綜合智慧能源管控系統分析與研究

劉保福，郭 育，李仁欠，冶 軍，趙多旦

（國家電投集團黃河公司格爾木分公司，青海 格爾木 816000）

0 引言

綜合智慧能源（電、熱、冷、氣）是能源互聯網十四五規劃重點方向。綜合智慧能源是面向終端用戶以電為核心，提供電、熱、冷、氣、水等多種用能，因地制宜、統籌開發，優化布局的一體化能源解決方案。“互聯網+”智慧能源（以下簡稱能源互聯網）是一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態，具有設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放等主要特征，能夠推動各類能源主體的開放共享和規范交易，實現能源流、信息流與價值流的合并統一。因此能源互聯網是能源系統與通信和互聯網思維的融合。

1 總體架構

綜合能源管控系統圍繞礦山產能、用能、供能、儲能、網絡和服務應用展開，可對整個礦山系統進行實時遠程監控，實現整個系統的過程控制、管理和運維。同時，提高礦山產能、用能、供能、儲能的管理運維效率。綜合能源管控平臺是基于物聯網和大數據的一體化管控平臺，它實現了從產能、用能、供能和儲能側采集數據，并進行整合、計算、分析，最后到設備控制，完成了綜合智慧能源管控系統的能源優化和數字化，提高運行調度效率，為管理決策作輔助支撐。

系統架構共分5 個層次，由前端設備層、前端采集層、網絡層、平臺層以及應用層組成（圖1）。

圖1 系統總體架構

前端設備層：包括逆變器、整流器、傳感器、執行器。

前端采集層：通過數據采集傳感器、網關等設備實現與前端的連接與協議轉換、數據存儲、實時分析、反饋控制等功能，承擔底層計算功能。

網絡層：實現網絡的組網管理和安全管理。

平臺層：智慧能源系統以平臺為核心，包含綜合能源管理系統（能量管理、綜合用能管理、預測系統）、實時數據庫、歷史數據庫等系統。

應用層：該層為運行人員操作層，主要由Web端、APP 端組成，其作用主要包括3D 展示、實時監測、集中控制、動態分析等功能。

充電站、110 kV 變電站監控、分布式光伏及儲能系統等各集中控制單元的監控信息經數據采集裝置采集，通過網絡層傳輸至平臺層。

綜合能源管控系統通過用能信息的采集和各供能系統的運行情況相結合進行能源優化調度管控。

2 系統功能

綜合能源管控系統平臺區分為數據采集控制系統、監控中心系統、能源調度管理3 大部分，將負荷、能源、調度、運維、視頻、安防、輔助決策等功能聚合，通過AI 算法實現統一管理，達到供給側與需求側可視、可監、可控、可調的目標。實現對多能網絡的運行狀態監視、指標分析、生產成本優化和效率提升，并且能夠有效提高能效、推進能源供給側改革。平臺以能效調控、安全用電為切入點，以能源管理為核心，以能源數據挖掘為價值創造點，打造開放、共享的能源服務平臺，實現能源綜合一體化管理（圖2）。

圖2 系統功能結構圖

2.1 數據采集控制系統

數據采集控制系統可實時和定時采集現場設備的各電參量、開關量狀態（三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率、電能、溫度、開關位置、設備運行狀態等）及非電量（溫濕度、流量、壓力等），將采集到的數據或直接顯示、或通過統計計算生成新的直觀的數據信息再顯示（總系統功率、負荷最大值、功率因數上下限等），對重要的信息量進行數據庫存儲。并根據控制策略及指令，實現優化調節控制。

2.1.1 數據采集

（1）將各類電源、電網、儲能、負荷、視頻等信息通過感知層與數據采集裝置實現實時采集、上報。

（2）數據采集裝置需提供重要數據永久存儲服務，保證數據完整、可靠，同時支持對平臺未采集數據進行補采。

（3）平臺的數據采集系統通過有線（光纜、網線和485 通信線）、無線方式（4G、5G、NB 物聯網）與現場的各智能采集終端和第三方系統進行通信。數據采集系統在綜合智慧能源系統中處于非常關鍵的地位，因此其必須具有高可靠性和強大的信息處理能力。

（4）系統可直接采集接收處理各種數據：

1）光伏發電系統的總發電量、電流、電壓、有功、無功、功率因數、發電量數據信息；

2）儲能EMS 系統變流、電池、煙感、溫度、火災、儲能電度等數據信息采集（儲能系統通過標準IEC104 通信協議上送至大數據智能終端）。

（5）配電系統通過站內測控裝置將配電電力數據信息通過標準IEC104 通信協議上送至大數據智能終端；包括各電氣回路有功、無功、功率因數、電度、電能質量等數據信息。

