浅析智慧能源的有效利用技术

张素娟

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070）

智慧能源通过物联网等通信信息网络技术系统，实现对能源的加工生产、能源的运输、能源类型的转换、能源的存储和能源消费的管理和控制。智慧能源属于优化性结构的新型能源管理模式，实现清洁低碳、可持续发展。作为现代科学技术的重要产品，智慧能源管理系统已成为评定社会体系建设是否完善的标准之一。智慧能源管理系统是解决社会发展对能源需求日益剧增与环境保护矛盾冲突、各类型能源在生产和消费中的浪费现象的重要工具。能源消耗领域不断变化，新的业务形式和新的技术模式不断涌现。我国新能源领域的研究方向是以开发利用新型可再生能源为导向，依托物联网的新型科学技术，开创创新各种新模式，研究各种能源的可持续发展策略，构架新的能源体系，打造新型能源可持续发展规划。

1 智慧能源管理系统的目的

随着“3060”碳目标的提出，可再生能源的地位再次提高，社会对环境保护的要求越来越高，人们的节能意识也不断提高，智慧能源管理系统的研究和推广具有重要的现实意义和应用价值。

（1）用户体验。

在不损害或牺牲顾客对能源使用体验的前提下，对智慧能源管理系统进行设计和开发，还需要满足顾客在使用能源时的方便性、安全性和可靠性，达到减少能源损耗和有效提高能源利用率的目标。

（2）全新远程管理。

智慧能源管理系统可以通过互联网等相关技术进行远程管理，让顾客进行在线观察，并进行相对应的操作，完成对各种能源的智能化管理和实现现场无人化的安全操作目标。

（3）降低能源消耗。

智慧能源管理系统可以通过统筹能源之间的分配管理，有效降低不同类型能源间的相互消耗和浪费情况，为顾客降低成本。

2 智慧能源管理系统的特点

2.1 智慧能源的新生产方式

智慧能源以不断降低传统不可再生能源的消耗为最终目的，打破了以往比较单一的能源生产、运输以及消费的管理模式。智慧能源平台对所有的可再生能源和不可再生能源进行统一管理和优化，实现对能源的实时监控，预测其具体发展趋势，为相关机关部门和企业统筹管理各类能源，预先配置发展所需的能源和提升能效提供数据支撑与方案支撑。

2.2 智慧能源的消费方式

以客户为关注焦点，深入了解客户的各种能源需求，以物联网等通信信息科技为平台，实现客户用能方式的互补，为客户和能源供应商构建双向的互动模式和互动渠道。在终端可以为客户配置相应的App、小程序，提供用能查询功能以及推送用能等，使客户可以自主灵活操作选用价格合适的用能供货商，主动加入机关部门和企业间的能源管理模式，让客户体验到良好的用能服务和更经济的价格。

3 智慧能源的有效利用技术研究

智慧能源的分布式管理平台是为了达到数种能源之间的优化配置，更有效地减少CO2的排放量，提升能源的有效利用率，减少社会发展的能源成本，有效保护周边的环境。

智慧能源管理系统平台可以分为分布式能源管理监控系统（DERC）、能源企业的管理系统平台、客户的家庭能源管理系统（HEMS）、楼宇能源管理系统（BEMS）、工业能源管理系统平台（BEMS）、电动车充电管理系统等以及相关的连接系统等。可以有效进行能源的实时监控，通过各种能源之间的互补互通关系协调改进，达到全面覆盖、相互感知以及智能协助、信息安全互通、节能减排、提高能源利用率的目的。

4 基于物联网的智慧能源管理系统设计

4.1 智慧能源管理系统的设计

智慧能源管理系统通过远程操作技术控制和降低能源损耗，并对各类型的能源进行合理分配。智慧能源管理系统的总体结构包括主控器、数据采集器、智能控制系统以及显示终端设备。数据采集器通过智能控制系统进行连接操作，主要对能源信息数据进行收，如电能消耗、功率、电流、电压等。智慧能源管理系统的内部网络通过无线通信技术模块实现，完成命令传输和数据参数传输；智能控制系统使用GNU/Linux平台对系统进行操作和控制，需要对相关的算法进行分析和计算，实现算法预测和相关指令处理；显示终端设备连接互联网，通过远程显示和操作控制完成对能源信息数据的交互和存储。

