智慧用能系統關鍵技術研究與應用

陶俊 章兵

（安徽繼遠軟件有限公司，安徽合肥 230088）

0.引言

隨著當前社會的不斷發展，電力作為保障國家經濟穩定運行的命脈，其配送電質量的好壞直接關系到經濟的發展。同時，隨著電力市場改革的不斷推進，提升電力企業的服務質量，保障電力的輸送水平，是當前國家電網公司改革的一個重點，也是難點。配電站作為配電網的重要環節，是配電網的主要運行信息監測者和調度控制執行者。隨著配電網規模的不斷擴大，使得配電站采集的數據和實現的控制功能也越來越豐富，迫切需要一個智能數據處理分析系統，具備強大的數據業務能力，提高配電系統信息共享和調度運維效益優化。目前，集成技術、物聯網技術、傳感器技術和網絡通信技術日漸成熟，為傳統配電站的智能化升級提供了強有力的技術支撐。對于計劃通過長期持有配電房的用電企業來說，必須通過高效的運維管理方案來保障設備安全性，在企業降低運維成本，提高配電站房的安全和經濟運行水平，以適應現代化管理的要求[1]。

1.配電網監測技術現狀

通過對配電網系統的研究現狀進行分析得出，當前配電站技術支持系統的研究仍然存在一些問題，主要體現在：（1）當前，配電網監測主要集中在高中壓領域，對低壓用戶及企業用戶的研究相對較少，隨著低壓電網中分布式能源的快速增長和滲透，低壓配電網需管理的設備種類及數量越來越多，實時監測擴展到低壓電網將成為研究熱點；（2）配電站仍采用傳統監測方式，數據采集類型少，且傳輸時延高，監測手段單一，缺乏配電站信息的全面感知手段，物聯網技術的應用研究較少，尚未建立統一的配電站運行管控體系；（3）配電站技術支持系統的研究不夠全面，無法滿足配電設備全面感知、大數據應用分析和用戶多樣化用能服務的需求，同時獲取的電力數據分散，形成了一個一個的“數據孤島”，無統一分析平臺，沒有辦法將所有數據打通，造成目前數據應用以原始數據展現為主、橫向缺少數據關聯分析、縱向缺少數據挖掘、無法充分發揮數據價值的現狀[2]。

2.智能用能系統研究的關鍵點和難點

配電站房牽涉設備廠家多，聚集著眾多廠商的監測設備，由于各廠商自己有一定的競爭關系，基本都是對本品牌或者聯盟間的產品追到互聯互通。大部分的監測設備由于通訊標準尚未統一，設備之間無法實現互聯互通。如類似電表的IEC61850協議、直流屏監控模塊的CDT協議、保護的IEC101、IEC103協議等，即使是常見的MODBUS RTU協議對應不同廠家，其協議也有差異。用戶在進行智慧用能運行監測時需要更換原有設備，增加新的設備成本。因此，如何實現全協議數據接入是本研究的關鍵點。

電力監控平臺在實際運行中會接入大量的運行數據，而對于大數據的處理來說，數據的價值隨著時間推移而迅速下降，往往電力行業要求告警從發生到分析及告知用戶需求在一分鐘或十幾秒內。針對電力監控數據量大、處理時效性需求高、安全性要求高等特點，如何應用更先進的存儲技術以及提供更快更有價值的信息是本項目的關鍵點和難點。

沒有用電能效分析和管理，企業的綜合節能也無法實現，直接造成電能損耗，增添成本。因此，建立智慧用能平臺，研發設計智慧用能Web和移動App系統，構建用能體系，實現覆蓋安全用能、高效用能的一體化智慧用能系統是本次研究的重點。

3.智能用能系統采用的關鍵技術

開展全協議數據接入關鍵技術研究，達到支持主流的通訊協議和數據協議，實現用戶側電氣量、運維數據（溫濕度、零序電流、線纜溫度、變壓器溫度、火災監控、煙霧感應、水浸感應、門禁、攝像頭等）、生產管理數據的多設備高效采集，構建用戶側物聯網，降低用戶設備投入成本，實現多維度數據的穩定、高效采集，為大數據分析和應用提供物聯支撐。

