吳蘭旭 ,董中凱 ,宋志春 ,林武星

(1.遠光能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展(橫琴)有限公司,廣東省 珠海市 519000;2.國網(wǎng)數(shù)字科技控股有限公司(國網(wǎng)雄安金融科技集團有限公司),北京市 西城區(qū) 100053)

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與深度融合,在2030年碳達峰、2060年碳中和背景下,集團企業(yè)能源數(shù)字化轉型需求日益迫切[1-2]。從集團企業(yè)能源現(xiàn)狀來看,普遍具備能源品種多(如水、電、氣、冷、熱、風、氮、氧……)、流程長、用能體量大、節(jié)能減排要求高的特征;從市場發(fā)展來看,實際企業(yè)綜合能源管理過程中,電能替代和電力節(jié)能降損仍是企業(yè)能源管理的重心[3-4],集團企業(yè)致力于構建低碳化、智能化的能源管理體系,通過數(shù)字技術與方法來提升企業(yè)能效[5]。

國內(nèi)集團企業(yè)能源管理系統(tǒng)大多建設于21世紀初計算機與網(wǎng)絡信息化普及時期,具備一定的能源監(jiān)測能力和信息化能力[6]。目前,能源管理系統(tǒng)正由信息化向智能化發(fā)展,發(fā)達國家對智能化能源管理非常重視,系統(tǒng)軟硬件智能化應用較為廣泛。國內(nèi)集團企業(yè)能源管理系統(tǒng)已初具規(guī)模[7-9],在“十四五”數(shù)字化轉型時期,面臨更新迭代與升級。但由于存量能源子系統(tǒng)多、能源設備種類復雜、系統(tǒng)之間壁壘嚴重、重建投資高、建設難度大等問題[10],集團企業(yè)能源系統(tǒng)更新建設無法滿足低碳化、智能化要求?？紤]集團企業(yè)能源管理實際建設需要,系統(tǒng)建設過程中需要考慮存量系統(tǒng)設備復用、數(shù)據(jù)通信鏈路暢通、智能算法數(shù)據(jù)支撐等諸多方面,單純從設備端或子系統(tǒng)端進行升級具備較大局限性[11]。為更好滿足企業(yè)能源智能決策需求,解決能源數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、構建智能化決策體系是企業(yè)能源管理系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢[12]。

本文提出一種考慮智能決策的集團企業(yè)綜合能源系統(tǒng)架構設計,設計中最大程度地考慮對存量能源軟硬件的兼容和復用,針對不同種類能源子系統(tǒng)和設備,解決能源數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通問題,結合節(jié)能改造、能效評估、能源交易三個實際管理決策需求[13],實現(xiàn)集團企業(yè)智能型綜合能源系統(tǒng)架構設計與集成。設計方案有效保證監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性、開放性和可擴展性要求,為集團企業(yè)綜合能源管理系統(tǒng)的架構設計提供參考。

1 集團企業(yè)能源管理系統(tǒng)概述

1.1 主要存在問題

目前集團型企業(yè)綜合能源管理,多種能源子系統(tǒng)均已分批建設,具備一定的信息化基礎,結合實際系統(tǒng)現(xiàn)狀,應用過程中仍存在一些問題[14],具體表現(xiàn)如下。

(1) 數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。能源品種多、流程長是能源管理主要現(xiàn)狀,分批建設、系統(tǒng)歸屬不同部門、不同供應商、軟硬件版本協(xié)議不同、通訊網(wǎng)絡質(zhì)量良莠不齊等都導致能源數(shù)據(jù)缺乏互聯(lián)互通。

(2) 存量設備系統(tǒng)復用。能源設備多屬于按需分批上線的重資產(chǎn)投資,設備復用不僅是對公有資產(chǎn)的保護,同時也會避免造成資源浪費,如何通過數(shù)據(jù)層的統(tǒng)一兼容存量設備是現(xiàn)有能源系統(tǒng)更新面臨的主要問題。

(3) 數(shù)據(jù)分析與智能決策?，F(xiàn)有系統(tǒng)不能通過數(shù)據(jù)分析為企業(yè)提出智能決策建議,一方面不能指導集團參與能源市場交易(碳交易和電力交易)和需求響應進而節(jié)約能源成本并贏取市場紅利;另一方面不能為集團節(jié)能減排和能效優(yōu)化提供有效決策支撐[15-16]。

1.2 綜合能源系統(tǒng)建設途徑

圍繞集團企業(yè)能源系統(tǒng)建設需求與痛點,考慮集團信息化建設現(xiàn)狀,綜合能源系統(tǒng)建設在傳統(tǒng)能源管理基礎上優(yōu)化應遵循以下路徑。

(1) 減少重復投資。在“十四五”數(shù)字化轉型以及國家雙碳政策下,企業(yè)能源信息化將面臨二次建設,建議沿用“十三五”或更早期能源基礎設施,包括部分物聯(lián)設備、能源展示設備、安防通訊設備以及系統(tǒng)軟件基礎。

