園區(qū)智慧能源管理平臺介紹及示范應(yīng)用

劉穎丹 許 力 段 飛 黃忠輝

1.濟中節(jié)能技術(shù)(蘇州)有限公司

2.蘇州工業(yè)園區(qū)獨墅湖科教發(fā)展有限公司

園區(qū)智慧能源管理平臺介紹及示范應(yīng)用

劉穎丹1許 力1段 飛1黃忠輝2

1.濟中節(jié)能技術(shù)(蘇州)有限公司

2.蘇州工業(yè)園區(qū)獨墅湖科教發(fā)展有限公司

綠色園區(qū)的建設(shè)和推廣是我國實現(xiàn)低碳經(jīng)濟發(fā)展的重要舉措，園區(qū)智慧能源管理平臺的建設(shè)是綠色園區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。介紹了園區(qū)智慧能源管理平臺的結(jié)構(gòu)和功能，著重介紹平臺在在大數(shù)據(jù)模型預(yù)測技術(shù)和基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性故障診斷技術(shù)方面的創(chuàng)新以及在蘇州工業(yè)園區(qū)獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)的示范應(yīng)用。

綠色園區(qū)；園區(qū)智慧能源管理；需求側(cè)管理；大數(shù)據(jù)分析；節(jié)能

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和全球化帶來的機遇，能源消費總量不斷增加，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。為應(yīng)對能源、環(huán)境以及氣候變化的挑戰(zhàn)，發(fā)展低碳經(jīng)濟是實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)增長的必由之路。傳統(tǒng)的節(jié)能管理方式和舉措難以滿足政府和企事業(yè)單位節(jié)能管理的需求，借助信息技術(shù)工具，搭建園區(qū)能源管理平臺，已成為持續(xù)推進節(jié)能降耗和實現(xiàn)用能精細化管理的必然趨勢，也是創(chuàng)建綠色園區(qū)的必要組成部分。

1 平臺定義

“園區(qū)智慧能源管理平臺”是綜合運用現(xiàn)代信息技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及電力需求側(cè)管理措施等，對園區(qū)內(nèi)各單位所消耗的能源實現(xiàn)在線監(jiān)測、動態(tài)分析和集中管理，建立“自主負荷，主動響應(yīng)”新機制，實現(xiàn)精細化、信息化能源管理，提升園區(qū)能源管理水平，降低能源成本，并通過永久性或臨時性節(jié)能技術(shù)和手段降低能源消耗，實現(xiàn)電力的動態(tài)需求響應(yīng)和園區(qū)能源的優(yōu)化調(diào)度。

2 平臺架構(gòu)

對電、水、汽、燃氣、氮氣、煤等各類資源進行數(shù)據(jù)標準化處理，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用，來實現(xiàn)能源管理，并接入分布式光伏、風(fēng)能以及儲能系統(tǒng)等運營參數(shù)，有效支撐微電網(wǎng)的建設(shè)運維，實現(xiàn)園區(qū)性的能源調(diào)配與優(yōu)化運維。園區(qū)智慧能源管理平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集層

通過Modbus RTU協(xié)議采集設(shè)備數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)保存到本地文件，并發(fā)送部分數(shù)據(jù)到采集服務(wù)器，還需要開發(fā)針對該嵌入式智能設(shè)備監(jiān)控軟件的配置軟件，配置軟件安裝在微型計算機上，通過該計算機主機配置數(shù)據(jù)采集軟件。同時嵌入式數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)可對采集數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和暫存，提升數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理性能和安全性，并有效避免數(shù)據(jù)采集配套設(shè)備配置高的要求，大大降低數(shù)據(jù)定制化采集的成本。

（2）數(shù)據(jù)管理層

包括數(shù)據(jù)接口服務(wù)器、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、WEB服務(wù)器、管理工作站、大屏幕、交換機等硬件設(shè)備。通過一系列功能模塊，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測、能耗地圖、能效管理、需求響應(yīng)、報警監(jiān)測、能耗模型預(yù)測、能源平衡與優(yōu)化調(diào)度等模塊，實現(xiàn)對整個園區(qū)用能系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

