多模式多场景综合能源数字化智慧运营中台技术与应用

中电投东北能源科技有限公司 杨文涵 傅 腾 张 敏 郑立军 国家电投集团东北电力有限公司 陈晓利

引言

当前，能源转型成为全球发展的趋势，世界各国纷纷布局新能源、综合智慧能源领域的建设，我国革命性提出了3060双碳战略绝对目标，亦相继出台了一系列节能增效相关政策措施，旨在调整能源结构、提高能源效率。综合能源服务作为适应现代能源供应体系和消费方式多样化变革的需要，融合供能侧多种供能方式和用能侧多种需求响应的能源服务创新模式，打破了原有“电热冷气水”多门类能源供应壁垒，结合不同场景用户侧需求定制供能方案，实现多种能源形态协同转化、优化配置，获取经济效益最大化。但目前综合能源服务市场尚处于孵化阶段，综能管控技术尚未成熟，区域能源管理主要呈现以下几个方面的问题：

能源管理粗放，浪费现象严重。用电设备长时间运行，公共能源浪费严重，用户自觉节能意识薄弱。能源管理粗放缺乏详细实时的能耗计量底层数据，能源浪费现象无法得到有效的监测和重视；信息化水平不高，计量监测水平较低。信息化水平不高，传统的能源监控系统技术难以满足需求，多类型的数据难以获得，缺少详细的数据分析，进而无法支持各类节能分析和控制策略的实施；节能增效新技术应用潜力有待挖掘。物联网、大数据、云计算等新一代信息技术推广度不高，有待结合能源行业开展深入研究，以实现能源供应与消耗全过程的泛在感知，支撑节能降耗潜力挖掘。

针对区域能源管理方面国内外学者在多能互补系统建模[1]、技经分析[2]、规划设计[3]等方面已取得一定研究成果，德国在2008年启动电力能源计划，实现对接电气设备实行标准化的数据结构和设备服务，可独立于生产商支持建筑自动化和能效管理功能；美国C3工时运用大数据技术开放分析引起和能源服务平台，为用户提供能源服务，为实现需求侧响应提供重要支持。

国内目前已开发了众多综合能源示范项目，但综能技术整体处于初级、快速发展阶段，就早期国网天津、国网江苏综能等示范项目[4]来看，虽多能互补综能管控已初显成效，但面向不同综能场景的技术方案、手段类似，未能达到定制化、精细化的能源管控目标。总体来看综合能源管控在储能、多能优化协调控制技术和商业模式创新上还有很多挑战，较多项目技术路线类似，关于面向多模式多场景下综合能源的管控与服务研究不足。

同时在互联网+时代背景下，基于“云大物智移”等信息化技术的应用推动了综合能源服务的飞速发展，随着新能源为主体的能源结构和信息技术更加深度的融合，为深度挖掘节能潜力，实现智能、科学、高效的能耗监管、能效提升、能源管理，保障区域综合能源协调联动、供需平衡、效益最大化，聚焦用户需求，结合先进的信息化技术研发综合能源数字化智慧运营平台，建设开放的能源网服务生态至关重要。

本文基于园区型场景对电热冷汽水多能形态的业务需求，依托智慧中台技术支撑体系，结合端边云协同、边缘计算、物联网、数字孪生等先进技术，开发出一套涵盖能源监测、能源分析、智能预测、设备管理、能源大数据、智慧运营等功能的综合能源智慧运营平台，构建了多模式多场景产品化平台的应用能力和开放架构，打造出可复制推广、快速定制开发、沉淀能力的能源运营产品，基本形成了面向不同应用场景能源供给侧及需求侧的综合能源运行监控、管理及服务的业务链条。并以实际案例应用阐明该平台可满足园区型典型应用场景的综合能源服务需求，最大限度的提高了能源利用效率，在保证安全生产的前提下，实现收益最大化，具有一定的经济和社会效益。

1 综合能源智慧运营平台

1.1 综合能源智慧运营平台关键技术

平台以成熟的物联网技术为底座，基于“云大物智移”等先进信息技术构建，包含6大功能模块，28项行业应用，40多种智能算法，兼容50余种通信协议。

适配多种协议、规约。协议管理：以模板为粒度，管理各种物联网协议的生命周期、负载均衡等；物联网安全：SDK安全、传输安全、平台安全、密钥证书、加解密算法等完整安全体系；多协议支持：支持MQTT协议，支持Qos0和Qos1两种通信质量模式，支持物联网短连接、低功耗CoAP协议，支持LWM2M协议，对接移远BC26、BC32通信模组，支持设备资源读写执行等操作；支持JT808、TCP、Http等物联网常用连接协议。

