“物聯網+”智慧綜合能源站運營模式與優化策略

張紅榮，張 峰

（1.江蘇聯合職業技術學院宿遷中專辦學點，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷開放大學，江蘇 宿遷 223800）

0 引 言

能源需求與經濟發展密切相關，隨著國家經濟和產業的發展，對能源的需求勢必將大幅度上升，能源短缺將成為困擾各地區經濟發展的重大問題[1-3]。能源枯竭時代，電能已經成為人們關注的重要問題。作為僅有500萬左右常駐人口的地級市江蘇省宿遷市，2022年1—10月全市用電量231.74億千瓦時，同比增長8.8%。宿遷市初步規劃“十四五”時期新建集中式光伏發電86萬千瓦、分布式光伏發電20萬千瓦；到2025年年底，全市可再生能源裝機將達386萬千瓦。預計到2041年，我國的電力消耗在總能源消耗中的比例將從2021年的22%上升至28%。在此背景下，如何提升電能生產和使用效率，滿足用戶側的電能服務需求，實現電力系統的綠色生態化，成為行業亟待解決的問題[4-5]。

基于尖端的“物聯網+”技術的智慧綜合能源站，可以幫助能源客戶和制造商，根據能源定價、供應和市場的變化，尋找有效的能源管理、跟蹤和節約方法，有效地減少電力系統問題的產生。

本文據此出發，概述了“物聯網+”智慧綜合能源站的建設意義，分析了“物聯網+”智慧綜合能源站技術，提出了“物聯網+”智慧綜合能源站的運營策略。本文研究有助于能源行業從業人員更好地理解“物聯網+”智慧綜合能源站，掌握“物聯網+”智慧綜合能源站的建設，最終依托“物聯網+”智慧綜合能源站，早日實現我國的能源產業革命。

1 “物聯網+”智慧綜合能源站的建設意義

1.1 打通能源體系環節壁壘

自第二次工業革命以來，能源系統經歷了四個階段；分散式系統、集中式系統、分布式系統以及最新的智能物聯系統[6]。現階段，軍隊、商業、醫藥和防護，都擁有重要的物聯網系統。在能源領域，物聯網通過提供有關電力管理的信息，在電力供應不可靠的地區和電力過剩的地區之間取得平衡；物聯網還可以提供數據作為發電廠的儲備，通過管理高性能發電技術來管理需求和供應。能源領域依賴于移動應用程序、物聯網（IoT）、大數據分析（BDA）和云計算等創新技術，構建可再生能源、分布式電站、儲能技術、電動汽車等與互聯網技術相結合的新能源利用系統。該系統具備四個基本特征：以可再生能源為動力，支持接入大規模發電和儲能系統，支持能源共享和支持交通系統電氣化。

在傳統的能源行業中，信息流與能源流之間存在很高的壁壘，造成很多項目不能融合發展。為此，國家電網公司于2019年3月，提出加快建設泛在電力物聯網的重大部署，成為“物聯網+”智慧綜合能源站落地的里程碑[7]。基于“物聯網+”的智慧綜合能源站，通過物聯網技術來實現電源狀態的快速切換，并將服務器電源需求與可用電源預算相匹配。基于物聯網的同步機制，智慧綜合能源站將負載能耗與可再生能源供電相匹配，為可再生能源電力調整方案，能夠管理間歇性可再生能源，同時控制所需的性能水平，最大限度地提高能源利用率，同時最大限度地減少數據中心的負載匹配活動。在智慧綜合能源站，通過集成IT的使用來衡量需求變化，以利用電價、可再生能源發電率和冷卻效率的時間變化，最大限度地提高智能電網數據中心的效率。

1.2 發揮能源大數據的價值

信息技術的進步極大地推動了能源領域的發展。以智能電網為例，智能電網是將傳統電網與先進的信息技術 （IT）和通信網絡相結合，以更高的效率和可靠性提供電力，同時降低成本和環境因素的影響。而在智能電網落地的過程中，需要包括網絡物理系統、配電管理系統、地理信息系統、停電管理系統、客戶信息系統以及監督控制和數據采集系統的有效支持。管理這些系統需要對監視器、傳感器、儀器儀表、相機和計算機捕獲的大量數據進行高效的實時數據處理和分析，以提高效率并避免延遲和系統停機。因此，能源數據中心每天都會產生TB數量級的大數據，該數據可用于許多不同的應用：實時漏洞評估、需求管理、預測分析、盜竊檢測、能源交易、經濟調度等[8]。這就使得傳統的數據庫管理工具，在管理這些龐大而多樣的數據集時，表現得相當困難。

