丁笑迎 劉林 董淑敏

【摘 要】信息化建設(shè)在構(gòu)建綠色交通中十分必要，因此提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)管系統(tǒng)。首先根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息運用數(shù)據(jù)處理的方法進行能源結(jié)構(gòu)建模，然后根據(jù)能源監(jiān)控系統(tǒng)的功能對風、光、地熱等清潔能源以及煤氣、水、火電等傳統(tǒng)能源進行能耗數(shù)據(jù)采集監(jiān)管，能夠?qū)Ξ惓ＴO(shè)備進行報警、定位，自動生成歷史數(shù)據(jù)報表。本平臺為高速服務(wù)區(qū)能耗采集以及節(jié)能監(jiān)管提供科學有效的數(shù)據(jù)支持。

【Abstract】Informatization construction is very necessary in the construction of green transportation， so the energy supervision system of expressway service area based on data mining is proposed. First of all， according to the data acquisition information， the energy structure is modeled by using data processing methods， and then according to the functions of the energy monitoring system， energy consumption data collection and supervision is carried out on clean energy sources such as wind， light and geothermal energy， as well as traditional energy sources such as gas， water， and thermal power. This can alarm and locate abnormal equipment and automatically generate historical data report. This platform provides scientific and effective data support for energy consumption collection and energy conservation supervision in expressway service areas.

【關(guān)鍵詞】能耗監(jiān)管;數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)挖掘;故障定位

【Keywords】energy consumption supervision; data processing and data mining; fault location

【中圖分類號】U491? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）10-0190-03

1 引言

在世界主要發(fā)達國家和地區(qū)持續(xù)推進“能源新政”“綠色技術(shù)”“低碳經(jīng)濟”“工業(yè)4.0”等發(fā)展戰(zhàn)略的影響下，智慧交通已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究的熱點問題。十九大報告全面闡述加快生態(tài)文明體制改革、推進綠色發(fā)展、建設(shè)美麗中國的戰(zhàn)略部署。交通運輸是國家節(jié)能減排和應(yīng)對氣候變化的重點領(lǐng)域之一。加快發(fā)展綠色交通，是建設(shè)生態(tài)文明的基本要求，是轉(zhuǎn)變交通運輸發(fā)展方式的重要途徑，也是實現(xiàn)交通運輸與資源環(huán)境和諧發(fā)展的應(yīng)有之義。

韓丹等[1]提出了利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)進行并網(wǎng)發(fā)電和離島型微電網(wǎng)綜合能源互補建。高速服務(wù)區(qū)能源消耗尤其是電能消耗脫離城市綜合能源管網(wǎng)的支持，易造成能源傳輸?shù)牟环€(wěn)定性以及在傳輸過程中的能源浪費和環(huán)境破壞。因此，借助高速服務(wù)區(qū)的太陽能等清潔能源進行服務(wù)區(qū)建筑物能源補充，通過建筑物光伏一體化設(shè)計以大數(shù)據(jù)挖掘為手段進行能耗監(jiān)管實現(xiàn)節(jié)能應(yīng)用[2]，改善服務(wù)區(qū)環(huán)境狀態(tài)顯得尤為重要?；诖?，本文提出了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”與數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的高速服務(wù)區(qū)新能源監(jiān)管技術(shù)的研究。

2 研究目的

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和能源技術(shù)的發(fā)展，在如此常態(tài)下的行業(yè)趨勢變化和特點，以綠色公路新型技術(shù)驅(qū)動交通行業(yè)與能源行業(yè)政策與體制機制的深度融合，形成行業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)條件下綠色公路建設(shè)的標準模式。高速服務(wù)區(qū)以高速干道為依托廣泛分布，是高速沿線的重要功能性單位，因此也是綠色高速交通建設(shè)中監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。實現(xiàn)高速服務(wù)區(qū)綜合能源互補，提高服務(wù)區(qū)綜合能源利用率是當前的構(gòu)架集約型高速服務(wù)區(qū)的首要任務(wù)，有利于保護服務(wù)區(qū)周圍環(huán)境，減少能源浪費。系統(tǒng)功能如圖1所示。

高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)控系統(tǒng)平臺可以通過GIS技術(shù)實現(xiàn)能源動態(tài)監(jiān)測。如圖2所示，以某一服務(wù)區(qū)為單位，將風能、太陽能、地熱能等新能源系統(tǒng)以及自來水、天然氣、火電等傳統(tǒng)能源系統(tǒng)通過能源信息采集器采集服務(wù)區(qū)監(jiān)控點信息;利用5G技術(shù)進行實時數(shù)據(jù)快速、有效地遠傳至監(jiān)控中心。根據(jù)采集上來的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)器進行數(shù)據(jù)挖掘處理，分析該地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)，為能源管理人員提供能耗管理與節(jié)能改造的重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

