区域综合智慧能源管理平台设计与应用分析.docx

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1、区域综合智慧能源管理平台设计与应用分 析一、背景能源问题业已成为各国政府当下普遍关注的焦点，我国近 几年相继出台了一系列相关的政策措施，其中，节约能源与提 升能效成为解决问题的有效方式。节约优先被列为我国能源 发展战略行动计划（2014 2020年）重点实施的四大战略 之首。在互联网产业蓬勃发展与电力体制深化改革背景下， 2016年，国家发改委、国家能源局会同工信部联合印发关 于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见，提出建设以电 网为基础，与热网、气网、交通网等多种类型能源网络的互联 互通，旨在调整能源结构，提高能源效率。2017年，国家能 源局公布首批56个能源互联网示范项目名单，包括园区

2、能源 互联网试点示范项目、城市能源互联网试点示范项目、多能互 补试点示范项目等。多种能源形态协同转化的区域综合能源系 统关键技术研究及工程建设受到各界广泛关注。国内传统能源 企业和市场化能源企业也均纷纷布局，在冶金、化工、电力、 交通、建筑等行业积极开展相关探索，研发相关能源管理系统, 不过大多应用是针对特定行业企业进行基础能源信息监控与管 理，关于在多应用场景下为能源供给及需求提供综合能源监控、系统效率分析能源管理与分析客户管理能源购售管理能耗指标分析能耗基准标准应用服务实时监测负荷特性分析优化调控能源时段价格出力预测能源效率分析信息管理用能对比分析能源站监测配电监测需求侧分析供需平衡预测

3、用能成本分析 能耗考核管理 数据分析 能源运营管理 能耗分析 节能管理 效益结算 客户服务 智能调控 工单派发 模式管理 用能评估 故障识别 优化调度 智能运维 运行管理 运营管理 策略制定 经济分析 能耗查询设备台账告警管理负荷预测能耗预警能效分析咨询服务增值服务系统管理基础管理采集任务管理采集终端管理集中器管理通道管理属性信息管理设备类型管理用户管理协议管理角色权限管理采集参数管理在业务功能设计中主要可以将管控系统设计为数据监测、 多能互补优化调控、能源管理与分析、能源运营和客户服务5 个模块，并依据具体情况进行业务的扩展延伸。1）数据监测模块：通过能源监测模块，用户能够在客户端 展示界面

4、中观测到同步于分布式能源生产和消纳的实时数据状 况，达到用能、储能、配电等数据的实时监测功能。模块融合 GIS、BIM等模型技术，能够动态且直观地显示各能源设备的 运行状态和数据，实现多能源监测的智能化与精细化。2）多能互补优化调控模块：多能互补优化调控模块主要涉 及系统负荷分析、电/冷/热/水调度指令形成、调度指令执行三 部分功能。其中优化调控策略作为模块的重点，依据相应的优 化目标制定，如以经济性最优为优化的目标时，将全寿命周期 内的总成本作为综合能源系统的目标函数。总成本包含综合能 源设备的设备安装购置费用、运行费用、保养维护费用和设备 残值。其中系统运行时购入市电的费用为运行的主要费用

5、，同 时可再生能源的发电补贴收益也应考虑进去。经济性最优准则 的数学表达式为：式中：OEco为经济性准则下系统的典型日运行成本；T 值默认为24,为系统的优化日调度的总区间数；C为分时市电价；PtTL为区域并网联络线的功率；H为每个调度区间的小时 数且此时的值为1； n为能源种类；Cn为可再生能源发电补贴 的价格；Ptn为可再生能源在t时段的发电功率。以环保性最优为优 化的目标时，则以全寿命周期内综合能源系统污染物的排放量 作为目标函数。依据每节约IkWh的市电，就能够减少排放 0.27 kg碳粉尘、0.03 kg二氧化硫和0.99 kg二氧化碳以及0.02 kg氮氧化物，相当于节约0.4 k

6、g标准煤。用电量折算污染物 的排放量，最终环保性最优准则的数学表达式为：式中： OEnv为环保性准则下系统典型日运行成本；C为单位电量中 各污染物的排放量之和，约为1.3kg/kWh。OEco和OEnv既是 综合能源系统调度运行的评价指标，也是其优化目标。有效的 优化调度策略是区域综合能源系统高效、环保运行的保证。3）能源管理与分析模块：能源管理与分析模块面向园区、 建筑楼宇、工业企业等用户，基于水、电、气、热等用能数据, 通过指标分析、能效对标、用能分析等手段，为用户提供能效管理与用能质量分析服务，为用户节约用能成本，提高终端能 源利用效率。4）能源运营模块：能源运营模块包含综合能源系统的运