對于能源大數據需要先進的管理方法。在這方面，通過“物聯網+”智慧綜合能源站，可以了解發電站現在可獲得的容量和資源，將有助于電力能源供應商調整電力供應，以滿足不同用戶的用電要求。在物聯網技術支持下，“物聯網+”智慧綜合能源站的目標是通過云計算、大數據技術和物聯網技術，支持電力能源的投資和組合的戰略決策，并構建面向企業的云系統和用戶界面。在實際中，智慧綜合能源站可以幫助企業、建筑物和公寓等客戶，控制和監控能源管理系統（EMS），用于調節和管理電力，使其以最佳狀態運行；“物聯網+”智慧綜合能源站可以利用各種傳感器獲取EMS中的信息，增強電力基礎設施的保護和安全性。

2 “物聯網+”智慧綜合能源站的技術分析

2.1 “物聯網+”智慧綜合能源站的重點層級

通常為消費者和其他最終用戶提供的控制和監視功能，是“物聯網+”智慧綜合能源站整個技術的核心部分。在實際中，“物聯網+”智慧綜合能源站使用從采集器設備收集的電氣特性和能源使用信息，被作為決策機制進行本地能源自治；“物聯網+”智慧綜合能源站還充當連接消費者和供應商的網關，從供應商處收集有關授權峰值負載限制的輸入，這些輸入隨后會輸入到“物聯網+”智慧綜合能源站組件中，并對其進行評估以更新每個家庭的峰值負載限制；然后，根據設備接收到的能量信號和客戶的負載優先級偏好，選擇是打開還是關閉一組最終用戶設備，以避免在整個高峰流量期間產生大量無用的電能消耗。

此外，“物聯網+”智慧綜合能源站還負責收集所有使用單元的負載調節器的能源利用信息，為消費者提供UI訪問真實的功耗信息，并允許設置設備的優先順序。這使“物聯網+”智慧綜合能源站的控制系統，能夠接收來自業務系統單元的指令，并將其收集的有關能源使用的信息傳達給SEM門戶。每個負載控制器都通過使用軟件透明模式來促進通信，進而與SEM組件聯系。在從每個容量調節器收集信息后，SEM單元執行獲勝方法并將控制指令傳遞給每個加載控制系統。因此，發展“物聯網+”智慧綜合能源站有六個目標：（1）使客戶有效參與；（2）適應生成和存儲的所有選項；（3）提供新的產品、服務和市場；（4）提供較高的電能質量水平，以滿足廣泛的需求；（5）優化資產利用率并提高效率；（6）能夠快速應對干擾和緊急情況[9]。

依據上述目標，將“物聯網+”智慧綜合能源站細分為如下6個層次：

第 1 層，能源設備層，是“物聯網+”智慧綜合能源站所連接的基礎用電設備和用電系統，如照明、充電系統等。

第 2 層，感知層，又叫傳感層，是通過安裝智能電表完成的。通過以太網成功建立連接后，可以將生成的SPMSS能量信息上傳到Web服務器。利用信息監控系統或信息監控設備，可以訪問和跟蹤更多提交的信息。

第 3 層，邊緣層，是“物聯網+”智慧綜合能源站業務系統中的邊緣計算，如能源路由器等，旨在通過計算，實現數據分析和故障研判等。

第 4 層，網絡層，又叫傳輸層，使用 WAMP 服務器，以實現用戶名在 WAMP 服務器內的本地和“網絡域”之間的切換。為了建立可信賴的連接，“物聯網+”智慧綜合能源站還采用全新的、先進的自我診斷技術。通過考慮不同的工作負載，顯示可定制優先級排序功能。

