面向能源互聯網的綜合能源儀控平臺一體化設計與研究

喬 克，吳 培，田傳波，丁慧龍

（1.北京國電通網絡技術有限公司，北京 100070；2.中國雄安集團基礎建設有限公司，河北 雄安新區 071700；3.國網雄安思極數字科技有限公司，河北 雄安新區 071701）

0 引言

目前，綜合能源服務業務在能源范圍內成為新發展的一個業務，具有客戶需求多、項目點廣、技術類別復雜、服務模式多元化等特點[1]，涵蓋能源儀控平臺規劃設計、工程投資建設、多能源運營服務，以及投資服務等環節，各環節設計規范不統一，應用的平臺功能不規范。

最近幾年，綜合能源系統飛快發展，其中該系統在工業領域中成為主流。2000年國外率先開展了相關研究。美國、歐洲、日本研究機構提出相關的研究計劃，并就示范項目的建設，研發相關綜合能源管理平臺[2-5]。國內研究從2010年左右開始，以相關科技項目配套工程為主，商業化推廣建設剛開始起步，相關能源儀控建設工作推進緩慢[6]。從國際來看，與綜合能源服務相關的標準可以參照ISO、IEC和ITU-T來執行。其中，ISO更傾向于管理方法的標準，能源管理體系標準ISO 50001在能源領域聞名于世，并于2011年6月15日發布，在2018年8月21日做了最新修訂[7]。IEC的技術導向更為明確，并且成立了智慧能源的專門委員會，由IEC中央辦公室直接負責[8]。IEC于2017年發布了智能微網標準化路線圖。2018年能源局頒布的《2018年能源領域擬立項行業標準計劃項目》中，涉及綜合能源系統的1項，涉及能源互聯網的4項，并無直接針對綜合能源儀控設計制訂計劃[9]。按照相關的籌建方案，能源行業綜合能源服務技術委員會的管理機構為中國電力企業聯合會[10]，在綜合能源的供應、技術裝備、運營等領域，開展能源儀控設計工作。機構的成立，有望成為綜合能源服務系統化的第一步。

依托雄安新區“綠色智慧新城、數字孿生城市”的發展目標，圍繞雄安新區高起點規劃、高質量建設要求，加大對能源互聯網關鍵技術及系統平臺的深入研究及能源儀控體系建設開發，支撐當地綠色低碳、信息智能現代化城市建設，為推動中國能源轉型、助力深化改革提供強力支撐。本文結合當地的用能特點，對當前雄安新區的現狀進行分析，梳理了綜合能源業務設計思路，并結合能源儀控平臺一體化業務的需求，提出系統功能、性能，及安全性的設計。

1 綜合能源儀控平臺總體需求及設計

1.1 需求內容分析

目前，國家層面的綜合能源儀控設計體系尚未建成，通過綜合分析容東綜合能源涉及的技術、應用全生命周期建設需求，考慮雄安容東片區的規劃和需求，綜合能源儀控平臺規范主要是針對綜合能源平臺建設中的能源基礎設施智能化、能源數據服務、綜合能源平臺建設、服務與業務等過程進行的規范化約束。綜合能源儀控平臺設計體系由總體概述、能源儀控平臺存儲系列設計、測試評價等3部分構成，其綜合能源儀控平臺設計體系如圖1所示。

圖1 綜合能源儀控平臺設計體系Fig.1 Integrated energy instrument and control platform design system

其中，總體概述從宏觀的角度構建能源互聯網的儀控系統（如圖2所示），提出能源互聯網的總體要求，給出術語以及用例，介紹整個標準的范圍、業務功能、需求、架構、運行環境、安全性要求等內容。測試評價能源互聯網設備級系統檢驗標準為基礎保障類標準，構建完善的監測方法和評價體系，充分遵循已有國際、國家信息安全相關標準，參考行業綜合能源相關標準。區域能源系統承擔城市能源供應的基礎保障功能，滿足外部輸入能源及本地大型清潔供能設施的接入需求。能源系統注重安全性、可靠性、穩定性，具備事故情況下，保障城市能源系統不癱瘓與快速恢復的能力。

