程俊杰 阮玖圣

摘要：“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)多種能源間的智慧化利用是未來(lái)能源研究的重點(diǎn)和方向。針對(duì)當(dāng)前綜合能源利用中智能化程度低、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能很好的滿(mǎn)足多能耦合復(fù)雜性需求的痛點(diǎn)問(wèn)題，本文提出一種基于邊緣計(jì)算的綜合智慧能源一體化管控平臺(tái)，一方面采用邊緣計(jì)算裝置+小型DCS一體機(jī)的理念，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)綜合能源控制系統(tǒng)智能化改造升級(jí)，很好的滿(mǎn)足了綜合能源耦合復(fù)雜性的控制需求，另一方面基于通用平臺(tái)工具開(kāi)發(fā)用戶(hù)應(yīng)用，具有更好的平臺(tái)通用性，在用戶(hù)提出新的需求時(shí)，能夠通過(guò)復(fù)用平臺(tái)工具模塊快速開(kāi)發(fā)出來(lái)相關(guān)應(yīng)用，降低開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本。平臺(tái)能夠發(fā)揮綜合能源的優(yōu)勢(shì)與潛力，整體可大幅提升能源利用效率，具有較大的研發(fā)價(jià)值與市場(chǎng)潛力。

關(guān)鍵詞：綜合能源;小型化DCS;邊緣計(jì)算;數(shù)字孿生;用能優(yōu)化;

1.引言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”國(guó)家能源戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)的提出，未來(lái)構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能降耗成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的基本思路和主要舉措，其中在工業(yè)生產(chǎn)、建筑環(huán)境、交通運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)多種能源的智慧化綜合利用是研究的重點(diǎn)和方向。

當(dāng)前綜合智慧能源管理存在以下兩個(gè)方面的痛點(diǎn)：第一，目前市場(chǎng)上大都采取能源管理系統(tǒng)（Energy Management System）進(jìn)行綜合能源優(yōu)化管理，但基本只具備基礎(chǔ)的用能監(jiān)控畫(huà)面、能耗分析功能。且該EMS對(duì)于整個(gè)綜合能源系統(tǒng)的控制策略全部是通過(guò)粗顆粒度的一階模型或是純軟件的方式來(lái)粗略的干預(yù)，其穩(wěn)定性和控制效果欠佳。其畫(huà)面顯示效果俱佳，但缺少真正的能源智能優(yōu)化內(nèi)核，非真正智能化的綜合能源管理系統(tǒng);第二，當(dāng)前綜合能源的建設(shè)與運(yùn)行仍以多種能源簡(jiǎn)單集成為主，多能源耦合轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢(shì)并未發(fā)揮，導(dǎo)致能源利用造價(jià)高、效率低，阻礙了綜合能源的發(fā)展。綜合能源控制系統(tǒng)作為能效提升的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，在多能耦合、轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、綜合能源供需平衡、并網(wǎng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)等方面均具有重要作用。但由于可再生能源的隨機(jī)波動(dòng)性，綜合能源控制的復(fù)雜性，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以發(fā)揮綜合能源的潛力及優(yōu)勢(shì)，需進(jìn)一步增強(qiáng)異質(zhì)能源的互補(bǔ)性和可替代性。綜合能源面臨著亟需解決的多能源耦合轉(zhuǎn)化效率低、造價(jià)高的難題。

本文提出一種基于邊緣計(jì)算的一體化綜合智慧能源管控平臺(tái)，研發(fā)方向切中行業(yè)痛點(diǎn)，采用智能算法驅(qū)動(dòng)的綜合能源邊緣智能控制系統(tǒng)能夠大幅提升能源利用效率，具有較大研發(fā)價(jià)值及市場(chǎng)潛力。

2.平臺(tái)設(shè)計(jì)

1）平臺(tái)總體架構(gòu)

