区域综合智慧能源管理平台设计与应用分析.docx

区域综合智慧能源管理平台设计与应用分析.docx

《区域综合智慧能源管理平台设计与应用分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《区域综合智慧能源管理平台设计与应用分析.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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、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，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“大锅饭”时代等状态长期存在，用户自觉、主动的节能意识薄弱。

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。

3）监控水平较低：

大部分仍然沿用人工抄表、计算机录入数据、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。

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、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

3.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：

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。

4.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：

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。

5.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：

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，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；Ct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1kWh的市电，就能够减少排放0.27kg碳粉尘、0.03kg二氧化硫和0.99kg二氧化碳以及0.02kg氮氧化物，相当于节约0.4kg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）：

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，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。

通过平台的增值服务为客户提供区域内绿色、低碳、高效、清洁的能源供给和可持续性的综合能源发展技术支撑，作为客户的综合能源精细化管控智能化的管理有效工具。