智慧能源管理系统的设计与实现2、王海燕：杭州华源前线能源设备有限公司，浙江省杭州市，3100003、陈祖根：杭州蓝禾新能源工程技术有限公司，浙江省杭州市，310000摘要:随着互联网技术与通信技术的持续发展,在国家大力推动智能制造背景下,铜冶炼企业要求自身在生产现场数字化和互联互通模式下,实现现场数据的自动采集和监控报警,进而实现能源管理业务的精益化管理｡利用能源优化调度和智能建模算法技术,为上层决策分析提供有力的支撑,大力提升企业的生产精益水平､能源管控水平和企业经济效益｡关键词:智慧;能源管理;设计与实现引言绿色建筑是指最大限度地节约资源､保护环境和减少污染,为人们提供健康､适用和高效的使用空间,与自然和谐共处的建筑｡建筑能源管理系统以绿色建筑为核心,在保障高舒适的同时,坚持以“低碳､高效”为原则,打造低能耗､高舒适的绿色建筑｡1概述1.1数字孪生技术概述首先,数字孪生技术又指数字镜像或数字双胞胎,它是通过构建复杂的物理实体以此实现现实空间到虚拟数字空间的一种全息映射技术,并利用虚实信息连接,模拟出物理系统的动态特征以及实时状况｡其次,数字孪生技术还集成了数据采集功能､数据仿真以及数据通信等多种学科的一种系统性工程｡其中,仿真是该项技术的核心能力,可以实现对系统的数据､动作以及状态进行拟实｡1.2综合能源系统概述传统的能源管理系统主要是对电力､动力以及水道进行独立管理,这种能源管理模式已经无法满足现代化生产的能源管理需求｡而科学的､智慧的能源管理作为现代化信息集成模式,既实现了对资源配置的优化和能源的改善,还实现了单一设备节能向智能化､系统化等方向转变｡因此,综合智慧能源管理系统的设计,实现了对电力能源系统､动力能源系统等各个单元的数据进行采集和监测,预测与管理等全面的智能管理模式,从而为高质量能源和服务奠定了良好的基础｡因此,该系统形成了动态能源价格机制,利用电动汽车负荷调节与储存装置,根据电力不同阶段需求,保障电力系统的稳定运行｡总体上来说,综合智慧能源管理系统中应用数字孪生,已经成为综合能源领域中的重要热点问题｡2能源管理系统架构2.1能源管理系统能源管理系统主要基于底层DCS系统实时数据的采集､归集,实现能源消耗的统计､能源平衡的测算､能源预测及能源的优化调度等功能｡该系统主要是针对企业内部的电､生产水､生活水､天然气､氧气､氮气､柴油､重油等介质进行耗量采集､分析､管控,为能源管理和调度人员提供强大的生产事件追踪和分析的工具,为企业能源决策提供重要依据｡2.2能源管理应用架构通过对铜冶炼企业的全面调研,根据企业对系统功能的需求,以企业在能源管理与信息化建设的实际情况为出发点,从总体的应用架构与实现架构进行整体的设计,搭建可实施落地的符合当下铜冶炼企业的能源管控工业应用框架｡应用架构主要分为数据采集监控､管控一体化､智能决策分析的三层架构,构建互联互通､综合应用集成､数据分析支撑的应用系统｡数据采集与监控层主要是通过工业物联网实现工厂的人､机､料､法､环数据的全面采集｡通过全面完整的数据支撑,精准执行实现能源计划､能源平衡､智能决策的落地实现,最终实现能源的预测与能源的优化调度,实现底层数据为企业决策分析提供强有力支撑的核心价值｡管控一体化主要基于当下主流的开发框架与开元软件,进行能源管理系统的开发,实现企业从能源计划的制定､能源指标统计以及能源优化调度等全方位的管控｡以当下企业能源管理的痛点为切入口,实现能源管控一体化,为企业的节能降耗提供强大的支撑｡智能决策分析主要是通过对采集数据和业务数据的归类､分析,形成能源消耗､能源指标的柱状图､饼状图､折线图等基础分析图,同时利用能源优化调度模型与神经网络的能源预测模型,实现管理层决策有据可依｡