基于邊緣智能技術(shù)的智慧能源綜合服務(wù)平臺

姜宏圖 柴有國 徐瑞博 劉偉

【摘 要】綜合能源服務(wù)是近年來新興的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，目的是實(shí)現(xiàn)分布式電源的接入、高效應(yīng)用，解決大量不同類型的分布式電源并網(wǎng)和管理問題。開發(fā)和延伸綜合能源服務(wù)能夠充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實(shí)現(xiàn)對多種負(fù)荷的管理及高可靠性能源供給。通過“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”打造新型能源體系模式的智慧能源綜合服務(wù)平臺，可有效解決傳統(tǒng)供能方式存在的問題，提供多種能源供給、多能協(xié)同互補(bǔ)、能源精細(xì)運(yùn)維、區(qū)域能源聯(lián)網(wǎng)、能源生產(chǎn)安全的解決方案。打造“物聯(lián)網(wǎng)+智慧能源+精細(xì)運(yùn)維+安全供用能”的能源發(fā)展新業(yè)態(tài)，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)安全、高效、低碳、可持續(xù)運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】綜合能源服務(wù);邊緣智能;邊緣計算;人工智能;物聯(lián)網(wǎng);模型;視覺識別

【中圖分類號】TP393.072 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0056-04

1 概述

1.1 背景

綜合能源服務(wù)是電、冷、熱等的多元化能源供應(yīng)和多樣化增值服務(wù)模式。根據(jù)不同投資項(xiàng)目區(qū)的特點(diǎn)，因地制宜，通過冷、熱、電多種能源形式的高效、綜合利用，以開放的信息—能源一體化架構(gòu)最大限度地適應(yīng)分布式可再生能源的接入，構(gòu)建智慧化的綜合能源服務(wù)，即智慧能源綜合服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)自下向上的能量對等分享。

園區(qū)能源生產(chǎn)安全是管控重點(diǎn)。在生產(chǎn)區(qū)發(fā)生火災(zāi)或爆炸等事故的情況下，勢必會造成重大的人員傷亡，以及財產(chǎn)的重大損失。因此，制定和采取安全有效的防范措施，加強(qiáng)整個園區(qū)的安全管理勢在必行，其中全面的視頻監(jiān)控是安全防范的重要手段之一。

隨著邊緣計算、人工智能（即邊緣智能）等技術(shù)的快速發(fā)展，以及各種應(yīng)用場景的不斷成熟，在綜合能源服務(wù)領(lǐng)域，存在大量的生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)需要上傳到云端進(jìn)行處理，給云計算帶來了更多的處理壓力且未來對反應(yīng)速度會有越來越高的要求。根據(jù)Machina Research的數(shù)據(jù)預(yù)測，至2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將增長至270億個，蜂窩連接個數(shù)將達(dá)到220億個，將會有海量的邊緣端設(shè)備接入[1]。

1.2 必要性分析

建設(shè)區(qū)域智慧能源是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大勢所趨，整合制冷（供暖）設(shè)備后臺監(jiān)控系統(tǒng)、光伏監(jiān)控系統(tǒng)、儲能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及充電樁平臺，實(shí)現(xiàn)各平臺的大數(shù)據(jù)化分析和多種能源間的耦合，逐步為整個園區(qū)起到節(jié)能、減排、降耗的作用[2]。

物聯(lián)網(wǎng)時代將會有數(shù)以百億的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備且數(shù)據(jù)具有分散性、碎片化的特點(diǎn)，有著強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的云計算在面對海量的數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)帶寬帶來的限制時，也不能實(shí)現(xiàn)全面的計算覆蓋[3]。

綜合考量，邊緣計算在面臨大量數(shù)據(jù)、綜合決策上具有無可比擬的優(yōu)勢，既靠近數(shù)據(jù)源頭，又有一定的數(shù)據(jù)處理能力。而且在現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)中并不是所有的數(shù)據(jù)都需要上傳到云端，但是這些數(shù)據(jù)又對本地的設(shè)備有用。“思科公司”2015—2020年全球云指數(shù)顯示，2020年全球產(chǎn)生的設(shè)備數(shù)據(jù)只有10%是有價值的數(shù)據(jù)，其余90%無須長期存儲。應(yīng)用邊緣計算技術(shù)可以有效緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬和云計算中心的壓力，增強(qiáng)本地應(yīng)用響應(yīng)效率。

