秦睿，汪紅燕，葛智平，黃永衛(wèi)，楊萍

(甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州市， 730050)

0 引言

隨著用電客戶對供電服務(wù)需求的升級，客戶對供電公司服務(wù)理念、服務(wù)方式、服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提高，除了安全可靠、成本更低的用電需求外，還希望得到更加個性化、多樣化、便捷化、互動化的服務(wù)。因此，國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)智能園區(qū)的概念，并進行了試點，以實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間的實時交互響應(yīng)、提升區(qū)域電網(wǎng)負荷的平衡能力、增強電網(wǎng)的綜合服務(wù)能力、提高企業(yè)的能源利用率［1-2］。

甘肅虛擬智能園區(qū)工程的設(shè)計建設(shè)方案是:將2個園區(qū)20家用電企業(yè)全部實現(xiàn)與供電公司之間的智能用電信息互動功能;選擇部分用電企業(yè)完成內(nèi)部用電信息實時監(jiān)測與控制、能效分析服務(wù)、負荷精準控制系統(tǒng)等功能［3-4］。該工程首次提出“虛擬智能園區(qū)”的概念，采用了智能園區(qū)管理平臺集中部署的方式;采用EPON光傳輸技術(shù)建立高速可靠的傳輸通道，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、安全性和可靠性;建造統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺，開發(fā)多種協(xié)議接口，實現(xiàn)與營銷、用電信息采集、風電、光伏等多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

1 虛擬智能園區(qū)的特征

1.1 虛擬智能園區(qū)的概念

相對傳統(tǒng)上只把園區(qū)內(nèi)部的電力網(wǎng)視作供電網(wǎng)絡(luò)的1個節(jié)點，智能園區(qū)建立了一種新的用戶側(cè)管理模式:建設(shè)基于園區(qū)供電結(jié)構(gòu)，以光纖、無線通信方式為主的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋園區(qū)所有用戶，搭建起電力企業(yè)與園區(qū)企業(yè)用戶之間的高速率、高可靠性、雙向通信、全業(yè)務(wù)承載能力的數(shù)據(jù)通道;并綜合運用測量、自動控制及能效管理等先進技術(shù)，采集企業(yè)內(nèi)部用能信息，構(gòu)建用能服務(wù)平臺，對企業(yè)開展能效測評與分析，引導(dǎo)企業(yè)主動實施節(jié)能，建成供電優(yōu)質(zhì)可靠、服務(wù)雙向互動、能效優(yōu)化管理和綠色電力認購的現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)［1，4-7］。

虛擬智能園區(qū)是在智能園區(qū)基礎(chǔ)上，集中部署“園區(qū)智能化綜合管理系統(tǒng)”，對同區(qū)域或跨區(qū)域的多個工業(yè)園區(qū)的用電企業(yè)進行統(tǒng)一管理。虛擬園區(qū)體現(xiàn)了工業(yè)園區(qū)不再受地域上的物理限制，可以把同區(qū)域的多個園區(qū)或跨地區(qū)的多個園區(qū)當成1個園區(qū)管理，充分體現(xiàn)工業(yè)園區(qū)企業(yè)用電類型多樣化的特點。

1.2 選擇標準

虛擬智能園區(qū)的建設(shè)，要選擇不在同一地區(qū)的多個園區(qū)，每個園區(qū)內(nèi)企業(yè)相對集中，并且包含有用電多樣化、企業(yè)節(jié)能空間較大、削峰填谷參與能力較好、配電自動化水平較高的用戶，這樣既能節(jié)省投資、減少施工難度、縮短建設(shè)周期，又能較好體現(xiàn)虛擬智能園區(qū)的試點效果，推廣引導(dǎo)示范效應(yīng)更佳。本文選擇了甘肅白銀高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)和蘭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，涵蓋冶金、鋼鐵、化工、農(nóng)林、新能源等20家代表性企業(yè)，可通過工程建設(shè)來驗證智能園區(qū)的效果。