圖2 能源互聯網儀控系統Fig.2 Energy internet instrument control system

能源的轉換共享和互聯互通是能源互聯網的核心，能源域作為核心內容被描述在中心位置。標準體系重點描述了能源轉換類、能源存儲類和新能源傳輸類標準，需要根據當前的能源利用和轉換效率制定該域內的標準。

1.2 能源儀控平臺總體設計

根據雄安新區“綠色智慧新城、數字孿生城市”的發展目標，提出高起點規劃、高質量的建設要求，大力發展能源互聯網關鍵技術及系統平臺的深入研究及開發，以能源儀控平臺設計體系研究為基礎，雄安綜合能源儀控平臺一體化作為智慧能源體系應用層的重要環節（如圖3所示），開展平臺功能、性能、安全性研究十分必要。

圖3 綜合能源互聯網一體化Fig.3 Integrated energy internet integration

因此，以打造涵蓋數據采集、數據存儲、大數據分析、能源調度決策、金融交易等功能的一體化調控、運維和服務平臺，實現能源互聯網的可視化與可控化，對系統功能、性能、安全性的需求進行研究，并提出相關技術規范要求，為未來發展能源儀控平臺一體化技術奠定基礎。

2 面向雄安新區綜合能源一體化平臺設計

2.1 系統功能需求分析

2.1.1 能源感知需求分析

電力的能源感知層，按照源—網—荷—儲的能源特性進行劃分。其中，“源”由電力主網、分布式光伏等兩部分構成，由此來采集電網的狀態信息。“網”由配用電系統、管廊電力艙構成，主要采集配用電網和傳輸線路相關的信息數據。“荷”由充電設施、智能家居、智能樓宇系統構成，采集精細化用電數據，以及相關設備狀態數據。“儲”是儲能系統，主要采集電池、逆變器等系統參數。其規劃如圖4所示。

圖4 源網荷儲協調規劃圖Fig.4 Coordinated planning diagram of load and storage in source

感知的其他需求方面，主要是以下兩方面：一是區域、街區、用戶能源站的安全管理需求，涉及到視頻監測和燃氣濃度監測等；二是能源站各重點設備及系統的工況信息的采集，包括三聯供、地源熱泵、光熱系統等。

2.1.2 綜合服務需求分析

對容東片區家庭能源、樓宇能耗、儲能情況進行實時監控及數據分析，提供家庭、樓宇能耗查詢及報警功能，為用戶提供便捷的用能方式，同時通過能耗及儲能數據分析，制定最優化電和熱調峰方案。容東片區作為雄安新區規劃的5組團容城的先行區域，需按照雄安新區整體建設要求開展綜合能源光儲微網系統建設（如圖5所示）。為推進智能容東的建設，率先開展智能城市頂層設計和專項設計，確定建設藍圖和實施計劃與總體框架，并指導容東片區共性平臺建設及制定。

圖5 綜合能源光儲微網系統Fig.5 Integrated energy optical storage microgrid system

建立快速、便捷、智能化的服務業務辦理流程，由此為容東區域的發展帶來便利。

2.1.3 能源市場需求分析

通過多表合一采集容東片區用戶用能數據，提供客戶用能情況查詢功能，并根據用能數據分析，智能化制定用能套餐，對用能套餐銷量進行分析排名，優化用能套餐，提供便捷客戶計量繳費方式，提高能源供應效益。建立碳資產管理平臺，規范容東片區碳交易市場。

用戶方面，結合用能數據分析，分析容東片區產能成本，為能源生產提供降本方案，實現用戶購能自動化結算功能。能源生產商方面，實現采購、生產、售后統一分類管理，實現能源生產標準化管理制度，降低能源生產管理成本。