1.3 建設(shè)目標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)集成綜合利用、多能源協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化及削峰填谷等目標(biāo)，建設(shè)基于邊緣智能的綜合能源服務(wù)平臺，具體目標(biāo)如下：實(shí)現(xiàn)新能源的合理利用;實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)集成應(yīng)用;實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定優(yōu)化運(yùn)行;體現(xiàn)能源利用經(jīng)濟(jì)性;實(shí)現(xiàn)削峰填谷和能效綜合服務(wù)。

2 需求分析

2.1 業(yè)務(wù)需求

在市場競爭環(huán)境下，能源供需會呈現(xiàn)雙側(cè)隨機(jī)性波動特征，為了解決這一問題，需要制定應(yīng)對措施，實(shí)行需求側(cè)管理服務(wù)模式[4]。

（1）節(jié)能服務(wù)與合同能源管理。合同能源管理是一種基于市場的節(jié)能機(jī)制，節(jié)能技術(shù)改造、升級、換代是以未來的節(jié)能收益為前提，從而實(shí)現(xiàn)降低能源支出成本、提高能源使用效率的目的。

（2）優(yōu)化用能服務(wù)。通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，針對需求側(cè)管理的用能設(shè)備進(jìn)行分析，優(yōu)化用戶用能方案，實(shí)現(xiàn)用戶用能成本最優(yōu)。站在用戶視角提供服務(wù)，提升用戶用能體驗(yàn)[5]。

（3）能效診斷服務(wù)。針對用戶用能過程中遇到的問題，例如電量大但效率低，峰谷電使用分配不合理等情況，為用戶提供全面有效的用能分析，并提出專業(yè)化能效診斷建議。包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及診斷建議的全過程。

（4）能源安全服務(wù)。綜合能源園區(qū)周邊環(huán)境比較復(fù)雜，人員流動性大，園區(qū)的安全管理制度逐步健全，安防產(chǎn)品在園區(qū)的普及，大大提升了園區(qū)的技防水平。隨著安防意識的不斷提升，園區(qū)安防逐步向技防邁進(jìn)。

2.2 技術(shù)需求

針對綜合能源園區(qū)的能源安全需要，視頻監(jiān)控將數(shù)據(jù)分流到邊緣端，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力和業(yè)務(wù)端到端時延，實(shí)現(xiàn)本地分析、快速處理、實(shí)時響應(yīng)。在云端執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)，在邊緣計算節(jié)點(diǎn)執(zhí)行邏輯推理，邊云協(xié)同實(shí)現(xiàn)實(shí)時響應(yīng)、決策，以及人臉識別、行為檢測、越界檢測、火焰識別等多種人工智能應(yīng)用場景。邊緣智能技術(shù)需要具有如下特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)處理實(shí)時性。實(shí)時性是邊緣智能需要具有的最重要的技術(shù)特點(diǎn)，由于靠近物與數(shù)據(jù)的源頭，可以在一定程度上避免數(shù)據(jù)上傳下達(dá)的時延，有效提升本地設(shè)備的處理能力和響應(yīng)速度。

（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可靠性。安全可靠的數(shù)據(jù)是業(yè)務(wù)正常開展的有效保障，只有對邊緣計算服務(wù)進(jìn)行加密處理，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸才會有安全保障。在廣域網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，通過邊緣計算服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)本地業(yè)務(wù)的可靠運(yùn)行。

（3）應(yīng)用開發(fā)多樣性。應(yīng)用邊緣智能技術(shù)后，會有大量的數(shù)據(jù)在其邊緣端處理，除了安防監(jiān)控視頻處理，還有其他的應(yīng)用場景，如操作規(guī)范、設(shè)備異常監(jiān)控等。可根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求定義邊緣智能應(yīng)用。

