基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的分布式能源智慧云平臺構(gòu)建研究

韓 戰(zhàn) 徐志華 劉 蕾 滕小果

（北京燃?xì)饽茉窗l(fā)展有限公司，北京 100101）

1 總體方案設(shè)計

《北京市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》指出堅持以建設(shè)新型“智慧北京”為主線，使“智慧北京”成為首都信息化發(fā)展的新形態(tài)和新主題[1]?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的分布式智慧能源云平臺的建設(shè)既是“智慧北京”緊迫任務(wù)，又是企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的客觀要求。

“互聯(lián)網(wǎng)+”是基于云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的融合，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺將互聯(lián)網(wǎng)思維、信息通信技術(shù)融入傳統(tǒng)行業(yè)的形態(tài)演進(jìn)和深入應(yīng)用[2]。分布式能源是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，以天然氣冷熱電三聯(lián)供為主要供能系統(tǒng)，耦合地源熱泵系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)等滿足用戶端的冷、熱、電的負(fù)荷，有效提升能源利用效率，從傳統(tǒng)火電系統(tǒng)的30%提高到了70%左右[3-6]，大大減少輸配系統(tǒng)的成本費用，有效提高能源利用率。

智慧能源云平臺以天然氣作為基礎(chǔ)的能源保障，對電、熱、冷等多種能源的生產(chǎn)、輸送、消費等各類信息進(jìn)行智能調(diào)度，優(yōu)化區(qū)域能源供應(yīng)模式，搭建能效機(jī)房的建設(shè)體系，從而達(dá)到“多能協(xié)同，智能耦合”的綜合能源管理目標(biāo)。通過全面感知、集中賦能、云端處理，創(chuàng)建了技術(shù)、管理、服務(wù)三大創(chuàng)新模式，實現(xiàn)了分布式能源管理、交易、服務(wù)、交流“四心同步”，有效保障區(qū)域“低碳、高效、低成本、可持續(xù)”發(fā)展。

2 平臺架構(gòu)

（1）物理資源層：物理資源層包括服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)的物理資源，一般建議選擇適合于ServerSAN架構(gòu)的設(shè)備，每個節(jié)點分別具備計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)的能力，進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（2）資源虛擬化層：虛擬化是云計算平臺的核心技術(shù)之一，即包含服務(wù)器虛擬化技術(shù)、存儲虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，這樣才能從底層更好地支持上層云服務(wù)。計算虛擬化采用業(yè)界廣泛使用的KVM技術(shù)；存儲虛擬化采用Ceph技術(shù)，即把每臺物理服務(wù)器的本地磁盤存儲能力整合起來，形成分布式的共享存儲資源池；網(wǎng)絡(luò)虛擬化支持多種標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)：FLAT、VLAN、GRE、VXLAN，使得租戶可在平臺界面上可視化快速組建彈性復(fù)雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

（3）云服務(wù)管理層：三層架構(gòu)里最核心、最重要的就是第三層，即云服務(wù)管理層。云計算平臺可以自動管理和動態(tài)分配、部署、配置、重新配置以及回收資源，也可以自動安裝部署應(yīng)用。平臺可以為用戶提供自助申請?zhí)摂M資源的服務(wù)，用戶可以自己定義虛擬環(huán)境的虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)的構(gòu)成，如服務(wù)器配置、數(shù)量，存儲類型和大小，網(wǎng)絡(luò)配置等。云平臺使用者可通過自服務(wù)界面提交請求，每個請求的生命周期由平臺維護(hù)。

基于OpenStack企業(yè)級實現(xiàn)，其底層的云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)主要以O(shè)penStack社區(qū)版為主，增加了對UNIX小型機(jī)的支持，并通過專用技術(shù)極大增強(qiáng)了KVM虛擬機(jī)的高可用性。在應(yīng)用層，重點以企業(yè)客戶的需求為中心，大量增加了物理、虛擬資源監(jiān)控和用戶自服務(wù)的功能。在對外服務(wù)層，增強(qiáng)大量API，用于與企業(yè)客戶其他環(huán)境對接，更有利于用戶使用自建云的復(fù)雜環(huán)境。