2.3能源管理技术架构能源管理技术架构由用户展示层､接入系统层､业务系统层和基础设施层5部分组成｡1)用户展示层｡WebServer采用SpringRestController开发,View采用HTML进行开发,让前端与后端实现松耦合｡前端通过RestfulWebAPI与后台服务进行通讯,采用JSON格式进行数据传输｡移动端采用App和手机网站形式进行,后端架构不变｡2)接入系统层｡通过安全协议､认证访问授权､接口网关提供安全的用户接入服务｡用户访问通过SSL协议进行数据加密后与后端数据进行交互,通过APIGateway对外提供统一的服务接口,用户经过认证后才能访问相关接口服务,通过接入层提供安全可靠的用户接入｡3)业务系统层｡业务系统通过微服务(Mi-croservice)提供业务服务,通过将服务从应用集成､流程､数据3个方面对外提供服务,通过RestfulAPI和消息事件提供服务协同通信,将服务通过Docker部署在服务器集群;对已有的系统通过ESB总线进行通信和集成｡保护现有信息资产和技术发展趋势结合在一起,并可以实现现有系统的过渡和升级改造｡3系统的功能设计3.1智慧能源管理系统(IEMS)支撑平台IEMS支撑平台作为热力网与电力网之间的枢纽,主要包含数据库管理系统､人机界面系统､网络通信和进程管理系统､安全管理､自动诊断系统､WEB浏览子系统等,最核心功能是实现互联微网内电､热/冷､气多能流主要设备的建模,支持建立以下设备的稳态模型和动态模型:(1)线路､变压､调压器､母线等多能流系统设备(稳态模型);(2)管道､热力站､循环泵､换热器､阀门､散热器等热/冷网设备(稳态模型､动态模型);(3)管道､降压站等天然气网设备(稳态模型､动态模型);(4)CCHP 系统,包括燃气轮机､余热锅炉､溴化锂吸收式制冷机(稳态模型､动态模型);(5)分布式光伏发电设备(稳态模型);(6)储能(电､热､冷､气)设备(稳态模型);(7)电动汽车及集群(稳态模型);(8)数据中心(稳态模型);(9)用户模型､需求侧模型(稳态模型);(10)空调设备和室温变化模型(稳态模型､动态模型)｡符合相关条件(用户许可､测点能够覆盖)时,IEMS数据的采集与建模应深入用户内部｡文中项目的IEMS开发需要预留用户模型以及用户需求侧响应功能模块接口,供未来补充更完整细致的用户负荷模型并进行用户需求侧响应功能的开发｡3.2多能流数据采集与监视(SCADA)系统(1)实时数据采集和处理｡数据采集采用网络化IEC60870-5-104､DL/T476—2012､DNP3.0标准规约,支持自定义规约｡按照设定的参数,通过广域网直接进入系统采集网段,从而提高实际数据的采集效率｡系统能够采集电厂监测数据,包括CHP 电厂､换能站､制热/冷站､变电站､开闭站或其他能源控系统传送及人工设定的数据｡数据处理方面,要求系统具有测量值处理､状态量处理､计划值､数据质量标志､公式定义和计算等功能｡(2)设备控制｡多能流SCADA系统平台能够帮助调度人员有效地控制各种设备的开关,对设备进行调节与参数设定｡(3)事件和告警处理｡系统监测到事故时,会根据事故的具体情况发出不同警报,能够在屏幕上发出报警提示或弹出报警符号,以声音的形式发出警报声,可以将事故展示到屏幕上,以便工作人员及时发现并处理｡3.3多能流实时建模与状态感知(1)状态与量测估计维护｡模块用于设置状态估计的参数,如启动周期､收敛精度､坏数据门槛等;有助于提高状态估计计算结果的精度,可以人为将单个或多个明显错误进行量测过滤､量测极性置反､人工置数等｡(2)网络拓扑｡