边缘计算。边缘计算云端管理：云端记录设备资源、峰谷等情况，记录可供下发、调整的边缘计算能力，记录与功能相对应的算法包管理，对计算任务的接收、拆解、调度、分配、结果接收；边缘计算SDK端：通过设备端SDK，将设备资源情况、运行峰谷情况上报至云端，SDK端接收算法包、任务并进行执行处理、结果上报。

物联网设备模型。通过可自定义、自配置的属性、指令和事件，高度抽象和概括种类众多的物联网设备，设备的功能能力、交互数据都可以在系统中灵活、准确定义，从而实现一个高度融合统一的物联网设备接入管理层；配置化解析。配置转换定义：无需硬编码，不需要再增加新的专门的类库或jar包，只需配置数据串流的json和二进制间的转换定义；自动规格化：配置新协议（如JT808等公有协议或私有协议）的数据解析或封装定义，数据自动规格化。

1.2 智慧中台技术体系

基于“1+4”智慧中台技术支撑体系，形成“大平台、小前台”业务局面，推动服务/能力/数据/流程的标准化、全局协同化和智能化。4个技术、数据、AI、业务中台通用能力组件支撑、整合、提炼1个能源智慧运营基础应用能力平台，赋能综合能源业务、快速构建多场景、多模式综合能源智慧运营平台，实现端到端交付及智慧化运营服务。

技术中台。通用能力组件，建立综能智慧运营服务平台基础体系架构，打造中台体系智慧化运营底座。构建统一底层基础平台，将技术能力平台化、共享化，实现全域技术统一、架构互通、能力共享，向各应用、各领域和各行业提供标准、便捷的技术能力，具备多元化能力开放、技术组件协作、业务技术解耦等多方面特点。

数据中台。通用能力组件，建立能源数据资产管理体系，打造中台运行体系的后盾。以全域融合数据为基础，以大数据平台建设为抓手，加强对能源大数据治理所需数据的把控力度，规范化数据服务体系，提升数据质量，打通数据壁垒，实现边缘数据采集、数据处理、数据治理并，并通过数据中台图表能力实现园区能耗数据监测和分析，最终以3D可视化、大屏、移动应用多种方式进行呈现，进一步辅助智能运维决策、交易辅助决策。

AI中台。通用能力组件，建立综合能源服务平台AI能力注入，打造中台运行体系的智慧中枢。AI中台是数据中台的能力延伸，以大数据为主要燃料，通过AI计算引擎、平台服务能力不断沉淀AI通用模型，结合数据中台实现面向业务场景的注智，推动业务数据化向业务智能化演进。通过AI中台针对业务需求可实现快速非代码算法建模、拖拽式算法建模等，并在AI中台实现算法模型的快速在线验证和持续的机器学习，深度挖掘数据资产价值，建立、优化园区预测模型、诊断模型、运行模型，为全业务域的数据驱动型应用提供注智服务，助力能源设备完成智能化运维和调度策略。

业务中台。基于业务中台通用能力组件，提炼、整合标准的平台基础通用能力，构成综合能源智慧运营服务平台基础平台，深度协同前台应用。基础通用业务能力主要包括数字孪生开发、大屏设计器、IOT-物联网平台、IPU移动应用开发平台、快捷应用构建平台、通用能力运营平台、流程服务和场景服务等，实现了企业核心的业务运行机制，提供开放的业务能力运营，实现各应用模块“组态式”快速配置，低成本高效能的场景预设和业务拓展，进一步聚合业务、沉淀能力。

