朱海東，郝浩，2，鄭劍，2*，張庭玉，2，陳志凱，2，胡恩俊，2

（1.南京華盾電力信息安全測評有限公司，南京210000；2.國電南京自動化股份有限公司信息技術(shù)研究院，南京210000）

0 引言

能源作為國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性作用［1］。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的規(guī)劃將各能源系統(tǒng)進(jìn)行了分割，無法對各能源系統(tǒng)的配置進(jìn)行整體優(yōu)化，不利于能源效率的提高和碳排放的減少。伴隨著能源企業(yè)從生產(chǎn)型向服務(wù)型轉(zhuǎn)變的全球性趨勢，國內(nèi)能源企業(yè)掀起了向綜合能源服務(wù)轉(zhuǎn)型發(fā)展的熱潮［2］。綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)利用不同能源形式之間的耦合性、互補(bǔ)性，以能源、信息和業(yè)務(wù)的融合，通過多種能源的綜合管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能、用能的高效性，提高能源利用率［3-4］。尤其在能源革命背景下，發(fā)展綜合能源成為推動我國能源革命的重要戰(zhàn)略支撐，對提升能源國際合作水平具有重要意義［5-6］。

在全球范圍內(nèi)，綜合能源系統(tǒng)得到各國政府的重視。在國外，2003 年瑞士提出未來能源網(wǎng)是電、氣、熱、冷等能源形式的耦合，啟動“未來能源網(wǎng)絡(luò)愿景”的項(xiàng)目；2007 年美國頒布了能源獨(dú)立和安全法，明確要求電力和天然氣系統(tǒng)必須開展聯(lián)合規(guī)劃；2009 年加拿大國會審議并通過綜合能源系統(tǒng)相關(guān)研究報(bào)告，構(gòu)建涵蓋加拿大全國的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)，將推進(jìn)社區(qū)綜合能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究和工程建設(shè)列為2010—2050 年國家能源戰(zhàn)略并啟動多項(xiàng)重大課題［7］。

在國內(nèi)，隨著“工業(yè)園區(qū)多元用戶互動的配用電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”等多個國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的成立，已從國家層面正式開啟對綜合能源的全面探索［3，8-10］。2017 年，國家電網(wǎng)有限公司和南方電網(wǎng)有限公司陸續(xù)發(fā)文，明確提出推進(jìn)由電能供應(yīng)商向綜合能源服務(wù)商的全面轉(zhuǎn)變。2019 年6月，中國華電集團(tuán)有限公司在京召開綜合能源服務(wù)生態(tài)圈啟動會，發(fā)布《中國華電集團(tuán)有限公司綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)行動計(jì)劃》，致力開拓具有華電特色的“清潔友好、多能聯(lián)供、智慧高效”綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)。隨后各大發(fā)電集團(tuán)在綜合能源領(lǐng)域頻頻發(fā)力，開展綜合能源相關(guān)的技術(shù)研究并上線許多重大工程和項(xiàng)目。

本文通過研究冷、熱、電等多場景數(shù)據(jù)的傳輸特點(diǎn)，結(jié)合某工業(yè)園區(qū)的實(shí)際情況，建立一套多能互補(bǔ)的綜合能源服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)面向園區(qū)實(shí)現(xiàn)多種能源的數(shù)據(jù)匯聚，為供能側(cè)用戶、用能側(cè)用戶以及政府等相關(guān)第三方用戶提供決策性服務(wù)。

1 園區(qū)資源利用情況分析

1.1 冷熱電三聯(lián)供機(jī)組

該園區(qū)目前建設(shè)有分布式能源站1 座，設(shè)有3臺4.40 MW 內(nèi)燃機(jī)組及配套3 臺4.20 MW 煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組和3臺7.40 MW離心式冷水機(jī)組、2臺1.70 MW 螺桿式電冷水機(jī)組、3 臺3.50 MW 燃?xì)庹婵斟仩t以及1 套1.25 MW 小型燃?xì)廨啓C(jī)組，是典型的冷熱電三聯(lián)供的運(yùn)作模式，工藝流程如圖1 所示，其中冷、熱直供附近科研院所，電能則通過國家電網(wǎng)轉(zhuǎn)送到達(dá)用戶。

圖1 冷熱電三聯(lián)供能量供應(yīng)Fig.1 Energy supply of a CCHP system

1.2 新能源發(fā)電

為保障該園區(qū)內(nèi)的能源供應(yīng)，充分利用太陽能資源，2009 年12 月在園區(qū)建設(shè)1.43 MW 屋頂光伏電站并投入運(yùn)行。后期規(guī)劃建設(shè)50 MW 風(fēng)電場，擴(kuò)大新能源裝機(jī)占比，通過升壓站轉(zhuǎn)送國家電網(wǎng)最終送至各級用戶。

1.3 大學(xué)及科研院所能源供應(yīng)

