智慧能源体系信息通信技术构架及实施方案

周 敏

（中通服创发科技有限责任公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

在全球气候变暖的背景下，我国于2020年提出“双碳目标”，即在2030年前二氧化碳排放力达到峰值，在2060年前实现碳中和。因此，我国必须建立新型能源系统，推进能源转型进度，最大限度地减少二氧化碳排放量，尽早实现“双碳目标”。智慧能源作为一种环保、高效的能源利用形式，通过数字技术构建智能化、智慧化、低碳化的能源体系，以更好地满足用户要求，加强对能源的高效利用和管理。现代信息通信技术的不断发展，促进了智慧能源体系的建构和实施，需要进一步探讨智慧能源体系信息通信技术架构及实施方案，为能源系统的可持续发展创造良好条件。

1 智慧能源体系概述

智慧能源体系是基于能源服务商和终端用户需求，融合电力、天然气、热力等多种能源系统，利用信息通信技术提供能源计量、工业控制、设备状态监测等智能化和自动化服务，打造出的一种高效智能、安全可靠、经济环保的智慧能源体系[1]。要想实现智慧能源体系的高效运行，还要依赖于现代信息通信技术，如大数据技术、云计算、区块链技术以及信息通信系统等新型信息技术。基于现代信息通信技术，提出更多的解决方案，以优化通信网络功能，为用户提供更好的网络服务，促进能源系统高效、稳定地运行。现阶段，能源体系构建仍以电力为核心，但随着能源行业和信息通信技术的不断发展，社会各界对能源体系提出了更高要求。智慧能源体系的构建无法依赖于单一的信息通信技术，需要高度融合信息通信、自动化技术，即信息与通信技术（Information and Communications Technology，ICT）。ICT在智慧能源体系的信息流构架和实现中扮演者重要角色，对智慧能源体系信息通信技术架构及实施方案的研究尤为重要。

2 智慧能源体系信息通信需求

2.1 功能需求

智慧能源体系通过运用信息通信技术，能够协议和控制电力、天然气、热力等多种能源的传输，主要涵盖能源计量、工业控制、设备状态监测3大业务。智慧能源体系对信息通信功能需求主要包括以下几个方面。第一，能源计量。在能源输入侧、消费侧、重要负荷节点处安装计量装置或传感器，用于数据采集、分析、处理、权限控制。第二，工业控制。主要包括对电力、天然气、热力等分布式能源系统的运行控制、网络节点自动化控制、部分网络节点设备控制。第三，设备状态监测。包括监测电力、天然气、热力等能源网络的运行情况；冷热电三联供（Combined Cooling,Heating and Power，CCHP）、储能装置、充电站（桩）等重要设备的运行情况。

2.2 性能需求

2.2.1 可用性

智慧通信体系对信息通信的可用性要求，主要表现在能够支持摇信、遥测、遥控等业务。其中摇信业务信号通信可用性要达到99.9%以上；遥测业务信号通信可用性要达到98%以上；遥控业务信号通信可用性要达到99.9%以上，才能为多种能源的协同传输与优化控制提供有力保障。

2.2.2 实时性

实时性要求智慧能源体系能以最快的速度对数据进行相应。由于智慧能源体系中数据传输类型较多，包括状态量、控制量、量测量，要根据数据传输类型设置优先级别，确保每种数据类型的传输均满足实时性要求。

2.2.3 带宽容量

智慧能源体系通信带宽的设置，要充分考虑业务需求、站点数量、用户数量。例如，在估算变电站终端需求时，调度数据系统带宽需求一般为192 kb/s。

2.2.4 安全性

智慧通信体系应用的信息通信技术必须符合国家安全要求。例如，电力系统架构，必须遵循安全分区、纵向认证等原则，满足《电力二次系统安全防护规定》等相关规定[2]。

3 智慧能源体系信息通信技术构架

智慧能源体系信息通信技术构架的总体设计，应遵循标准化、规范化、流程化以及一体化等原则，兼顾业务拓展远景需求和当下项目落实的可操作性，基于新兴技术实现网络的全覆盖。通过搭建网络云平台，提供智慧能源服务，实现从底层向上完成能源、数据、价值的联动。智慧能源体系信息通信技术架构主要由传感层、平台层、应用层3部分组成。

3.1 传感层

传感层主要由以下几部分组成。第一，数据采集基础层。用于放置能源数据采集模块，通过采集模块汇集能源数据，并传至智能通信电源，以特定通信协议上传至云平台服务器端。以电力系统为例，在配电室的配电柜内安装电能数据采集模块，通过该模块汇集企业配电柜关口或回路用电数据（包括电流、电压、功率、功率因数以及电量等）。第二，通信基础层。一般用于设置智能管理单元（Intelligent Management Unit，IMU）、专变终端等，IMU和专变终端可以通过工业以太网、RS-485总线等方式与电能数据采集模块进行连接，还可以通过无线通信、有线通信等方式与云平台服务器进行连接[3]。同时，需要根据现场网络环境选择适宜的通信方式，性能如表1所示。