云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)：包括虛擬服務(wù)器部署和業(yè)務(wù)計算模塊Nova，實現(xiàn)對KVM、VMware和XEN虛擬機(jī)的管理，對Power小型機(jī)的管理；包括網(wǎng)絡(luò)管理模塊Neutron，提供云計算環(huán)境下的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，可同時支持多種物理網(wǎng)絡(luò)類型，支持防火墻服務(wù)、節(jié)點間VPN服務(wù)等；包括統(tǒng)一存儲管理Ceph和Cinder模塊，支持ServerSAN、IPSAN、FCSAN等各種架構(gòu)，支持文件存儲、對象存儲和塊存儲等各種存儲服務(wù)模式。

3 部署方案

智慧能源云平臺為了大幅度減少帶寬和資源的浪費，減輕數(shù)據(jù)及計算的負(fù)載，通過集約化部署，設(shè)計了三層平臺的架構(gòu)模式，使各系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行。智慧能源管控體系部署方案示意圖如圖1所示。

圖1 智慧能源管控體系部署方案示意圖

智慧能源云平臺由第一層終端自控平臺、第二層網(wǎng)絡(luò)智慧管控平臺、第三層云端智慧能源平臺三部分組成。終端自控平臺主要進(jìn)行三聯(lián)供系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、電制冷系統(tǒng)等設(shè)備的順啟順停、參數(shù)監(jiān)控、自動控制，最終實現(xiàn)能源站無人值守。網(wǎng)絡(luò)智慧管控平臺首先基于“供需平衡”“滿足用戶需求”的原則，通過負(fù)荷預(yù)測，確保用戶端實現(xiàn)按需供能。結(jié)合仿真平臺的建立，搭建工藝系統(tǒng)與自控邏輯的橋梁，打造數(shù)字雙胞胎系統(tǒng)Digital Twins System，提供最佳的運行策略。最后在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多能，多站協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，“多能協(xié)同、智能耦合”。云端智慧能源平臺以云計算為基礎(chǔ)，采用模塊化的設(shè)計，根據(jù)不同部門的應(yīng)用需求，開發(fā)能源管理、項目管理、決策支持、移動APP。

4 能源數(shù)據(jù)

能源數(shù)據(jù)是智慧能源云平臺的傳輸“血液”，搭建智慧能源云平臺的指標(biāo)體系主要分為項目基本信息、經(jīng)濟(jì)、能源、能效、環(huán)保、質(zhì)量6大類指標(biāo)。

云端智慧能源平臺包括能源管理、項目管理、決策支持、移動APP四大功能模塊。云端智慧能源平臺功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 云端智慧能源平臺功能結(jié)構(gòu)

能源管理：（1）通過對多能源站、多系統(tǒng)的實時耗能、供能的統(tǒng)計分析，全面掌握能源的消耗現(xiàn)狀，為進(jìn)一步進(jìn)行能耗的管理提供數(shù)據(jù)信息依據(jù)；（2）在能源大數(shù)據(jù)模塊基礎(chǔ)上，系統(tǒng)按照綜合能源利用效率、各分系統(tǒng)能效值、設(shè)備運行效率三個層次構(gòu)建樹形能效指標(biāo)體系，實現(xiàn)整個能源站信息資源的合理共享與分配，確保能源站處于高效、節(jié)能的最佳運行狀態(tài)，構(gòu)建能效機(jī)房；（3）從能源中心總運行成本做起，按照工藝系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖，逐步向下分總能源成本、單系統(tǒng)水電氣分項成本、設(shè)備水電氣分項成本三個層次進(jìn)行分析，從而宏觀把握各區(qū)域能源站的成本、收入、利潤，并按時、日、月、季、年度統(tǒng)計，通過系統(tǒng)經(jīng)營分析，挖掘利潤點，給出運行策略建議，降低能源站費用，提高利潤；（4）通過對標(biāo)現(xiàn)各能源站與行業(yè)之間技術(shù)指標(biāo)，找出差距，實現(xiàn)行業(yè)引領(lǐng)。