7、维、 购售能、需求响应等功能。能源运维包括故障告警、工单派发 等功能；购售能包括营销、购电、售电等管理功能；需求响应 包括潜力预测、相应资源管理、效果评估等功能。模块统筹能 源运营全过程，对综合能源系统运行的持续性起到重要作用。5）客户服务模块：客户服务模块通过业务办理，客户咨询、 资讯服务等功能，为市场化的能源价格机制提供实施平台，实 现不同能源生产者之间的互动、不同消费者之间的互动以及生 产者与消费者之间的互动，有利于提高综合能源系统中各类型 用户的用户体验。五、综合能效管控以某园区的综合能源应用为例，对区域综合能源管控系统 在项目的应用情况进行介绍。该园区能源系统是典型的区域综 合能源系

8、统，为满足园区总建筑面积35万m2的电、热（冷）、热水负荷需求、在园区地理条件与资源禀赋受限的情 况下，构建了以电能为中心，灵活接入电、热（水）、冷等多 种能源形式，包含冰蓄冷系统、机载冷水机组、太阳能热水系 统、光伏发电系统、风力发电系统、锂电池储能系统的能源网 络。在此基础上，区域综合能源管控系统通过全面整合能源控 制参量及能量信息，通过对各系统的生产、过程和消纳的分析, 为综合能效管理与多种能源协调控制提供数据支撑。区域综合 能源管控系统是该园区综合能源系统的大脑（见图4）：综合能源监控平台市政电网电网监测装置电网监测装置控制系统市政电网光储充电站应急发电控制系统智能管控系统电网监测装置

9、电网监测装置 园区冷 热电 负荷 地源热 泵控制 系统 冰蓄冷 空调控 制系统 光伏/风力 发电控制 系统微网控 制系统 图例 控制线 通讯线 电力线 园区能源消费地源热泵冰蓄冷空调光伏/风力发电光伏发电储能系统终端负荷系统实现电、冷、热、热水等多种能源在线监测、优化调 度，系统全生命周期运行维护，并利用各能源的能量优化配比、 优化调度等技术，通过与能源生产设备的智能互动，可以实现 园区电、冷、热、热水多种能源全生命周期的在线监测、优化 调度、运行维护。在运行监测方面，该系统融合三维建模技术, 实现能源流与设备状态的三维可视化监测，并结合设备状态诊 断实现快速的报警状态提示；在运行调度方面，采

10、用日前计划 与实时调度相结合的多目标优化策略及多能源协调控制方法， 日前调度计划根据负荷预测、产能预测、天气情况、历史数据 等，按照经济、绿色、高效、综合等优化目标，在相应的约束 条件下，实现各能源子系统小时级调度控制在日前调度计划基 础上，实施调度根据实际运行情况，进行自适应实时调度控制, 系统界面见图5：目前，该园区综合能源管控系统已平稳运行2年，通过管 控系统和各能源系统间的协同合作，使园区冷、热、电、热水 等多能源供需偏差率保持在10%以下，园区可再生能源使用 占比最高达到38.3%,平均安全运转率达到99.9%,累计谷时 用电超过500万kWh,为园区节省电费达数百万元，效益显 著，

11、实现综合能源智能化的协调优化管控。六、综合能源服务平台的增值服务建设综合能源服务平台的客户，都有平台具备协同优化和 管理增效的功能需求。可通过平台的能效分析、数据分析、优 化调度等功能，为客户提供能效诊断和消费服务整体解决方案。能源诊断服务（现阶段可做咨询、规划，供应和接入可 由第三方建设）：包括能源咨询，为客户提供冷、热、气、电 综合用能规划、咨询服务;能源供应，为客户建设能源站，提 供冷、热、气、电等能源，收取能源费用;能源接入，在已有 管理与服务的完整业务内容研究不足。为深度挖掘节能潜力， 进一步促进区域实现合理有效的能源管理、能耗监管、能效提 升，有效支撑区域能源综合管控与服务业务开展