2.1.2 數據控制

（1）平臺層在安全約束邊界條件下，根據源網荷儲運行狀態通過多目標尋優算法，得出整個綜合能源系統的理論調節情況，設定各子系統運行目標，提高源荷的協調運行。

（2）現場采集層設備根據設定目標實現各子系統的自動運行，最大化提高光伏發電就地消納能力、提升能源效率和降低能源損耗。

（3）監控中心通過網絡通信對各個系統實現實時監視、參數調整和遠程控制等功能。

2.2 監控中心系統

通過實時模擬畫面，可直觀地向用戶展示能源、電網、儲能和負荷等運行狀態，快速定位各環節設備故障，實現便捷運維、實現遠程視頻監視，同時輔助分析光伏系統利用率以及能效運行狀態。

2.2.1 大屏展示

提供專業LCD 設計的大屏幕演示頁面，顯示內容可自定義。

2.2.2 概況展示

概況主要由基本信息、主接線圖、實時監測、日負荷走勢、每日用能量走勢、每月用能量走勢和需量等功能模塊構成，主要包括：累計用能量（日、月、年）、用能數據實時數據、實時負荷（今日、昨日負荷對比）、每日用能（本月每日與上月每日對比）、每月（今年和去年每月對比）、尖峰平谷電費統計分析和需量實時跟蹤等。除此，還包含每日生產用電量與礦石產出量對比、每日生活電量對比。

2.2.3 數據查詢

（1）查詢光伏及儲能、發電數據，包括累計發電量、有功功率、無功功率、功率因素、電流、電壓、頻率等。

（2）查詢變電站電負荷的曲線數據，包括累計用電量、有功功率、無功功率、功率因素、電流、電壓、頻率等。

2.2.4 配電系統接線圖

（1）按照現場實際情況定義配電系統接線圖。（2）支持斷路器、手車、刀閘、地刀、母線、變壓器等組態配置。

（3）支持配置高壓、低壓等配電系統接線圖，進行潮流及關鍵參數展示。

2.2.5 設備告警

（1）在系統中能夠查看設備實時告警以及歷史告警信息，告警的狀態根據設備反饋狀態刷新。

（2）告警信息支持按照狀態、告警等級、設備類型、所在廠區域、時間范圍進行快速篩選查找。

告警指示燈：告警產生后，系統告警指示燈高亮。

告警響鈴：可配置告警是否響鈴，配置告警響鈴后，產生告警后系統響鈴。支持響鈴停止功能，即消音功能。

人聲告警：可配置告警產生后，語音播報。

2.2.6 越限告警

（1）支持新增、修改和刪除預警點。

（2）支持上上限、下限、下下限設置。

（3）超過設置閾值時，主動預警提示。

2.3 能源調度管理

基于供能預測和用能預測，結合生產計劃，進行能源的當日調度優化；實時監測源側及負荷側的運行狀態，在安全約束邊界條件下以發電與用電匹配為核心，進行動態調節，并通過熱儲能系統和電儲能系統進行輔助調度，提高新能源就地消納能力，提高能源利用效率，提升源網荷儲的運行經濟性、可靠性和安全性（圖3）。

圖3 能源調度管理功能圖

2.3.1 經濟調度功能

（1）在線調度

基于源、儲、荷的實時運行狀態，在電網系統運行的安全約束條件下以及各類儲能和可控負荷運行邊界條件下，以經濟運行為目標，以發用匹配為核心，減少區域能量交換為約束，通過尋優算法，實時調整負荷及儲能的運行，提升新能源的就地消納能力，提高系統能量利用效率，降低運行費用。

（2）重要負荷保障

將負荷重要程度進行分級、分組管理（一級、二級、三級），在電網故障時，智慧能源管控系統切換運行模式，基于光、儲、柴系統獨立運行模式，在一定時間內，保障重要負荷的正常運行。

2.3.2 能源管控

對礦區內生產過程中的各類能源進行管控，通過自動采集等方式，將礦區現場的光伏、儲能、供水和供熱數據進行采集，實時監控生產過程中能源狀況及能源供應分析。參照生產計劃和消耗定額進行對比分析，為生產管理調度提供及時準確的能源數據信息（圖4、圖5）。

圖4 能源管控流程圖

圖5 能源管控總圖

（1）運行監控

利用能源數據自動采集及第三方系統對接等方式，實現礦區內光伏、儲能、供熱、供水等數據的集中運行監視。各能源站點展示實時能量流模擬畫面和數據，監測能源站點設備運行狀態和運行曲線，全景展示各個能源站點全量信息。并根據能源調控指令會設定目標值，進行能源的遠程調控，方便進行能源站點集中管控，統一調度（圖6、圖7）。

圖6 供水系統運行監控圖

圖7 供暖系統運行監控圖

（2）能源分析

對能源生產情況進行類別、時比分析，為能源運營提供有效的數據支持。效率分析主要對能源站點進行性能參數效率分析。分布式光伏能源站點主要根據日輻射量測算實際發電量和理論發電量對比后的綜合效率、組串式逆變器效率和組件效率；化學儲能能源站點主要根據充/放電電量、功率以及時長對比后的充電效率、放電效率、衰減效率；供能能源站點主要按不同時間維度（日、月、年）對發電平臺發電量供電量曲線、供熱效率、溫度曲線、發電平臺耗電分析、發電平臺能效、熱電效率、理論發電量和實際發電量曲線進行分析。