智慧能源管理系统功能框架如图1所示。

图1 智慧能源管理系统功能框架

4.2 物联网的设计

物联网的设计方案是在无线通信网络的基础上进行开发和设计，需要对网络建设的成本、安全性、稳定性以及延迟性进行研究。从设计方案的安全性和稳定性出发，应对网络拓扑的结构进行详细设计，使其拥有较高的修复能力，保证安全稳定性。就成本和延迟时间而言，网络拓扑结构设计应简洁，减少路由功能节点，有效降低成本，缩短延迟时间。就智慧能源网络信息互动而言，对网络数据传输延迟时间的要求较高，对稳定性的要求不高。总体成本是重要因素，直接影响系统的普及度。控制芯片的无线通信技术可以使用单片机技术，属于集中式单片机控制内核，可以通过互联网对智慧能源系统中电气设备的开关进行开闭功能控制。

无线通信技术设计中，其网络节点设计使用ZStack协议进行软件开发和设计，主要对程序层的软件进行编写，设计终端节点和协调器节点的软件开发设计。终端节点的软件设计是应用在传送传感器采集到的信息数据到指定的协调设备中。协调器节点的软件设计目标是建立和维护用户在互联网使用能源需求与主控制管理系统的信息交互，通过接口网关控制器，将信息数据根据指令要求传入终端系统。

4.3 智慧能源管理系统的网关主控器设计

智能网关主控制器是智慧能源管理系统的核心控制器，负责协调命令和传送信息，例如对互联网交互指令进行传送和信息存储、智能预测控制功能。智能网关控制器可以存储已经采集的相关信息数据（如能耗数据、电压电流数据），通过智能算法对信息数据进行分析和特征值计算，得到预测结果。将预测的结果、客户端和主控制器之间的交互与其所收集的数据通过物联网反映在互联网上，并根据网页的指示采取措施。

（1）硬件设计。

智慧网关主控制器的硬件设计主要包括复位电路、时钟电路、电源电路、串口电路、网卡、SD卡以及微型CPU处理器。本系统选择性能较高的S3C2440A作为智慧能源管理系统的CPU，处理各种复杂的运算工作。

（2）软件设计。

智慧网关主控制器的软件设计涵盖控制子程序、电器的智能预测、电器模式识别子程序和系统子程序等。系统子程序用于完成节能系统的任务调度，保证相关任务的有序和正常运行。电器识别子程序用于识别电器的类型和状态，并将结果返回主程序。电器的智能预测用于预测各种电能参数，通过模式识别子例程进行操作，以实现智能节能。

4.4 智慧能源管理系统的软件服务器设计

智慧能源管理系统的软件远程控制系统主要通过互联网实现网络通信，主要由三个部分组成，即网页交互程序、系统数据库和网络服务器。

（1）服务器设计。

智慧能源管理系统的控制终端是互联网的控制界面，需要一个互联网服务器程序与客户进行信息数据交互。智慧能源管理系统的并发权限较少，可以选择互联网服务器。将能源的信息数据上传网关接口程序中进行数据信息分析，分析完成后反馈计算结论，通过互联网客户端传递内容。

（2）数据库的方案设计。

智慧能源管理系统包括用户数据库以及能源参数信息数据库。能源参数信息数据库负责存储所有能源工作参数，例如电能数据表、电特性类型数据表、电特性模拟量数据表等相关能源过程的信息数据；用户数据库的功能是存储基本用户信息。

（3）通用网关接口程序设计。

选择通用网关接口程序实现服务器与互联网的信息交互功能，使用C语言编写的通用网关接口处理软件代码，可以有效提升控制管理软件的兼容性和可移植功能。

5 结语

智慧能源系统平台以物联网等先进通信技术以及人工智能技术为技术基础，与传统能源生产模式、运输方式、存储方式及传统消费模式相比，具有更现代化的数字信息功能，可以自动、自主、精准计算用能数量和方式，进行深度互动交流，实现各类能源之间的广泛协调和优化配置。通过统一的对接接口要求，实现各个区域间的能源与信息互通共享、各类能源间的有效配置，更充分有效地利用能源，大幅度减少大规模能源浪费现象的出现。现阶段关于对智慧能源管理系统平台的研究还处于起步阶段，没有统一的标准体系和技术要求，智慧能源管理系统的框架和运用技术体系存在多种形式。随着国家对智慧能源管理系统的重视度不断加强，智慧能源管理系统可以通过统一的接口标准和技术，实现区域之间能源与信息的有效互通和共享，避免不同的技术要求导致技术隔断，产生不必要的成本，行业技术标准的统一也能够更好地指导行业快速发展。