基于智慧城市的園區(qū)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭劍虹，王慧霞，侍必勝，徐紅濤

(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106;2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西 太原 030012)

0 引言

智慧園區(qū)建設(shè)作為智慧城市的重要組成部分，全國(guó)多地已將其作為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、可持續(xù)發(fā)展、增加園區(qū)吸引力的重要手段。在建設(shè)智慧城市的同時(shí)有必要有體系的開(kāi)展智慧園區(qū)中能源及信息服務(wù)方面的整體規(guī)劃與應(yīng)用，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈在智慧城市中的發(fā)展［1］。

提升園區(qū)信息化水平、實(shí)現(xiàn)信息透明開(kāi)放是智慧園區(qū)建設(shè)固有的內(nèi)容，可靠、綠色、高效的能源供應(yīng)也是智慧園區(qū)的重要內(nèi)容，因此，推動(dòng)能源與信息二流合一，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、高效便捷的園區(qū)，是智慧園區(qū)發(fā)展的重要趨勢(shì)。智能電網(wǎng)首先是專注于為用戶可靠供電，同時(shí)構(gòu)建覆蓋廣泛的通信信息網(wǎng)絡(luò)，具備可以面向城市開(kāi)放的公共基礎(chǔ)資源及公共服務(wù)能力，在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、能源、環(huán)境、民生等方面展現(xiàn)出巨大的綜合價(jià)值?；趶?fù)用的思路，智能電網(wǎng)不再僅僅是電能輸送的載體和能源優(yōu)化配置的平臺(tái)，通過(guò)能源流與信息流的全面集成與融合，智能電網(wǎng)將成為影響現(xiàn)代社會(huì)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的中樞系統(tǒng)，為智慧城市提供開(kāi)放式的通信和信息平臺(tái)，促進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)和智慧城市技術(shù)綜合應(yīng)用，創(chuàng)建智慧生活［2］。

智慧園區(qū)是一項(xiàng)漸進(jìn)的、分階段逐步實(shí)施的龐大系統(tǒng)工程，需要在建設(shè)過(guò)程中不斷地優(yōu)化與完善，隨著全球物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一輪信息技術(shù)的迅速發(fā)展和深入應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一批優(yōu)秀園區(qū)率先開(kāi)展智慧園區(qū)的建設(shè)。文獻(xiàn)［3］從關(guān)注智慧園區(qū)頂層設(shè)計(jì)的視角，通過(guò)分析智慧園區(qū)應(yīng)有特征，闡述對(duì)“智慧園區(qū)”頂層設(shè)計(jì)的設(shè)想。文獻(xiàn)［4］從智慧園區(qū)信息化需求分析和國(guó)內(nèi)智慧園區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀入手，圍繞網(wǎng)絡(luò)泛在化、平臺(tái)集約化、應(yīng)用智慧化、運(yùn)營(yíng)社會(huì)化四大發(fā)展目標(biāo)，提出了智慧園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)版解決方案及特色應(yīng)用建議。文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)園區(qū)公共服務(wù)的建設(shè)研究，對(duì)園區(qū)公共服務(wù)載體平臺(tái)架構(gòu)、功能和服務(wù)模式進(jìn)行初步探討。文獻(xiàn)［6］在研究多網(wǎng)融合技術(shù)和Zigbee技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)，綜合分析物聯(lián)網(wǎng)下的智能園區(qū)安全現(xiàn)狀。

工業(yè)園區(qū)在全社會(huì)用電量中占有很大的比重，實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)的智能用電對(duì)于智能電網(wǎng)建設(shè)非常重要。文獻(xiàn)［7］以智能園區(qū)為研究對(duì)象，定性分析與定量分析結(jié)合，采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)法考察園區(qū)實(shí)施需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)證分析結(jié)果表明，在智能園區(qū)實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目具有可行性，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，尋找提高電網(wǎng)企業(yè)實(shí)施需求響應(yīng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)［8］針對(duì)國(guó)家電網(wǎng)公司開(kāi)展智能園區(qū)試點(diǎn)建設(shè)工作，結(jié)合實(shí)際從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃目標(biāo)出發(fā)，提出了智能園區(qū)建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)方案的建議，并指出方案建設(shè)中應(yīng)注意的事項(xiàng)，確保智能園區(qū)試點(diǎn)項(xiàng)目的成功和推廣應(yīng)用。