2.2 系統功能優化設計

系統業務范圍應包括：實現多種應用和服務場景下，能源系統互聯互通的開放接口、網絡協議和應用支撐平臺，支持多種形式的供能與用能設備的快速、便捷接入，實現綜合能源的總體優化與客戶側能源系統的快速響應與精確控制，支撐綜合能源服務聯合運營，包括聯合運行、聯合調控、聯合賬單，挖掘能源數據價值，提供“能源+”塊數據服務。平臺應具有的基礎功能如下：

實現綜合能源全方位、全過程的數字化建設，統一技術架構、數據規范，構建信息共享中心，促進數據流轉與共享，進而達到資源共享的目的。其能源分析和指標體系如圖6所示。

圖6 能源分析和指標體系Fig.6 Energy analysis and indicator system

支持電、熱、冷、氣、水等多種能源形式的綜合能量管理與調度，通過日前機組組合、日中經濟調度，實時調節組成系統的多時間尺度調度，提升綜合能效和能源管理水平。

構建能量交易電子商務平臺，實現熱（冷）電氣多種能源靈活交易，并提供靈活用能、輔助服務、能效管理、節能服務差異化的能源商品，支持終端用戶靈活自主參與市場。

3 儀控平臺性能一體化設計研究

3.1 硬件環境性能設計

1）感控設施的質量應達到國際認證標準。

2）感控設施的施工與運行條件應統一。

3）感控設施應具備故障自預警、自處理功能。

3.2 通信網絡性能指標

應具備高可靠性、高可用性。網絡設計能有效地避免單點故障，在設備的選擇和關鍵設備的互聯時，應提供充分的關鍵設備冗余、重要業務模塊冗余和鏈路冗余，網絡應當達到電信級可靠性。

對網絡通信基本需求如下：

1）滿足區域、街道和用戶三級相關職能單位的互聯互通和信息共享的需求。

2）滿足信息化系統內大數據量信息傳輸、交換的需求。

3）滿足網絡傳輸可靠性的要求。

4）滿足數據傳輸網絡暢通、快捷、安全、可擴展。

5）提供可靠的線路和網絡設備的保障，能支持線路和主要交換機的冗余。

另外，還需要滿足監控設備接入的需求，需要滿足傳感設備與物聯感知系統的數據正常、可靠傳輸。

3.3 平臺性能要求

3.3.1 系統響應要求

1）滿足高峰期同時在線1000人左右的訪問需求，系統每個一級功能模塊最長響應時長不能超過5 s，當系統進行多用戶并發操作時，應滿足表1要求。

表1 高峰期系統功能模塊響應時長Table 1 Response time of system function module in peak period

2）滿足系統7×24 h業務無間斷，穩定可靠運行。

3）系統能夠在系統前臺提高對非法輸入、特殊字符的容錯能力，避免非法用戶對系統用戶進行密碼暴力破解。

4）CPU可用率＜30%，內存使用率＜50%。

5）系統應滿足易理解、易分析、易配置、易修改、易測試的要求。

6）系統從用戶體驗維度出發，滿足頁面布局合理，通用操作規范，出錯處理、反饋與提示人性化等要求。

3.3.2 可靠性指標

1）系統年可用率≥99.99%。

2）系統連續運行要求：7×24 h。

3）系統故障恢復時間（MTTR）≤30 min。

4）平均故障間隔時間（MTBF）≥5000 h。

5）事件產生的平均時間間隔(MTBSI)= MTTR+MTBF≥5000 h。

3.3.3 可維護性

平臺的可維護性需求包括以下幾方面：應用系統應該采用構件化設計思想，系統框架與業務邏輯分離。應用系統出現異常錯誤報告時，必須能夠提供詳細的異常信息。系統在運行過程中所發生的錯誤應該有明確的錯誤編號，并能在系統的相應維護手冊中查到錯誤處理方法與步驟。當系統負荷加大時，仍需確保所需的服務質量，而不應更改整個系統的平臺，應用系統必須支持各構件的單獨升級。應用軟件中的任一模塊更新、加載時，在不更新與上下模塊的接口的前提下，不影響業務運轉和服務。