大學(xué)及科研院所是該園區(qū)的重要用能用戶。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，學(xué)校已經(jīng)建設(shè)了相應(yīng)的能量監(jiān)控系統(tǒng)，覆蓋了主要的線路設(shè)備及相關(guān)關(guān)口計(jì)量表，部分裝置因年代久遠(yuǎn)不支持?jǐn)?shù)據(jù)外送，針對該部分設(shè)備考慮逐步更換，通過有線或無線的方式直接上傳至綜合能源平臺。

1.4 酒店能源供應(yīng)

酒店用能也是該園區(qū)用能的重要組成部分之一。該園區(qū)內(nèi)酒店用能涵蓋電、熱、冷、氣、水等多種能源，結(jié)合該酒店實(shí)際情況，本次只采集冷、熱電數(shù)據(jù)，電力數(shù)據(jù)主要通過高壓配電房后臺監(jiān)控系統(tǒng)獲取，冷、熱數(shù)據(jù)的采集通過對酒店硬件設(shè)備進(jìn)行改造，換裝智能儀表直接上送綜合能源平臺。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該項(xiàng)目充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，對能源的生產(chǎn)、輸配、轉(zhuǎn)換、存儲、利用等環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化分析，優(yōu)化協(xié)調(diào)，從而提高能源利用率。在系統(tǒng)架構(gòu)上以“大數(shù)據(jù)、強(qiáng)中臺、微服務(wù)”的理念，建設(shè)統(tǒng)一的綜合能源平臺，支撐業(yè)務(wù)組件復(fù)用以及未來業(yè)務(wù)的迭代更新。綜合能源系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示?；A(chǔ)平臺中建立統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺管控所有接入設(shè)備，通過標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議完成供能、用能、配網(wǎng)等相關(guān)系統(tǒng)和智能終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集，軟件即服務(wù)層（Sass）對所有能源數(shù)據(jù)結(jié)合業(yè)務(wù)分類進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提供能源大數(shù)據(jù)集市，最終通過統(tǒng)一應(yīng)用程序接口（API）供上層調(diào)用。企業(yè)中臺層建立相應(yīng)的組件，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐。業(yè)務(wù)應(yīng)用主要分為運(yùn)營門戶、應(yīng)用市場和應(yīng)用管理。該綜合能源系統(tǒng)面向應(yīng)用開發(fā)方、服務(wù)提供方、服務(wù)使用方、平臺運(yùn)營方等多維度全方位打造開放、標(biāo)準(zhǔn)、友好的公共服務(wù)平臺，為綜合能源服務(wù)生態(tài)圈中的能源服務(wù)商、能源消費(fèi)者、技術(shù)供應(yīng)商、金融服務(wù)商、政府和第三方機(jī)構(gòu)等提供全面的技術(shù)支撐服務(wù)，促進(jìn)整個生態(tài)圈內(nèi)的信息交融和業(yè)務(wù)互通，實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)自洽過程［11-13］。

2.2 多能流數(shù)據(jù)接入

綜合能源物聯(lián)網(wǎng)平臺接入用能側(cè)、供能側(cè)等多種底層設(shè)備數(shù)據(jù)。供能側(cè)主要采集不同品牌、不同類型的風(fēng)機(jī)監(jiān)控/逆變器系統(tǒng)、冷熱電三聯(lián)供機(jī)組分散控制系統(tǒng)（DCS）、風(fēng)光功率預(yù)測系統(tǒng)、自動發(fā)電量控制系統(tǒng)/自動電壓控制系統(tǒng)（AGC/AVC）等底層生產(chǎn)相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用能側(cè)主要接入電能表、流量計(jì)、熱量/冷量計(jì)算儀等設(shè)備，支持OPC，modbus TCP，IEC104 等50 余種標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)采集［14］，數(shù)據(jù)接入示意如圖3所示。

圖2 綜合能源平臺架構(gòu)Fig.2 Architecture of an integrated energy platform

圖3 數(shù)據(jù)接入示意Fig.3 Data access

2.3 硬件組成

平臺采用虛擬化技術(shù)搭建底層硬件平臺，按照“物理分配、邏輯集中、組件部署、按需配置”的原則進(jìn)行多層部署，主要由設(shè)備層、采集層、通信層、系統(tǒng)層組成。通過智能終端或者后臺監(jiān)控系統(tǒng)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，經(jīng)過有線或無線方式上送至綜合能源平臺，如圖4所示，最后以C/S或B/S的方式展現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.4 Architecture of the hardware in the system

2.4 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)分析

綜合能源系統(tǒng)涵蓋多能源多場景的能源數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如何有效流轉(zhuǎn)關(guān)系到系統(tǒng)建設(shè)成敗。首先，綜合能源平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，主要包括測量數(shù)據(jù)和設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)備相關(guān)的關(guān)鍵信息作為重要的關(guān)系數(shù)據(jù)存放于關(guān)系庫中，測量數(shù)據(jù)通過消息隊(duì)列（Kafka）轉(zhuǎn)入實(shí)時庫存儲，針對部分頻繁查詢的數(shù)據(jù)即熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫（Redis）。然后對實(shí)時數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)糾偏、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（用電量統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)、電壓分布統(tǒng)計(jì)等），通過多種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)進(jìn)一步描繪數(shù)據(jù)的變化趨勢，如負(fù)荷預(yù)測、電能質(zhì)量分析等，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)在關(guān)系庫存儲，以供上層應(yīng)用獲取。為了發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大價(jià)值，已將綜合能源平臺的所有數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)向電廠、學(xué)校、政府等第三方平臺提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)示意Fig.5 Data flow