智能園區(qū)工程建設(shè)是智能用電體系中的重要組成部分，利用深入到用戶內(nèi)部的分類用能信息采集和控制網(wǎng)絡(luò)，了解和掌握企業(yè)內(nèi)部用電負(fù)荷特性和用能信息，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)園區(qū)內(nèi)企業(yè)更為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全和高效的利用電能，使得電網(wǎng)負(fù)荷能夠以園區(qū)為單位實(shí)現(xiàn)移削峰填谷，提升區(qū)域負(fù)荷平衡能力，提高電網(wǎng)設(shè)備利用率，降低用電成本，提高電網(wǎng)能效水平。本文依據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司智能園區(qū)建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》探索構(gòu)筑新型智能園區(qū)用能模式，通過(guò)專用電力通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、先進(jìn)的用能信息采集系統(tǒng)，雙向互動(dòng)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用，提升智能化用能管理服務(wù)能力，提出智慧園區(qū)綜合管理系統(tǒng)，創(chuàng)建以智能電網(wǎng)技術(shù)為支撐的、節(jié)能、環(huán)保、低碳、高可靠的智能園區(qū)，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)。

1 智慧園區(qū)的內(nèi)涵及建設(shè)目標(biāo)

1.1 智慧園區(qū)建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)優(yōu)化園區(qū)用電結(jié)構(gòu)、節(jié)約企業(yè)用電成本，降低企業(yè)能耗，搭建友好互動(dòng)平臺(tái)等方式實(shí)現(xiàn)智能園區(qū)的建設(shè)，達(dá)到驗(yàn)證智能用電關(guān)鍵技術(shù)，宣傳展示智能電網(wǎng)建設(shè)成果，具體建設(shè)目標(biāo)如下:

(1)改善園區(qū)電力通信，構(gòu)建連接園區(qū)管理機(jī)構(gòu)、園區(qū)企業(yè)與電網(wǎng)企業(yè)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò);

(2)建立用能信息采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)能效分析服務(wù)，提高用戶能效管理水平;

(3)實(shí)現(xiàn)主要用能設(shè)備的智能控制，提高負(fù)荷平衡能力，優(yōu)化園區(qū)用電結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)設(shè)備利用率;

(4)建設(shè)園區(qū)信息互動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)友好用能服務(wù)管理;

(5)建立可視化展示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)便捷多樣服務(wù)。

1.2 智慧園區(qū)建設(shè)內(nèi)容

1.2.1 園區(qū)智能用電通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

建設(shè)供電公司到園區(qū)內(nèi)部主要企業(yè)、供電公司到園區(qū)管理機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

考慮到園區(qū)內(nèi)企業(yè)用戶的實(shí)際情況，交互網(wǎng)絡(luò)選專有的電力光纖網(wǎng)絡(luò)(從開(kāi)閉所延伸到用戶端)，用戶接入到電力信息網(wǎng)絡(luò)的外網(wǎng)區(qū)，在強(qiáng)隔離裝置的保護(hù)下進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)和交互。

在園區(qū)試點(diǎn)企業(yè)采用專有電力光纖網(wǎng)絡(luò)的方式接入，實(shí)現(xiàn)用戶內(nèi)部用能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、用戶內(nèi)部用電負(fù)荷的控制、能耗分析與用能管理服務(wù)、信息定投等。

1.2.2 園區(qū)企業(yè)內(nèi)部智能用能服務(wù)統(tǒng)建設(shè)

在園區(qū)內(nèi)企業(yè)開(kāi)展內(nèi)部用能信息采集，通過(guò)部署用能信息采集設(shè)備完成企業(yè)內(nèi)部用能信息采集，并根據(jù)需要開(kāi)展可中斷負(fù)荷控制、用能負(fù)荷精準(zhǔn)控制，根據(jù)控制需要安裝相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視設(shè)備。

利用部署在企業(yè)內(nèi)部用能信息采集系統(tǒng)，采集園區(qū)企業(yè)用能信息，監(jiān)測(cè)企業(yè)用電設(shè)備狀態(tài)，獲得相關(guān)用能數(shù)據(jù)，并利用通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)中心，對(duì)數(shù)據(jù)整理、匯總、分析、挖掘，進(jìn)而對(duì)企業(yè)設(shè)備特性與用能狀況進(jìn)行分析和評(píng)估，提出企業(yè)優(yōu)化用能策略與園區(qū)負(fù)荷平衡措施，根據(jù)企業(yè)和園區(qū)需要，利用智能交互終端、計(jì)算機(jī)等互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)，對(duì)企業(yè)和園區(qū)用能進(jìn)行統(tǒng)一服務(wù)和管理。

在園區(qū)部署用能服務(wù)子站，通過(guò)智能交互終端或安裝用能管理系軟件的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)用能服務(wù)采集裝置管理、用能信息采集及數(shù)據(jù)匯集轉(zhuǎn)發(fā)，用電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，分項(xiàng)負(fù)荷控制等功能。