在網絡層面實現多協議接入，支持主流的通訊協議和數據協議，能夠支持采集運維和生產管理側數據，預留多種電氣接口，能夠迅速組網并接入多種設備。若用戶已有相關采集設備，無需新增，使用戶能夠以超低的成本將設備接入物聯網，相較于傳統接入直接降低成本20%以上。

應用“分布式數據存儲+RabbitMQ消息隊列”形式，提高數據存儲和處理效率。把原有傳統集中的存儲服務器存放所有數據改為分布式數據存儲，通過網絡使用企業中的每臺機器上的磁盤空間，將這些分散的存儲資源構成一個虛擬的存儲設備。數據分散存儲在企業的各個角落，不僅提高了系統的可靠性、安全性，也提高了數據的存取效率，易于擴展。針對電力數據監控的特殊性和要求，采用RabbitMQ消息隊列的形式將底層采集的數據源源不斷地往上層系統傳輸，這些數據可以為不同服務按需訂閱使用，極大地提高了時效性和數據通用性。

對海量數據的存儲和處理技術進行研究：（1）研究微服務架構，通過將功能逐項分解到各個離散服務器中，以提升服務器對數據的高敏捷性、高穩定性及高擴展性，提升用戶體驗。（2）研究分布式存儲技術，利用分布式存儲優勢，試用對多臺存儲服務器優化配置以分擔存儲負荷，同時利用位置服務器定位數據的存儲信息進一步提升系統可靠性、可用性和存取效率。（3）研究數據流式處理技術，減少系統間耦合程度，以異步形式加快系統響應速度，合理分配服務器資源，進行削峰填谷。

利用云計算、人工智能、大數據、物聯網、5G與“互聯網+”服務理念相結合，通過 “線上+線下”的有機融合打造企業智慧用能平臺，為用戶提供管家式的配電智慧運維或代維服務、能效監測與管控、用電信息采集、綜合能源管理、增值服務等一站式用電管理服務，主要具備以下主要功能模塊：

在運行監測方面，通過圖形化的方式直觀監控配電室的電氣設備、環境、安防等運行狀態和實時數據（如電壓、電流、溫度、用電量等），支持自定義監控畫面和Web展現頁面，所見即所得，用戶可同時通過Web端和手機App查看配電室實時運行狀況。

在智能運檢方面，通過“巡檢管理+一鍵報修+工作評估”智能運檢模式實現智能化自動巡檢和工單派發，任務快速響應，打造便捷高效的運檢人員工作站，全面提升運維效率和工作體驗。

在能效管理方面，通過對企業用能數據的全面計算，以及同比、環比等各種變化趨勢分析，能夠及時發現各種異常負載情況，為節能降耗提供有力的依據；手機App還能提供電能質量分析功能，為電能質量的優化提供數據基礎；同時，企業也可以通過App查詢統計用能情況及時做出設備調度和用電調整[3]。

在設備資產管理方面，可以提供設備的全生命周期管理，實現設備從出廠安裝調試到上限運行維護再到設備報廢的周期管理，通過流程管理輔助措施實現各種設備的高效運行延長設備的使用壽命，為企業創造價值；通過對設備的運行數據、維修保養數據的記錄和分析，給出預防性維保建議。

在數據增值方面，通過云計算、人工智能和大數據分析技術對電氣設備運行數據進行分析，推算出用電結構性規劃建議，完成從經驗分析向大數據分析的轉變；通過平臺龐大的數據基礎及大數據分析對外提供節能改造服務、電能質量質量、咨詢服務、電能替代等數據增值服務。

4.智能用能系統應用方案和成果

從智慧用能需求分析著手研究智慧用能業務需求，開展系統功能需求及性能需求分析，在功能需求和性能需求分析基礎上深入研究各項功能具體實現方法、移動數據安全傳輸方法，提出軟件功能設計規范，并按照該設計規范進行自主設計智慧用能系統，最后通過試點應用對各項研究成果加以驗證。各階段工作如圖1所示。

