智慧能源體系信息通信技術(shù)構(gòu)架及實施方案

周 敏

（中通服創(chuàng)發(fā)科技有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

在全球氣候變暖的背景下，我國于2020年提出“雙碳目標(biāo)”，即在2030年前二氧化碳排放力達(dá)到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和。因此，我國必須建立新型能源系統(tǒng)，推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型進(jìn)度，最大限度地減少二氧化碳排放量，盡早實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”。智慧能源作為一種環(huán)保、高效的能源利用形式，通過數(shù)字技術(shù)構(gòu)建智能化、智慧化、低碳化的能源體系，以更好地滿足用戶要求，加強(qiáng)對能源的高效利用和管理。現(xiàn)代信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了智慧能源體系的建構(gòu)和實施，需要進(jìn)一步探討智慧能源體系信息通信技術(shù)架構(gòu)及實施方案，為能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

1 智慧能源體系概述

智慧能源體系是基于能源服務(wù)商和終端用戶需求，融合電力、天然氣、熱力等多種能源系統(tǒng)，利用信息通信技術(shù)提供能源計量、工業(yè)控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等智能化和自動化服務(wù)，打造出的一種高效智能、安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的智慧能源體系[1]。要想實現(xiàn)智慧能源體系的高效運(yùn)行，還要依賴于現(xiàn)代信息通信技術(shù)，如大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算、區(qū)塊鏈技術(shù)以及信息通信系統(tǒng)等新型信息技術(shù)。基于現(xiàn)代信息通信技術(shù)，提出更多的解決方案，以優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)功能，為用戶提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，促進(jìn)能源系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。現(xiàn)階段，能源體系構(gòu)建仍以電力為核心，但隨著能源行業(yè)和信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，社會各界對能源體系提出了更高要求。智慧能源體系的構(gòu)建無法依賴于單一的信息通信技術(shù)，需要高度融合信息通信、自動化技術(shù)，即信息與通信技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）。ICT在智慧能源體系的信息流構(gòu)架和實現(xiàn)中扮演者重要角色，對智慧能源體系信息通信技術(shù)架構(gòu)及實施方案的研究尤為重要。

2 智慧能源體系信息通信需求

2.1 功能需求

智慧能源體系通過運(yùn)用信息通信技術(shù)，能夠協(xié)議和控制電力、天然氣、熱力等多種能源的傳輸，主要涵蓋能源計量、工業(yè)控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測3大業(yè)務(wù)。智慧能源體系對信息通信功能需求主要包括以下幾個方面。第一，能源計量。在能源輸入側(cè)、消費(fèi)側(cè)、重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處安裝計量裝置或傳感器，用于數(shù)據(jù)采集、分析、處理、權(quán)限控制。第二，工業(yè)控制。主要包括對電力、天然氣、熱力等分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行控制、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自動化控制、部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制。第三，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。包括監(jiān)測電力、天然氣、熱力等能源網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況；冷熱電三聯(lián)供（Combined Cooling,Heating and Power，CCHP）、儲能裝置、充電站（樁）等重要設(shè)備的運(yùn)行情況。

2.2 性能需求

2.2.1 可用性

智慧通信體系對信息通信的可用性要求，主要表現(xiàn)在能夠支持搖信、遙測、遙控等業(yè)務(wù)。其中搖信業(yè)務(wù)信號通信可用性要達(dá)到99.9%以上；遙測業(yè)務(wù)信號通信可用性要達(dá)到98%以上；遙控業(yè)務(wù)信號通信可用性要達(dá)到99.9%以上，才能為多種能源的協(xié)同傳輸與優(yōu)化控制提供有力保障。

2.2.2 實時性

實時性要求智慧能源體系能以最快的速度對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)。由于智慧能源體系中數(shù)據(jù)傳輸類型較多，包括狀態(tài)量、控制量、量測量，要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸類型設(shè)置優(yōu)先級別，確保每種數(shù)據(jù)類型的傳輸均滿足實時性要求。

2.2.3 帶寬容量

智慧能源體系通信帶寬的設(shè)置，要充分考慮業(yè)務(wù)需求、站點(diǎn)數(shù)量、用戶數(shù)量。例如，在估算變電站終端需求時，調(diào)度數(shù)據(jù)系統(tǒng)帶寬需求一般為192 kb/s。

