智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的頂層設(shè)計(jì)研究

張志芹

(江蘇?？拼笃鳈C(jī)器人有限公司,江蘇 南京 210000)

1 智慧能源服務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀

政府工作報(bào)告重點(diǎn)指出,“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期,為構(gòu)建低碳、清潔、高效、安全的能源體系,提高能源利用效能,控制化石能源總量,實(shí)施替代可再生能源行動(dòng),加快推進(jìn)碳排放權(quán)交易,積極發(fā)展能源綠色金融。

根據(jù)當(dāng)今世界的能源發(fā)展趨勢(shì),為解決化石燃料的逐漸枯竭所造成的高能耗、高浪費(fèi)、高污染等問(wèn)題,如何高效利用能源,優(yōu)化能源資源配置,提供智慧能源服務(wù),推進(jìn)能源消費(fèi)的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新方式,及能源低碳綠色發(fā)展,已成為制約中國(guó)能源發(fā)展的重要問(wèn)題。

2 智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的技術(shù)創(chuàng)新

智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)涉及新能源、分布式能源、清潔能源、儲(chǔ)能等多種能源供給方式,以及不同用戶的用能體驗(yàn),由此搭建智慧能源管理服務(wù)平臺(tái),可以有效對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行全方位的管控。它是綜合運(yùn)用先進(jìn)的新能源技術(shù)、信息技術(shù)、智能管理技術(shù)的新型能源體系,從多種能源的生產(chǎn)、能源輸送、能源配給、能源轉(zhuǎn)化、能源消耗等架構(gòu)完整的能源生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)前,運(yùn)用電、氣、水、冷、熱等多種能源的互相轉(zhuǎn)化和效率提升來(lái)組建的能源互聯(lián)網(wǎng),成為推動(dòng)綠色低碳能源發(fā)展、保障能源持續(xù)創(chuàng)新供應(yīng)的重要途徑,具備供需分散、系統(tǒng)扁平、多能協(xié)同、設(shè)備智能、信息對(duì)稱、交易開(kāi)放等特點(diǎn)[1]。

智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和展示,通過(guò)分類、分層的方式部署多級(jí)采集模塊和關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集技術(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)電、燃?xì)?、冷熱、水等能源情況及管網(wǎng)情況、公共樓宇、工業(yè)企業(yè)等多元用戶用能情況,并通過(guò)能源平衡、能效對(duì)比等多維度指標(biāo)分析,對(duì)智慧能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。分布式清潔能源發(fā)電技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)及以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的運(yùn)用,為該智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)提供了技術(shù)保障。

3 智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的頂層設(shè)計(jì)

在頂層設(shè)計(jì)階段,該平臺(tái)主要應(yīng)用于兩方面:(1)涵蓋燃?xì)?、電力、冷熱系統(tǒng)的多能源體系的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行;(2)智慧能源服務(wù)所包含的用能設(shè)計(jì)、規(guī)劃、能源系統(tǒng)建設(shè),用戶側(cè)用能系統(tǒng)托管、維護(hù)、能源審計(jì),節(jié)能減排建設(shè)等智慧能源項(xiàng)目全過(guò)程[2]。

其框架設(shè)計(jì)的技術(shù)架構(gòu)需要遵照J(rèn)2EE的技術(shù)規(guī)范,運(yùn)用組件化和動(dòng)態(tài)化的軟件技術(shù),并通過(guò)共享數(shù)據(jù)建模的多層架構(gòu)系統(tǒng),包括設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、高級(jí)應(yīng)用層、展示層。構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)和能源生產(chǎn)、能源傳輸、能源儲(chǔ)存、能源消費(fèi)、能源市場(chǎng)之間深度影響并融合的智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)-能源發(fā)展產(chǎn)業(yè)新形態(tài)[3]。其中包括能源供給、能源需求響應(yīng)、傳輸、能源形式轉(zhuǎn)換、能源數(shù)據(jù)應(yīng)用、能源信息管理和運(yùn)營(yíng)調(diào)度控制等方面。基于頂層架構(gòu)的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)頂層架構(gòu)的技術(shù)路線