1.3 平台架构设计

1.3.1 总体架构

产品按照“大中台、小前台”的理念进行设计，依托智慧中台技术支撑体系，支撑端边云协同体系架构，确保最低成本最大限度支持多场景，构建面向综合能源服务平台化应用能力。

端：包括供能侧分布式电源、冷热气电，配电侧变压器、电池储能等终端设备，用能侧智能电表、耗能设备等物理对象。

边：位于综合能源智慧管控平台中的底层，其主要功能是感知，识别设备、协议适配、采集信息，包括数据采集系统和边缘管理平台两部分。数据采集系统支持多规约、多设备的集采，并建立外部数据接口，实现外部数值天气预报和数据模型接入，完成内外部数据的实时采集、数据解析处理、数据验证、数据转发和数据异常标识等。边缘管理平台支持设备物联、感知调控、协议适配、数据缓存解析转发、端边节点资源管理协同。目前面向智能调控场景，部署IOT版本的边缘网关基本集成了数据采集和边缘管理功能，构建常见规约库设计，完成规约接入标准化，形成标准能源物模型，实现能源设备的快速接入，具体包括IEC104、MODBUS、OPC、西门子S7规约、MQTT规约等常见协议，支持485、以太网等通讯总线，同时具备4G5G无线通讯功能，以支撑未来融合能量流、信息流的能源互联网生态体系下SaaS应用场景。

中台：位于综合能源智慧管控平台中的中层，其主要功能为处理，即通过平台将采集的信息进行计算、处理和挖掘，对业务的收敛、聚合、沉淀，从而构建企业级核心能力，深化企业价值链条，实现对智能终端的精准监控、科学决策、实时控制的目的。

基础应用能力管理平台（整合提炼）：通过整合智慧能源中台通用能力，提炼能源运营平台基础应用能力，接入、集成服务，构建、聚合业务，代表可以面向用户和业务快速响应、深度触达的应用聚合，可积木式配置灵活组建多模式多场景平台，通过快速的场景预设定制开发，实现各功能模块的快速构建和平台上线；云：位于综合能源智慧管控平台的顶层，其主要功能为扩展，对接各种大数据平台系统，属于系统的高级应用功能。

1.3.2 部署架构

支持本地部署、公/私有云平台、混合云、云边协同等多种部署方式，适用于多种应用场景。

本地部署。通讯网关采集设备信息后，将相应的数据通过以太网总线的方式传输至综合能源监控平台，实现园区综合能源的本地化管理。本应用场景下，需要本地部署能源管理服务器，适用于园区有人不间断值守的情况。

远程部署（SaaS部署）。适用于综合能源远程管理场景，通讯网关感知现场各种能源设备信息后，通过4G/5G的方式，将关键信息上传至公有云/私有云平台，进行远程全方位的实现对综合能源的管理。本应用场景下，除通讯网关外，园区不需配置其他硬件，可最大限度的节约资源，可用于无人值守或者少人值守情况，是未来最重要的监管模式。

混合部署（SaaS部署）。适用于本地部署与远程监控结合的方式。通讯网关采集园区各种能源设备信息后，实现本地能源管理，将相应的数据通过无线方式上送至云平台，实现本地远程协同管理。

1.4 平台技术特点

平台依托智慧中台技术支撑体系设计，整合综合能源智慧管控平台基础能力作为后续平台扩展的底座，以开放构架打破边界，从底层边缘网关积累规约库，到平台层多种智能算法封装，再到应用层业务通用能力整合，构建了各模块可灵活“组态式”快速配置，多模式多场景平滑扩展，低成本高效能定制开发的“小而精”产品化平台，可实现面向业务的快速响应，在不断的推广中沉淀企业级能力，规模化创新水平，聚焦用户需求提供能源运营增值服务。

数据采集标准化：边缘网关规约库积累了国内主流设备和行业规约，系统接口透明规范统一，可快速实现园区能源设备或传感的接入，便于其他系统组网，实现系统的集成与数据共享；中台能力轻量化化：在保证中台具备面向业务场景的智能化能力的前提下，轻量化中台，减少对部署硬件资源的依赖；业务应用模块化：基于中台架构实现业务能力模块化，采用积木式低耦合设计，可快速实现业务功能的搭建部署；多种能源协调化：基于不同能源特性及峰谷平电价差，对能源互补状况和能源收益进行智能分析，为能源最优化运营决策提供依据。

2 平台功能体系

V1.0版本功能主要满足园区用户的能源监测、多能源互补特性挖掘的实际需求，实现标准模块、快速部署的“小而精”的前期产品战略目标。系统应用功能采用组件化设计，可按需定制组合、无缝集成及动态扩展，主要包括能源监控、能源分析、能源管理、运维检修、增值服务等功能。

