综合能源节能管理平台研究_闫立仓.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月能源是国民经济的基础，也是城市不断发展前进的动力。如何运用先进的技术手段完成能耗监测，优化设备运行状态，提高能源利用率是所有涉及能源管理业务的科技公司应重视的问题，需要投入更多的精力与科研费用实现技术突破1。陕西煤业新型能源科技股份有限公司神木分公司是一家以能源生产、运营为服务的国有企业，着重于能耗计量、监测、管理以及能源优化等与能源相关的研究，自主研发了基于“云计算+物联网+大数据”的综合能源节能管理平台。平台可帮助管理者及时、精确掌握企业中各类能源的成本比例及发展趋势，有效提升企业能源利用率，杜绝能源浪费，节省企业用能费用。1系统组成综合能源节能管理平台基于微服务架构与物联网技术，采用分布式系统体系结构，对企业的水、电、热、冷、燃气等各类能耗资源数据进行采集、处理，分析企业用能现状，合理调控企业用能策略。企业可以基于该平台进行自主化定制，快速搭建符合各企业内部的能源管理平台，统一调度能源，从而实现“高效管控、绿色节能”的目标。下列为综合能源节能管理平台的各部分组成。1.1能源监控系统能源的监控和调度包括实时调整、图像监控、异常处理和控制系统。从安全、稳定、经济等方面考虑，它主要包括以下内容：a)在确保平衡性、安全性及稳定性的前提下，完成能源的合理调度及管理，全过程、全方位地监测、跟踪、分析、预测和管理能源管理系统的整体运行2；b)突发异常时，例如平衡破坏、设备异常或功能失效等，系统会及时分析并处理异常，保证用户能正常使用，改善系统及设备的性能安全。1.2能源平衡调度子系统能源平衡调度子系统的基本目的是对能源使用及平衡过程按照统一的标准完成在线调度及管理。该系统主要实现以下功能。1.2.1能源计划与负荷预测对各项能耗指标，按照历史记录进行可预测性分析和报告，为未来能源调度提出指导性意见。1.2.2能源成本管理通过对企业各类能耗的统计分析，参考不同能源的阶梯价格，依据不同的介质（照明、空调等）、不同的区域（楼层、办公等），完成企业能耗的成本核算。收稿日期：2022-10-20基金项目：陕西煤业化工集团有限公司集团级科研项目（2021SMHKJ-A-J-08-02）第一作者简介：闫立仓，1977年生，男，陕西蓝田人，助理工程师，主要从事工业节能、多能互补、能源互联网技术研究。综合能源节能管理平台研究闫立仓，牛飞（陕西煤业新型能源科技股份有限公司神木分公司，陕西 神木7 1 9 3 0 0）摘要：随着“云大物移智”新信息化时代的到来，陕西煤业新型能源科技股份有限公司神木分公司设计研发了基于“互联网+”的综合能源节能管理平台。主要对总体方案、系统组成、平台架构、关键技术手段、系统功能和特点等方面进行了介绍。通过该平台可实现各种能源数据信息的智能化分析与处理，助力企业实现“多能协同，智能耦合”的综合能源管理目标。关键词：分布式能源；互联网+；能源管理；多能协同中图分类号：T K 0 1 8；T P 3 1 9文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 0 2 3-0 4Integrated Energy Conservation Management PlatformYAN Licang,NIU Fei(Shenmu Branch Company,Shaanxi Coal Industry New Energy Technology Co.,Ltd.,Shenmu 719300,Shaanxi,China)Abstract:With the arrival of the new information age of cloud computing,big data,Internet of Things,mobile Internet,smartcity,Shenmu Branch Company of Shaanxi Coal Industry New Energy Technology Co.,Ltd.has designed and developed anintegrated energy conservation management platform based on Internet+.This paper mainly introduced the overall scheme,system composition,platform architecture,key technology means,system functions and characteristics and so on.The platform canrealize the intelligent analysis and processing of various energy data information,and help enterprises to realize the integratedenergy management goals of multi-energy collaboration and intelligent coupling.Key words:distributed energy;Internet+;energy management;multi-energy collaboration（总第2 1 0期）能源产业2 3 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0242 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月1.3能耗分析子系统能耗分析子系统的作用是通过对企业能耗设备的实时监控，帮助企业及时了解不同时段、不同环节的能耗情况。