基于邊緣計(jì)算的綜合智慧能源一體化管控平臺(tái)是集管理與控制功能為一體的數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，平臺(tái)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法模塊為工具，靈活開(kāi)發(fā)出各種平臺(tái)應(yīng)用，滿(mǎn)足綜合能源項(xiàng)目管控一體化的需求。作為能源管理中心，綜合能源一體化智慧管控平臺(tái)應(yīng)提供能效管理、能源監(jiān)控、設(shè)備維保、能耗分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度等功能。例如實(shí)現(xiàn)用能數(shù)據(jù)精準(zhǔn)展示、實(shí)時(shí)監(jiān)控異常告警、大數(shù)據(jù)自定義報(bào)表功能等。通過(guò)共享供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、燃?xì)?、供暖、供冷等能源供?yīng)和使用數(shù)據(jù)信息，平臺(tái)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)施集中扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理。 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

從功能層級(jí)上來(lái)分，包括：監(jiān)控顯示層、數(shù)據(jù)服務(wù)器層、邊緣控制層、就地設(shè)備層。

a）監(jiān)控顯示層

監(jiān)控顯示層是實(shí)現(xiàn)綜合能源相關(guān)資源與設(shè)備一體化管理的人機(jī)交互中心，一般包含的設(shè)備有：中央大屏顯示系統(tǒng)、一體化管控平臺(tái)終端、監(jiān)控顯示終端、信息安全隔離設(shè)備等。中央大屏顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)展示功能;一體化管控平臺(tái)終端通過(guò)KVM設(shè)備接入管控平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)管控平臺(tái)服務(wù)器中綜合能源相關(guān)應(yīng)用的部署與操作;監(jiān)控顯示終端通過(guò)KVM設(shè)備接入監(jiān)控終端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)常規(guī)DCS監(jiān)控顯示功能;信息安全隔離設(shè)備通過(guò)加密通信保障與外部網(wǎng)絡(luò)通信安全。監(jiān)控顯示層主要涉及功能包括輸出結(jié)果渲染、3D界面精準(zhǔn)展示與交互、相關(guān)指標(biāo)及趨勢(shì)展示、實(shí)時(shí)監(jiān)控告警、VR/AR顯示等。

b）數(shù)據(jù)服務(wù)器層

包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管控平臺(tái)服務(wù)器、監(jiān)控終端服務(wù)器等設(shè)備。其中管控平臺(tái)服務(wù)器是整個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)計(jì)算的核心。一方面，數(shù)據(jù)服務(wù)器層提供平臺(tái)通用工具，各種業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠通過(guò)調(diào)用這些平臺(tái)工具快速開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，支持工具包括數(shù)據(jù)處理、分析、查詢(xún)，能夠評(píng)估計(jì)算模塊，算法訓(xùn)練、求解、部署模塊，3D交互引擎、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生擬合工具、第三方算法支撐工具等，另一方面，基于提供的通用工具，面向綜合能源各項(xiàng)需求可有針對(duì)性開(kāi)發(fā)基于WEB的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序，包括能源效率及性能分析、能源運(yùn)行優(yōu)化、負(fù)荷預(yù)測(cè)、智能算法訓(xùn)練及部署、智能運(yùn)維等功能。相比較于目前主流的基于平臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的方案設(shè)計(jì)，基于通用平臺(tái)工具再開(kāi)發(fā)用戶(hù)應(yīng)用，具有更好的平臺(tái)通用性，在用戶(hù)提出新的需求時(shí)，能夠通過(guò)復(fù)用平臺(tái)工具模塊快速開(kāi)發(fā)出來(lái)相關(guān)應(yīng)用，降低開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本。綜合能源數(shù)據(jù)，包括綜合能源中新能源、儲(chǔ)能、供熱制冷設(shè)備、泵、閥門(mén)等運(yùn)行數(shù)據(jù);來(lái)自第三方控制系統(tǒng)、SCADA、SIS、EMS等系統(tǒng)中的數(shù)據(jù);以及視頻、氣象、GIS等其他數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)通過(guò)各種配置的通訊協(xié)議及接口，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗預(yù)處理上傳至平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，來(lái)支撐平臺(tái)上層工具開(kāi)發(fā)。