2.2.4 安全性

智慧通信體系應(yīng)用的信息通信技術(shù)必須符合國家安全要求。例如，電力系統(tǒng)架構(gòu)，必須遵循安全分區(qū)、縱向認(rèn)證等原則，滿足《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》等相關(guān)規(guī)定[2]。

3 智慧能源體系信息通信技術(shù)構(gòu)架

智慧能源體系信息通信技術(shù)構(gòu)架的總體設(shè)計，應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、流程化以及一體化等原則，兼顧業(yè)務(wù)拓展遠(yuǎn)景需求和當(dāng)下項目落實的可操作性，基于新興技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。通過搭建網(wǎng)絡(luò)云平臺，提供智慧能源服務(wù)，實現(xiàn)從底層向上完成能源、數(shù)據(jù)、價值的聯(lián)動。智慧能源體系信息通信技術(shù)架構(gòu)主要由傳感層、平臺層、應(yīng)用層3部分組成。

3.1 傳感層

傳感層主要由以下幾部分組成。第一，數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)層。用于放置能源數(shù)據(jù)采集模塊，通過采集模塊匯集能源數(shù)據(jù)，并傳至智能通信電源，以特定通信協(xié)議上傳至云平臺服務(wù)器端。以電力系統(tǒng)為例，在配電室的配電柜內(nèi)安裝電能數(shù)據(jù)采集模塊，通過該模塊匯集企業(yè)配電柜關(guān)口或回路用電數(shù)據(jù)（包括電流、電壓、功率、功率因數(shù)以及電量等）。第二，通信基礎(chǔ)層。一般用于設(shè)置智能管理單元（Intelligent Management Unit，IMU）、專變終端等，IMU和專變終端可以通過工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485總線等方式與電能數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行連接，還可以通過無線通信、有線通信等方式與云平臺服務(wù)器進(jìn)行連接[3]。同時，需要根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇適宜的通信方式，性能如表1所示。

表1 通信系統(tǒng)架構(gòu)通信方式性能比較

3.2 平臺層

基于區(qū)塊鏈即服務(wù)平臺（Blockchain as a Service，BaaS）的云平臺是一種在云計算平臺上嵌入?yún)^(qū)塊鏈框架技術(shù)，通過云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施合理部署，并結(jié)合云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施管理優(yōu)勢，為開發(fā)者提供高性能、配套的基本架構(gòu)服務(wù)，同時為開發(fā)者拓展服務(wù)提供了重要支持。通常情況下，BaaS是中間件的替代品，但相比于中間件，BaaS能夠提供云服務(wù)，且操作簡單、成本低廉。BaaS能夠提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)，所依賴的硬件設(shè)施主要包括3部分，即網(wǎng)絡(luò)硬件、儲存硬件和服務(wù)器。其中服務(wù)器采用的是虛擬云，由多個集群共同組成，不同的數(shù)據(jù)集群所提供的服務(wù)有所不同。數(shù)據(jù)存儲集群，將采集的能源數(shù)據(jù)儲存于數(shù)據(jù)庫或分布式文件系統(tǒng)；業(yè)務(wù)服務(wù)集群，由實現(xiàn)各類應(yīng)用邏輯的相關(guān)程序組成，通常為上層應(yīng)用提供服務(wù)；OPEN API集群，為用戶的訪問、鑒權(quán)提供統(tǒng)一接口服務(wù)器；應(yīng)用集群，由門戶Portal、運(yùn)維Portal、運(yùn)維中心以及監(jiān)控中心等應(yīng)用程序組成；消息總線集群，負(fù)責(zé)在采集能源數(shù)據(jù)時，提供數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、多路轉(zhuǎn)發(fā)、削峰填谷等服務(wù)；服務(wù)治理集群，為業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)提供服務(wù)管理的服務(wù)集群，如注冊、監(jiān)控、注銷等操作的服務(wù)管理；數(shù)據(jù)采集集群，采集設(shè)備上報的采集數(shù)據(jù)，并將其寫入消息總線，用于儲存或分析[4]。