系统功能分为能耗构成分析及能耗趋势分析。对企业的各类能耗进行分项计量、汇总、统计和分析后生成各类数据报表、查询列表，以及同比、环比、趋势分析、棒图、饼图等分析图表3。1.4能源计量付费子系统通过实时采集能耗数据，可对能耗实时计费进行同步，使得用户及时了解能源的使用、计费情况，培养用户的节能意识，降低企业生产运营成本。用户也可直观得到能源余量，提前预存水、电、气费等。1.5能源管网与数据控制网关设备本平台通过在各类能源管网管线上布设能耗监测设备，利用物联网远传技术，将监测数据传输到综合能源节能管理平台进行分析、管理等，实现能源管网的自动化数据采集、监控、预警等，降低人工成本，提高反应能力，提高工作效率4。总公司自主研发了新能宝数据控制网关，该设备不仅支持多协议数据传输，还兼容多类型数据的接入，在平台整体功能应用中占据重要的地位。它可实现能源终端数据管理的跨网络互连和多协议转换，完成分散设备的集中管理，并与不同设备的信息进行整合，重点监测能耗设备，准确掌控能耗数据，提高能源的利用率。该设备可独立使用，也可组网使用，是物联网应用的理想解决方案。利用新能宝数据控制网关可控制设备内置温度、湿度、光照和设备电量传感器，监测新能宝设备周边的环境改变和设备电源消耗，也可接入智能传感器或传感器网络获取传感器的数据信息。图1为新能宝数据控制网关实物图。图 1 新能宝数据控制网关实物图2系统设计2.1系统架构思路综合能源节能管理平台依据“模型驱动，智慧节能”理念完成设计和开发，通过构建不同的用能模型以适用于多样化的应用场景5。提供“智慧大脑”功能，对能源进行智慧调节，从而实现按需供能，避免能源的浪费。本平台依据分布式控制系统的闭环控制，参照相关的接口、协议、标准完成平台的设计开发。系统架构设计思路基于以下几点：a)将能源管理平台与自动化系统关联结合，完成“监测、控制、执行、反馈”的闭环控制功能。b)本平台采用云计算架构，实现多区域现场管控，支持大容量的用户并发数。后台利用云存储方式为用户提供足够的存储空间，从而减少后台维护、管理的成本，达到节能减排的效果。c)通过对能耗采集及传输技术的研究改进，总公司自主研发了新能宝数据控制网关。每台网关设备具有全球唯一标识的身份识别码，使得对每台网关所采集到的能耗数据信息辨别、归纳与分析更加简单直观。能耗采集和传输设备不仅可采集、发送和传输数据，还可对数据进行分层存储、处理和分析，因此本平台具备数据校验和核准功能，能确保数据的有效性和准确度。d)将能耗监测数据细分成最小类，尽可能完成每个能耗设备的耗能量监测和用能趋势总结与分析，依此为根据提出具有针对性的节能减排措施。e)综合能源节能管理平台提供外部监测和评估接口，建立公平、公正、开放的能源监督体制，使得节能过程、效果、数据信息公开化和透明化6。2.2系统总体架构整个综合能源节能管理平台架构分为四层，最底层为设备层，平台中的设备包括智能水、电、气表等与能耗监测相关的仪器设备。处于中间的是数据采集层和业务数据处理层，其中，数据采集层中的新能宝数据网关将企业耗能工业设备的数据信息（能源数据、环境数据、告警数据等）采集完成后传输到业务层；业务数据处理层则会利用云计算、大数据技术对海量数据处理、分析后进行归纳分类，实现能耗分析、能源成本管理、能源计划与预测等功能。顶层的数据应用层会将处理分析后的数据在监测平台上通过3 D 模型实时展示，同时对数据进行动态分析，实现设备管理、诊断管理及集中控制等功能7。图2所示为综合能源节能管理平台的总体架构图。3关键技术手段3.1用户侧分布式智慧储能关键技术以蓄电池为核心，以储能系统E M U、分布式系统E M S等关键设备为依托，与储能逆变器P C S、综合能源节能管理系统相互配合完成实时监控、双向通信、智能调控，每个分布式储能设备通过5 G 网络与本平台相连，实现数据采集、分析、存储等功能8。图3为用户侧储能硬件连接图。3.2多能互补协同优化技术考虑经济、效率、排放等方面的因素，确定电、热、冷、气负荷及外部能源资源，选取合适的设备。利用冷热电耦合仿真、协同优化、预测评估技术等，完成能源系统和能量流的整体优化，横向对多种能源的互补协同进行优化，纵向对“源-网-荷-储”完成有序的梯级优化。2 4 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 2 综合能源节能管理平台总体架构图3.3用电行为感知技术用户用电行为感知技术指的是采集用户智能电表中总进线的电压和电流数据，分析后对用户的电器类别、开关状态、用电量等信息进行辨识，实现全过程、精准化的用户用电行为感知和电器状态监测，辅助设备节能改造，优化错峰用电，提升平台营销能力。整个过程不需要对用户内部改造施工，避免协调、施工和维护费用的支出。3.4边缘智能技术和 5G 通信技术边缘智能技术是指对边缘服务器的强计算能力和协同终端设备的计算本地性的互补优势进行整合，实现实时视频分析、文字和图像识别、大数据流处理等功能。