淺析智慧能源的有效利用技術

張素娟

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

智慧能源通過物聯網等通信信息網絡技術系統，實現對能源的加工生產、能源的運輸、能源類型的轉換、能源的存儲和能源消費的管理和控制。智慧能源屬于優化性結構的新型能源管理模式，實現清潔低碳、可持續發展。作為現代科學技術的重要產品，智慧能源管理系統已成為評定社會體系建設是否完善的標準之一。智慧能源管理系統是解決社會發展對能源需求日益劇增與環境保護矛盾沖突、各類型能源在生產和消費中的浪費現象的重要工具。能源消耗領域不斷變化，新的業務形式和新的技術模式不斷涌現。我國新能源領域的研究方向是以開發利用新型可再生能源為導向，依托物聯網的新型科學技術，開創創新各種新模式，研究各種能源的可持續發展策略，構架新的能源體系，打造新型能源可持續發展規劃。

1 智慧能源管理系統的目的

隨著“3060”碳目標的提出，可再生能源的地位再次提高，社會對環境保護的要求越來越高，人們的節能意識也不斷提高，智慧能源管理系統的研究和推廣具有重要的現實意義和應用價值。

（1）用戶體驗。

在不損害或犧牲顧客對能源使用體驗的前提下，對智慧能源管理系統進行設計和開發，還需要滿足顧客在使用能源時的方便性、安全性和可靠性，達到減少能源損耗和有效提高能源利用率的目標。

（2）全新遠程管理。

智慧能源管理系統可以通過互聯網等相關技術進行遠程管理，讓顧客進行在線觀察，并進行相對應的操作，完成對各種能源的智能化管理和實現現場無人化的安全操作目標。

（3）降低能源消耗。

智慧能源管理系統可以通過統籌能源之間的分配管理，有效降低不同類型能源間的相互消耗和浪費情況，為顧客降低成本。

2 智慧能源管理系統的特點

2.1 智慧能源的新生產方式

智慧能源以不斷降低傳統不可再生能源的消耗為最終目的，打破了以往比較單一的能源生產、運輸以及消費的管理模式。智慧能源平臺對所有的可再生能源和不可再生能源進行統一管理和優化，實現對能源的實時監控，預測其具體發展趨勢，為相關機關部門和企業統籌管理各類能源，預先配置發展所需的能源和提升能效提供數據支撐與方案支撐。

2.2 智慧能源的消費方式

以客戶為關注焦點，深入了解客戶的各種能源需求，以物聯網等通信信息科技為平臺，實現客戶用能方式的互補，為客戶和能源供應商構建雙向的互動模式和互動渠道。在終端可以為客戶配置相應的App、小程序，提供用能查詢功能以及推送用能等，使客戶可以自主靈活操作選用價格合適的用能供貨商，主動加入機關部門和企業間的能源管理模式，讓客戶體驗到良好的用能服務和更經濟的價格。

3 智慧能源的有效利用技術研究

智慧能源的分布式管理平臺是為了達到數種能源之間的優化配置，更有效地減少CO2的排放量，提升能源的有效利用率，減少社會發展的能源成本，有效保護周邊的環境。

智慧能源管理系統平臺可以分為分布式能源管理監控系統（DERC）、能源企業的管理系統平臺、客戶的家庭能源管理系統（HEMS）、樓宇能源管理系統（BEMS）、工業能源管理系統平臺（BEMS）、電動車充電管理系統等以及相關的連接系統等。可以有效進行能源的實時監控，通過各種能源之間的互補互通關系協調改進，達到全面覆蓋、相互感知以及智能協助、信息安全互通、節能減排、提高能源利用率的目的。

4 基于物聯網的智慧能源管理系統設計

4.1 智慧能源管理系統的設計

智慧能源管理系統通過遠程操作技術控制和降低能源損耗，并對各類型的能源進行合理分配。智慧能源管理系統的總體結構包括主控器、數據采集器、智能控制系統以及顯示終端設備。數據采集器通過智能控制系統進行連接操作，主要對能源信息數據進行收，如電能消耗、功率、電流、電壓等。智慧能源管理系統的內部網絡通過無線通信技術模塊實現，完成命令傳輸和數據參數傳輸；智能控制系統使用GNU/Linux平臺對系統進行操作和控制，需要對相關的算法進行分析和計算，實現算法預測和相關指令處理；顯示終端設備連接互聯網，通過遠程顯示和操作控制完成對能源信息數據的交互和存儲。