12、，研发建设区 域能源综合管控与服务应用系统显得很有必要。本文档以电、热、气、水等综合能源系统综合管控与服务 的实际业务需求，梳理分析区域能源网络管理的现状与存在问 题，设计提出一套区域能源综合管控与服务管理系统架构方案 （参考），基本形成面向能源供给侧及需求侧的综合能源监控、 管理与服务的完整业务阐述。二、现状与问题虽然自国家推行节能减排政策后，各行各业制定了许多措 施，各区域各类园区相应也做了大量工作，取得成效明显，但 是，仍存在一些普遍问题：1）浪费比较严重：照明、空调、生活热水、能源站等用电 设备长时间运行，用水管网跑冒滴漏，公用能源消费处于“大 锅代时代等状态长期存在，用户自觉、主动的

13、节能意识薄弱。2）计量管理过于粗放：缺乏较为全面的能耗计量，存在计 量表具未按要求安装，尤其是二级计量表计配备不全，没能实 现对能耗的实时测量、分项计量，缺乏详细实时的底层统计数 据，导致能源浪费现象无法得到有效的监测和重视。能源站的基础上，为附近客户提供能源接入服务，收取-次性 接入费用和后续能源费用。能源消费服务:包括节能咨询服务，为客户提供冷、热、 气、电综合用能的节能、诊断、咨询等服务;能效检测和能源 管控，利用服务平台的大数据分析，为客户用能设备进行能效 诊断及分析，协助客户优化生产工艺流程和用能方式，降低用 能成本。七、小结综合能源系统中天然气、冷（热）、电等能源子系统之间 的差异

14、性，给综合能源管控系统多能源数据优化调控、能源运 行、采集等方面提出了巨大挑战，如何通过实时监测技术采集 数据并充分利用多种能源的互补特性，以及新的能源形势下如 何满足多元用户对综合能源管理与服务的多样化要求，成为区 域综合能源管控系统的设计关键。如何能精准分析系统内区域能源需求、综合能源管控系统 合理化架构设计、管控系统业务功能设计等环节进行了综合性 的阐述，并通过某园区的使用实例作为系统优化协同管控描述, 与传统的能源管控系统单一管控形式相比，区域综合能源管控 系统在经济性、能效提升、削峰填谷以及可再生能源利用方面 呈现出新的价值空间。3）监控水平较低：大部分仍然沿用人工抄表、计算机录入

15、数据、再进行能源数据统计的方式，此种方式效率低、工作量 大、数据准确性差，难以满足先进的管理体系要求。4）管理制度缺失，管理水平有待提高：目前大部分区域的 能源管理水平低下，缺乏有效的监督反馈、节能奖励制度、能 源考核，没有合适的能源管理辅助决策工具，区域管理决策者 难以进行及时有效的能源管理与能效分析。5）管控与服务应用的设计建设有待扩展与深化：有待进一 步研究区域内海量用能数据的深度挖掘与分析技术，以为能源 管控决策提供有效支持；有待进一步研究能源消耗趋势的合理 预测方式方法，以实现区域能源消耗、能源供给的有机衔接； 有待开展与相关管理系统、控制系统集成与协同运作的应用研 发；有待综合考虑

16、环境因素及其治理监控因素等。6）节能环保新技术应用的潜力有待挖掘：物联网、移动互 联网等新一代信息技术的应用推广程度不高，有待在传统行业 开展信息技术的深化应用研究，以实现能源供应与消耗全过程 的泛在感知为基础，支撑节能降耗的潜力挖掘。三、需求分析区域综合能源系统作为多能能源生产、传输、储存和消费 一体的综合系统，能够在综合能源的规划建设和运行过程中，有机协调与优化使综合能源的综合利用实现最大化，降低企业 的用能成本是综合能源服务的目标。客户希望能够采用先进的自动化、信息化技术建立综合能 源管理调度中心，实现从能源数据采集过程监控能源 介质消耗分析能耗管理等全过程的自动化、高效化、科学 化管理

17、。从而使综合能源的管理、生产、传输以及消费全过程 有机结合起来，使之能够运用先进的数据处理与分析技术，进 行综合能效分析与动态负荷管理。其中包括能源生产管理统计 报表、平衡分析、出力预测、预测分析等。实现客户综合能源 系统的统一调度。优化能源介质平衡、最大限度地高效综合利 用，提高环保质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体 能源管理水平的目的。在综合能源服务这一新型业务形态下，区域综合能源管控 系统在设计时应重点从数据层和应用层考虑以下问题。1 .数据融合区域综合能源管控系统涉及电、热（冷）、气、煤、油等 多领域能源生产侧的设备接入与信息集成，同时要考虑能源消 费侧如：智能工厂、智能小区、