而5 G 通信网络因特有的超高速率、超低时延以及超强连接等特点，结合边缘智能技术，可创造更加智能、高效、可靠的信息技术服务，在本系统中具有较高的应用价值9。3.5面向智能终端的响应技术需求响应是电能调度实现供需平衡的有效技术手段，能最大限度发掘用户侧的潜力。依据激励型互动机制、边缘计算的账单管理及能效分析应用等技术，对相变储能、分布式三联供（C C H P）、制氢等用户侧的设备实现多能耦合与需求响应，不仅实现了电网的灵活调度，还增强了电网运行的稳定性。3.6建立 N 站合一的能源站能源站是区域内综合能源管理的核心。N站合一的能源综合体包括能源供应站、能源服务站、储能站、数据中心、5 G 基站等站点。分布式多站点在逻辑上相互融合、在结构上相辅相成、在数据上横向贯通，满足用户的多样化需求，创建了综合能源服务的新业态和新模式，应用场景如图4所示1 0。图 3 用户侧储能硬件连接图闫立仓，等：综合能源节能管理平台研究数据应用层3D 展示实时监测设备管理诊断管理动态分析集中控制能源成本管理设备管理实时/历史数据业务数据处理层设备数据统计数据工单数据能源数据告警数据性能数据环境与排放监测能源计划与预测能耗分析能源负荷计划事件顺序处理告警动作处理阈值事件性能分析能源信息数据采集层新能宝设备层智能电表 智能水表 智能气表 流量计 温度计 压力表 电动阀能源数据环境数据告警数据性能数据配置数据其他监控系统部分设备系统部分储能系统 EMU防火墙 综合能源节能管理系统智能测控380 V 母线交换机变压器10 kV 线路柴油机组储能逆变器 PCS配电柜分布式系统EMS蓄电池保障性负荷2 5 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 4 能源站应用场景图4系统功能和特点4.1系统功能本平台不仅可对水、电、热、燃气、冷能等能耗量的成本进行统计，还可实时监测新能宝、空气源热泵、风机盘管、电表、水表、气表、照明灯等设备的运行参数及状况，实现对重点能耗区域的实时监控。通过企业内建筑3 D模型实时展示楼体内部的耗能情况，实现能耗信息的可视化管理。平台不仅提供异常报警、工单派发、故障统计、智能仪表监测等功能，还可实现各类能耗数据的精准测量、分析与费用计算。图5为综合能源节能管理平台的详细功能框图。图 5 综合能源节能管理平台功能框图4.2系统特点本平台基于云计算、大数据、物联网等技术进行搭建，充分利用云端技术并发加速，使用户拥有流畅、极速的体验感。核心数据经过加密后传输和存储，全方位加固系统的安全，根据企业的定制化需求确定监控方案，确保企业数据的安全。公司自主研发的新能宝智能终端，实现分散设备的集中管理和差异设备的信息整合，全方位采集能耗数据，从多维度、横向、纵向对数据进行追溯分析，助力企业制定有针对性的能耗优化策略，确保快速、有效地处理能耗问题。平台在能源供应端和消费端进行综合监控和分析，基于消费行为、消费模型、大数据和人工智能动态实现供需平衡，完成整体的节能优化和控制；实时监测设备关键参数和运行状态，及时发现故障信息，并具备智慧运维功能，消除企业安全隐患。图6为综合能源节能管理平台特点图。图 6 综合能源节能管理平台特点图5结语公司积极响应“双碳”政策的号召，利用先进的技术手段助力企业完成能源相关的信息化、可视化、自动化及部分智能化管控功能，对能源管理项目的开发建设起到示范作用。综合能源节能管理平台基于“互联网+”技术进行搭建，将能耗数据采集后上传到云空间并实时更新，从而汇集海量数据，为不同行业的能源管理平台提供可靠的评价体系。经过平台处理分析后得到的节能减排数据和能耗的实时状态信息可直观展示在多样化的应用场景中。智能化的调度平台可确保多区域、跨区域能源的充足供应且避免能源的浪费。平台整体涉及从能源供应端到消费端的全过程信息化管理和技术创新，并且引入储能技术实现能源的削峰填谷，最大化提高能源的利用率，具有广阔的市场前景与重大的实用价值。参考文献：1 徐明，张建敏，谭志雄.燃气分布式能源智能监测及运维管理平台设计 J.上海节能，2021(10)：1117-1122.2 狄广义.能源云平台绿色数据中心的构建 J.中国新技术新产品，2021(17)：25-27.3 王立文，岳阳.智慧综合能源服务云平台建设与运营 J.电力设备管理，2021(7)：160-162.4 狄广义.基于“互联网+”的分布式能源智慧云平台构建 J.电子技术与软件工程，2021(14)：9-10.5 陶光跃，钟文琪，陈曦，等.以城市热电厂为核心的综合能源系统低碳设计优化 J.东南大学学报，2022，52(4)：631-640.6 庞贯鹏.能源综合管理系统的设计与实现 D.西安：西安电子科技大学，2021.7 李彦荣，王康民.新能源发电特性与经济性分析研究 J.应用能源技术，2022(6)：51-53.8 何清华.用户侧智慧能源管理系统的研究与应用 D.长沙：湖南大学，2021.9 段晓庆.大数据技术在能源互联网中的有效应用 J.应用能源技术，2022(5)：32-34.10 史晓雷，高建强，许尧，等.煤电企业综合能源服务实践研究 J.中国煤炭，2022，48(7)：51-57.（编辑：刘晓芳）燃料电池微型电网智能配电网上位系统线路连接系统智能电表学校、公寓通信网蓄电池新交通系统办公楼、医院、商店热水供应 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