用能服務(wù)主站部署在電力公司，主服務(wù)器將用能服務(wù)子站匯集的信息將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與挖掘，對(duì)企業(yè)設(shè)備特性與用能狀況進(jìn)行分析，提出優(yōu)化策略，根據(jù)需要，對(duì)企業(yè)內(nèi)部和園區(qū)的負(fù)荷遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)用能管理。

1.2.3 園區(qū)企業(yè)內(nèi)部智能用能服務(wù)統(tǒng)建設(shè)

依托智能園區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)部署在用戶側(cè)的智能交互終端、計(jì)算機(jī)等，搭建用電企業(yè)、園區(qū)管委會(huì)、電力公司的雙向互動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與95598互動(dòng)網(wǎng)站等服務(wù)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電量電費(fèi)的信息查詢、信息定制與推送、業(yè)務(wù)辦理、負(fù)荷監(jiān)測(cè)、用電咨詢等服務(wù)，滿足智能園區(qū)企業(yè)需求。

1.2.4 園區(qū)企業(yè)內(nèi)部智能用能服務(wù)統(tǒng)建設(shè)

構(gòu)建智能園區(qū)可視化展示平臺(tái)，綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可視化表達(dá)、多系統(tǒng)信息集成顯示等手段，對(duì)智能園區(qū)的建設(shè)成果和應(yīng)用效果進(jìn)行直觀展示，內(nèi)容包括園區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行監(jiān)控、負(fù)荷平衡、節(jié)能減排效果、優(yōu)質(zhì)電力服務(wù)成果等，以及園區(qū)企業(yè)用能信息采集、負(fù)荷監(jiān)控、能效分析與用能管理優(yōu)化效果等，實(shí)現(xiàn)智能園區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的可視化展示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 總體業(yè)務(wù)架構(gòu)

智能園區(qū)綜合管理系統(tǒng)共分為智能通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、智能用能服務(wù)子系統(tǒng)、智能信息互動(dòng)平臺(tái)和統(tǒng)一展示平臺(tái)四個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)不同的功能分別部署在園區(qū)企業(yè)子站，園區(qū)子站和電力公司主站端，如圖1所示。

圖1 綜合管理系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)架構(gòu)示意圖

2.2 應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的應(yīng)用層級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)分為設(shè)備層、智能通訊網(wǎng)絡(luò)層、智能用能服務(wù)層、互動(dòng)和展示層，如圖2所示。

其中設(shè)備層和智能通訊網(wǎng)絡(luò)層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承載著軟件系統(tǒng)和用能設(shè)備、終端用戶的通信、控制、數(shù)據(jù)采集功能，是系統(tǒng)和企業(yè)及用能設(shè)備溝通的橋梁。

智能用能服務(wù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的結(jié)果做出控制策略，同時(shí)也將原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)論上傳至展示平平臺(tái)或?qū)＜易鲞M(jìn)一步展現(xiàn)分析。

智能互動(dòng)平臺(tái)和統(tǒng)一展示平臺(tái)采用多種展現(xiàn)形式，以互動(dòng)、直觀的形式將用能信息展現(xiàn)給用戶和參觀者，同時(shí)互動(dòng)平臺(tái)和營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用、95598互動(dòng)網(wǎng)站的緊密結(jié)合，將給用戶提供更豐富的展現(xiàn)形式和內(nèi)容。

圖2 綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)示意圖

2.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由園區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(光纖網(wǎng)絡(luò))，企業(yè)子站(包含企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)用能采集設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)、智能交互終端和企業(yè)用能管理子站)、園區(qū)子站(包含園區(qū)子站用能管理系統(tǒng)和展示平臺(tái)子系統(tǒng))、電力公司側(cè)主站(電力公司用能管理主站)，智能互動(dòng)平臺(tái)子系統(tǒng)貫穿于整個(gè)系統(tǒng)，形成完整采集、監(jiān)測(cè)、分析、控制體系，系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖3所示。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 智能通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

系統(tǒng)以光通信網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)承載通道，并配合園區(qū)企業(yè)安裝的智能電表，實(shí)現(xiàn)智能園區(qū)自動(dòng)抄表、負(fù)荷檢測(cè)與管理等功能，建立智能園區(qū)用電企業(yè)與供電公司、園區(qū)管理機(jī)構(gòu)之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)的基礎(chǔ)通道。該通道可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部用能數(shù)據(jù)可靠、實(shí)時(shí)傳送，為其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用能監(jiān)測(cè)、能耗分析、主要用能設(shè)備遠(yuǎn)程管理，信息互動(dòng)等服務(wù)，并在園區(qū)區(qū)域負(fù)荷平衡機(jī)制的協(xié)同下，參與園區(qū)負(fù)荷協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)日常錯(cuò)峰用電管理等。