能源监控：包括能源供给监控、能源需求检测、能源管网监测、综合告警等功能，实现所采集各类能源信息的汇总展示、监视控制及智能告警；能源分析：包括能耗分析、能效分析、效益分析、对标分析等功能，实现能耗、能效、成本等信息的多维统计分析，寻求提升能效方法，推动节能管理；能源管理：包括供能预测、用能预测、运行优化、多能协同等供能，实现新能源发电、能源站供能、能源消耗的合理预测，以及各类可调控能源供给计划的持续动态优化，促进资源的合理配置与充分利用。

运维检修：包括资产管理、故障诊断、检修抢修、设备状态评估等供能，实现区域内能源设备的运维管理，提高客户满意度；增值服务：包括能耗诊断、用能优化、节能服务、信息发布等供能，用于为区域能效提升提供有效的决策支持与辅助服务。

2.1 前端功能

平台支持web页面、大屏展示、手机APP访问等功能，前端页面包含以下内容：综合监视、设备总览、光伏监视、供热监视、储能监视、充电桩监视、多能互补、数据趋势、报警管理等功能模块，主要是监视物联设备的遥测数值，遥信状态等一系列状态量。

综合监测：展示整个园区的关键指标、实时数据、运行状态包括用能情况、能源收益、能源供应、能源设施、设备告警、实时出力，并集成视频监控、GIS地图、三维可视化呈现，实现一个平面下对园区综合能源进行全景监视。

多能互补：展示整个园区的当日能源收益、分布式能源消纳、能流图、经济用电、削峰填谷、经济用电；数据趋势：展示整个园区的光伏、充电桩、储能、聚热的自定义趋势、支持自由选择测点、支持配置Y轴；报警管理：展示整个园区的报警统计、报警分类、报警等级分类、自定义查询报警信息；光伏监视：展示光伏逆变器的运行数据、关键指标、发电量、实时功率、发电收益、状态监视。

电锅炉供热监视：展示供热系统的实时运行状态、电锅加热体温度、供热水箱液位、供回水温度、状态监视；太阳能集热监视：通过采集逆变器和储热装置数据，对分布式光伏储热实时运行信息和报警信息全面监视，实现实时热量、总热量、温度监测、运行状态监测等；储能监视：通过对电池、变流器及其他配套辅助设备等进行全面监控，实时采集有关设备运行状态及工作参数，结合优化运行调度策略、控制指令和电池运行状态，进行功率分配和储能系统的优化运行；基于峰谷电价 优化调控充放电策略。

充电桩监视：展示充电桩的系统概况、充电记录、充电量、充电次数、充电桩运行情况；智能预测：结合气象数据、园区理论发电能力、设备运行工况、实时运行数据，提供分布式能源发电、用电负荷预测建模，为储能和光伏集热、制定用电计划提供决策依据；运行优化子系统：运行优化主要是园区发电、用能数据监测和分析，建立用能诊断和用能优化模型，充储一体化优化模型，在基于峰谷电价进行储能充放电运行优化、充电桩电价阶梯调整或实时调整。

2.2 后端功能

后端页面包含以下内容：产品管理、设备管理、数据管理、告警管理、设备管控、统计分析、设备升级、场景演示、应用构建、系统管理等模块。

总概览：显示系统内总产品数，总设备数，当前在线设备数，当前在线率，物联网管理当前用户，显示设备所在的GIS地图；产品管理：包括产品和产品维护，物联网底层智能产品的平台建模，提供对物联网设备的规格抽象定义能力，支持产品的增删改查功能，同时也支持设备的上行事件、下行事件、告警事件等定义和管理；设备管理：包含录入设备、设备维护、设备分组、设备拓扑，主要目的是物联网底层设备的平台建模，支持设备的增删改查，支持设备的分组、拓扑，搭建设备与平台的一一映射。

数据管理：包含数据采集、数据治理、数据订阅、事件转换，主要是监视设备采集数据写进入数据库后，针对采集异常信息、无效数据等信息处理和分类功能，同时也可以实现采集规约的转换；告警管理：告警查询，告警规则，主要目的是针对数据信息进行告警规则的配置，支持告警信息的查询，告警规则定义和管理，设备异常信息历史保留，告警规则的自定义；设备管控：设备控制，指令转换，设备协同。主要目的是针对设备进行远程遥控遥调，支持设备协同信息的配置。