3.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層的主要目標(biāo)是為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。因此，應(yīng)用層的建設(shè)要根據(jù)用戶對能源的需求，提供相應(yīng)的功能。應(yīng)用層的功能服務(wù)主要包括以下幾個方面。狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測各類能源傳感器設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行；異常監(jiān)測，基于狀態(tài)監(jiān)測設(shè)置階段閾值，監(jiān)測時，若發(fā)現(xiàn)超過階段閾值，則立即啟動報警功能，通知工作人員及時進(jìn)行檢修；健康體檢，通過狀態(tài)監(jiān)測收集能源設(shè)備的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對比，確定設(shè)備狀態(tài)；服務(wù)推薦，為用能企業(yè)（選擇適宜的用能服務(wù)商）和用能服務(wù)商（選擇適宜的用能企業(yè)）提供相應(yīng)的服務(wù)；策略提供，基于用能企業(yè)的用能情況，提供科學(xué)的用能方案，以降低用能企業(yè)的能耗[5]。應(yīng)用層的建設(shè)是為了給用戶終端提供更多樣化的定制服務(wù)，為金融主體的項目融資提供適宜的方案。

4 智慧能源體系信息通信技術(shù)構(gòu)架實施方案

4.1 工程概況

某綜合能源園區(qū)，旨在實現(xiàn)光伏、天然氣、風(fēng)能等能源的互補(bǔ)和循環(huán)利用。園區(qū)規(guī)劃面積為120 km2，包括2座110 kV變電站，1座液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）工廠，1座加氫站（壓力參數(shù)為35 MPa），還包括若干臺熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)、光伏裝機(jī)、風(fēng)電裝機(jī)，額定功率分別為27 MW、32MW、16MW。該園區(qū)利用風(fēng)、光、天然氣等能源進(jìn)行發(fā)電，為LNG液化、制氫、充電等環(huán)節(jié)提供電能。同時，將富余的電能儲存起來用于上網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為電池儲能。發(fā)電產(chǎn)生的熱能能轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，用于園區(qū)內(nèi)化工、紡織、食品生產(chǎn)等企業(yè)，富余的熱量可用于園區(qū)冬季供暖。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

綜合能源園區(qū)智慧能源體系架構(gòu)由能源層（傳感層）、平臺層、應(yīng)用層組成。其中能源層主要負(fù)責(zé)風(fēng)、光、天然氣等能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸以及利用；平臺層為基于BaaS的云平臺，通過該平臺實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集和傳輸；應(yīng)用層主要基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)等新型信息技術(shù)提供功能服務(wù)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測能源設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為各種能源交易提供數(shù)據(jù)支撐，為用戶提供定制化能源方案[6]。

4.3 通信架構(gòu)

綜合能源園區(qū)智慧能源體系通信架構(gòu)是以光纖為主，結(jié)合多種通信技術(shù)的融合通信網(wǎng)絡(luò)，可以滿足高可靠、低時延、低差異的通信需求，有利于建立智慧園區(qū)能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺與終端之間的聯(lián)系。園區(qū)骨干網(wǎng)設(shè)置了Opti Xtrans光傳輸設(shè)備，單通道寬帶為200 Gb/s；擁有3個接入網(wǎng)，272個吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（Gigabit-Capable Passive Optical Network，GPON）端口；駐地網(wǎng)采用5G技術(shù)，可以接入1.3萬只能電表。通過工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485總線接入配電智能終端設(shè)備。

4.4 系統(tǒng)測試

測試綜合能源園區(qū)智慧能源體系架構(gòu)的性能參數(shù)，主要包括傳輸速率、傳輸延遲、誤碼率等。測試結(jié)果以傳輸延遲為例，終端與子站的傳遞時延小于20 ms；傳感器與主站數(shù)據(jù)傳遞時延小于20 ms；無人巡檢數(shù)據(jù)回傳時延小于5 s。表明該園區(qū)的智慧能源體系架構(gòu)可以達(dá)到各場景對數(shù)據(jù)傳輸延遲的要求，能夠為綜合能源園區(qū)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

5 結(jié) 論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，智慧能源體系的建設(shè)為大勢所趨。可以在智慧能源體系的建設(shè)中融入更多種類的能源，以提高能源系統(tǒng)運(yùn)行的智能化和自動化程度。需要注意的是，智慧能源體系的正常運(yùn)行無法依賴于單一的通信技術(shù)，需要融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)搭建智慧能源云平臺，以加強(qiáng)對數(shù)據(jù)的高效處理。因此，相關(guān)研究者要積極探索建立智慧能源體系信息通信技術(shù)構(gòu)架的方法，為綜合能源系統(tǒng)的智能化和高效化運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。