其他子系統(tǒng)包括智能用能服務(wù)子系統(tǒng)、智能信息互動(dòng)平臺(tái)子系統(tǒng)、統(tǒng)一展示平臺(tái)子系統(tǒng)等在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性均對(duì)智能通信子系統(tǒng)提出了較高的要求，因此，本通信通道建議采用相對(duì)成熟、性價(jià)比較高的EPON全光纖專網(wǎng)。

3.2 智能用能服務(wù)子系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)園區(qū)用戶內(nèi)部主要用電設(shè)備、負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)等用能信息的采集實(shí)時(shí)掌握其電力需求和用能特性，結(jié)合園區(qū)整體負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律，與標(biāo)桿單位或者同類用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以能源綜合利用效率最優(yōu)為目標(biāo)，分析園區(qū)內(nèi)用戶用能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及調(diào)控方式和能源利用效率的關(guān)系特性;分析客戶能耗情況，為客戶節(jié)能改造提供參考和建議.

圖3 綜合管理系統(tǒng)物理架構(gòu)示意圖

通過(guò)建立完善的能耗監(jiān)測(cè)、管理體系，提升了用戶對(duì)于自身各類用電模式、用能行為的分析、管控能力。運(yùn)用能效分析平臺(tái)幫助用戶查找導(dǎo)致能耗不合理增加的設(shè)備、工藝和管理缺陷，從而指導(dǎo)用戶制定綜合性整改措施，達(dá)到合理用電，節(jié)約用電的目的，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。

在智能園區(qū)中建設(shè)應(yīng)用智能用能管理服務(wù)系統(tǒng)，能夠利用經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等手段，落實(shí)需求側(cè)響應(yīng)策略，充分調(diào)動(dòng)各方積極性，優(yōu)化用電方式，提高用戶用能效率，進(jìn)一步推動(dòng)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也為電力公司提供用戶用能服務(wù)的渠道和橋梁，開(kāi)拓新型營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)，創(chuàng)新商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。

利用智能用能服務(wù)系統(tǒng)，為能效分析平臺(tái)提供第一手詳細(xì)的企業(yè)用能數(shù)據(jù)，提供給政府或者第三方廠商數(shù)據(jù)接口，方便第三方專業(yè)廠商有針對(duì)性的對(duì)用戶能效分析評(píng)估與節(jié)能服務(wù)有效支撐，方便政府對(duì)企業(yè)用能情況進(jìn)行對(duì)比，為出臺(tái)新的用能政策提供佐證數(shù)據(jù)。

3.3 智能信息互動(dòng)平臺(tái)子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)與95598互動(dòng)網(wǎng)站、智能用能服務(wù)、營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用等集成，通過(guò)計(jì)算機(jī)、自助服務(wù)終端、智能交互終端、智能監(jiān)控終端等互動(dòng)渠道，為企業(yè)客戶提供信息查詢、業(yè)務(wù)受理、電費(fèi)繳納、用能策略查詢等多樣化供電服務(wù)。

3.4 統(tǒng)一展示平臺(tái)子系統(tǒng)

智能園區(qū)是宣傳、展示智能電網(wǎng)發(fā)展和研究成果的重要窗口，有利于引導(dǎo)用戶參與用電管理、改變用電行為，實(shí)現(xiàn)科學(xué)用電、有序用電，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

構(gòu)建智能園區(qū)展示平臺(tái)，綜合運(yùn)用可視化表達(dá)、多系統(tǒng)信息采集集成顯示等展示手段，在園區(qū)管理機(jī)構(gòu)、園區(qū)企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)對(duì)智能園區(qū)建設(shè)成果和應(yīng)用效果進(jìn)行直觀展示，內(nèi)容包括園區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)行監(jiān)控、負(fù)荷平衡、節(jié)能減排效果等，以及園區(qū)內(nèi)企業(yè)用能信息采集、負(fù)荷監(jiān)測(cè)、能效分析與優(yōu)化效果等，實(shí)現(xiàn)智能園區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的可視化。

4 結(jié)束語(yǔ)

智慧園區(qū)頂層設(shè)計(jì)是智慧園區(qū)建設(shè)的核心步驟，本文主要從優(yōu)化園區(qū)用電結(jié)構(gòu)、節(jié)約企業(yè)用電成本，降低企業(yè)能耗入手，搭建友好互動(dòng)的園區(qū)綜合管理系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)智能園區(qū)的建設(shè)，對(duì)智慧園區(qū)綜合管理系統(tǒng)的總體業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并提出相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)，供智慧園區(qū)建設(shè)實(shí)施參考。

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