第 5 層，平臺層，又叫數據層或者學習層，是“物聯網+”智慧綜合能源站打破傳統系統的數據煙囪，是實現能源大數據分析的關鍵部分，用于“物聯網+”智慧綜合能源站的學習和新知識的產生。

第 6 層，應用層，是最直接產生價值的環節，用戶在正確登錄后可以訪問智能終端，查看實時數據信息、用電需求統計、能源消耗歷史圖表。

2.2 “物聯網+”智慧綜合能源站的控制系統

為了讓不同的客戶設備在“物聯網+”智慧綜合能源站下，利用XBee嵌入式模塊單元與SEM網關進行交互，“物聯網+”智慧綜合能源站會接收來自每個已連接的智能電表的電力統計數據和公用事業信息，通過使用確定的能源管理方法有效地安排每個設備，以處理基于市場的資源利用，實現能源的有效使用[10]。因此，所提出的“物聯網+”智慧綜合能源站控制系統，必須考慮客戶的偏好并能夠繼續運行最重要的設備，即使在公用事業提供的電量低于峰值負載時也是如此。具體流程如下：

第1步，首先收集每個電器的用電量信息，這些信息會按照精確的順序收集。

第2步，根據客戶需求和期望整理電源要求信息后，分析是否存在違反相關要求限制的情況。

第3步，SEM網關發送請求，在不違反MDL準則的情況下打開盡可能多的高優先級設備，并發送關閉其余設備的指令。

第4步，關鍵程序還測試任何已打開的設備的后續峰值使用情況。

第5步，SEM網關在向每個設備發送適當的控制信號后，將等待30 s，然后再進行后續數據收集。此外，在等待期間，客戶可以根據自己的舒適度調整設備優先級，然后繼續步驟1～5。

具體的控制系統如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智慧綜合能源站的控制系統

3 “物聯網+”智慧綜合能源站的運營策略

3.1 “物聯網+”智慧綜合能源站電源側運營

在電源側，現代通信技術的進步使得提供實時數據和管理供需平衡成為可能。有時傳統的系統無法檢測到電力系統的振蕩。在使用可再生能源時，此類應用非常重要，因為這些能源最有可能對連接電網與偏遠地區的長距離輸電線路造成不可預測的壓力。充分管理這些大數據可以促進智能電網和分布式能源的需求響應。在此背景下，“物聯網+”智慧綜合能源站可以在不同點之間提供更好、更安全的雙向通信，以促進能源市場中的能源資源有效利用。在電源側，“物聯網+”智慧綜合能源站的運營特點是在電力系統的發電、輸送和消費中使用物聯網技術，以維持可靠和安全的電力基礎設施，以滿足未來需求增長。它意味著智能集成來自連接的生產者、消費者和產消者的所有操作，以提供可持續、安全的電力能源。

在實際中，為了降低“物聯網+”智慧綜合能源站計算復雜性，并捕捉負載需求、WPP和WDG輸出功率以及每個站EVT的充電模式的短期不確定性，建議“物聯網+”智慧綜合能源站使用精確的CTPC算法。該算法可以保持時變參數的時序性（跨期特征），同時考慮電負荷與電需求、電功率的相關性。因此，在WPPs和WDGs的高滲透率下，可以在長期范圍內更準確地捕捉短期不確定性。利用CTPC算法，通過“物聯網+”智慧綜合能源站，用戶可以進行實時交互，可以提高生成和分配函數的效率和魯棒性。

3.2 “物聯網+”智慧綜合能源站控制側運營

信息時代，通過“物聯網+”智慧綜合能源站從多種多樣的數據源中提取信息變得至關重要。其中，數據將通過物聯網的廣泛使用和智能城市的智能EMS獲得。智能EMS通過提高使用率、預測操作和維護、降低能源支出以及增強平臺在不同環境條件下的可靠性和一致性來消耗更少的能源。在控制側，“物聯網+”智慧綜合能源站的運營，為能源大數據的供給和傳輸，實現了更好的感知、控制、信息溝通和共享，以及更理性的決策。通過“物聯網+”智慧綜合能源站，可以更好地實現電力消耗的自動化、監控和控制，以最大限度地減少能源消耗對環境的影響、擴大能源市場、提高能源行業的可靠性和服務水平、降低能源成本和提高能源利用的效率。

