智慧能源互聯網平臺的頂層設計研究

張志芹

(江蘇睿科大器機器人有限公司,江蘇 南京 210000)

1 智慧能源服務發展現狀

政府工作報告重點指出,“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期,為構建低碳、清潔、高效、安全的能源體系,提高能源利用效能,控制化石能源總量,實施替代可再生能源行動,加快推進碳排放權交易,積極發展能源綠色金融。

根據當今世界的能源發展趨勢,為解決化石燃料的逐漸枯竭所造成的高能耗、高浪費、高污染等問題,如何高效利用能源,優化能源資源配置,提供智慧能源服務,推進能源消費的新技術、新產業、新方式,及能源低碳綠色發展,已成為制約中國能源發展的重要問題。

2 智慧能源互聯網平臺的技術創新

智慧能源互聯網平臺涉及新能源、分布式能源、清潔能源、儲能等多種能源供給方式,以及不同用戶的用能體驗,由此搭建智慧能源管理服務平臺,可以有效對綜合能源系統進行全方位的管控。它是綜合運用先進的新能源技術、信息技術、智能管理技術的新型能源體系,從多種能源的生產、能源輸送、能源配給、能源轉化、能源消耗等架構完整的能源生態系統。當前,運用電、氣、水、冷、熱等多種能源的互相轉化和效率提升來組建的能源互聯網,成為推動綠色低碳能源發展、保障能源持續創新供應的重要途徑,具備供需分散、系統扁平、多能協同、設備智能、信息對稱、交易開放等特點[1]。

智慧能源互聯網平臺實現能源實時監測和展示,通過分類、分層的方式部署多級采集模塊和關鍵數據采集技術監測區域內電、燃氣、冷熱、水等能源情況及管網情況、公共樓宇、工業企業等多元用戶用能情況,并通過能源平衡、能效對比等多維度指標分析,對智慧能源系統進行優化調度。分布式清潔能源發電技術、優化技術及以物聯網、人工智能、大數據、云計算等新一代信息技術的運用,為該智慧能源互聯網平臺的建設提供了技術保障。

3 智慧能源互聯網平臺的頂層設計

在頂層設計階段,該平臺主要應用于兩方面:(1)涵蓋燃氣、電力、冷熱系統的多能源體系的規劃、建設和運行;(2)智慧能源服務所包含的用能設計、規劃、能源系統建設,用戶側用能系統托管、維護、能源審計,節能減排建設等智慧能源項目全過程[2]。

其框架設計的技術架構需要遵照J2EE的技術規范,運用組件化和動態化的軟件技術,并通過共享數據建模的多層架構系統,包括設備層、網絡層、服務層、高級應用層、展示層。構建互聯網和能源生產、能源傳輸、能源儲存、能源消費、能源市場之間深度影響并融合的智慧能源互聯網平臺-能源發展產業新形態[3]。其中包括能源供給、能源需求響應、傳輸、能源形式轉換、能源數據應用、能源信息管理和運營調度控制等方面。基于頂層架構的技術路線如圖1所示。

圖1 智慧能源互聯網平臺頂層架構的技術路線

3.1 設備層

設備層主要采集分布式發電、熱泵機組、儲能、采暖、供冷等系統主要設備的重要參數。例如,光伏發電的逆變器運行和運行狀態、熱泵的供回水溫度及功率等。

3.2 網絡層

網絡層綜合利用計算機技術、控制技術、通信與網絡技術,對智慧能源系統內重要設備及各子系統進行自控對接,并將相關數據實時準確地傳輸至監控平臺。如平臺通過MODBUS485協議連接風力發電系統風機的輸出功率和電機溫度,通過以太網、PROFIBUS通信總管線管控空氣源熱泵系統的整體運行。

3.3 服務層

服務層匯總各系統運行的所有參數及分析數據,建立安全的生產、調度、優化與故障診斷的數據基礎。通過人工智能、物聯網、大數據、云計算等技術、達到渠道監管及服務管理支撐。

3.4 高級應用層

高級應用層即功能層,智慧能源服務平臺具有能源監測、能源分析、能源管控、資產運維管理、優化仿真等功能,實現電、熱、冷、水、氣等多種能源的綜合高效利用及與用戶的智能互動。

3.5 展示層

通過對智慧能源系統在各個環節的轉換及應用進行標準化處理,在工作站、大屏、云平臺等界面上展示出綜合能源系統內電、熱、冷、水、氣等各類能源的流向走勢、能源消耗、能源轉化及能源利用等信息,直觀地展示出綜合能源整體情況,輔助能源管理。