统计分析：设备统计，产品统计，事件统计，指令统计，告警分析。主要目的是针对产品设备事件转换告警信息进行图表分析，支持输出为文档或图形；设备升级：升级管理、升级日志，支持网关、设备的远程升级管理，保留相关日志信息。主要目的是针设备进行版本更新迭代；场景演示：支持3D设备可视化、温湿度传感器、智能小车、边缘识别、视频监控、智慧机房，支持温湿度功能采集，支持智慧机房的实时监控、支持多种传感器设备的接入；智能管理：支持智能算法、智能运维。智能算法提供API接口及其复杂的算法，智能运维根据数据汇总情况提供相应的运维方案。

2.3 特色功能

2.3.1 页面编排

页面编排即数据价值展现可视化工具，为用户提供实时、自助式、可视化、智慧型的数据探索体验，全流程支撑数据的采集适配、处理分析、价值展现等场景，构建数据到知识的桥梁，帮助用户理解数据本质，提升对数据的感知。核心功能点如下：

丰富的可无缝扩展的可视化组件库。提供丰富的可视化组件库并支持组件的无缝扩展。组件库包括文本组件和各类统计图组件，如表格、柱图、折线图、雷达图、仪表图、地图、URL导航组件、筛选查询组件等，并可无缝扩展嵌入第三方相关开源可视化组件；一站式、拖拽式制作可视化报表。传统的数据可视化分析数据准备和分析需求实现过程较复杂。可视化分析工具提供向导式数据处理功能，协助用户自主进行数据准备，无需任何编程，拖拽式操作，轻松实现数据可视化报表应用，大幅降低数据分析人员使用门槛。

即用即会的设计器。可视化分析设计器所有操作零门槛、上手快，用户即用即会。仅需简单操作，即可进行色彩、图表、控件、布局等配置，快速完成界面优美的可视化作品；丰富的分析算法沉淀。沉淀丰富的数据分析算法，可快速进行数据探索分析，根因定位和展现问题。支持同比、环比、同期值、上期值函数计算，提供展示指标的变化曲线，从百分比角度衡量指标的变化。为满足业务经营分析需求，提供各种占比分析，快速找到最优个体；数字孪生类PPT/Word分析报告输出。提供类word、ppt的分析报告输出形态，从宏观到微观、从主要到细分的分析报告输出，为用户提供汇报总结性分析、问题根因分析，支撑业务人员进行月度、季度、年度工作汇报。

2.3.2 大屏设计

可视化大屏编辑器可打破低效的定制开发,数据分散的问题，实时数据直观可视化展现，能够多方位全景展现各项指标，实时监控运行状态。主要包括丰富的组件库和自由拖拽式流畅的编辑手段，自定义前端页面、图表、数据接口等展示内容。

2.3.3 3D可视化

3D可视化编排即数字孪生技术，针对具体对象，在构建的孪生场景下，物理对象和数字对象之间动态互动，实现基于数字孪生模型的仿真服务和孪生共智，获得物理对象的全息状态感知。提供了丰富的3D生态模型组件库与可视化编排效果，拖拽式直观灵活搭建场景，便捷智能规则配置，具备快速生成3D数字孪生体能力，实现一体化孪生体构建、一站式业务场景编排。

极致视觉体验：基于3D效果与GIS能力提供对孪生体模型的3D可视化支撑，同时兼顾了可视效果与数据精度，生动还原数字孪生体基于实物对象的变化情况；沉浸式业务场景监控：基于数字孪生场景构建，实物在场景中智能成像并与实时加载的数据信息可视化融合，形成优于现场的监控体验；零距离的虚实互动：基于数字孪生场景构建，可向物理对象下达调控指令，有效连接物理世界与数据空间，提供了高效、智能的监控手段。

3 园区型综合能源智慧运营平台应用案例

该平台已成功应用于多个园区型场景且安全稳定运行，采集数据准确率≥99.9%、分布式光伏功率预测月准确率≥80%、设备采集周期≤5秒、页面响应时间≤3秒、数据存储周期≤5秒，形成了国内领先的综能智慧运营平台设计集成技术和可复制推广的产品化平台。