圖1 應用進程模型

通過本系統的建設：（1）可以實現用能隱患的顯性管理、預測預警，通過系統運行的數據進行分析顯示，排查導致溫度過高等電氣線路隱患，隱性隱患通過智慧用能系統可以轉化為顯性的數據展示和隱患預測預警，通過短信等方式提醒用能企業；智慧用能系統實現用電設備和線路的全程監測、數據傳送，彌補了“點對點”人防的缺陷、實現隱患缺陷早發現、早預警、早治理。（2）豐富電力安全生產社會化服務內容，提高了服務效率；通過技術服務手段為用能企業提供隱患排查服務，解決了企業“查不出”隱患、“管不好”安全用電的難題；與此同時，通過智慧用能系統監控平臺，為電工協會、行業組織等衍生出專業的電力技術服務隊伍或機構提供了條件，便于中小微企業及時購買服務、及時消除安全隱患，即降低用能企業專門雇用人員的成本支出、又提高服務的針對性有效性。（3）為日常監督提供技術支撐，智慧用能系統在為用能企業隱患排查治理提供便利的同時，也可以為用能企業提供提高監管實效的途徑選擇；通過智慧用能系統平臺大數據分析梳理出不同時間節點的用電隱患預警相對集中的部分，用能企業依據數據分析有針對性地組織隱患自查自改工作；另一方面，通過平臺數據用能企業可以了解到企業內部電氣客觀真實的安全運行狀況記錄、隱患發生及消除進展過程。

基于大數據、人工智能和物聯網技術打造的智慧用能平臺，為用戶降低運維成本，延長設備使用壽命，節省電費，提高配電運行安全，智能監控，提升可靠性，消除運行、巡檢盲區，減少故障停電次數，縮減故障停電時間，保障用電質量。

提高人力資源利用，增加工作效率。通過物聯網技術即可實時監測電氣設備的運行情況，有效地減少了現場巡檢次數，能更合理地分配運檢班組的工作；結合多種監控手段，可精確定位故障點，搶修人員可以第一時間處理故障點，減少故障排查時間，提高工作效率，智慧用能運用后可降低30%～60%運維人力成本。

制訂針對性運檢計劃。通過對企業空間和時間兩個維度的監測數據進行比對，生成不同時間段需要重點關注的運檢方向，制訂針對性計劃，提升5%～20%設備使用壽命。

進入大數據分析時代。通過云計算、人工智能、大數據分析技術對電氣設備運行數據進行分析，推算出用電結構性規劃建議，完成從經驗分析向大數據分析的轉變，實現提升15%～30%管理效率，節約5%～15%電能費用。

通過聯合電氣設備制造商、專業運維公司、電力工程公司、綜合能源服務商等合作伙伴對現有變配電系統信息化系統進行功能模塊重構、微服務化改造，構建智慧用能平臺，打造“平臺＋移動應用＋專家團隊”的立體化綜合服務體系，為用戶提供用能咨詢、智能運檢、能效分析、設備資產、綜合能源、增值服務等一站式智能用電服務。

5.結語

智慧用能是以能源及其設施為基礎，以電力網絡為核心，依托互聯網、物聯網、大數據、云計算等新技術對能源的生產、運輸、儲存和消費過程進行實時監測、數據分析和優化處理，并通過數字化、網絡化、智能化手段實現用能的安全、高效、綠色、智慧應用。智慧用能系統廣泛應用于電力、交通、建筑、城市等領域，智慧用能系統貫穿用能產業服務全過程，構建的面向能源互聯網的“智慧用能大腦”，匯聚政府、能源互聯網產業鏈上下游和多方用能運營商資源，實現業務引流、產業賦能，助力打造智慧用能產業生態。平臺支撐“區域、園區、企業”三級應用，服務政府、用能運營商、用能消費者等用戶，提供綠色、安全、經濟、高效、增值的多元化智慧用能服務。同時，推進智慧用能數字化進程，提升企業能效，提高社會認知度，從而進一步提升企業品牌，擴大企業知名度，最終產生潛在價值。