c）邊緣控制層

邊緣控制層包括小型化DCS一體機(jī)、邊緣計(jì)算裝置兩部分構(gòu)成。邊緣控制層是整個(gè)平臺(tái)的工業(yè)大腦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、智能優(yōu)化計(jì)算、直接調(diào)度控制等功能。小型化DCS一體機(jī)，在具備傳統(tǒng)DCS全部功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足綜合能源項(xiàng)目各種場(chǎng)景安裝需求，裝置采用可拔插模塊化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)不同的綜合能源項(xiàng)目靈活配置產(chǎn)品硬件組成，具有靈活、可擴(kuò)展、易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。利用可拓展I/O智能模塊、DTU無(wú)線(xiàn)通信模塊，增加DCS遠(yuǎn)程監(jiān)控、邏輯組態(tài)遠(yuǎn)程更新應(yīng)用等功能;邊緣計(jì)算裝置包含基于實(shí)現(xiàn)ARM架構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片核心版接口板載模塊，主要實(shí)現(xiàn)人工智能算法應(yīng)用功能。邊緣計(jì)算服務(wù)器通過(guò)OPC及內(nèi)部通訊協(xié)議與小型化DCS一體機(jī)進(jìn)行雙向通信，邊緣計(jì)算智能算法運(yùn)算結(jié)果可以通過(guò)小型化DCS一體機(jī)作用到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，提升綜合能源智能化水平。此外，通過(guò)兩者深度融合，可以實(shí)現(xiàn)智能算法與邏輯控制之間的無(wú)擾切換、互為冗余配置或其他自定義功能，如智能算法通過(guò)更改DCS控制邏輯參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化提升等。邊緣控制層滿(mǎn)足了綜合智慧能源項(xiàng)目各種基本控制和智能控制需求。

d）就地層

就地層提供能源現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的各種通信協(xié)議及接口，包括但不僅限于OPC、MODBUS、CAN通信協(xié)議，第三方DCS/PLC內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換，以及兼容SIS、EMS、SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口，天氣及GIS數(shù)據(jù)接口和其他數(shù)據(jù)規(guī)約等。

2）平臺(tái)功能架構(gòu)

按功能和計(jì)算內(nèi)容劃分，分為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、技術(shù)支持層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層及表現(xiàn)層4層技術(shù)結(jié)構(gòu)組成。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層提供能源現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的各種通信協(xié)議及接口。技術(shù)支持層提供平臺(tái)通用工具，各種業(yè)務(wù)層應(yīng)用能夠通過(guò)調(diào)用這些平臺(tái)工具快速開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，支持工具包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析、查詢(xún)，能夠評(píng)估計(jì)算模塊，算法訓(xùn)練、求解、部署模塊，3D交互引擎等。更高級(jí)別地，還可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)綜合能數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生擬合工具，第三方算法支撐工具等，分別用于智慧運(yùn)維、高精度優(yōu)化和綜合能源生態(tài)體系構(gòu)建支持。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是面向綜合能源各項(xiàng)需求有針對(duì)性開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，包括能源效率及性能分析、能源運(yùn)行優(yōu)化、負(fù)荷預(yù)測(cè)、智能算法訓(xùn)練及部署等功能，基于綜合能源數(shù)字孿生還可開(kāi)發(fā)智能運(yùn)維等高級(jí)應(yīng)用。表現(xiàn)層技術(shù)主要涉及3D界面精準(zhǔn)展示、相關(guān)指標(biāo)及趨勢(shì)展示、實(shí)時(shí)監(jiān)控告警等功能的開(kāi)發(fā)。

3）平臺(tái)優(yōu)化功能

根據(jù)綜合能源不同場(chǎng)景梳理，平臺(tái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的能源預(yù)測(cè)與優(yōu)化功能包括：