2.5 系統(tǒng)功能

綜合能源系統(tǒng)功能主要分為2 個方面，即綜合能源控制平臺和綜合能源服務(wù)平臺。綜合能源控制平臺是綜合能源服務(wù)平臺的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)支撐。綜合能源服務(wù)平臺面向各類客戶，開展客戶需求的智能分析，為客戶提供定制化的多元服務(wù)，滿足政府機(jī)構(gòu)、工商客戶、能源服務(wù)商和設(shè)備制造商在能源和環(huán)境監(jiān)測管理、能效分析和節(jié)能降耗以及專業(yè)數(shù)據(jù)信息等方面的需求。

2.5.1 控制平臺

綜合能源控制平臺匯集電、熱、冷等多種能源系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以友好的人機(jī)交互展示區(qū)域內(nèi)所有接入能源站的分布情況及運(yùn)行狀態(tài)，并與各底層控制系統(tǒng)交互實(shí)現(xiàn)對各能源的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。控制平臺主要有接入設(shè)備管理、多能流監(jiān)視、多能流優(yōu)化調(diào)度控制、多能流安全分析與預(yù)警、故障報(bào)警等模塊。接入設(shè)備管理主要對平臺接入設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測以及數(shù)據(jù)配置等；多能流監(jiān)視主要對接入單位的各種計(jì)量點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測及可視化展示，可查看用戶用能基本情況，負(fù)荷監(jiān)測情況和能耗監(jiān)測趨勢圖；多能流優(yōu)化調(diào)度控制通過智能控制算法根據(jù)供能側(cè)、用能側(cè)實(shí)際情況，對各廠站提供優(yōu)化調(diào)度控制的策略和建議。多能流安全分析與預(yù)警是在大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，以能源供應(yīng)和需求為根本，從資源稟賦條件、供應(yīng)渠道、輸配系統(tǒng)、極端氣候、能源利用效率、市場、管理等方面出發(fā)，建立預(yù)警告警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)能源運(yùn)行管理的快速化智能化響應(yīng)，建立一整套能源安全評價(jià)體系，更準(zhǔn)確的映射發(fā)展過程中所面臨的能源安全問題。

2.5.2 服務(wù)平臺

綜合能源服務(wù)平臺打造多元化的宣傳媒介，提供智慧用能服務(wù)、能源交易服務(wù)、設(shè)備銷售及運(yùn)維服務(wù)、綜合能效服務(wù)、一站式服務(wù)解決方案等內(nèi)容，如圖6所示。

圖6 服務(wù)平臺功能模塊Fig.6 Function modules of the service platform

全景能源監(jiān)測模塊建立以地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺為支撐的能源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)，電、熱、冷等不同的能源運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，監(jiān)視多能運(yùn)行情況。

交易服務(wù)提供電力交易、碳交易、綠證交易服務(wù)、分布式能源交易服務(wù)，逐步擴(kuò)展至電力期貨、輸電權(quán)等其他金融衍生品交易服務(wù)，提供虛擬電廠運(yùn)營服務(wù)。智慧用能通過對企業(yè)用能行為進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，基于需求側(cè)響應(yīng)策略和價(jià)差，提供客戶畫像、能源套餐等服務(wù)。

能效服務(wù)，通過評估能源成本、設(shè)備成本、運(yùn)維成本、維修成本，協(xié)助用戶開展運(yùn)行方式調(diào)整，增強(qiáng)用能側(cè)和供能側(cè)之間的互補(bǔ)，提升企業(yè)能效管理水平，降低能源消耗和用能成本，提高整體經(jīng)濟(jì)效益［15］。

政府服務(wù)以政府管理需求為導(dǎo)向，提供環(huán)境監(jiān)測、清潔能源效益評估、節(jié)能減排、能耗監(jiān)管等模塊?？萍甲稍兡K建立與多種能源信息、政策信息、行業(yè)信息的網(wǎng)站的有效鏈接，能夠?qū)崟r跳轉(zhuǎn)瀏覽掌握最新資訊。能源商城向上下游拓展提供能源行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)，提供能源行業(yè)設(shè)備銷售及運(yùn)維相關(guān)信息。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合某工業(yè)園區(qū)的實(shí)際需求，通過對冷、熱、電多種能源的數(shù)據(jù)采集，建立一套面向園區(qū)，兼顧政府的基于冷、熱、電能多互補(bǔ)的綜合能源信息化集成系統(tǒng)。針對系統(tǒng)功能、軟件架構(gòu)、硬件組成等不同方面的研究，完成了綜合能源平臺的搭建研究，實(shí)現(xiàn)冷、熱、電等不同場景下數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)共享，為多能互補(bǔ)綜合能源管理業(yè)務(wù)的開發(fā)及智能決策控制研究提供支撐。