(2) 構建集團能源大數(shù)據(jù)中心。建立具備通訊兼容、數(shù)據(jù)兼容的能源大數(shù)據(jù)中心,為管理層提供多源異構數(shù)據(jù)接入存儲、場景化大數(shù)據(jù)分析及大數(shù)據(jù)應用等服務和基礎支撐[17-18]。

(3) 提升數(shù)字化決策能力。圍繞能源交易、節(jié)能改造、能效評估等層面痛點,開展數(shù)字化決策能力的研究,包括負荷預測、功率預測、損耗評估等[19]。

2 集團企業(yè)綜合能源系統(tǒng)架構設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

集團企業(yè)綜合能源服務架構主要層次包含:

(1) 基礎服務?；A服務是企業(yè)能源管理的基礎,主要以中臺的形勢兼容存量軟硬件系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)、業(yè)務、技術的集中優(yōu)化。服務規(guī)劃設計考慮了對存量系統(tǒng)與設備的兼容性?；A服務包含的數(shù)據(jù)中臺,以實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集以及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互;包含的業(yè)務中臺,以實現(xiàn)能源管理業(yè)務流程的處理與關聯(lián);包含的技術中臺,以提供區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術支撐以及預置算法的服務支撐[20-22]。

(2) 核心應用。核心應用是企業(yè)能源管理功能實現(xiàn)的重要部分,包含:能源監(jiān)視模塊,主要實現(xiàn)多品種能源的監(jiān)視;綜合能效模塊,以實現(xiàn)能效與能源質(zhì)量的管理優(yōu)化;資產(chǎn)運維模塊,以實現(xiàn)企業(yè)能源的運維與管理,并提高工作效率;雙碳管理模塊,以實現(xiàn)企業(yè)能碳融合管理,支撐企業(yè)雙碳目標的達成;能源交易模塊,以支撐企業(yè)能源采購、能源成本優(yōu)化與管理的實現(xiàn)。

(3) 支撐場景。場景以圍繞能效評估、能源交易、節(jié)能減排等集團管理層常見決策目標為中心,基于數(shù)學算法開展預測、評估、統(tǒng)計、優(yōu)化的智能決策服務,實現(xiàn)對集團企業(yè)能源管理的決策支撐[23-26]。

2.2 智能決策模塊設計

智能決策模塊設計是集團企業(yè)綜合能源管理系統(tǒng)數(shù)字化轉型的核心部分,是綜合能源管理系統(tǒng)數(shù)字化能力體現(xiàn)的關鍵部分,包括決策目標的獲取、模型的建立、模型的優(yōu)化以及智能結果的輸出。

智能決策模塊的設計(如圖1),智能決策基于模型庫和數(shù)據(jù)庫,模型庫包括了技術、經(jīng)濟、管理等模型;數(shù)據(jù)庫包含了能源運行數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、碳排數(shù)據(jù);算法庫是數(shù)據(jù)庫的一部分,內(nèi)置了大量人工智能輔助算法;含推理機的知識庫本身具備一定智能功能,能結合用能知識、節(jié)能知識、碳排政策以及專家經(jīng)驗完成初級推理與需求參數(shù)優(yōu)化功能[27-28]。

圖1 智能決策模塊Fig.1 Intelligent decision-making module

智能決策是模塊的重要組成部分,首先通過人機交互與自然語言處理系統(tǒng)實現(xiàn)目標的獲取,然后基于模型庫與數(shù)據(jù)庫接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互并完成數(shù)據(jù)獲取;在結合目標與數(shù)據(jù)特征分析結果完成智能算法的自動匹配,內(nèi)置智能算法包含了常見的層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡以及多元分析等。最終融合推理機實現(xiàn)模型調(diào)優(yōu)與自我優(yōu)化,實現(xiàn)節(jié)能改造決策、能效評估決策、能源交易決策等智能決策建議的輸出。

3 關鍵技術研究

3.1 考慮數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的能源大數(shù)據(jù)模塊

能源大數(shù)據(jù)模塊是集團企業(yè)能源智能決策的基礎,主要是統(tǒng)一集團分散的能源數(shù)據(jù)、構建數(shù)據(jù)資源池,為集團決策層提供全局數(shù)據(jù)支撐;構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺,統(tǒng)一企業(yè)內(nèi)分散的系統(tǒng)關聯(lián)能源數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通;構建數(shù)據(jù)資源池,從更高層面看待全局數(shù)據(jù),讓數(shù)據(jù)價值得到充分的體現(xiàn);構建統(tǒng)一的分析數(shù)據(jù)共享平臺,讓數(shù)據(jù)流動起來,服務于更多的智能決策業(yè)務,產(chǎn)生更高價值。

能源大數(shù)據(jù)模塊如圖2所示,在系統(tǒng)架構設計中等同于數(shù)據(jù)中臺作用,主要包括數(shù)據(jù)連接器、能源主題庫、數(shù)據(jù)資源池三大部分。