3 方案設(shè)計

3.1 功能介紹

以滿足能源供求關(guān)系為基本出發(fā)點(diǎn)的傳統(tǒng)能源規(guī)劃已不能適應(yīng)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整需求，制定以科學(xué)的理念為基礎(chǔ)的綜合能源服務(wù)是大勢所趨。為了最大限度地節(jié)約資源及實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)、實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、能源效益的最大化，并獲得最佳社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，智慧能源綜合服務(wù)平臺總體共包含3個部分，分別為基于智能邊緣的OT系統(tǒng)、智能計算IT管理、基于人工智能的決策支持。

（1）基于智能邊緣的OT系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對微電源、逆變器、中央控制器的集成，組成微網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信管理，中央控制器功能包括來電自動并網(wǎng)、斷電或故障自動進(jìn)入孤島運(yùn)行的遠(yuǎn)程控制，以及進(jìn)行能量綜合管理、控制和需求側(cè)管理等。

（2）智能計算IT管理。①能量交易服務(wù)。此平臺提供集冷、熱、氣、水、電等多種能源的購能管理、售能管理、電價套餐及費(fèi)用管理、能源增值服務(wù)等功能，實(shí)現(xiàn)能源的購、售一體化交易管理。②能源安全管理。從園區(qū)人員車輛進(jìn)出頻繁、人員流動性大、園區(qū)公共物資多及生產(chǎn)區(qū)域安全要求高等特點(diǎn)出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、視頻分析、深度學(xué)習(xí)、人工智能技術(shù)，進(jìn)行智能計算平臺、邊云協(xié)同AI應(yīng)用系統(tǒng)和邊緣智能EIBox研制的應(yīng)用研究。智能計算平臺研究內(nèi)容是對人員行為、車輛、園區(qū)環(huán)境等現(xiàn)場的計算分析下放到邊緣端執(zhí)行，模型深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練放在云端，具體做法是將訓(xùn)練好的模型下發(fā)到邊緣端，邊緣端計算結(jié)果反饋給云端進(jìn)行訓(xùn)練，循環(huán)往復(fù)不斷進(jìn)行模型的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)模型對實(shí)際業(yè)務(wù)的深入理解。邊云協(xié)同AI應(yīng)用系統(tǒng)研究內(nèi)容是管理模型訓(xùn)練、模型轉(zhuǎn)換、模型部署、數(shù)據(jù)回傳和模型再優(yōu)化等。邊緣智能EIBox研制內(nèi)容是制造智能控制器，在該設(shè)備中針對人員行為分析、車輛識別、綜合環(huán)境分析等進(jìn)行模型構(gòu)建，然后通過邊云協(xié)同平臺和視頻采集設(shè)備進(jìn)行智能視頻分析，實(shí)現(xiàn)園區(qū)安全防控。

（3）基于人工智能的決策支持對能源生產(chǎn)、能源調(diào)度、用能管理進(jìn)行能效分析和節(jié)能診斷，決策支持分為領(lǐng)導(dǎo)決策和企業(yè)級決策。領(lǐng)導(dǎo)決策對企業(yè)經(jīng)營績效、客戶服務(wù)、內(nèi)部運(yùn)營與成長發(fā)展四大方面進(jìn)行總結(jié)、提煉，這也是領(lǐng)導(dǎo)最為關(guān)注的核心內(nèi)容，是戰(zhàn)略駕駛艙重點(diǎn)把控與深入分析的企業(yè)經(jīng)營特征表征點(diǎn)。企業(yè)級決策事項(xiàng)從企業(yè)整體戰(zhàn)略的承接與落實(shí)上進(jìn)行全面梳理與總結(jié)。涵蓋資源（人、財、物）規(guī)劃、計劃分解執(zhí)行、風(fēng)險管控、發(fā)展創(chuàng)新各個層面的決策內(nèi)容。利用數(shù)理統(tǒng)計與分析技術(shù)，自動構(gòu)建關(guān)注指標(biāo)變化情況決策簡報，方便領(lǐng)導(dǎo)一站式獲取指標(biāo)的總體情況。

3.2 功能架構(gòu)

功能架構(gòu)如圖1所示。

（1）基于邊緣智能的OT系統(tǒng)。經(jīng)過邊緣智能終端處理實(shí)時數(shù)據(jù)，無縫的對接已安裝的各分布式源系統(tǒng)[6]，通過數(shù)據(jù)中心儲能、集中式電儲能、需求側(cè)響應(yīng)及電動汽車充放電管理等可調(diào)控負(fù)荷手段，能夠平抑用電峰谷差。