智慧能源管理系統功能框架如圖1所示。

圖1 智慧能源管理系統功能框架

4.2 物聯網的設計

物聯網的設計方案是在無線通信網絡的基礎上進行開發和設計，需要對網絡建設的成本、安全性、穩定性以及延遲性進行研究。從設計方案的安全性和穩定性出發，應對網絡拓撲的結構進行詳細設計，使其擁有較高的修復能力，保證安全穩定性。就成本和延遲時間而言，網絡拓撲結構設計應簡潔，減少路由功能節點，有效降低成本，縮短延遲時間。就智慧能源網絡信息互動而言，對網絡數據傳輸延遲時間的要求較高，對穩定性的要求不高。總體成本是重要因素，直接影響系統的普及度。控制芯片的無線通信技術可以使用單片機技術，屬于集中式單片機控制內核，可以通過互聯網對智慧能源系統中電氣設備的開關進行開閉功能控制。

無線通信技術設計中，其網絡節點設計使用ZStack協議進行軟件開發和設計，主要對程序層的軟件進行編寫，設計終端節點和協調器節點的軟件開發設計。終端節點的軟件設計是應用在傳送傳感器采集到的信息數據到指定的協調設備中。協調器節點的軟件設計目標是建立和維護用戶在互聯網使用能源需求與主控制管理系統的信息交互，通過接口網關控制器，將信息數據根據指令要求傳入終端系統。

4.3 智慧能源管理系統的網關主控器設計

智能網關主控制器是智慧能源管理系統的核心控制器，負責協調命令和傳送信息，例如對互聯網交互指令進行傳送和信息存儲、智能預測控制功能。智能網關控制器可以存儲已經采集的相關信息數據（如能耗數據、電壓電流數據），通過智能算法對信息數據進行分析和特征值計算，得到預測結果。將預測的結果、客戶端和主控制器之間的交互與其所收集的數據通過物聯網反映在互聯網上，并根據網頁的指示采取措施。

（1）硬件設計。

智慧網關主控制器的硬件設計主要包括復位電路、時鐘電路、電源電路、串口電路、網卡、SD卡以及微型CPU處理器。本系統選擇性能較高的S3C2440A作為智慧能源管理系統的CPU，處理各種復雜的運算工作。

（2）軟件設計。

智慧網關主控制器的軟件設計涵蓋控制子程序、電器的智能預測、電器模式識別子程序和系統子程序等。系統子程序用于完成節能系統的任務調度，保證相關任務的有序和正常運行。電器識別子程序用于識別電器的類型和狀態，并將結果返回主程序。電器的智能預測用于預測各種電能參數，通過模式識別子例程進行操作，以實現智能節能。

4.4 智慧能源管理系統的軟件服務器設計

智慧能源管理系統的軟件遠程控制系統主要通過互聯網實現網絡通信，主要由三個部分組成，即網頁交互程序、系統數據庫和網絡服務器。

（1）服務器設計。

智慧能源管理系統的控制終端是互聯網的控制界面，需要一個互聯網服務器程序與客戶進行信息數據交互。智慧能源管理系統的并發權限較少，可以選擇互聯網服務器。將能源的信息數據上傳網關接口程序中進行數據信息分析，分析完成后反饋計算結論，通過互聯網客戶端傳遞內容。

（2）數據庫的方案設計。

智慧能源管理系統包括用戶數據庫以及能源參數信息數據庫。能源參數信息數據庫負責存儲所有能源工作參數，例如電能數據表、電特性類型數據表、電特性模擬量數據表等相關能源過程的信息數據；用戶數據庫的功能是存儲基本用戶信息。

（3）通用網關接口程序設計。

選擇通用網關接口程序實現服務器與互聯網的信息交互功能，使用C語言編寫的通用網關接口處理軟件代碼，可以有效提升控制管理軟件的兼容性和可移植功能。

5 結語

智慧能源系統平臺以物聯網等先進通信技術以及人工智能技術為技術基礎，與傳統能源生產模式、運輸方式、存儲方式及傳統消費模式相比，具有更現代化的數字信息功能，可以自動、自主、精準計算用能數量和方式，進行深度互動交流，實現各類能源之間的廣泛協調和優化配置。通過統一的對接接口要求，實現各個區域間的能源與信息互通共享、各類能源間的有效配置，更充分有效地利用能源，大幅度減少大規模能源浪費現象的出現。現階段關于對智慧能源管理系統平臺的研究還處于起步階段，沒有統一的標準體系和技術要求，智慧能源管理系統的框架和運用技術體系存在多種形式。隨著國家對智慧能源管理系統的重視度不斷加強，智慧能源管理系統可以通過統一的接口標準和技術，實現區域之間能源與信息的有效互通和共享，避免不同的技術要求導致技術隔斷，產生不必要的成本，行業技術標準的統一也能夠更好地指導行業快速發展。