3.1 能科公司49号园区综能管控平台应用案例

3.1.1 项目目标

能科公司49号园区的综合能源系统是一套集成风、光、电、热为一体的能量转化、储存、利用的智慧能源系统，主要包括屋顶分布式光伏发电、谷电蓄热供暖、蓄电池储能、风光互补发电蓄能4大综能模块。风光互补发电蓄能系统由两块光伏板共600W+600W微型分布式风力发电设备组成，设备离网运行，所发出的电能储存在48V600AH蓄能电池组中，夜间通过设定控制逆变器为园区路灯供电。

分布式光伏模块主要布置在园区内厂房屋顶，总容量160kWp，串并联成5个太阳能电池阵列到5台并网逆变器，汇流并入园区二次网。采用自发自用、余电上网的运行模式，市电承担用电调节负荷，年发电量16万kWh以上，园区自用率约60%。

谷电蓄热供暖系统由功率350kW电加热器（电锅炉）、体积60立方米储水箱和水泵组成，以夜间的工业低谷电为能量来源，通过电锅炉把电能转化为热能，热能储存于储水箱中供全天使用，在日间用热时，通过板式换热器输出热量到厂房常规暖气进行供热；三组单相5kW蓄电池储能逆变系统，每组由24块电池组成容量为48V600AH电池组，电池充放电效率80%，谷充峰放，逆变后与市电并网为供园区用电。

3.1.2 实施效果

多设备快速接入：通过现场原有的组态王工控机接入边缘网关盒子集采实时能源运行数据，多种协议快速接入（MQTT/LwM2M等），多类设备数据采集、海量数据解析和转发、终端远程控制等，已经对接超过8类终端设备；全面灵活业务支撑：对业务设备的全生命周期管理，对业务终端数据的采集、转发和服务，对业务设备的控制和管理，能源监测、数据分析、多能互补挖掘、设备管理四类应用。

3.2 大连开热园区综能管控平台应用案例

项目目标：大连开热园区综合能源系统是集光伏发电、蓄电池储能、太阳能集热、充电桩为一体的综合智慧能源示范项目，在园区办公楼屋顶建设50kWp分布式光伏发电系统，90%的发电量用于办公区域用电，10%的发电量上网；在园区车库后侧空地安装12组太阳能集热装置，利用光热转换技术将光能转换为热能，除了为职工浴池提供热水，在冬季还可将富裕热水引入供暖系统；建设3组总容量为（48V×300Ah）的蓄电池储能系统，结合峰谷时段电价，调整充放电策略；在办公区内新建2台落地式单枪充电桩，面向公司职工提供新能源汽车充电服务。

实施效果：园区综合能源数据汇集到太阳能集热器配套PLC控制系统中，在PLC控制系统下EMS能量管理系统取出数据并建立外部数据接口，实现外部数值天气预报和数据模型接入，经本平台分析、挖掘后，关键业务指标投放园区原有调控中心监测大屏，可实现能源运行的全方位实时监控并能与云平台通讯、设备的区域性集约化管理、实时能耗分析、监管设备状态、数据联动控制、及时故障响应、视频监控。

4 结语

综合能源智慧运营平台作为综合能源数字化驱动转型基石，通过数字化能力帮助综合能源服务商快速建立业务应用，使能综能智慧化管控，构建能源服务生态。本文依托智慧中台技术支撑体系，设计开发了面向不同用户、多场景多模式下的综合能源智慧运营中台，具备可配置化、微服务化、低代码开发、快速建模的特点，形成了可复制、可推广的能源运营产品，实现了智能、高效、安全的能源管控和增值服务，与市场拓展匹配，与能力建设匹配，有效支持园区综合能源运营一体化管控及全流程注智赋能，指导企业园区节能减碳、降低成本。

该产品目前主要面对园区综合能源，后续会向医院、工厂等场景进行拓展，随着业务场景的深入和需求明确，将进一步聚焦提升用户体验，针对出力负荷预测、能源调度、智能运维、用能指导、设备生命周期管理、售电交易等方面迭代开发、逐步完善各功能模块，并启动手机移动端APP开发。同时不断密切结合国家相关能源政策，侧重在能源运营层面提供技术辅助手段，扩大公司的能源运营商业模式，提升产品服务能力，为综能项目的商业化运营提供智能化支撑，致力于成为企业的用能管家、生态的中心枢纽、管理者的决策参谋。