系統(tǒng)主要通過對服務(wù)區(qū)區(qū)域內(nèi)的能源消耗進行有效地管控，通過節(jié)能設(shè)施、材料的使用和設(shè)備能耗管控兩個方面進行實施[3]。實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制，將空調(diào)自控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、送排風系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、燃油燃氣和能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)納入一套監(jiān)管平臺（系統(tǒng)）進行建設(shè);通過平臺建設(shè)，結(jié)合空調(diào)、照明、風機、水泵等系統(tǒng)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，分析能耗分布，通過系統(tǒng)的自動化控制，做到有效地進行持續(xù)的節(jié)能優(yōu)化。

實現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能監(jiān)管、信息化處理，利用分布式測控系統(tǒng)產(chǎn)生的大量的運行數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)，云平臺系統(tǒng)沉淀大量的設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備養(yǎng)護數(shù)據(jù)、人員出勤數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)挖掘分析生成養(yǎng)護計劃報表，通過預(yù)警的形式實現(xiàn)對機電設(shè)備的“主動式”養(yǎng)護，將設(shè)備即時的故障信息通過物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)實時發(fā)布，通過實時報警的形式支持主動維護工作。

指標化監(jiān)管，通過數(shù)據(jù)挖掘生成能效指標數(shù)據(jù)。把能效指標數(shù)據(jù)作為節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)考核手段，通過對標機電設(shè)備的能耗評價機電設(shè)備的自動化控制水平和管理水平，通過比對多元化的能效數(shù)據(jù)評價養(yǎng)護人員的工作績效。

把能效指標數(shù)據(jù)作為節(jié)能手段，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中存在的跑冒滴漏問題和使用中存在的能耗浪費問題，持續(xù)改進控制工藝、維修系統(tǒng)設(shè)施、完善管理制度，在實現(xiàn)精準地可持續(xù)地對機電設(shè)備進行優(yōu)化的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

3 系統(tǒng)平臺與技術(shù)核心

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

依托HAMDELL BES.C.S200.L4能耗采集器為核心搭建能耗監(jiān)管一體平臺，主要用于交通部門總控中心對下屬多個高速服務(wù)區(qū)的能源結(jié)構(gòu)以及消耗狀況進行實時監(jiān)視、遙控和記錄。高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)控平臺可以實現(xiàn)24小時無故障不間斷運行，可用ORACAL數(shù)據(jù)庫保存采集數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)上傳周期延時小于50s，控制信號至執(zhí)行器傳輸延遲小于5s。數(shù)據(jù)信息主要包括用水量、天然氣、電能、太陽能、地熱能，依據(jù)平臺可以進行數(shù)據(jù)上下貫通并留有功能性接口添加子功能模塊。

一體化平臺實現(xiàn)面對能源企業(yè)、管理單位、政府部門等不同業(yè)務(wù)需求單位可提供具體的數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)協(xié)同功能接口服務(wù)[6]。能源監(jiān)管一體化框架如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)與邏輯應(yīng)用設(shè)計

目前針對能源的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，齊魯交通所轄路域內(nèi)采用先進的OTN技術(shù)搭建覆蓋全省的光網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)成了“互聯(lián)網(wǎng)+”所必須的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò);新能源領(lǐng)域分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、智能微電網(wǎng)等全部納入一體化平臺的網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測內(nèi)容。通過新能源管網(wǎng)、能耗設(shè)備、傳統(tǒng)能源管網(wǎng)等各個功能的交叉融合充分利用依托高速公路的土地、能源、設(shè)施等資源整合為統(tǒng)一的云平臺進行管控。

邏輯應(yīng)用設(shè)計主要分為網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)采集層和平臺應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層提供信息加密傳輸以及接入認證服務(wù)，負責將采集到的信息進行加密并傳輸?shù)揭惑w化平臺，數(shù)據(jù)采集層利用HAMDELL BES200現(xiàn)場采集器對數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場處理。組網(wǎng)方式主要分為有線和無線兩種方式，無線通訊方式主要以互聯(lián)網(wǎng)和5G移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)。

3.3 多元能源管控的智能微電網(wǎng)技術(shù)

研究利用智能微電網(wǎng)將新能源發(fā)電技術(shù)、能源管理和輸配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成，從而提高能源效率、減少電網(wǎng)的電能損耗，并在此基礎(chǔ)上為后期深入開發(fā)建設(shè)微電網(wǎng)、擴大分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入奠定基礎(chǔ)[5]。