3.1 設(shè)備層

設(shè)備層主要采集分布式發(fā)電、熱泵機(jī)組、儲(chǔ)能、采暖、供冷等系統(tǒng)主要設(shè)備的重要參數(shù)。例如,光伏發(fā)電的逆變器運(yùn)行和運(yùn)行狀態(tài)、熱泵的供回水溫度及功率等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對(duì)智慧能源系統(tǒng)內(nèi)重要設(shè)備及各子系統(tǒng)進(jìn)行自控對(duì)接,并將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸至監(jiān)控平臺(tái)。如平臺(tái)通過(guò)MODBUS485協(xié)議連接風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的輸出功率和電機(jī)溫度,通過(guò)以太網(wǎng)、PROFIBUS通信總管線管控空氣源熱泵系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

3.3 服務(wù)層

服務(wù)層匯總各系統(tǒng)運(yùn)行的所有參數(shù)及分析數(shù)據(jù),建立安全的生產(chǎn)、調(diào)度、優(yōu)化與故障診斷的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)、達(dá)到渠道監(jiān)管及服務(wù)管理支撐。

3.4 高級(jí)應(yīng)用層

高級(jí)應(yīng)用層即功能層,智慧能源服務(wù)平臺(tái)具有能源監(jiān)測(cè)、能源分析、能源管控、資產(chǎn)運(yùn)維管理、優(yōu)化仿真等功能,實(shí)現(xiàn)電、熱、冷、水、氣等多種能源的綜合高效利用及與用戶的智能互動(dòng)。

3.5 展示層

通過(guò)對(duì)智慧能源系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,在工作站、大屏、云平臺(tái)等界面上展示出綜合能源系統(tǒng)內(nèi)電、熱、冷、水、氣等各類能源的流向走勢(shì)、能源消耗、能源轉(zhuǎn)化及能源利用等信息,直觀地展示出綜合能源整體情況,輔助能源管理。

4 平臺(tái)應(yīng)用功能分析

4.1 能源監(jiān)測(cè)

能源監(jiān)測(cè)功能采用SCADA,Lonworks等技術(shù),通過(guò)監(jiān)測(cè)接入單位的各種計(jì)量點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)、報(bào)警及可視化展示,查看有關(guān)用戶用能的基本情況,查看負(fù)荷的監(jiān)測(cè)情況和能耗監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)圖[4],主要包括三維監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、故障監(jiān)測(cè)。

4.2 能源分析

利用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段,通過(guò)綜合能源分析、能源結(jié)構(gòu)分析、能源生產(chǎn)分析及區(qū)域運(yùn)行報(bào)告等方式,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維立體化設(shè)計(jì)、歸類和分析,從能源容量、產(chǎn)能和用能、用能行為、能效管理、節(jié)能服務(wù)等全局統(tǒng)籌分析,為能源可持續(xù)發(fā)展提供支撐,也是實(shí)現(xiàn)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的重要前提。同時(shí),建立可涵蓋電、氣、冷、熱各環(huán)節(jié)的一套綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

4.2.1 能源供需容量分析

基于長(zhǎng)時(shí)間尺度對(duì)各類能源生產(chǎn)、消費(fèi)容量進(jìn)行分析,包括電網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)、熱力網(wǎng)、水網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)、清潔能源等進(jìn)行全面分析和預(yù)測(cè),全方位展示能源生產(chǎn)、消費(fèi)容量狀態(tài),側(cè)重于能源的供需預(yù)測(cè),指導(dǎo)未來(lái)能源規(guī)劃調(diào)整和優(yōu)化布局。

4.2.2 產(chǎn)能和用能態(tài)勢(shì)分析

基于準(zhǔn)實(shí)時(shí)狀態(tài)時(shí)間尺度,對(duì)一次能源、二次能源生產(chǎn)情況、能源使用情況、能源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行分析,并建立能源、公共交通、市政、工商業(yè)等行業(yè)等多維度多視角分析模型,充分反映能源需求總量和增長(zhǎng)趨勢(shì),保證能源供需平衡。

