智慧能源互联网平台的顶层设计研究

张志芹

(江苏睿科大器机器人有限公司,江苏 南京 210000)

1 智慧能源服务发展现状

政府工作报告重点指出,“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期,为构建低碳、清洁、高效、安全的能源体系,提高能源利用效能,控制化石能源总量,实施替代可再生能源行动,加快推进碳排放权交易,积极发展能源绿色金融。

根据当今世界的能源发展趋势,为解决化石燃料的逐渐枯竭所造成的高能耗、高浪费、高污染等问题,如何高效利用能源,优化能源资源配置,提供智慧能源服务,推进能源消费的新技术、新产业、新方式,及能源低碳绿色发展,已成为制约中国能源发展的重要问题。

2 智慧能源互联网平台的技术创新

智慧能源互联网平台涉及新能源、分布式能源、清洁能源、储能等多种能源供给方式,以及不同用户的用能体验,由此搭建智慧能源管理服务平台,可以有效对综合能源系统进行全方位的管控。它是综合运用先进的新能源技术、信息技术、智能管理技术的新型能源体系,从多种能源的生产、能源输送、能源配给、能源转化、能源消耗等架构完整的能源生态系统。当前,运用电、气、水、冷、热等多种能源的互相转化和效率提升来组建的能源互联网,成为推动绿色低碳能源发展、保障能源持续创新供应的重要途径,具备供需分散、系统扁平、多能协同、设备智能、信息对称、交易开放等特点[1]。

智慧能源互联网平台实现能源实时监测和展示,通过分类、分层的方式部署多级采集模块和关键数据采集技术监测区域内电、燃气、冷热、水等能源情况及管网情况、公共楼宇、工业企业等多元用户用能情况,并通过能源平衡、能效对比等多维度指标分析,对智慧能源系统进行优化调度。分布式清洁能源发电技术、优化技术及以物联网、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术的运用,为该智慧能源互联网平台的建设提供了技术保障。

3 智慧能源互联网平台的顶层设计

在顶层设计阶段,该平台主要应用于两方面:(1)涵盖燃气、电力、冷热系统的多能源体系的规划、建设和运行;(2)智慧能源服务所包含的用能设计、规划、能源系统建设,用户侧用能系统托管、维护、能源审计,节能减排建设等智慧能源项目全过程[2]。

其框架设计的技术架构需要遵照J2EE的技术规范,运用组件化和动态化的软件技术,并通过共享数据建模的多层架构系统,包括设备层、网络层、服务层、高级应用层、展示层。构建互联网和能源生产、能源传输、能源储存、能源消费、能源市场之间深度影响并融合的智慧能源互联网平台-能源发展产业新形态[3]。其中包括能源供给、能源需求响应、传输、能源形式转换、能源数据应用、能源信息管理和运营调度控制等方面。基于顶层架构的技术路线如图1所示。

图1 智慧能源互联网平台顶层架构的技术路线

3.1 设备层

设备层主要采集分布式发电、热泵机组、储能、采暖、供冷等系统主要设备的重要参数。例如,光伏发电的逆变器运行和运行状态、热泵的供回水温度及功率等。

3.2 网络层

网络层综合利用计算机技术、控制技术、通信与网络技术,对智慧能源系统内重要设备及各子系统进行自控对接,并将相关数据实时准确地传输至监控平台。如平台通过MODBUS485协议连接风力发电系统风机的输出功率和电机温度,通过以太网、PROFIBUS通信总管线管控空气源热泵系统的整体运行。

3.3 服务层

服务层汇总各系统运行的所有参数及分析数据,建立安全的生产、调度、优化与故障诊断的数据基础。通过人工智能、物联网、大数据、云计算等技术、达到渠道监管及服务管理支撑。

3.4 高级应用层

高级应用层即功能层,智慧能源服务平台具有能源监测、能源分析、能源管控、资产运维管理、优化仿真等功能,实现电、热、冷、水、气等多种能源的综合高效利用及与用户的智能互动。

3.5 展示层

通过对智慧能源系统在各个环节的转换及应用进行标准化处理,在工作站、大屏、云平台等界面上展示出综合能源系统内电、热、冷、水、气等各类能源的流向走势、能源消耗、能源转化及能源利用等信息,直观地展示出综合能源整体情况,辅助能源管理。