圖2 能源大數(shù)據(jù)模塊架構Fig.2 Energy big data module architecture

數(shù)據(jù)連接器是為能源智能決策提供基礎數(shù)據(jù)的關鍵,主要包括數(shù)據(jù)主動拉取、接口推送和引擎直連。主動拉取主要針對成本管理數(shù)據(jù)、經(jīng)濟效益數(shù)據(jù);接口推送主要為其他子系統(tǒng)接口提供數(shù)據(jù)協(xié)議互通與檢驗;引擎直連為關系型數(shù)據(jù)、設備管理數(shù)據(jù)和非機構化數(shù)據(jù)提供檢索引擎支撐。

能源主題庫是智能決策的核心,一方面兼容了存量系統(tǒng)數(shù)據(jù)和存量能源設備數(shù)據(jù),同時將能源計劃數(shù)據(jù)提前納入,為后期決策提供參考支撐;另一方面將能源監(jiān)測數(shù)據(jù)、能源管理數(shù)據(jù)、能碳統(tǒng)計數(shù)據(jù)按照時序數(shù)據(jù)和歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計與存儲。

數(shù)據(jù)資源池主要保存經(jīng)濟指標、碳排指標、能效指標、能耗指標等數(shù)據(jù),為智能決策特征分析以及模型調(diào)參提供參考。

3.2 智能決策工作流程與原理

智能決策工作原理為:通過軟件系統(tǒng)界面人機交互獲取決策目標需求;根據(jù)目標需求獲數(shù)據(jù);結合數(shù)據(jù)和目標進行特征分析并建立模型;根據(jù)建立模型進行算法匹配;通過模型調(diào)優(yōu)來優(yōu)化算法參數(shù);最終完成結果輸出,整體流程如圖3所示。

圖3 智能決策流程圖Fig.3 Intelligent Decision Flowchart

4 集團電力交易智能決策應用

集團企業(yè)大部分具備自備電廠,除自備發(fā)電外,用電不足部分市場化購電,面臨自發(fā)電量與外購電量最優(yōu)化、市場化購電方案難以制定的問題,在此具體需求目標背景下,系統(tǒng)根據(jù)人機交互明確目標后自動獲取如下幾個方面數(shù)據(jù):

(1) 企業(yè)發(fā)電(熱電+新能源發(fā)電)精細成本。自備發(fā)電資源的邊際成本、啟動成本、空載成本、平均成本,并實現(xiàn)自發(fā)電成本精細化測算。

(2) 精確用能需求數(shù)據(jù)。精準預測用電負荷,支撐購電交易方案制定,規(guī)避電量偏差風險。

(3) 市場行情數(shù)據(jù)。電力中長期價格和現(xiàn)貨價格。

基于企業(yè)自備發(fā)電能力、發(fā)電成本、市場價格等因素,以用能成本最低為優(yōu)化目標,系統(tǒng)自動構建了電力交易輔助決策模型[29-31]。模型調(diào)優(yōu)過程考慮了影響預測結果的數(shù)據(jù)基礎和約束層面,數(shù)據(jù)基礎影響包含了價格結果分析、電量盈缺分析、用電需求評估,其中價格結果分析主要包含發(fā)電測算成本和市場預測價格;電量盈缺分析包括了發(fā)電能能力評估、用電需求評估以及持倉電量;用電需求評估包括了負荷預測結果、企業(yè)生產(chǎn)計劃、企業(yè)生產(chǎn)訂單。約束條件影響主要針對機組約束和交易約束,機組約束關聯(lián)了機組啟停狀態(tài)、爬坡率、出力上下限;交易約束關聯(lián)了保函額度、累積量額度以及凈量額度。

模型提供了發(fā)電成本測算、負荷預測、電價預測、購售電交易輔助決策等應用,可按照年度、月度、月內(nèi)、多日、日前等周期自動生成包含電費、電量、申報電費的能源交易輔助決策方案,如圖4。系統(tǒng)提供了電力交易輔助決策,包括系統(tǒng)年度交易電量、預測火電發(fā)電量、預測光伏發(fā)電電量以及交易的決策電價,是為集團提供用能綜合分析工具重要抓手,實際管理過程中可降低集團企業(yè)綜合用能成本。

圖4 電力交易輔助決策Fig.4 Power trading assists decision-making

5 結論

(1) 系統(tǒng)架構設計充分考慮并利用集團存量能源管理子系統(tǒng)與硬件資源,提升數(shù)據(jù)決策能力的同時,最大程度減少二次投資。

(2) 構建統(tǒng)一的集團能源數(shù)據(jù)中心,充分利用系統(tǒng)現(xiàn)有數(shù)據(jù),可有效保證能源管理系統(tǒng)對集團管理層提供決策意見與支撐。

(3) 系統(tǒng)通過服務與功能應用層支撐多種應用場景的決策需要,可通過持續(xù)迭代算法和模塊對決策支撐進行擴充,具備良好的擴展性。

(4) 本文提出的集團企業(yè)綜合能源系統(tǒng)構架與集團企業(yè)數(shù)字化轉型以及國家“雙碳”目標下企業(yè)需求聯(lián)系較為緊密,也代表了企業(yè)能源管理的部分趨勢,將為集團企業(yè)實際能源管理過程中節(jié)能減排目標實現(xiàn)提供參考。