3 平臺功能

（1）數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

基于實時數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控圖組系統(tǒng)，建設(shè)園區(qū)智慧能源管理平臺。實現(xiàn)對各級載體（園區(qū)、政府、企業(yè)、建筑）、多種能源介質(zhì)（煤、電、蒸汽、水、燃料氣、氮氣等）、多類運營參數(shù)（溫濕度、二氧化碳濃度、出氣量、供回水溫差、壓力等）的產(chǎn)、存、耗全過程的實時監(jiān)控，掌握其歷史數(shù)據(jù)和實時趨勢。

（2）能耗地圖

能耗地圖模塊基于園區(qū)內(nèi)各企業(yè)、建筑的地理信息數(shù)據(jù)庫，能夠方便查詢智慧能源管理平臺內(nèi)各企業(yè)、建筑的能耗信息、用能設(shè)備運行狀態(tài)、新能源及儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)等信息，實現(xiàn)針對該園區(qū)的能耗監(jiān)測、統(tǒng)計分析、能效分析、超標預(yù)警等功能。

圖2 同類型電源或負載的運營狀態(tài)同比分析曲線圖

（3）能效管理

園區(qū)智慧能源管理平臺主要包括能源計劃與實績管理、能源調(diào)度運行管理（調(diào)度日志、異常監(jiān)察、運行方式變更、事故、應(yīng)急預(yù)案管理等）、能源統(tǒng)計分析（同比、環(huán)比、對標、成本、關(guān)聯(lián)分析等）、能源考核管理、能源計量結(jié)算管理、能源計量器具管理、能源質(zhì)量管理、能源報表管理等功能模塊。如圖2所示，同比分析同類型電源或負載的運營狀態(tài)，用以判斷電源發(fā)電性能的差異和負荷運營異常，便于管理者及時發(fā)現(xiàn)能源系統(tǒng)潛在的問題。

（4）需求響應(yīng)

信息互聯(lián)為園區(qū)能源合理分配提供了數(shù)據(jù)支撐，平臺系統(tǒng)基于園區(qū)能耗體系的重要等級及各能耗單元的需求響應(yīng)容量制定最佳需求響應(yīng)策略，幫助園區(qū)整體實現(xiàn)能源平衡。

（5）微網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

平臺可實現(xiàn)針對微網(wǎng)系統(tǒng)各組成部分，包括分布式電源、儲能裝置、能量裝換裝置等各環(huán)節(jié)的運營參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集分析，綜合分析天氣、供需變化、需求側(cè)管理等因素，輔助制定更加經(jīng)濟有效的能源“發(fā)、用、儲”運行策略，有效支撐園區(qū)微電網(wǎng)的建設(shè)運維，實現(xiàn)園區(qū)性的能源調(diào)配與運維優(yōu)化。

圖3為園區(qū)智慧能源、管理平臺中分布式光伏系統(tǒng)監(jiān)視圖。

（6）能耗模型預(yù)測

基于園區(qū)能源數(shù)據(jù)的積累，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立預(yù)測模型，為園區(qū)能源計劃制定和優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐，優(yōu)化園區(qū)內(nèi)企業(yè)、建筑能源管理體系，提高能源利用率。能源模型預(yù)測分為兩個部分，分別為用能預(yù)測和負載預(yù)測，因為功能不同，采用的預(yù)測模型也會依據(jù)其特點進行優(yōu)化，以確保能源模型預(yù)測的準確性。

（7）能源平衡與優(yōu)化調(diào)度

能源平衡與優(yōu)化調(diào)度是在考慮能源品位等級、產(chǎn)/耗能設(shè)備能耗特性差異，滿足生產(chǎn)需要的前提下，通過系統(tǒng)優(yōu)化分析，實現(xiàn)能源的平衡能源計劃、優(yōu)化調(diào)度與實績管理。能源平衡與優(yōu)化調(diào)度功能將能源預(yù)測、需求響應(yīng)控制、配用電自動化等體系進行有機地結(jié)合，配合能源供需信息，在保證企業(yè)安全生產(chǎn)、建筑正常用能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)能源優(yōu)化調(diào)度，確保能源平衡。

4 技術(shù)創(chuàng)新

為深度挖掘能源數(shù)據(jù)，發(fā)揮園區(qū)智慧能源管理平臺的價值，實現(xiàn)園區(qū)能源精細化管理，在大數(shù)據(jù)模型預(yù)測技術(shù)和基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性故障診斷技術(shù)做了進一步的探索。