4 平台应用功能分析

4.1 能源监测

能源监测功能采用SCADA,Lonworks等技术,通过监测接入单位的各种计量点的关键参数、报警及可视化展示,查看有关用户用能的基本情况,查看负荷的监测情况和能耗监测的趋势图[4],主要包括三维监测、系统监测、设备监测、故障监测。

4.2 能源分析

利用大数据分析等技术手段,通过综合能源分析、能源结构分析、能源生产分析及区域运行报告等方式,对数据进行多维立体化设计、归类和分析,从能源容量、产能和用能、用能行为、能效管理、节能服务等全局统筹分析,为能源可持续发展提供支撑,也是实现国家碳达峰、碳中和战略的重要前提。同时,建立可涵盖电、气、冷、热各环节的一套综合评价指标体系。

4.2.1 能源供需容量分析

基于长时间尺度对各类能源生产、消费容量进行分析,包括电网、燃气网、热力网、水网、电气化交通网、清洁能源等进行全面分析和预测,全方位展示能源生产、消费容量状态,侧重于能源的供需预测,指导未来能源规划调整和优化布局。

4.2.2 产能和用能态势分析

基于准实时状态时间尺度,对一次能源、二次能源生产情况、能源使用情况、能源网络状态进行分析,并建立能源、公共交通、市政、工商业等行业等多维度多视角分析模型,充分反映能源需求总量和增长趋势,保证能源供需平衡。

4.2.3 用能行为分析

融合用户、能源互联网、社会多主体的多目标经济效率需求,对不同区域、不同用能主体、不同时间尺度下的用能行为进行分析,初步勾画多维度局部画像。

4.2.4 能效管理

利用数据分析工具和GIS信息,对重点单位、区域、设备进行综合同比环比分析,结合区-块-链等不同属性,构建能效对比,通过实现数据智能挖掘,发现能耗企业用能特性,比对能耗标准,编制标准能耗分析报表;根据历史能耗信息提供不同区域、不同行业、不同能源类型的用能单位能耗预测分析及潜力态势分析。

4.2.5 节能服务分析

促进用户节能工作,提高能源利用效率。用户的节能降耗工作是响应国家节能减排号召以及用户能源管理建设的重要工作之一。运用新一代信息技术对用户的能源利用效率进行科学管理,能提升多能源高效地配置实物资源,带动整个行业的技术进步,实现产业改造升级与结构优化,进一步提高经济管理运营的水平,并将更进一步提高用户的生产效率、减少能源消耗,更加科学有效地运用能源资源。

4.3 能源调控

能源调控是实现能源经济运行的核心功能,包含SCADA、多能流实时建模与态势感知、多能流安全分析与预警、多能流优化调度控制、能源调度控制(微电网控制、冷能调控、热能调控、热水调控)等。分维度地对多能流负荷进行多时间尺度预测(日前、短期和超短期),包括产能预测、负荷预测、配比预测,分区域地支撑全局互联互济,分行业的能源供需合理优化。

4.4 运维管理

运维管理是智慧能源互联网平台最关键的部分。运维管理不仅包括建站、发电计划、设备能效评估、KPI考核,还包括巡检存档管理、维修保养管理、故障管理、统计分析。

4.5 优化仿真

基于能源在线监测实现能源供应与消费的实时跟踪和预测,进行区域能源的优化仿真模拟,为智慧能源互联网平台提供决策支持[5],包括配电仿真系统、配热仿真系统、配冷仿真系统、配热水仿真系统等仿真功能,利用大数据分析技术进行仿真服务的效益评估,实现智慧能源互联网平台仿真的全流程管理。

5 总结

本文对智慧能源互联网平台的顶层设计研究,开创了新能源发展新模式、新业态、新发展,从智慧能源服务的多能协同与多网融合规划建设、多能源联合协调与区域协调优化、海量数据挖掘与用户行为分析、培育合理的绿色能源交易机制等角度,构建了智慧能源互联网平台的总体架构。该平台以多种能源的互补优化及区域互联网能源构成的协同优势,形成能源产业链,并带动智慧能源及节能环保产业的发展,为实现国家碳达峰、碳中和战略提供重要保障。