（2）智能計算IT管理。信息系統(tǒng)通過高帶寬光纖，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)采集和通信，信息流與能量流融合情況。系統(tǒng)的高效運(yùn)行需要通過能量管理系統(tǒng)支撐。一方面，通過數(shù)據(jù)采集、信息分析處理、智能化調(diào)控功能實(shí)現(xiàn)分布式能源的上網(wǎng)、調(diào)度;另一方面，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析用戶的用電特性、用能特征，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理及用戶用能優(yōu)化，最終達(dá)到供需雙側(cè)的互動。

系統(tǒng)融合情況如圖2所示。

（3）基于人工智能的決策支持。本項(xiàng)目考慮結(jié)合商用數(shù)值天氣預(yù)報（Numerical Weather Prediction）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，實(shí)現(xiàn)功率預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測，用電行為可以通過應(yīng)用各類先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，挖掘智能電表數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。整個系統(tǒng)可存在多種能源轉(zhuǎn)換裝置，其中常見的有含內(nèi)燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)、熱泵、電動制冷機(jī)等。支持能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費(fèi)及能源市場深度融合的數(shù)據(jù)分析。

3.3 技術(shù)架構(gòu)

（1）架構(gòu)組成。為實(shí)現(xiàn)不同綜合能源服務(wù)中能源的精益化管理，提高分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱利用、地?zé)豳Y源利用、光伏發(fā)電等清潔能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)集成綜合利用和多能源協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化等目標(biāo)，需要建設(shè)智慧能源綜合服務(wù)平臺，平臺依托云計算、大數(shù)據(jù)與移動互聯(lián)技術(shù)，支持公有云、私有云模式部署，并可擴(kuò)展相關(guān)高級應(yīng)用、集成外部應(yīng)用系統(tǒng)。

（2）技術(shù)架構(gòu)。技術(shù)架構(gòu)滿足分布式數(shù)據(jù)采集、存儲、基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘等，向下采集來源于電源設(shè)備、配電設(shè)備、智能儀表、供冷站、換熱站、視頻監(jiān)控等多種數(shù)據(jù)。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的架構(gòu)存儲和模型分析，支撐上層應(yīng)用（如圖3所示）。

在邊云協(xié)同上，選擇“輕邊緣”架構(gòu)，即邊緣側(cè)的容器引擎和設(shè)備管理agent盡量輕量化，管理面運(yùn)行在云端且構(gòu)建在K8S的調(diào)度能力之上，100%兼容K8S原生API。all in K8S的設(shè)計理念使得用戶可以圍繞K8S的標(biāo)準(zhǔn)API定制需求或者輕松集成云原生生態(tài)中的成熟項(xiàng)目。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹＞W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按照安全防護(hù)的要求，從物理結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)隔離等方面進(jìn)行區(qū)分。①控制區(qū)：生產(chǎn)類設(shè)備、系統(tǒng)、車間。②非控制區(qū)：園區(qū)內(nèi)用戶的智能電表、供熱/冷計量表及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、存儲、計算分析服務(wù)器。③管理區(qū)：系統(tǒng)展示層，與管理局域網(wǎng)在同一網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備，例如鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、發(fā)布服務(wù)器及邊緣計算服務(wù)器。在不同區(qū)之間采用單向物理隔離器，保護(hù)生產(chǎn)運(yùn)行安全;在局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間采用防火墻，通過配置規(guī)則允許合法信息交互，防止外部威脅影響系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)語

利用邊緣智能技術(shù)建設(shè)智慧能源綜合服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)供熱（采暖和供熱水）、制冷及發(fā)電過程一體化的能源綜合利用管理，包括數(shù)據(jù)中心儲能、集中式電儲能、需求側(cè)響應(yīng)及電動汽車充放電管理等可調(diào)控負(fù)荷手段，平抑用電峰谷差。測算各類可調(diào)控負(fù)荷的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，給出各類可調(diào)控負(fù)荷的合理容量及可盈利價格方案，提供更有效的綜合能源服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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