2 虛擬智能園區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 建設(shè)目標

建設(shè)虛擬智能園區(qū)的主要目標［8-11］有:

(1)實現(xiàn)對園區(qū)用戶內(nèi)部主要設(shè)備和主要負荷的運行狀態(tài)、用能數(shù)據(jù)進行采集和實時監(jiān)測。

(2)將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值或同類用戶數(shù)據(jù)進行比對，通過能效分析平臺進行評估，為客戶節(jié)能改造提供參考建議，引導(dǎo)園區(qū)內(nèi)企業(yè)高效利用電能。

(3)以園區(qū)為單位實現(xiàn)“削峰填谷”、綠色電力認購，結(jié)合國家峰谷電價政策，引導(dǎo)用戶主動調(diào)整用電時間，降低用電成本，提升區(qū)域負荷的平衡能力，提高電網(wǎng)設(shè)備利用率。

2.2 總體架構(gòu)

智能園區(qū)的整體構(gòu)架是基于統(tǒng)一的園區(qū)智能用電綜合管理系統(tǒng)，在通信網(wǎng)絡(luò)的支撐下，通過采集終端實現(xiàn)電網(wǎng)運行監(jiān)測與控制、需求側(cè)管理、信息互動與共享、企業(yè)能效管理和增值服務(wù)等功能。智能園區(qū)的整體構(gòu)架分為采集層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層［5-6，10］，如圖1所示。

圖1 智能園區(qū)整體構(gòu)架Fig.1Whole framework of intelligent park

(1)采集層。采集層是園區(qū)數(shù)字化與智能化的基礎(chǔ)，用以實現(xiàn)多能源、全覆蓋的信息采集。通過在用能設(shè)備信息采集點上部署采集終端，利用工業(yè)總線將數(shù)據(jù)集中到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，并與網(wǎng)絡(luò)層對接。采集的電力數(shù)據(jù)包括用電設(shè)備的電能基本參數(shù)和電能質(zhì)量信息等，采集的能源數(shù)據(jù)包括電表、水表和氣表等數(shù)據(jù)。由于園區(qū)各企業(yè)用電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及用電設(shè)備種類不同，采集實施的方案也不同。智能園區(qū)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能園區(qū)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2Collection network architecture of intelligent park

(2)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)可靠、安全傳輸?shù)幕A(chǔ)，是連接采集層與應(yīng)用層的通道。網(wǎng)絡(luò)層分為電力專網(wǎng)和運營商公網(wǎng)2個部分。電力專網(wǎng)以光纖EPON網(wǎng)絡(luò)為主，TD-LTE等無線技術(shù)為輔，結(jié)合運營商公網(wǎng)，組建高速的園區(qū)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)通道。按照園區(qū)供電結(jié)構(gòu)，園區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)從用戶終端到業(yè)務(wù)實現(xiàn)劃分為企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、園區(qū)接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)，智能園區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能園區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3Communication network architecture of intelligent park

網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)路線:企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)覆蓋企業(yè)35/10 kV配電室至企業(yè)廠區(qū)各信息點，將企業(yè)廠區(qū)內(nèi)的各信息點采集設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，并根據(jù)不同的業(yè)務(wù)屬性，分別將通信管理機、智能交互終端與EPON、終端設(shè)備或無線路由器連接;接入網(wǎng)覆蓋園區(qū)主供電變電站至企業(yè)接入點，實現(xiàn)園區(qū)企業(yè)與供電公司通信骨干網(wǎng)的對接，可以采用光纜+EPON、230M TD-LTE無線通信的組網(wǎng)方式搭建。實施中可以充分利用園區(qū)已有的通信網(wǎng)絡(luò)資源，采用光纖通信方式組建智能園區(qū)通信專網(wǎng)，滿足園區(qū)各類業(yè)務(wù)的需要。在電力通信網(wǎng)絡(luò)已覆蓋的變電站利用現(xiàn)有傳輸設(shè)備，在供電公司數(shù)據(jù)機房按業(yè)務(wù)屬性分別增設(shè)數(shù)據(jù)設(shè)備，承載智能園區(qū)各類業(yè)務(wù)，保證數(shù)據(jù)通信的安全性。

