探究工業互聯網在智慧能源服務系統架構中的應用

摘要：當前國內對于能源的消費呈現多元化發展，并且自動化的需求非常高，進而促進了智慧能源服務的快速發展。本文主要以工業互聯網為基礎開展了智慧能源服務系統的研究，并對智慧能源服務系統總體架構進行分析，闡述了系統的技術與集成的架構，再經過相關試點的應用證明了本系統的實用性及有效性。

關鍵詞：工業互聯網；系統架構；平臺；智慧能源

一、智慧能源服務系統

（一）總體架構

此次研究的系統主要是基于微服務來設計系統的重要架構，而且在此系統中的獨立組件均能當作一個微型服務，并且具備獨立性，以及擁有獨立數據源，再利用接口即可以實現對不同的數據庫進行讀寫數據的操作，和單體的架構對比來講，其能夠避免占用數據庫及緩存所帶來的影響。本研究的系統主要以物聯網內網子系統及互聯網外網子系統予以構成。

1.智能終端設備

設備是系統的終端底層，主要是能源路由器和控制器及其他種類型的智能用電的相關設備。

能源控制器的作用相當于網關的功能，其可以有效地控制終端，其還可以采集用電設備的相關數據，制定有序充放電的方案，對充電樁和儲能等相關設備進行智能化的控制。

能源路由器主要是可以對用能的設備進行啟停，調節功率，其主要采取兩種模式，即平臺層模式、應用層模式，平臺層具有接入設備、采集數據、遠程控制等功能，應用層則主要是為了和客戶的設備開展相關數據信息的傳輸和交換。用電設備主要是充電樁、分布式光伏等設備。此設備通過收到由能源路由器發出的指令后進行各種功能的操作，例如啟停、充放電。

2.通信網絡

此主要是實現本地和遠程之間的有效通信。其中對本地通信決定使用RS485、電力線寬帶載波、藍牙等技術。遠程通信則采取4G/5G無線APN/VPN專網通信。利用藍牙連接充電APP和能源路由器，充電APP發送充電指令至能源路由器。智能設備則運用CAN總線實現對數據的有效采集，然后再把數據進一步上傳至能源路由器經電力線寬帶載波把相關的數據傳送到能源控制器，之后再由能源控制器發布有效的控制策略至能源路由器，最后則由能源路由器下發指令至用電的相關設備。采用4G/5G來進行能源控制器和云平臺間的信息交互，能源控制器信息數據上傳云平臺，然后再由云平臺發布充電有關信息指令。

3.云平臺

此采取強后臺+大中臺+小前臺的模式架構。強后臺是采集控制的重要部分，主要處理遠程控制、數據采集和處理等；大中臺是能力中心，主要包括用戶、訂單、支付、監控等中心；小前臺基于強后臺、大中臺來建立有序充電和儲能等相關的業務應用。本次研究的智慧能源服務系統通過以強后臺+大中臺+小前臺的架構建立“互聯網+泛在物聯網”架構，其可以實現實時采集控制能力和數據共享及快速開發的能力，并且將內網和外網進行分區結合的方式部署，既可以確保內網數據的安全，還能確保客戶和交易等數據的使用。內外網架構具有創新性。

4.業務應用

經充放電控制優化電車的智能化充電業務和上級電網協同調度開展儲能優化等業務。

（二）技術架構

SG-EA架構必須使用分布式的服務框架，此可實現大規模和分布式的集群進行管理控制的能力，經添加物理設備來對各類資源擴展，使用功能較為完善的模型，且模型具備冗余和自恢復、擴展的功能，以及采取分布式的關系數據庫來實現在不可避免的軟件錯誤和硬件錯誤中進行恢復，以此來保障系統的運行，并能夠支持多中心和多區域的部署。技術架構如圖1。

（三）集成架構

本次研究的系統集成主要利用通用的數據服務接口，具體包括的集成架構如圖2所示。

使用正反向的隔離裝置來將本系統的內網和外網加以有效的隔離，而內外網間則利用TCP/IP和中間件集成，再經TCP/IP和文本達到在不同區域進行傳輸的作用，即TCP/IP向外網傳數據，外網經文本傳遞至內網。內外網則通過集成和外部的平臺微服務加以集成。外部平臺和系統能夠互聯互通的其他系統。

二、系統示范應用分析

本系統經過上線運行和其他系統開展了互聯互通及資源共享，例如與營銷和調度自動化的系統融合。其中在智能有序充電的相關業務試點中，可以有效地將電網、用戶、充電樁、電車等信息加以交互，并控制充電，實現電車充電的負荷時間分布和平移的特性，積極引導錯峰、排隊進行電車充電，而通過儲能優化運行進一步降低了電容量，并通過電網調峰與調壓來提升電網的效率。在某一試點中，其通過針對區內的30多輛電動汽車開展實驗，一天對電車使用無序充電，一天運用有序充電，有序充電首先針對無序充電當天的充電需求進行擬合，然后再制定有序充電的方案，把方案下發至能源控制器，以此有效控制電車的有序充電，通過對比實時負荷曲線驗證有序充電的可行性，圖3則為曲線對比。

如圖3所示，在進行無序充電過程中產生的峰谷負荷差為600kW，而在有序充電時所產生的差值只有250kW，兩者相差58%左右，說明達到削峰填谷的效果。而通過使用削峰填谷的方案可以有效地減少電網負荷和用電的成本，此也證明本系統的效果和經濟性。

在儲能設備的有序充放電方面，通過接入兩臺儲能設備，功率500kW，容量2000kWh，然后選擇兩天進行儲能有序的充放電實驗，其中一天儲能設備沒有進行有序充放電，然后得出負荷曲線，另一天則參加有序充放電，然后依據沒有進行有序充放電的負荷曲線制定以削峰填谷的有序充放電方案，以此控制儲能設備于高峰進行放電，以及在低谷進行充電，最后得出有序充放電的負荷曲線，再對比兩天的負荷曲線（圖4）。

如上圖所示，綠色部分是儲能沒有進行有序充放電的負荷曲線，而藍色則是有序充放電曲線，通過圖中的對比表明削峰填谷的效果非常好，其可以達到對電能的高效利用，以及降低用電成本的作用。

三、結束語

綜上所述，在文中研究中的以工業互聯網為基礎的智慧能源服務系統，通過以互聯網、泛在物聯網、云平臺、微服務等為系統的各個架構進行設計，此系統有效地將能源轉換的樞紐作用發揮出來，再與能源的路由器與控制器相結合，進而達到對各種設備的靈活接入，可以采集相關數據與實時調控，再通過開展有序充電等業務來對能源進行有效的協同管理，符合當前電網對調節功能的需求。后續可以以智慧能源服務系統為基礎，并對其他方面開展深入的研究。

作者單位：李昊巍 中國工業互聯網研究院

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李昊巍（1989-），男，漢族，北京，工學碩士，工程師，研究方向：工業互聯網、能源互聯網、工業大數據、數據要素市場。