在實際中，“物聯網+”智慧綜合能源站的控制系統由六層組成。上層和不太復雜的層專門用于存儲數據、訪問數據和進行計算；中間層和數據層負責管理和共享數據，整合不同應用和領域之間的數據，其中數據隱私是這一層的關鍵問題；在底層和最深層，數據挖掘平臺通過數據融合技術進行數據預處理。由于數據量的增加，數據存儲和管理被分成許多子任務，在多個計算節點上執行。這種分層結構用于執行故障事件分析、風險分析、能耗預測、維護管理和狀況監測。該架構的關鍵部分是物聯網、大數據工具、數據庫和云環境。在該系統中，使用適當的物聯網技術將數據從狀態監測傳感器傳輸到由多個數據中心或控制中心組成的云平臺，以執行數據分析。在云層面，根據對捕獲的大量數據的分析，觸發決策過程以進行狀態監測和診斷。

3.3 “物聯網+”智慧綜合能源站用戶側運營

在傳統的無源配電系統中，重點是將預定量的電力從輸變電站分配到中壓和低壓負荷中心。因此，輸配電系統的運行和規劃定期單獨進行。隨著分布式發電（DG）的高普及率和需求響應計劃（DRP）的高份額的配電系統改革，負載需求的本地供應正在成為主動配電的現實網絡。這種基本轉變使能源站能夠作為可調度資源運行，并顯著影響凈負荷需求曲線。在物聯網技術的加持下，基于“物聯網+”的智慧綜合能源站，能夠充分發揮調度、監控功能，對于提高電力能源的利用率至關重要。在用戶側，“物聯網+”智慧綜合能源站的運營涵蓋配電、存儲和最終消耗，以實現效率管理、需求管理、所需可再生能源的測量和二氧化碳排放管理。因此，“物聯網+”智慧綜合能源站有助于準確估計所需能源并減少能源浪費。

在實際中，“物聯網+”智慧綜合能源站是橋接消費者和能源供應商之間的溝通渠道。也就是說，使用“物聯網+”智慧綜合能源站可以在消費者和公用事業公司之間建立雙向通信，以管理需求響應服務，并通過在線監控消費者的能源消耗來減少能源使用。通過“物聯網+”智慧綜合能源站，實時將用電量和動態定價的信息分別在消費者和公用事業中心之間交換。然而，這給雙向數字通信方面帶來了新的挑戰。因此，用戶側的“物聯網+”智慧綜合能源站運營，需要更多地考慮雙向連接，通過利用物聯網設備監控和跟蹤智能電網、標準通信協議以及數據分析方法，形成雙向數字通信的應用程序，簡化消費者/產消者數據與公用事業公司的傳輸，反之亦然。

4 結 語

“物聯網+”智慧綜合能源站是一種范式，它通過物聯網技術在能源體系各環節之間引入連接，以創建新的服務和應用程序。使用“物聯網+”智慧綜合能源站，可以隨時隨地連接虛擬和物理事物，解決了智能電網實現中的一些問題，如大量智能電網設備的跟蹤和連接，以及智能電網設備之間通過泛在、分布式和自主通信網絡的協作。因此，“物聯網+”智慧綜合能源站能夠加速促進智能電網的廣泛進步。考慮到電力系統的運行與規劃，本文提出了一種“物聯網+”智慧綜合能源站的重點層級和控制系統，在最簡單的情況下利用物聯網技術實現能源管理的數字化和控制。在此基礎上，本文還論述了“物聯網+”智慧綜合能源站的運營策略，推動實現能源領域的深遠變革。當然，借助“物聯網+”技術更加高效地利用能源的前提是能源站的科學設計。為了適應時代的發展，目前在設計智慧綜合能源站時，更多的是采用三維數字化設計技術。三維數字化設計技術融合了變電站工程模型和信息工程模型，能夠有效實現能源站生命周期中的各類數據管理。采用模塊化設計和裝配式結構，取代現成“濕法”作業，大大提高了施工效率，并提高了工程的建設質量[6]。