(3)應(yīng)用層。應(yīng)用層對園區(qū)提供數(shù)據(jù)存儲、各類服務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)的集合，在采集層和網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上集中部署一個基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的園區(qū)智能用電綜合管理系統(tǒng)，對來自不同園區(qū)采集的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一存儲、分析、處理，實現(xiàn)智能化園區(qū)中的信息綜合挖掘和需求側(cè)管理;并為95598網(wǎng)站、電力營銷和用電信息采集等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互的接口，實現(xiàn)多個智能園區(qū)之間以及園區(qū)與電力專網(wǎng)、公網(wǎng)等其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)共享。

2.3 智能用電管理系統(tǒng)的功能

園區(qū)智能用電綜合管理支撐平臺由智能用電信息的采集控制平臺、互動平臺及共享平臺組成。其中智能用電信息采集控制平臺負責完成用戶內(nèi)部各類實時與非實時用電相關(guān)信息的采集、控制和管理;智能用電信息互動平臺負責園區(qū)多方用戶之間的信息互動;智能用電信息共享平臺用于支持系統(tǒng)的應(yīng)用功能擴展，為其他業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

智能用電綜合管理系統(tǒng)開發(fā)了監(jiān)測與控制、智能互動、能效管理、需求側(cè)管理與增值服務(wù)這5大功能模塊，各模塊包含具體的子功能模塊。

在設(shè)計實施中，根據(jù)用戶的用電性質(zhì)和配電自動化水平，將20家企業(yè)分成高級、中級、初級用戶，實現(xiàn)不同功能的模塊應(yīng)用。高級用戶可以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部負荷精確控制、內(nèi)部用電信息實時監(jiān)測、能效分析服務(wù)、信息互動等功能的應(yīng)用;中級用戶可以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部用電信息實時監(jiān)測、能效分析服務(wù)、信息互動等功能的應(yīng)用;初級用戶可以實現(xiàn)信息互動功能的應(yīng)用。

(1)監(jiān)測與控制:監(jiān)測與控制系統(tǒng)是園區(qū)智能用電綜合管理系統(tǒng)的重要組成部分，可以對智能園區(qū)內(nèi)各種表計、負荷、設(shè)備等裝置進行監(jiān)測、控制及可視化展示。

(2)智能互動:智能互動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力企業(yè)、園區(qū)管理機構(gòu)、企業(yè)等園區(qū)各方之間的信息互動與共享，園區(qū)各相關(guān)方都可以享受信息的查詢、下發(fā)、咨詢等靈活多樣的互動服務(wù)。

(3)能效管理:能效管理系統(tǒng)通過建立企業(yè)用電信息數(shù)據(jù)庫，采用先進的能效分析與處理算法，對園區(qū)管理機構(gòu)和企業(yè)用戶各類用電模式、用電行為進行分析，幫助用戶查找導(dǎo)致能耗增加的設(shè)備、工藝和管理缺陷，從而為園區(qū)管理機構(gòu)、企業(yè)用戶以及節(jié)能服務(wù)公司提供能效策略與能效服務(wù)平臺，達到合理用電、節(jié)約用電的目的。

(4)需求側(cè)管理:需求側(cè)管理是指電力供需雙方共同對用電市場進行管理，以達到提高供電可靠性、減少能源消耗、降低供需雙方費用支出的目的。需求側(cè)管理系統(tǒng)是電網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)園區(qū)用電負荷精細控制的主要手段，也是電網(wǎng)經(jīng)濟運行與規(guī)劃的重要工具。

(5)增值服務(wù):增值服務(wù)是電力企業(yè)根據(jù)園區(qū)管理機構(gòu)、企業(yè)用戶的需求，為其提供的非電力相關(guān)的應(yīng)用業(yè)務(wù)，使園區(qū)內(nèi)的工作、生活更加安全、舒適、便捷。