系統以服務雄安新區綜合能源儀控平臺一體化服務市場運營為基礎，打造融合跨行業數字能源信息共享平臺、智慧高效能源公共服務平臺、綜合能源一體化運營管理平臺三重功能的一體化平臺，實現信息共享、能源監控、生產運營、客戶服務、能源市場，實現城市能源（電、氣、熱、冷）綜合管理與綜合能源運營全業務支撐（生產、調度、營銷），為政府、能源消費者、能源運營商、能源產品商等多元化用戶提供綜合能源信息化智慧服務，為公司建設能源互聯網企業，實現綜合能源運營提供“一攬子”信息化支撐。

3.4 安全性設計研究

綜合能源建設涵蓋眾多基礎設施、數據資源和平臺建設，為保障綜合能源的安全平穩運行，保障其各類設施和數據的可用性和保密性，應從物理安全、信息安全、社會安全三方面采取有效措施。同時，應能支撐各類安全措施供需對接和下沉片區整體安全防范體系。

1）信息安全要求

要保證應用系統的安全，防止其在運行過程中出現故障或其他安全風險。對于新建應用系統，要有嚴格的代碼審查措施來減少系統漏洞和安全隱患，應用之間要降低可能互相影響的因素，保證應用之間的隔離性。

2）物理安全要求

物聯感知系統各感知設備需要進行安全保障，防止因設備丟失和物理性損壞。同時，對于終端運行應用的設備進行信息認證和物理防護，防止通過物理手段非授權終端接入網絡或人為惡意入侵而造成數據泄露。

能源層面做好網絡及部分計算存儲設施的安全防護措施，做好各類設施物理空間的外部維護、權限管理，防止發生物理性損壞和非授權入侵。

3）社會安全要求

綜合能源涉及的相關業務，例如工地、管廊、水務、市政、交通、公共服務等內容，涉及到政府、供能單位、企業、居民等多方的服務與互動，存在產生社會矛盾、突發事件的可能性，建設過程中需通過制度與機制設計，規避矛盾風險，防止社會性突發事件的發生。涉及多方參與、多方利益的業務中，應充分論證和調研各方需求、權利與義務，明確權責邊界，做到有理可依，有規可查，充分考慮業務組織機制的設計，防止出現侵害某方利益，造成社會損失、激發社會矛盾的發展。

通過信息化平臺，對能源內各主體、各業務的輿情信息進行全面的掌握，做到及時發展社會問題，及時形成干預辦法，及時進行輿情反饋，防止激發負面輿情事件的發生。

綜合能源平臺各分平臺和系統牽涉到多種網絡形態的交叉，包括物聯網、互聯網、能源微網、視頻專網等網絡，需要實現前端感控設施、后端平臺系統之間的安全連接，同時各個形態的網絡邊界需要有效的訪問控制措施來保障核心節點的安全。對于系統內的數據，要做好防泄露或脫敏措施，不被他人非法讀取其中的內容。數據在傳輸過程中必須經過安全的加密手段加密，防止被人非法截獲。為了保證數據的高可用性，防止數據因物理、系統故障或人為等因素而造成無法使用，須做好相應的容災備份措施。

4 總結

能源互聯網是當今世界在能源領域中的一個新型發展方向，也是雄安新區建設“綠色低碳、安全高效、智慧友好、引領未來”的現代能源系統的重要途徑。以雄安新區能源互聯網為藍圖，開展以多能融合、開放共享和智能調控為特征，不同層次的市場主體靈活接入的一體化平臺功能、性能及安全性標準化研究，打造平臺標準化體系，為雄安新區的建設提供了重要的支撐作用。

以平臺的標準化研究為基礎，梳理下一步雄安新區綜合能源儀控平臺設計的研究方向及技術規范涵蓋的內容，以推動未來新區綜合能源平臺相關產業的發展。