圖3 園區(qū)智慧能源管理平臺中分布式光伏系統(tǒng)

（1）大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)

大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)（Big Data-MPC）是在預(yù)測技術(shù)之上進行深度開發(fā)而成的優(yōu)化控制技術(shù)（見圖4）。大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)是建立在設(shè)備或系統(tǒng)長期運行歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，通過海量數(shù)據(jù)建模，并結(jié)合多目標優(yōu)化算法（遺傳算法與進化策略）來求解最優(yōu)的控制策略（設(shè)備最優(yōu)參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)最優(yōu)控制方案），確保設(shè)備或系統(tǒng)的最佳運行狀態(tài)，有效降低生產(chǎn)運營能源成本。

圖4 大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)

大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)相對于傳統(tǒng)控制技術(shù)具有絕對的優(yōu)勢。首先，由于其控制策略是基于長期的歷史數(shù)據(jù)，保證了優(yōu)化控制方案的可行性和執(zhí)行策略的安全性；其次，大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)可融入人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)配合使用，實現(xiàn)控制策略滾動優(yōu)化和反饋校正，保證優(yōu)化控制方案實時跟進，確保優(yōu)化控制方案長期有效。

（2）基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性故障診斷技術(shù)

傳統(tǒng)的故障監(jiān)控技術(shù)可及時發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生，有效防止故障擴大化。預(yù)測性故障診斷技術(shù)遠遠高級于實時故障監(jiān)控技術(shù)，其側(cè)重點在于具有精確的預(yù)測功能，在故障未發(fā)生之前事先發(fā)掘潛在的故障問題，避免故障發(fā)生導(dǎo)致的損失，防患于未然。

絕大多數(shù)故障都會在發(fā)生之前表現(xiàn)出一些異常的狀態(tài)，這些提前表現(xiàn)出異常狀態(tài)是預(yù)測性診斷故障的關(guān)鍵。預(yù)測性故障診斷技術(shù)是憑借決大數(shù)據(jù)挖掘機器學(xué)習(xí)技術(shù)（決策樹、KNN、K-Means等算法），對設(shè)備或系統(tǒng)的海量歷史運營數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性分類、關(guān)聯(lián)、聚類分析，挖掘出故障發(fā)生的前兆特征，定位異常狀態(tài)，結(jié)合專家系統(tǒng)對設(shè)備或系統(tǒng)進行預(yù)測性故障診斷，降低過程中的能源損失。

5 示范應(yīng)用

（1）園區(qū)獨墅湖科教公司應(yīng)用

從2015年3月起，濟中節(jié)能技術(shù)（蘇州）有限公司與蘇州工業(yè)園區(qū)獨墅湖科教發(fā)展有限公司開始共同打造“蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)智慧能源管理平臺”（見圖5）。蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)面積11 km2，地處蘇州工業(yè)園區(qū)，是一座集生活、娛樂、科教、辦公于一體的時尚現(xiàn)代化科教新城。園區(qū)載體眾多，業(yè)態(tài)豐富，包括商業(yè)綜合體、酒店、學(xué)校、甲級寫字樓、文體公共場館、科研單位、公寓等，各類型建筑約150幢，總建筑面積約250萬m2，總設(shè)計用電容量約185 000 kVA。

圖5 獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)智慧能源管理平臺首頁

獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)通過園區(qū)智慧能源管理平臺實現(xiàn)了對整個園區(qū)上百幢建筑能源的統(tǒng)籌管理，管理人員可通過互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（PC、平板電腦、手機）隨時隨地查看每幢建筑的能耗狀態(tài)，實現(xiàn)在線監(jiān)測、動態(tài)分析和園區(qū)能源集中化、信息化管理，整體提高能源管理水平；基于長期存儲的建筑能耗數(shù)據(jù)，管理人員在濟中節(jié)能數(shù)據(jù)分析團隊的協(xié)助下，可對每幢建筑或重要能耗設(shè)備進行全面的能耗核算或能效評估，完全以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，為及時發(fā)現(xiàn)建筑能耗漏洞提供了依據(jù)；隨著能耗分析與能耗評估的逐步展開，為了進一步完善建筑能源管理機制，將建筑控制系統(tǒng)運營數(shù)據(jù)接入平臺，建立起集能耗監(jiān)測與能源管控于一體的能源管理系統(tǒng)；基于采集能耗數(shù)據(jù)與設(shè)備運營控制信息，濟中節(jié)能可以結(jié)合建筑日常需求制定出最優(yōu)化的控制策略，大幅度降低建筑運營能耗成本。

以獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)慧湖大廈為例，說明平臺投入使用后短短兩個月時間內(nèi)帶來的改善。

慧湖大廈位于蘇州工業(yè)園區(qū)月亮灣路10號，是集辦公及商務(wù)服務(wù)為一體的綜合性項目，是按照5A甲級寫字樓標準精心設(shè)計、精細施工的示范性精品工程。大廈用地面積17 011 m2，總建筑面積111 614 m2；2016年總電力能耗為480萬kwh。

（2）存在問題

基于園區(qū)智慧能源管理平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，慧湖大廈在夜間非運營時段（21:00～ 05:00共8h）功率負載水平一直維持在200 kW左右，如圖6、圖7所示，通過排查發(fā)現(xiàn)大廈5號變壓器和6號變壓器線路存在非必要開啟設(shè)備夜間運行和部分照明未關(guān)閉現(xiàn)象，如圖8所示。

（3）解決方案

通過現(xiàn)場確認和管理優(yōu)化，根據(jù)慧湖大廈實際運營需求，關(guān)閉非運營時段不必要的照明和設(shè)備，降低大廈非運營時段功率負載，如圖9、圖10所示。

圖6 慧湖大廈南樓非運營時段風(fēng)機未關(guān)閉造成的能耗漏洞

圖7 慧湖大廈南塔樓非運營時 段風(fēng)機未關(guān)閉造成的能耗漏洞

圖8 慧湖大廈變電所空調(diào)在非必要時段運行造成的能耗漏洞

（4）改善效果

通過全面系統(tǒng)性地排查并制定可行的方案，慧湖大廈非運營時段（21:00～05:00共8h）整體功率負載下降27.5kW，其主要調(diào)整線路的功率負載降低情況如表1。

圖9 慧湖大廈總結(jié)點調(diào)整前后功率均值對比

圖10 慧湖大廈有功功率在調(diào)整前后的對比

表1 非運營時段主要設(shè)備調(diào)整前后能耗對比

根據(jù)慧湖大廈電力單價（0.89元/kWh），每天降低功率負載時間按8h計算，年節(jié)省電力能耗成本2萬元。上述舉例僅為該平臺投入運營后發(fā)現(xiàn)的其中一項能耗漏洞，在兩個月的運行期間，共探測出能耗漏洞25項（見表2），即可實現(xiàn)年節(jié)能量457 233 kWh，約占慧湖大廈年電力總能耗的9.53%。

結(jié)合慧湖大廈案例分析，隨著園區(qū)智慧能源管理平臺的升級完善以及數(shù)據(jù)積累，整個蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)按照降低能耗10%來估算，即可實現(xiàn)節(jié)約電力消耗約713.15萬kwh，減少二氧化碳排放約5 883.49 t，相當于種植了12 652棵樹，取得顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

表2 能耗漏洞匯總

4 結(jié)語

隨著園區(qū)智慧能源管理平臺的建設(shè)及運維的推進，平臺將積累海量的能源數(shù)據(jù)，基于能源大數(shù)據(jù)建立的模型準確性越來越精確，對綠色園區(qū)的能源管理和優(yōu)化調(diào)度發(fā)揮更重要的影響，園區(qū)智慧能源管理平臺的建設(shè)將成為國家持續(xù)推進節(jié)能減排戰(zhàn)略，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。

Introduction and Demonstration Application of Industry Park Intelligent Energy Management Platform

Liu Yingdan1, Xu Li1, Duan Fei1, Huang Zhonghui2

Jet China Energy Saving Technology(Suzhou) Co.，Ltd Suzhou Industry Park Dushu Lake Scientifi c Education Development Co.，Ltd

Construction and promotion of green industry park is key measure to realize low carbon economy in China. Meanwhile industry park intelligent energy management platform construction is key park to green industry park construction. The author introduces structure and functions of industry park intelligent energy management platform and innovative cases of big data model prediction technology and fault diagnosis technology based on big data and demonstration application at Suzhou industry park dushu lake scientific education creation zone.

Green Industry Park, Industry Park Intelligent Energy Management, Demand-Side Management, Big Data Analysis, Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.06.007