智能微電網(wǎng)主要包括分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)、綜合監(jiān)控及能量管理平臺，以實現(xiàn)：①對太陽能光伏所發(fā)電量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)各電源間功率分配平衡，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并可配置電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)電池的充放電管理，可以在孤網(wǎng)時提供標準電源。②通過地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地能進行供熱制冷，既能為建筑供暖，還可以為建筑提供制冷，一個年度形成一個冷熱循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能減排的功能。③通過設(shè)置一套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可實時測量本地的氣象條件將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)，實時記錄環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)庫，可儲存歷史數(shù)據(jù)。④通過對安裝在微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點的電能質(zhì)量監(jiān)測儀表進行數(shù)據(jù)收集，并進行處理，分析，實現(xiàn)對微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)測。⑤智能微網(wǎng)綜合監(jiān)控及能量管理平臺利用現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)，完成對微網(wǎng)的實時監(jiān)測、控制、協(xié)調(diào)運用能量管理策略等。

3.4 基于互聯(lián)網(wǎng)的智慧節(jié)能應(yīng)用

基于能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式智慧供配電技術(shù)。針對傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)中存在的建設(shè)運營成本高、管理粗放、智能化水平低、能耗高、設(shè)備壽命短、供電質(zhì)量差、用電不均衡等一系列行業(yè)技術(shù)難題，研究基于能源互聯(lián)網(wǎng)的智慧供配電技術(shù)[4]。通過能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)理念，優(yōu)化傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)，降低工程建設(shè)成本、降低能耗、實現(xiàn)智能化、易運維的智慧、節(jié)能供配電系統(tǒng)。能夠滿足高速服務(wù)區(qū)遠距離供電及隧道供電需求，如圖4所示，服務(wù)區(qū)機電設(shè)備能源檢測模型。

高速服務(wù)區(qū)外場機電設(shè)施負載分布的特點是容量小、距離長，且基本全是單相負載，為此結(jié)合分布式供電技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)理念，研究適用于外場供配電環(huán)境的基于能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式智慧供配電系統(tǒng)，為外場機電設(shè)施提供穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量的電源，保證設(shè)備穩(wěn)定而又可靠的運行，同時智能化的監(jiān)測外場機電設(shè)備的用電情況，實現(xiàn)便捷的運營養(yǎng)護。

3.5 基于數(shù)據(jù)挖掘的綜合能耗監(jiān)測技術(shù)

綠色公路體系下，需要對公路的各種能源使用情況進行宏觀的統(tǒng)計分析與評估，為運營管理決策層提供有效的數(shù)據(jù)支撐。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對高速公路各能耗監(jiān)測點采集上來的數(shù)據(jù)進行清洗、集成、轉(zhuǎn)換，根據(jù)數(shù)據(jù)信息建立各服務(wù)區(qū)能耗模型。在大數(shù)據(jù)中，將噪聲信號（干擾信息）進行濾除，將有用的信號進行數(shù)據(jù)庫存儲，并將關(guān)鍵信息點進行提取進行模式評估。由此對能耗情況進行統(tǒng)籌監(jiān)測，統(tǒng)一分析，提升電力能耗精細化感知，獲取有力的數(shù)據(jù)支撐，為管理者提供有效的決策分析，綠色公路體系下的綜合能耗監(jiān)測技術(shù)是對運營期生產(chǎn)、生活、管理、服務(wù)等設(shè)備設(shè)施的電力能耗情況進行統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)遠程在線統(tǒng)計各種能源消耗數(shù)據(jù)，用真實、有效的數(shù)據(jù)反映綠色低碳路的成果。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)在上述基礎(chǔ)上已經(jīng)實現(xiàn)完成，基于數(shù)據(jù)挖掘的高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)管一體化平臺實現(xiàn)對煤氣、水、電、地熱、太陽能以及風能等的實時監(jiān)控管理。用水量、用電量監(jiān)控通過HAMDELL智能水/電表抄送系統(tǒng)上傳至上位機，上位機對當前數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫存儲，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行信息量特征提取，實現(xiàn)對水資源的消耗與管網(wǎng)故障進行實時監(jiān)控分析。風光等補充能源主要為風電、光電轉(zhuǎn)換，通過對風光系統(tǒng)功率輸出、蓄電池儲能系統(tǒng)SOC檢測并將數(shù)據(jù)上傳至上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)對風光補充能源的利用率及設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控如圖4所示。

5 結(jié)語

本綜合能源監(jiān)控一體化平臺可直接應(yīng)用于濟南繞城高速東線南線與機場高速，實用性和技術(shù)輻射能力較強，應(yīng)用和推廣程度較高，可廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)高速公路的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備供電，提高公路多源數(shù)據(jù)的接入實時性和安全性，提高供電設(shè)備的供電質(zhì)量，由此帶來巨大的經(jīng)濟效益。另外，可以解決目前國內(nèi)高速公路內(nèi)的運輸線路資源、閑置土地資源、交通數(shù)據(jù)信息資源、通信網(wǎng)絡(luò)資源和運維養(yǎng)護團隊資源等都沒有形成統(tǒng)一的管理和綜合利用的問題，實現(xiàn)高速公路資源利用的最大化。

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