4 平臺應用功能分析

4.1 能源監測

能源監測功能采用SCADA,Lonworks等技術,通過監測接入單位的各種計量點的關鍵參數、報警及可視化展示,查看有關用戶用能的基本情況,查看負荷的監測情況和能耗監測的趨勢圖[4],主要包括三維監測、系統監測、設備監測、故障監測。

4.2 能源分析

利用大數據分析等技術手段,通過綜合能源分析、能源結構分析、能源生產分析及區域運行報告等方式,對數據進行多維立體化設計、歸類和分析,從能源容量、產能和用能、用能行為、能效管理、節能服務等全局統籌分析,為能源可持續發展提供支撐,也是實現國家碳達峰、碳中和戰略的重要前提。同時,建立可涵蓋電、氣、冷、熱各環節的一套綜合評價指標體系。

4.2.1 能源供需容量分析

基于長時間尺度對各類能源生產、消費容量進行分析,包括電網、燃氣網、熱力網、水網、電氣化交通網、清潔能源等進行全面分析和預測,全方位展示能源生產、消費容量狀態,側重于能源的供需預測,指導未來能源規劃調整和優化布局。

4.2.2 產能和用能態勢分析

基于準實時狀態時間尺度,對一次能源、二次能源生產情況、能源使用情況、能源網絡狀態進行分析,并建立能源、公共交通、市政、工商業等行業等多維度多視角分析模型,充分反映能源需求總量和增長趨勢,保證能源供需平衡。

4.2.3 用能行為分析

融合用戶、能源互聯網、社會多主體的多目標經濟效率需求,對不同區域、不同用能主體、不同時間尺度下的用能行為進行分析,初步勾畫多維度局部畫像。

4.2.4 能效管理

利用數據分析工具和GIS信息,對重點單位、區域、設備進行綜合同比環比分析,結合區-塊-鏈等不同屬性,構建能效對比,通過實現數據智能挖掘,發現能耗企業用能特性,比對能耗標準,編制標準能耗分析報表;根據歷史能耗信息提供不同區域、不同行業、不同能源類型的用能單位能耗預測分析及潛力態勢分析。

4.2.5 節能服務分析

促進用戶節能工作,提高能源利用效率。用戶的節能降耗工作是響應國家節能減排號召以及用戶能源管理建設的重要工作之一。運用新一代信息技術對用戶的能源利用效率進行科學管理,能提升多能源高效地配置實物資源,帶動整個行業的技術進步,實現產業改造升級與結構優化,進一步提高經濟管理運營的水平,并將更進一步提高用戶的生產效率、減少能源消耗,更加科學有效地運用能源資源。

4.3 能源調控

能源調控是實現能源經濟運行的核心功能,包含SCADA、多能流實時建模與態勢感知、多能流安全分析與預警、多能流優化調度控制、能源調度控制(微電網控制、冷能調控、熱能調控、熱水調控)等。分維度地對多能流負荷進行多時間尺度預測(日前、短期和超短期),包括產能預測、負荷預測、配比預測,分區域地支撐全局互聯互濟,分行業的能源供需合理優化。

4.4 運維管理

運維管理是智慧能源互聯網平臺最關鍵的部分。運維管理不僅包括建站、發電計劃、設備能效評估、KPI考核,還包括巡檢存檔管理、維修保養管理、故障管理、統計分析。

4.5 優化仿真

基于能源在線監測實現能源供應與消費的實時跟蹤和預測,進行區域能源的優化仿真模擬,為智慧能源互聯網平臺提供決策支持[5],包括配電仿真系統、配熱仿真系統、配冷仿真系統、配熱水仿真系統等仿真功能,利用大數據分析技術進行仿真服務的效益評估,實現智慧能源互聯網平臺仿真的全流程管理。

5 總結

本文對智慧能源互聯網平臺的頂層設計研究,開創了新能源發展新模式、新業態、新發展,從智慧能源服務的多能協同與多網融合規劃建設、多能源聯合協調與區域協調優化、海量數據挖掘與用戶行為分析、培育合理的綠色能源交易機制等角度,構建了智慧能源互聯網平臺的總體架構。該平臺以多種能源的互補優化及區域互聯網能源構成的協同優勢,形成能源產業鏈,并帶動智慧能源及節能環保產業的發展,為實現國家碳達峰、碳中和戰略提供重要保障。