智慧能源關鍵信息技術研究

中國石化集團勝利石油管理局有限公司電力分公司 張 利

1 概述

2019年中央政治局會議和中央經濟工作會議再次指出[1]，加快推進以信息網絡為核心的新型基礎設施建設，加強戰略性、網絡型基礎設施建設。2020年2月中央政治局會議強調加快5G 網絡、工業互聯網的建設。2020年3月政治局常務委員會會議進一步強調，加快5G 網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。

智慧能源就是充分利用通訊（5G）、自動化（采集、控制、分析、人工智能）等ICT 技術和新綠色能源（太陽能、地熱、風能等），在能源的開發利用、控制管理、消費等環節，以符合生態文明建設和可持續發展要求，建立并完善能源技術和制度體系，從而呈現出的一種全新能源形式[2]。智慧能源項目建設的高度和直接效益取決于新綠色能源的占比率和管理水平。

基于經濟效益的角度。一是提升油田企業勞動生產率和勞動效益[3]。可以減少能源運行管理中人員投入，節約人力成本，同時提高勞動生產率和效率；二是合理優化能源結構。智慧能源建設中采用分層優化、加強內部調度等手段，提高有限能源的科學合理利用率，滿足生產需求；三是提升自動化水平。利用5G、大數據、云計算等新一代信息技術，大幅縮短油田信息數據采集時間，提高數據分析效率，提高管理層的有效決策水平[4]。

基于社會效益的角度。一是多層綠色能源應用。大力開發太陽能、水能、風能、地熱能等綠色能源，促進勝利油田能源生產從化石能源主導向綠色能源主導的轉變，走上綠色低碳發展道路；二是實現油田可持續發展。發揮大數據資源優化配置的關鍵作用，減少油田采油生產日常損耗，實現油田能源大范圍配置和高效利用。

2 研究內容

圖1 研究內容

2.1 技術發展及產業支持

各種基礎技術和跨界技術的突破，促進了智慧能源的快速發展。諸如儲能新材料、微電網、能量路由器等基礎技術，還有分布式應用后臺、人工智能、物聯網、大數據等跨界技術。梳理相關技術產業主要環節和代表企業，分析產業發展對技術的支撐作用。

通訊產業發展。借助移動、聯通、電信三大運營商5G 通訊網建設，縮短現場終端設備數據采集、控制時間，實現油田電網毫秒級精準負荷控制，滿足緊急情況下的應急處理要求，保障油田安全生產運行。

綠色新能源產業發展。勝利油田新能源開發中心開展的綠色能源行動，是以太陽能發電、風能發電等清潔能源代替高污染、高能耗的傳統能源，實現節能降碳的目標。

自動化產業發展。與國內主流自動化企業深入合作，運用日新月異的自動化新技術、新設備，不斷提升油田生產效率，降低生產成本。

2.2 面向智慧能源的新一代信息技術視圖

根據關鍵技術特點和產業支撐情況，構建面向智慧能源的新一代信息技術視圖。整個智慧能源體系架構的核心包括搭建基礎物理架構、部署智能終端、開發系統應用后臺，而系統的ICT 架構可以實現低成本、快速、高效、彈性地部署業務。

網絡構架。智慧能源采用分布式、經濟型、混合型的網絡架構設計方案。

終端節點。智慧能源緊抓需求側管理，利用可控的變配電設備和靈活的線路拓撲保障穩定供電，依靠大數據分析，精準預測用戶負荷和用能習慣，優化整個系統合理高效運營。

后臺應用。智慧能源一般多應用在區域性的小型網絡中，其管理模式可采用靈活的分布式和集中式相結合的混合管理模式，后臺的高級應用中多注重統一平臺的數據共享和多業務協調。

3 面向智慧能源的新一代信息關鍵技術應用

3.1 智慧能源應用場景

以單條供電線路和供電區域為電能監測管理模型和數據進行研究分析的單元，包括新能源應用可靠性分析，利潤節能經濟性分析、相關管理數據分析、建立合理的數據管理模型采集數據與傳統數據區別研究分析。選擇具有自發電、網電、綠電共有的供電區域，在該區域具有相對獨立的區域電力調度，便于數據的分析和模型的建立，從供電可靠性、用電經濟性對模型數據進行全面采集，建立更加科學的數據采集分析模型，將參數對可靠性、經濟性的影響程度進行分類，為智慧能源管理優化提供支持。就智慧能源技術的具體應用情況，展開了以下深度介紹：

一是利用區塊鏈技術。在支持高比例潔凈能源的順利吸收到方面，利用區塊鏈技術可以支持多元主體之間點對點、即時、自由微平衡交換，從而促進高潔凈能源的商業模式創新發展，從而提升高比例的潔凈能源消納；在開展綜合能源服務的產業領域中，借助“多鏈”信息技術運用可實現綜合能源體系中各市場主體的可信協調自治，實現市場主體的大數據公開、可信交互，確保了綜合能源業務的可追溯性與安全有效性，增強企業客戶進入綜合能源領域的便捷性。

二是利用大數據技術。在系統的安全與穩健運營方面，借助統計分析、數字模型構建助力實現綜合能源網絡的實時預警、信息監控、故障報警與檢測，為異質能調度、交易和需求做出響應；提高消費端能效，在大數據聚類、性能分析等技術方面，實現對用戶負載特征的精準感知，為制定和全面完善消費者側動態優化方案提供數據支撐。用戶側的能源效率；源網荷和存儲之間的能量流、業務流和信息流，揭示多對象交互的“三流”機制，促進源網荷和存儲的聯合優化，提高異質能網絡效率的可靠性。