网络拓扑能够对设备的运行变化进行实时处理,自动对电厂､供热锅炉､热力站､变电站､天然气站等主体进行划分与节点计算,使其形成新的网络结线并对其进行分配测量,以便为后期的分析工作提供可以计算网络结构与实时运行参数的基础数据｡网络结构分析主要对厂站的结线与系统进行分析｡(3)量测预过滤｡量测预过滤也被称作量测预检测,主要对量测量进行状态估计计算前的统计分析,确定量测中的简单错误,功能包括检测冷/热管网能量是否平衡;母线､厂站的功率量测总和是否平衡;检测冷/热水管道首尾两边的流量､线路以及功率测量是否存在争议;检测冷/热水管道的电压是否超过额定压力(母线的电压量测､线路以及变压器功率量测是否超过额定压力);检测母线频率量测是否正确｡4综合能源管理系统的具体应用4.1在冷热电联产的燃机机组中的应用综合智慧能源管理系统在一定程度上可以促使传统冷热电联产CCHP的更新升级,通过冷热电三联供应满足用户的多样化用电需求,在发电过程中对释放的热量进行回收利用,将其作为空间加热､水加热､空间冷却常用的热源｡CCPH由燃气发动机､发电机､热交换器､冷却器组成,燃气发电机主要负责热量供应和电能供应,多余的热量会输送到冷却器中进行冷却｡冷热电联产技术可应用于空调设备机组中,通过制冷机输出的电能和废热转化来满足用电和用热需求｡相较于独立供热的电力系统,冷热电联产的燃机机组应用效果更好,燃气轮机是燃气机组的重要组成部分,其以气体为中间介质,促使燃料燃烧过程中的热量转化为动力机械｡4.2在工厂电热冷水气等综合监测中的应用基于该系统可建立全景能源调度控制中心,通过能源监测系统的动态指标显示,对不同类型的能源进行常态化监测｡其一,对工厂电网运行进行监测｡通过发电监测､各区域负荷调度监测､变电站接线图监测等,准确显示整个电网的运行情况｡其二,天然气管网监测｡该系统可以联合地理信息系统､数据采集和监控系统､设备管理系统等,结合用户运营服务流程,以管网生产线运行调度为中心进行构建,优化调度程序,解决故障问题｡其三,供水监测｡供水系统主要由调度中心､水厂､加压站､管网端组成,其分系统可以在系统连接下和通信网络连接,形成一个循环系统｡调度中心可直接获取管网信息,自动存储在数据库中,根据社会需求输送信息,实现数据共享｡其四,冷热监测｡综合智慧能源系统可以通过冷热能源管理规划功能模块对冷热负荷进行预测､监测､管理｡4.3优化运行管理该系统是借助于完善的数据采集网络获取楼宇运行过程的重要参数和相关能源数据,经过处理､分析并结合对楼宇运行过程评估,实时提供在线能源系统平衡信息和调整决策方案,确保能源系统平衡调整的科学性､及时性和合理性,从而提高能源利用水平,实现用能的优化分配及供应,保证系统的稳定性和经济性,并最终实现提高整体能源利用效率的目的｡能源平衡调度过程是将采集的能源工艺系统数据(发生和消耗量等)送能源管理系统,经系统分析和处理,获得能源平衡及其预测模型需要的信息,并将平衡预测结果以数据､曲线､饼图､棒图和报表等图形化方式展示｡运行人员可根据能源负荷预测结果发出调度指令,从而指导各个子系统处于最优的运行工况,达到节能降耗优化运行的目的｡结语综上所述,综合智慧能源管理系统设计过程中,数字孪生技术得以应用,为智慧城市､数字化城市当中的海量数据连接提供了技术上的支撑｡可以使得能源系统和城市当中的各个领域,利用数据空间,实现互联互通､协同运行,这对未来智慧城市的综合智慧能源管理系统发展提供了方向｡参考文献[1]丁皓,郭新有.关于我国钢铁工业二次能源利用的思考[J].科技进步与对策,2004(10):102-104.[2]王培.中国信息安全市场投资现状浅析[J].中国信息安全,2013(10):62-63.[3]戴海波.大型钢铁企业能源成本管理信息系统研究[D].武汉:华中科技大学,2014.。