（3）節能分析及管理

對能源、生產、生活能耗數據進行采集、處理、分析，及時了解和掌握各種能耗的生產、使用過程和重點能耗設備的運行工況，在信息分析的基礎上實現能源管理的流程優化再造，并具備以客觀數據為依據的能源消耗評價體系。

通過能效監測和各類分析，從設備節能、工藝節能和管理節能3 個維度提供節能建議。借助平臺能效社交管理，提高全員節能意識，并通過合理化節能建議的展示及直觀的獎勵呈現，提升全員節能的參與度，提升管理能效。通過平衡分析，及時發現異常情況，及時止損。

（4）報表管理

報表管理包含各類能源統計及產能統計。主要包含：發電量統計、儲能充電電量統計、儲能放電電量統計、水量統計、暖氣量統計、生產統計、逆變器發電對比、子陣發電對比和設備運行對比等。支持通過不同周期（小時、日、周、月、季、年）及維度進行自定義報表設置。

2.3.3 負荷管理

對礦區生產區和生活區用電、水、熱等能源損耗狀況進行全面監測、分析和評估，并為用戶提供能耗統計、節能診斷、能效管理和分析決策等服務。通過對能源消耗過程信息化、可視化管理，優化生產區和生活區用能過程，科學、合理地制定生產區和生活區能耗考核標準和考核體系，有效降低生產區和生活區能耗并提升管理水平（圖8、圖9）。

圖8 實際負荷曲線

圖9 能源供應柱狀圖

（1）負荷監測

對礦區生產區和生活區電、水、熱等數據進行統計，可按日、月、年生成能耗歷史曲線，可在地圖中以顏色標識用能量的展示。

（2）能效管理

1）能耗監測

①分類能耗：按照能源種類分為電、熱、水進行計量，做到每類負荷逐時、逐日、逐月、逐年各項指標累計、排序、分析。

②分項能耗：按照負荷性質進行分項計量，做到各分項回路逐時、逐日、逐月、逐年能耗統計、分析。

③設備能耗：按照設備類型進行高耗能設備的能耗計量，通過設備用能模型，進行能耗統計和分析。

④建筑能耗：按照樓宇進行計量，做到每個樓宇逐時、逐日、逐月、逐年能耗累計、排序和分析。

⑤檢修日能耗：統計出監測電、熱、水工作時間、休息時間、檢修日時間的歷史能耗值，并對待機能耗、工作能耗、檢修日能耗進行分析，掌握設備待機能耗情況。

⑥工藝能耗：針對采礦和選礦各工藝環節的能耗監視，做到每個環節逐時、逐日、逐月、逐年能耗累計、排序和分析。

2）用能分析

實現能源績效管理、能源成本管理、能源統計分析等功能。對生產進行整體工藝流程的能耗采集，并針對重點能耗設備進行單獨測量，通過電平衡分析、水平衡分析、單位能耗分析以及能效對標等手段查找能耗源并進行能效分析，實現生產能源流程監控，提高能源利用率。

①用能對比：用能對比可根據用戶的需求展示全年/每月整體用能情況，根據大數據分析以及技術積累，分析各工藝環節及生活負荷不同時間段整體用能情況的環比率及同比率，并統計展示單品能耗、各類能源花費等。

②用能提醒：根據用能數字化情況，結合未來生產計劃，合理安排用能計劃，超過計劃用能，系統將會主動預警提醒。

③尖峰平谷分析：統計尖峰平谷時間段用電量以及電費，錯峰后節約用電以及電費展示。

④負荷分析：直觀呈現用電區域最大負荷、最大負荷發生時間、最小負荷、最小負荷發生時間，平均負荷；直觀呈現用電區域峰谷差、峰谷差率等。

⑤設備負荷率分析：直觀呈現重點用電設備最大負荷、最小負荷、平均負荷、負荷率、最小負荷率等重點指標。

⑥電能質量分析：直觀呈現重點線路電壓、頻率、功率因素合格情況。主要包括：最大值、最大值偏差、最小值、最小值偏差，合格率等，并且當電能質量超標時會主動提示。并對諧波進行分析，包括諧波電流日最大值統計、諧波電壓含有率最大值統計、基波有功功率和諧波功率對比，2～21 次諧波數據查看等。同時，實時分析三相不平衡度，統計和分析不平衡度情況，時間多維度統計、展示。

2.3 .4 輔助決策

輔助決策是通過對能耗分析預測和區域能耗預測、生產產能分析預測，結合分布式光伏電站特點、儲能以及結合經濟因素，系統實時動態生成合理的生產經營調整方案及能源負荷設置方案，為經營管理人員及運行人員決策參考。

3 總結

本文主要介紹綜合智慧能源管控系統總體結構和系統功能，從數據采集控制系統、監控中心系統、能源調度管理等方面進行了分析和描述。系統數據可通過移動客戶端發送至相關人員，便于管理人員實時了解礦區能源管控動態?，F實了供電、供水、供暖、換電一體化的綜合智慧能源管控模式，全力保障礦區的用能需求。

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