三是云平臺技術。在先進的能源服務管理方面，云平臺可以存儲和管理用戶身份、能耗數據等信息，支持應用、部門和系統之間的信息交換、共享和協同，實現終端能源大數據標準化。在智能監控方面，依托云平臺開放、全面的技術特性，可促進多主體、多設備的廣泛接入，實現實時動態監控、遠程控制和遠程建立多終端支持體系。

在智慧能源服務平臺運營能力成熟度中，我們將技術運營成熟度劃分為項目型、產品型、平臺型和生態型等四個不同發展階段[5]。智慧能源服務平臺的技術運營是一個從項目型、產品型到平臺型不斷發展，能力沉淀機制逐步建立的過程，同時也是一個從封閉、半封閉的自開發向全開放的生態型應用創新發展的過程。

項目型：在項目型階段，采控運營、增值運營、數據運營和生態運營各業務的產品或應用功能都是根據項目進行單獨的定制化設計與開發。例如在樓宇用能增值運營的項目型階段，對于兩個同樣是公共建筑的用能托管項目，可能因為兩個建筑內綜合能源系統構成不同、用能需求不同或者托管方式不同等綜合因素，還無法就數理模型、運行控制或應用功能等方面進行歸納、抽象，兩個項目的應用系統只能分別開發實現。因此，受制于業務和技術積累有限，在項目型發展階段是以項目為中心，根據單個項目的需要來開發系統應用功能。

產品型：經過項目型階段的技術和業務經驗積累，對于一些諸如市場化售電、需求響應、智能運維等業務相對穩定、模式固定的業務，應用功能、技術方案和框架趨于穩定，為改變項目型應用開發復用性問題，需要向產品型應用開發轉變。通過產品化，同類項目的工程實施就可以由項目實施轉變為產品實施，質量管理也由項目質量轉變為產品質量控制，從而大大降低綜合能源服務項目實施效率和成本。

平臺型：智慧能源服務的平臺型發展是以用戶為中心，在內部建立起業務和技術能力不斷沉淀、產品/服務可以快速融合創新的、以技術驅動的業務創新體系。構建統一的物聯和數據接入平臺，為平臺上的各個產品提供統一的數據和網絡安全；建立產品間的客戶信息、賬戶管理、訂單管理、結算管理等公共服務體系。

生態型：生態型發展是將平臺的物聯接入、數據資源、核心技術、公共服務體系等平臺能力和資源，通過應用商店服務、開源社區服務、模型算法服務等方式對外開放，吸引能源服務商、專業技術服務商或者第三方開發者等生態合作伙伴入駐，依托平臺公共服務能力可以快速創建自己的應用，并可以通過應用商城向其他伙伴分享自己開發的應用。

3.2 應用成熟度

系統主要由三部分組成，分別為數據采集網絡、數據傳輸網絡、系統能效管理軟件。系統具備強大的歷史能耗數據儲存、分析和追溯的能力，企業能耗管理和生產人員根據不同需求設置工作點參數，從而生成各類能耗數據報表和數據曲線，如單設備能耗、生產線能耗、單班組能耗等，對能耗數據進行量化分析、趨勢對比等處理，從而發掘出能源消耗結構和過程中的深層次問題，對企業能耗結構的優化、改進提供數據支撐。

3.3 面向智慧能源的新一代信息應用視圖

智慧能源系統網絡架構由互聯網和能源網組成，能源網提供基礎供能服務，互聯網結合ICT 技術提供對服務價值二次發掘服務。智慧能源技術架構由物理層、網絡信息層、應用服務層和效益價值層組成，其中采用ICT 和5G 等互聯網技術作為溝通物理層和網絡信息層的橋梁，其中采用現代自動化調控技術和區塊鏈等新技術作為溝通網絡信息層和服務應用層的橋梁。整個系統架構實現自底向上的能量、數據、價值的聯動[6]。

物理構架層。根據現有網架結構的實際情況、負荷密度、路徑條件以及政策處理因素等合理規劃，在網架結構上充分考慮事故情況下的故障隔離、負荷轉供需求。

網絡信息層。信息支持系統的建設，重點在于物理節點上智能設備的部署。例如在電力網絡建設中，內容不僅包含如RTU、DTU、FPU 和保護測控裝置等傳統二次設備，還包含部署于饋線和終端配變上的各類監控、傳感裝置，以及布置于用戶側的精準計量裝置。

服務應用層。其建設包括兩層含義，“服務”是實現目標、“應用”是支撐手段。應用層面的建設重點是通過對供區內設備的控制實現故障檢修狀況下運行方式的調整，通過精準預測供區的負荷贏得能源市場交易的先機，通過大數據分析實現供需資源優化配置和能效最大化。服務層面的建設重點是對用戶端的金融屬性和價值的進一步發掘，并提供定制化服務。

價值效益層。建立智慧能源的最終目的是提高能源的可靠性、經濟性；實現多種能源在油田生產中分配達到最佳狀態。實現能源管理過程中數據的全面采集提升能源管理水平，實現電網管理效率的提高，減少用工量，為油田生產提供可靠、經濟、高效的能源管理模式，減低原油生產的單位成本。

4 結語

從能源發展角度出發，深入融合能源供給側和需求側，構建能源+互聯網的雙層架構建設，催化新的商業運行模式，帶動整個能源產業生態的健康發展。智慧能源體系深入引進跨界科技力量，積極探索創新型場景應用需求，助力整個能源產業鏈的結構升級和智能發展。