表1 通信系统架构通信方式性能比较

3.2 平台层

基于区块链即服务平台（Blockchain as a Service，BaaS）的云平台是一种在云计算平台上嵌入区块链框架技术，通过云服务基础设施合理部署，并结合云服务基础设施管理优势，为开发者提供高性能、配套的基本架构服务，同时为开发者拓展服务提供了重要支持。通常情况下，BaaS是中间件的替代品，但相比于中间件，BaaS能够提供云服务，且操作简单、成本低廉。BaaS能够提供计算、存储、网络等服务，所依赖的硬件设施主要包括3部分，即网络硬件、储存硬件和服务器。其中服务器采用的是虚拟云，由多个集群共同组成，不同的数据集群所提供的服务有所不同。数据存储集群，将采集的能源数据储存于数据库或分布式文件系统；业务服务集群，由实现各类应用逻辑的相关程序组成，通常为上层应用提供服务；OPEN API集群，为用户的访问、鉴权提供统一接口服务器；应用集群，由门户Portal、运维Portal、运维中心以及监控中心等应用程序组成；消息总线集群，负责在采集能源数据时，提供数据中转、多路转发、削峰填谷等服务；服务治理集群，为业务逻辑服务提供服务管理的服务集群，如注册、监控、注销等操作的服务管理；数据采集集群，采集设备上报的采集数据，并将其写入消息总线，用于储存或分析[4]。

3.3 应用层

应用层的主要目标是为用户提供相应的服务。因此，应用层的建设要根据用户对能源的需求，提供相应的功能。应用层的功能服务主要包括以下几个方面。状态监测，监测各类能源传感器设备是否能够正常运行；异常监测，基于状态监测设置阶段阈值，监测时，若发现超过阶段阈值，则立即启动报警功能，通知工作人员及时进行检修；健康体检，通过状态监测收集能源设备的数据，对数据进行分析和对比，确定设备状态；服务推荐，为用能企业（选择适宜的用能服务商）和用能服务商（选择适宜的用能企业）提供相应的服务；策略提供，基于用能企业的用能情况，提供科学的用能方案，以降低用能企业的能耗[5]。应用层的建设是为了给用户终端提供更多样化的定制服务，为金融主体的项目融资提供适宜的方案。

4 智慧能源体系信息通信技术构架实施方案

4.1 工程概况

某综合能源园区，旨在实现光伏、天然气、风能等能源的互补和循环利用。园区规划面积为120 km2，包括2座110 kV变电站，1座液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）工厂，1座加氢站（压力参数为35 MPa），还包括若干台热电联产装机、光伏装机、风电装机，额定功率分别为27 MW、32MW、16MW。该园区利用风、光、天然气等能源进行发电，为LNG液化、制氢、充电等环节提供电能。同时，将富余的电能储存起来用于上网或转化为电池储能。发电产生的热能能转化为高温蒸汽，用于园区内化工、纺织、食品生产等企业，富余的热量可用于园区冬季供暖。

4.2 系统架构

综合能源园区智慧能源体系架构由能源层（传感层）、平台层、应用层组成。其中能源层主要负责风、光、天然气等能源的生产、转换、传输以及利用；平台层为基于BaaS的云平台，通过该平台实现能源数据采集和传输；应用层主要基于大数据技术和人工智能技术等新型信息技术提供功能服务，主要负责监测能源设备的运行状态，为各种能源交易提供数据支撑，为用户提供定制化能源方案[6]。

4.3 通信架构

综合能源园区智慧能源体系通信架构是以光纤为主，结合多种通信技术的融合通信网络，可以满足高可靠、低时延、低差异的通信需求，有利于建立智慧园区能源物联网云平台与终端之间的联系。园区骨干网设置了Opti Xtrans光传输设备，单通道宽带为200 Gb/s；拥有3个接入网，272个吉比特无源光网络（Gigabit-Capable Passive Optical Network，GPON）端口；驻地网采用5G技术，可以接入1.3万只能电表。通过工业以太网、RS-485总线接入配电智能终端设备。

4.4 系统测试

测试综合能源园区智慧能源体系架构的性能参数，主要包括传输速率、传输延迟、误码率等。测试结果以传输延迟为例，终端与子站的传递时延小于20 ms；传感器与主站数据传递时延小于20 ms；无人巡检数据回传时延小于5 s。表明该园区的智慧能源体系架构可以达到各场景对数据传输延迟的要求，能够为综合能源园区提供更优质的服务。

5 结 论

通过研究可以发现，智慧能源体系的建设为大势所趋。可以在智慧能源体系的建设中融入更多种类的能源，以提高能源系统运行的智能化和自动化程度。需要注意的是，智慧能源体系的正常运行无法依赖于单一的通信技术，需要融合物联网、大数据、云计算等技术搭建智慧能源云平台，以加强对数据的高效处理。因此，相关研究者要积极探索建立智慧能源体系信息通信技术构架的方法，为综合能源系统的智能化和高效化运行奠定良好基础。