項目管理：（1）監(jiān)視模塊針對多個能源站的運行參數(shù)、能耗數(shù)據(jù)，以及經(jīng)營狀況進(jìn)行全局監(jiān)視，達(dá)到在數(shù)據(jù)中心層級上對每個能源站基本運營參數(shù)進(jìn)行全局監(jiān)視，實現(xiàn)無人值守；（2）提供系統(tǒng)集中展示、分析判斷和處理報警的功能，實現(xiàn)智能預(yù)判，變被動維修為主動維護(hù)；（3）實現(xiàn)能源站統(tǒng)一的設(shè)備臺賬管理、備品備件管理、維修保養(yǎng)管理，形成設(shè)備全生命周期評優(yōu)庫；（4）加強(qiáng)班組基礎(chǔ)管理，充分收集班組行為，建立核心指標(biāo)，自主開展行為節(jié)能。

決策支持：（1）決策支持系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析以及能耗綜合分析，配合集團(tuán)公司給出商務(wù)、技術(shù)和財務(wù)三方面合理性的判斷，并給出優(yōu)化指導(dǎo)建議；（2）安全管理報告、故障分析報告、運行分析報告、經(jīng)營分析報告等；（3）開放國內(nèi)外能源站接入，與智慧城市對接，共享能源大數(shù)據(jù)。

能源魔方：可從多數(shù)據(jù)、多維度、多對象、多設(shè)備進(jìn)行各種統(tǒng)計匯總分析生產(chǎn)多種統(tǒng)計圖表。以指標(biāo)體系為依托，通過數(shù)據(jù)建模分析設(shè)備運行的合理性，提供預(yù)警與相關(guān)分析的基礎(chǔ)：①歸屬維度：按照“集團(tuán)-區(qū)域-項目”三級方式顯示各級的能效、能耗、成本等指標(biāo)；②系統(tǒng)層級維度：項目內(nèi)部按照“能源站-系統(tǒng)-設(shè)備”三級方式顯示各級的能效、能耗指標(biāo)；③指標(biāo)維度：單位面積能耗、度日能耗、單位面積成本、能效指標(biāo)查詢分析等；④時間維度：同一區(qū)域內(nèi)不同項目的單位面積能耗、度日能耗、單位面積成本、能效指標(biāo)等對比分析；不同區(qū)域內(nèi)不同項目的單位面積能耗、度日能耗、單位面積成本、能效指標(biāo)等對比分析。

移動APP分為管理人員和項目人員兩種功能模式，管理人員通過消息推送、實時監(jiān)控，隨時隨地掌控項目信息。項目人員在線實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢、自助抄表、事件上報、日報推送、移動運維、任務(wù)跟蹤，減少運維工作量，節(jié)省項目人工成本。

5 系統(tǒng)特點

智慧能源云平臺讓系統(tǒng)“蘇醒”，使數(shù)據(jù)“說話”。

認(rèn)清自己：通過核心數(shù)據(jù)全搜集、全對比，充分了解運營狀況、經(jīng)營情況；

智能運營：看數(shù)據(jù)、比數(shù)據(jù)、管數(shù)據(jù)通過建立能耗指標(biāo)，驅(qū)動項目班組自主節(jié)能和提高運維質(zhì)量；提供診斷服務(wù)，尋找節(jié)能突破口，落實節(jié)能優(yōu)化措施；

利潤挖掘：細(xì)化項目的利潤和成本結(jié)構(gòu)，總體把控運營成本，挖掘利潤點，為企業(yè)創(chuàng)造更多的價值；

項目管理：對于公司多區(qū)域、多業(yè)態(tài)、多項目實行統(tǒng)一科學(xué)的管理，確保核心數(shù)據(jù)實時性、準(zhǔn)確性、統(tǒng)一性；

移動預(yù)判：業(yè)務(wù)部與運營管理部互相了解運營指標(biāo)，通過內(nèi)置功能，業(yè)務(wù)部能實現(xiàn)方案的移動預(yù)判（掌上專家）；

信息共享：打造“能儲地圖”“低碳能脈”，對接智慧城市，調(diào)動資源，實現(xiàn)綠色低碳能源信息社會化共享。

6 結(jié)語

本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+”分布式能源，以燃?xì)鉃榛A(chǔ)能源保障，結(jié)合地?zé)崮?、太陽能、蓄能、儲能技術(shù)，構(gòu)建了一套能源管理云平臺系統(tǒng)，為分布式能源項目的建設(shè)提供很好的技術(shù)支撐與示范，以智能化的調(diào)度平臺有效保障區(qū)域能源供應(yīng)，對能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)提供一定的借鑒意義。