18、智能楼宇、智能家居的连接与 深度融合，各类能源系统（设备）、系统信息化和自动化水平 显著不同。因此，区域综合能源管控系统要根据信息的通信方 式、服务对象和重要程度的不同，建设面向生产运行、增值服 务、优化协同等多种场景下的系统接口与采集协议的采集支撑 平台，支持多种形式和海量的供能与用能设备快速、便捷地接 入，使得综合能源系统在信息反馈和实时感知等方面得到实现。2 .业务应用区域综合能源系统在各类园区、公共建筑、工业企业等不 同场景均有应用，综合能源管控系统的运营既有第三方的能源 运营商、能源服务商等角色存在，也有工业企业、园区物业、 公共建筑后勤部门等角色，不同应用场景对于能源管理的定位 决

19、定了应用层面上的多样化。同时，能源供应商、能源服务商、 消费者、产消者在能源服务中的参与环节不同，决定了其对能 源数据的应用不同。此外，具体到能源监控、运维管理等业务 细节，电、热（冷）、气多领域的调控方式、运行策略、管理 要求等均有差异性。因此，在设计时需结合不同场景应用要求, 基于“一平台、一系统、多场景、微应用”的建设思路，采用微 服务的方式构建区域综合能源管控系统的业务应用。四、系统架构设计1 .系统软件架构区域综合能源管控系统基于微服务的架构，采用分层、分 块的设计思路，自下而上分为数据采集层、数据处理层、数据 共享层、业务服务层及展示层，见图1:展示层PC端移动/APP端大屏业务服

20、务层能源监测能源管理能源运营能效分析客户服务能耗预警数据分析多能互补优化调控运行效率分析数据共享层HBase 分布式或 MysqlRedis数据处理层数据采集层Hive静态数据处理SparkSQLHDFSOPC 接口MR实时数据处理Spark steaming/stormSOAP 接 口 HTTP REST 接 口工业物联网数据采集平台接口其中，数据采集层基于统一的数据模型规范与协议库，实 现区域综合能源系统涉及的能源数据、设备运行数据、设备运 行状态数据、环境数据等数据采集，数据格式转化和标准化数 据存储，实现对综合能源业务多维度、全口径的支撑。数据处 理层对接收的实时数据或存入数据存储层的

21、数据进行数据处理、 实时数据分析和动态脱敏，处理完成之后根据数据结构类型将 数据存入数据共享层。在业务服务层，根据区域综合能源运行 管理的特点，按照生产运行管理、能源优化调度、数据分析、 能效分析、运维全过程管理、运营以及客户服务等多种方向不 同的业务、使用场景划分为不同的业务子系统。展示层将业务 层的信息，根据不同的应用需求进行展示。2 .系统网路架构区域综合能源管控系统的网路架构由测控设备、采集网、 终端及监控子系统、通信网和主系统组成，见图2：综合能源管控系统光纤 5GWIFILora主系统通讯网终端与监控子系统采集网集中器配电终端供水泵站能源站终端燃气调压站局域网 PLC485Modb

22、usCAN电、水、气、冷、热等表计温湿度、压力等传感器电动执行器测控设备双向通信作为系统的工作特点，能够在统一的数据中心处 理、存储采集到的信息，并通过交互的信息流将数据进行传递, 从而起到对综合能源的能源服务、运行管理、实时监控、优化 调度等业务功能的支撑作用。其中，测控设备层主要实现对各 能源子系统现场运行数据的实时采集，是终端监控与能源管控 的数据基础；采集网通过物联网技术实现对能源网各环节的信 息传感采集以及用能设备的物联接入；终端与监控子系统通过 对实时采集数据的校验汇集，实现区域能源设备运行状态监视, 并及时响应能源管控系统的控制调度指令，实现能源的优化调 度，提升能源效率；通信网

23、按照“专网专用、辅以公网的原则, 建设能源系统全覆盖的通信网络，实现信息的传输与控制；主 系统层从区域级综合能源出发，以大数据、云计算技术等为基 础，对区域整体能源供给、生产及用能、消纳、需求等情况进 行监视与分析，实现能源优化配置。3 .系统业务功能设计综合能源管控系统能够通过数据采集设备的实时监测功能 检测各能耗的使用情况，对能耗数据进行分析与统计，根据系 统的分析结果制定优化调控与节能策略，并对后续的运营和维 护的智能化提供服务。系统着重利用微服务架构的设计，将应 用做到微服务化，使之适用于不同规模和不同应用场景的用能 用户，保证系统的兼容与可扩展性。如图3所示：能源总览数据总览信息总览企业总览生产总览区域总览能源监测综合能源综合利用（多能互补）