通信设施、站坪照明、应急指挥中心、消防站和供油设施等一级负荷提供应急供能、备份电源、能源补充等保障措施，也可为二级和三级负荷，如宾馆、办公楼和生活区提供电力保障。

绿色应急救能车设计理念来源于航天空间站舱段式能源系统，具有模块化、智能化、平战结合、功能多样、机动性强、供能时间长、绿色环保、噪音低等特点。该设备以液化天然气为发电燃料，具有三相交流供电、直流新能源车快充、应急照明、支持数据传输和智能调度等功能，可用于城市应急、抢险救灾和军需供能等社会类和生产类场景的能源保障、补充和备份。产品已完成整车公告、环保公开、3C认证和免征购置税等各项认证工作，具备上牌和现场作业资格（见图1）。

图1 绿色应急救能车效果图

绿色应急救能车的主要用途是应急供电保障，能源方舱是它的核心部件，方舱内包含一台LNG发电机组，发电的同时可实现低排放；而使用LNG作为发电燃料也提升了低温启动能力，可实现-20℃启动；整个能源方舱进行了静音设计，结合低噪音的LNG发电机组，工作噪音低于70 d B（见表3）。

表3 能源方舱参数

二代绿色应急救能车较一代产品增加了数据传输和远程调度功能，并开发了调度管理平台，提升了智能化程度。二代车上装有一套智能终端设备，包含智能终端主机、高清摄像头、各能源输入输出传感器、卫星定位系统等组件，可通过智慧化调度管理平台实时采集绿色应急救能车工况参数、现场视频、地理位置等数据，并可提供可视化指挥调度、实时预警推送、大数据分析等功能，实现车辆智能化管控，大大降低了运维成本（见图2）。

图2 智慧化调度管理平台

1.2 绿色应急救能车平战结合的实战应用

绿色应急救能车可用于常态情况下的能源风险防范和非常态情况下的应急能源保障场景。常态情况下，可用城市计划性能源保障，如社区、工厂、医院、数据中心、演出场馆、交通枢纽、智慧交通大数据中心等的能源供给、补充和备份，也可供普通老百姓预约提供供能服务；非常态情况下可用于如方舱医院、救援装备、临时安置点、物资补给点等抢险救灾供能场景。

常态应急场景方面，绿色应急救能车已针对工厂计划性停电案例，在张家港和上海分别进行了两次救援演练。张家港的救援演练地点在一个停电的压力容器制造厂车间内，用户预约了一辆绿色应急救能车来到现场，通过救能车为工厂车间内行车及空压机等设备应急供电，此次演练导通了应急发电应用场景的技术路径。上海的演练安排在一个能源设备制造厂房，主要结合调度管理平台进行应用应急供电演练，为车间行车、照明等设备供电的同时，也验证了数据传输、智能调度、工况监控等功能。在两次演练中，绿色应急救能车低噪音、低污染和智能化等优点发挥了良好的效果，演练成果显著。

非常态应急场景方面，在“720河南暴雨灾害”期间，八院上航工业当得知郑州及周边多数重灾区供电中断的情况后，迅速成立了援豫救灾抢险工作组和突击队，并紧急调用应急救能车前往救援，开启了五天四夜的抗灾之旅。

突击队历经36 h长途跋涉1 000 km抵达河南新乡，随时准备执行发电救援任务。7月26日，突击队受当地抗灾指挥部统一调度安排，前往卫辉市下园村一容纳5 000人左右的物资派发集散点执行救能供电任务。卫辉是受灾最严重的地方，为了安全，电网无法开启，电力成为最稀缺的资源，集散点人员密集。室外温度居高不下，通风、潮湿等一系列问题，使得多名群众和志愿者中暑晕倒，白天有100多位工作人员及灾民参与物资发放和接收，夜间有20个房间供40人休息，主要用电设施为空调、照明灯、水泵、电磁炉、电水壶等，用电负荷在5~20 kW，现场仅有一台5．5 kW的小型发电机，难以发挥作用。突击队于27日凌晨成功将应急救能车接到现场配电柜，为整个安置点提供了电力保障。

交流供电方面，通过远程监控平台上读取数据显示，移动能源车全天发电功率区间在5~15 kW，频率50．1 Hz。图3和图4为调度平台和车载显示器呈现的典型瞬时运行参数。

图3 救能车平台实时反馈的发电参数

图4 救能车控制屏实时反馈的发电参数

应急照明方面，救能车应急照明系统可实现水平360°、垂直90°旋转。在实际应用的5个晚上，应急照明系统均正常运行，实际效果在100 m范围内可提供足够亮度的照明，有效照明距离达250 m（见图5、图6）。

图5 、图6 能源车应急照明应用情况

此次援豫救灾之行从出发到返程一共补充了3次燃料，每次400 L，约180 kg（见表4具体参数）。

表4 燃料使用和发电成本计算表

监控方面，在E2S应急服务平台地图调度界面，选取目标车辆，可获得车辆GIS信息及发电舱参数等基础信息，进一步点击扩展按钮，可了解发电系统详细工况及传感器状态、历史行驶轨迹（见图7）、工单执行情况及历史工单情况。

图7 历史行驶轨迹查询界面

在整个救援行动中，应急救能车共为物资派发点的空调、照明灯、水泵、电磁炉、电水壶等设备供电约1 200 kWh，最长连续运行时间达40 h，大大改善了现场条件的同时，也验证了绿色应急救能车在抢险救灾实战场景中的重要作用。