序號(hào)系統(tǒng)功能功能描述1能源供應(yīng)預(yù)測(cè)根據(jù)是否使用氣象數(shù)據(jù)，單一時(shí)間尺度或多時(shí)間尺度預(yù)測(cè)2用戶(hù)負(fù)荷預(yù)測(cè)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行特性、增容決策、自然條件與社會(huì)影響等諸多因數(shù)，在滿(mǎn)足一定精度要求的條件下，確定未來(lái)某特定時(shí)刻的負(fù)荷數(shù)據(jù)，其中負(fù)荷是指電力需求量（功率）或用電量3儲(chǔ)能優(yōu)化包括電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、蓄冷、儲(chǔ)氣，目標(biāo)為保證供需平衡同時(shí)，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本，增加儲(chǔ)能設(shè)備壽命4電負(fù)荷控制優(yōu)化含電儲(chǔ)能優(yōu)化，供需預(yù)測(cè)算法，在保證用戶(hù)用電需求的同時(shí)，最小化發(fā)電成本。電能品質(zhì)需要保證，控制周期及精度要求高5熱負(fù)荷控制優(yōu)化含熱儲(chǔ)能優(yōu)化，供需預(yù)測(cè)算法，在保證用戶(hù)熱能需求的同時(shí)，最小化供熱成本。熱能耦合轉(zhuǎn)換復(fù)雜，需要解決熱慣性問(wèn)題6冷負(fù)荷控制優(yōu)化含蓄冷儲(chǔ)能優(yōu)化，供需預(yù)測(cè)算法，在保證用戶(hù)冷負(fù)荷需求的同時(shí)，最小化供冷成本。7峰谷電價(jià)并網(wǎng)優(yōu)化包括儲(chǔ)能優(yōu)化、市場(chǎng)電價(jià)預(yù)測(cè)、新能源功率預(yù)測(cè)，并網(wǎng)控制8調(diào)度優(yōu)化（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)）包括供需預(yù)測(cè)算法，控制優(yōu)化為秒級(jí)及以下優(yōu)化，調(diào)度優(yōu)化是分鐘級(jí)及以上運(yùn)行方式優(yōu)化，采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行算法尋優(yōu)9調(diào)度優(yōu)化（數(shù)字孿生）包括供需預(yù)測(cè)算法，包含基于機(jī)理模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的綜合能源數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于數(shù)字孿生進(jìn)行算法尋優(yōu)10綜合能源自尋優(yōu)算法包括綜合能源數(shù)字孿生，在保證綜合能源控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，采用安全單調(diào)遞優(yōu)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，使綜合能包括綜合能源數(shù)字孿生，分析用戶(hù)用能習(xí)慣，基于數(shù)字孿生和智能算法，改進(jìn)用戶(hù)用能習(xí)慣，降低用戶(hù)用能成本。如醫(yī)院照明用能優(yōu)化、冷熱負(fù)荷需求優(yōu)化等11用戶(hù)用能優(yōu)化包括綜合能源數(shù)字孿生，根據(jù)用戶(hù)用能習(xí)慣，基于數(shù)字孿生和智能算法，提出能優(yōu)化建議或直接更改用戶(hù)負(fù)荷需求控制系統(tǒng)參數(shù)，滿(mǎn)足實(shí)際用戶(hù)需求的同時(shí)降低用戶(hù)用能成本及穩(wěn)定性。案例包括醫(yī)院照明用能優(yōu)化、空調(diào)制冷節(jié)能、供熱用能優(yōu)化等。

3.結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)能源將會(huì)朝著清潔化、智慧化、去中心化、綜合化方向發(fā)展，能源利用形式將會(huì)呈現(xiàn)冷、熱、電、氣能源在供應(yīng)、傳輸、消費(fèi)和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)化利用趨勢(shì)。本文提出一種基于邊緣計(jì)算的綜合智慧能源一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)，一方面采用邊緣計(jì)算裝置+小型DCS一體機(jī)的理念，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)綜合能源控制系統(tǒng)智能化改造升級(jí)，很好的滿(mǎn)足了綜合能源耦合復(fù)雜性的控制需求，另一方面基于通用平臺(tái)工具開(kāi)發(fā)用戶(hù)應(yīng)用，具有更好的平臺(tái)通用性，在用戶(hù)提出新的需求時(shí)，能夠通過(guò)復(fù)用平臺(tái)工具模塊快速開(kāi)發(fā)出來(lái)相關(guān)應(yīng)用，降低開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本。平臺(tái)能夠發(fā)揮綜合能源的優(yōu)勢(shì)與潛力，整體可大幅提升能源利用效率，具有較大的研發(fā)價(jià)值與市場(chǎng)潛力。

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