4.2.3 用能行為分析

融合用戶、能源互聯(lián)網(wǎng)、社會(huì)多主體的多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)效率需求,對(duì)不同區(qū)域、不同用能主體、不同時(shí)間尺度下的用能行為進(jìn)行分析,初步勾畫多維度局部畫像。

4.2.4 能效管理

利用數(shù)據(jù)分析工具和GIS信息,對(duì)重點(diǎn)單位、區(qū)域、設(shè)備進(jìn)行綜合同比環(huán)比分析,結(jié)合區(qū)-塊-鏈等不同屬性,構(gòu)建能效對(duì)比,通過(guò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能挖掘,發(fā)現(xiàn)能耗企業(yè)用能特性,比對(duì)能耗標(biāo)準(zhǔn),編制標(biāo)準(zhǔn)能耗分析報(bào)表;根據(jù)歷史能耗信息提供不同區(qū)域、不同行業(yè)、不同能源類型的用能單位能耗預(yù)測(cè)分析及潛力態(tài)勢(shì)分析。

4.2.5 節(jié)能服務(wù)分析

促進(jìn)用戶節(jié)能工作,提高能源利用效率。用戶的節(jié)能降耗工作是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召以及用戶能源管理建設(shè)的重要工作之一。運(yùn)用新一代信息技術(shù)對(duì)用戶的能源利用效率進(jìn)行科學(xué)管理,能提升多能源高效地配置實(shí)物資源,帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)管理運(yùn)營(yíng)的水平,并將更進(jìn)一步提高用戶的生產(chǎn)效率、減少能源消耗,更加科學(xué)有效地運(yùn)用能源資源。

4.3 能源調(diào)控

能源調(diào)控是實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的核心功能,包含SCADA、多能流實(shí)時(shí)建模與態(tài)勢(shì)感知、多能流安全分析與預(yù)警、多能流優(yōu)化調(diào)度控制、能源調(diào)度控制(微電網(wǎng)控制、冷能調(diào)控、熱能調(diào)控、熱水調(diào)控)等。分維度地對(duì)多能流負(fù)荷進(jìn)行多時(shí)間尺度預(yù)測(cè)(日前、短期和超短期),包括產(chǎn)能預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、配比預(yù)測(cè),分區(qū)域地支撐全局互聯(lián)互濟(jì),分行業(yè)的能源供需合理優(yōu)化。

4.4 運(yùn)維管理

運(yùn)維管理是智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)最關(guān)鍵的部分。運(yùn)維管理不僅包括建站、發(fā)電計(jì)劃、設(shè)備能效評(píng)估、KPI考核,還包括巡檢存檔管理、維修保養(yǎng)管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析。

4.5 優(yōu)化仿真

基于能源在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)與消費(fèi)的實(shí)時(shí)跟蹤和預(yù)測(cè),進(jìn)行區(qū)域能源的優(yōu)化仿真模擬,為智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供決策支持[5],包括配電仿真系統(tǒng)、配熱仿真系統(tǒng)、配冷仿真系統(tǒng)、配熱水仿真系統(tǒng)等仿真功能,利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行仿真服務(wù)的效益評(píng)估,實(shí)現(xiàn)智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)仿真的全流程管理。

5 總結(jié)

本文對(duì)智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的頂層設(shè)計(jì)研究,開(kāi)創(chuàng)了新能源發(fā)展新模式、新業(yè)態(tài)、新發(fā)展,從智慧能源服務(wù)的多能協(xié)同與多網(wǎng)融合規(guī)劃建設(shè)、多能源聯(lián)合協(xié)調(diào)與區(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化、海量數(shù)據(jù)挖掘與用戶行為分析、培育合理的綠色能源交易機(jī)制等角度,構(gòu)建了智慧能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的總體架構(gòu)。該平臺(tái)以多種能源的互補(bǔ)優(yōu)化及區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)能源構(gòu)成的協(xié)同優(yōu)勢(shì),形成能源產(chǎn)業(yè)鏈,并帶動(dòng)智慧能源及節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略提供重要保障。