通过此次援豫救灾行动，绿色应急救能车进行了一次全方位实战演练，虽然总体应用情况良好，但单一应急供能设备也存在应用的局限性：一是能源种类单一，目前应急救能车仅能提供400 V/80 kW的电力，如遇到民用家电或不匹配的负荷等级，就难以发挥作用；二是提供的救援种类少，目前救能车仅能应急供电和照明，而灾区往往还有生活用水、天然气等多种资源需求；三是通信不畅，灾区现场通信设施基本处于瘫痪状态，需要稳定的通信设施提高通信能力；四是受灾地区车辆通过性不佳，为加强运输能力，需要陆地和空中多种运输方式提升相应能力。针对以上几点，急需一套可提供多类型能源、充足的燃料保障、通信稳定、运输方式多样、响应能力更强的分布式应急能源系统，提升应急能源保障能力和风险防范能力（见表5）。

表5 绿色应急救能车提升空间

2 E2S应急能源系统设想

航天智慧能源研究院牵头开展对舱段式、可移动、模块化、多能源、平战结合的E2S应急能源系统的技术研究，并成立了“E2S应急能源系统生态圈”。目前，系统已列入《上海市应急管理“十四五”规划》，已有申能集团、上海电力公司浦东供电公司、上海电力大学、临港集团等单位陆续加入了生态圈。

E2S应急能源系统具备平战结合的应用场景：在常态场景下，可通过公共服务热线，向社会提供跨区域、快速反应、管理智能的综合能源保障服务，如办公楼、医院、数据中心的能源保障，充电站、工厂、商业中心、演出场馆等的电力调峰；在非常态场景下，可针对目标应急能源场景，通过多能的移动能源模块（舱段），进行快速组合，形成不同时长、不同能源供给能力的新型、智慧、快捷、可靠的应急能源系统，处理超大城市区域突发、紧急能源保障事件，如灾区能源保障方面，E2S应急能源系统可根据需求进行方案规划并调度各站点资源，通过网络或高效的卫星连接通信，从各个能源站点调用可用方舱，组成能源供给系统，通过车辆、飞机、轮船等运输方式，将方舱运至现场，通过标准接口快速搭建组合，第一时间为灾区提供电、热、冷能和天然气输出（见图8）。

图8 E2S应急能源系统应用示意图

E2S应急能源系统基于航天舱段式空间站理念设计，具备舱段式、可移动、模块化、多能源、平战结合等特点。较传统应急能源体系，E2S应急能源系统有燃料种类多、运行可靠性好、功能丰富、智能化程度高、环境适应性好、噪声污染低、运输方式多等优势（见表6）。各方舱功能：E2S应急能源系统包含E2S云平台、能源方舱、集控方舱、服务方舱；E2S云平台及智能终端设备可实现数据采集传输、移动能源装备调度、跨站信息对接，实现应急装备智能化管理和调度；能源方舱以天然气、太阳能或谷电为能源输入，提供电、热、冷能和天然气输出，能源方舱包含电能方舱、冷能方舱、热能方舱、储能方舱、燃料方舱、应急救能车等；集控方舱提供数据通信和应急能源站内能源调度控制等；服务方舱存放工作设备、工具、测试仪器等物资，并设有对外工作区域，为各类应急供能场景提供对接及保障服务。

表6 E2S应急能源系统与传统应急能源体系比较

能源方舱、集控方舱、服务方舱进行组合，可形成不同规模、不同时长、不同能源供给能力、规模从100 kW~1 MW不等的应急能源站，在城市中按需求布局若干应急能源站，形成应急能源体系，由E2S云平台统一调度管理。

3 思考与建议

分布式的E2S应急能源系统可实现电、热、冷、气等能源的互保。在常态情况下可预防城市或区域突发、紧急能源保障事件。在非常态情况下，可针对不同目标场景，快速形成对应应急能源保障系统。作为电网和气网的补充力量，守住基本能源供应底线，为城市和人民提供移动式、安全、清洁、智慧的可持续能源。

在未来，自然灾害和停电限电情况或将越发频繁，布局分布式的E2S应急能源系统，可作为城市常态化应急管理下的重要能源保障手段，提升超大城市的风险防范能力，同时可带动新型能源保障产品的形成，促进应急能源产业的发展与产值的提升。在力争2030年前碳达峰和2060年前碳中和的国家战略背景下，E2S应急能源系统的绿色清洁能源也可为超大型城市的降碳贡献力量。为充分发挥E2S应急能源系统在超大型城市能源安全防范中的作用，建议可从技术、机制等方面系统设计、科学推进各项工作。

技术方面，建议依托上海市等地方政府开展对E2S应急能源系统的技术研究与应用示范，通过标准化设计，开发集控、能源、服务等方舱，形成可复制、可推广的技术方案，并针对城市能源安全风险防范、自然灾害等重点场景进行应用示范和实战考验。另外，可持续吸纳用户单位、高校、科研院所、行业单位、协会等扩大“E2S应急能源系统生态圈”，通过“产、学、研、用”的平台合作，夯实研究成果。

机制方面，E2S应急能源系统作为一项新技术来进行示范运行及推广，现有相关法律、政策、机制等必然会对其有所限制，需在政府的指导下、行业标准的支持下，通过课题研究或应用示范项目在机制方面进行充分研究，探索适合E2S应急能源系统的全新机制模式，为促进应急产业的发展、提升超大型城市的风险防范能力与双碳目标下的降碳减排作出应有的贡献。