3 智能園區(qū)的特點

3.1 功能方面

(1)融合通信高級量測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)［12-13］，構(gòu)建智能園區(qū)管理系統(tǒng)整體架構(gòu)，對風電、太陽能光伏發(fā)電等綠色電力進行監(jiān)測，提高綠色電力在園區(qū)的使用比率，提高終端能源效率，降低碳排放。

(2)通過能效分析、有序用電、需求側(cè)響應(yīng)［14-16］，實現(xiàn)以園區(qū)為單位的削峰填谷，在不增加電網(wǎng)容量的前提下提高電網(wǎng)設(shè)備運行效率，降低電網(wǎng)建設(shè)運行成本，提升區(qū)域負荷平衡能力。通過提高用戶終端能源利用效率，為用戶降低用電成本，實現(xiàn)節(jié)能減排。

(3)利用網(wǎng)絡(luò)隔離裝置實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)并存、分級授權(quán)的安全信息通道。任何人均可按照自有權(quán)限在任何1臺外網(wǎng)機上進行查詢，但所有控制操作只能在內(nèi)網(wǎng)機上執(zhí)行，既保障了安全性又兼顧了方便性。

(4)利用先進的三維可視化、視頻交互技術(shù)，全景展示園區(qū)整體用電情況，與用戶實現(xiàn)信息交互，拉近用戶與供電企業(yè)的距離，促進供用電關(guān)系的和諧發(fā)展。

3.2 技術(shù)方面

(1)云計算技術(shù):基于云端的系統(tǒng)具有良好的靈活性和可擴展性，將云計算技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)部署，系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)園區(qū)需求逐漸增加，減少系統(tǒng)部署初期的軟硬件投入。

(2)基于J2EE技術(shù)的主站系統(tǒng)架構(gòu):按照智能園區(qū)管理系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)的設(shè)計，智能園區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用采用基于J2EE的多層技術(shù)構(gòu)架，以提高系統(tǒng)的靈活性、可擴展性、安全性以及并發(fā)處理能力［17］。

(3)性能優(yōu)化技術(shù):系統(tǒng)性能的提高主要體現(xiàn)在整個系統(tǒng)的性能優(yōu)化和應(yīng)用軟件設(shè)計優(yōu)化方面，IT架構(gòu)設(shè)計方面的性能優(yōu)化技術(shù)主要包括負載均衡技術(shù)、集群技術(shù)、緩存技術(shù)、數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術(shù)等，應(yīng)用軟件的性能優(yōu)化主要體現(xiàn)在SQL語言優(yōu)化［18］。

(4)三維交互可視化技術(shù):可視化展示功能接入智能園區(qū)與園區(qū)企業(yè)的視頻監(jiān)控，并利用先進的激光掃描技術(shù)對園區(qū)與企業(yè)進行全景全息的綜合可視化，基于園區(qū)視頻綜合監(jiān)控子系統(tǒng)能夠為電力企業(yè)、園區(qū)管理機構(gòu)、園區(qū)企業(yè)用戶提供真實場景與虛擬場景的綜合展示［19-20］。

4 結(jié)語

目前甘肅虛擬智能園區(qū)已完成了工程建設(shè)，其20家用電企業(yè)全部實現(xiàn)了與供電公司之間的智能用電信息互動功能，系統(tǒng)各功能模塊、信息采集、數(shù)據(jù)的傳輸交換和互動功能均達到了設(shè)計要求，今后將深化能效分析、需求側(cè)管理、增值服務(wù)和運營模式的研究及工程后評價。隨著智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)建設(shè)步伐的加快，智能園區(qū)項目將具有較好的示范作用和推廣前景，對智能用電技術(shù)的發(fā)展和完善具有重要的促進作用，將搭建起用電企業(yè)和供電企業(yè)之間的用能互動平臺，通過實時監(jiān)控幫助客戶提高能源利用水平，達到節(jié)能降耗增效的目的，有效推動節(jié)能減排工作的開展。

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(編輯:張磊)