智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理云平臺(tái)系統(tǒng)方案研究與應(yīng)用

馬 虹

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，南京 210023)

0 引言

世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都在實(shí)施以技術(shù)為支撐的能源轉(zhuǎn)型政策[1-2]。未來(lái)能源行業(yè)已逐步向大數(shù)據(jù)、虛擬發(fā)電廠、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、共享經(jīng)濟(jì)和區(qū)塊鏈技術(shù)、數(shù)字融合技術(shù)等方面快速發(fā)展[3-4]。能源的發(fā)電成本將不斷下降，能源投資重心向綠色清潔化能源轉(zhuǎn)移，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化[5]?！笆濉笔侵袊?guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和改革的關(guān)鍵時(shí)期，提高能源效率是能源發(fā)展的永恒目標(biāo)[6]。以往經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中，能源戰(zhàn)略以滿(mǎn)足能源需求為主，能源效率難以兼顧[7]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下，滿(mǎn)足能源需求壓力減弱，能源行業(yè)今后發(fā)展將以提高效率為主[8]?！笆濉蹦茉匆?guī)劃要考慮的首位是節(jié)能，特別是工業(yè)節(jié)能設(shè)備和信息化手段的運(yùn)用[9]。

為積極響應(yīng)省、市、區(qū)政府關(guān)于建設(shè)生態(tài)文明和發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)的工作要求和“綠色城市”環(huán)境工程[10-11]，進(jìn)一步提升智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)工作，筆者受相關(guān)部門(mén)委托，聯(lián)合中國(guó)電子學(xué)會(huì)、普天集團(tuán)、江蘇蘇源高科等單位的技術(shù)力量，綜合運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧檢測(cè)手段，設(shè)計(jì)并實(shí)施了區(qū)域智慧能源和碳排放互聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺(tái)項(xiàng)目，并于2015年底初步建成投入使用，已為某區(qū)內(nèi)300多家企業(yè)和公共機(jī)構(gòu)提供能源及碳排放監(jiān)測(cè)服務(wù)，基本建成區(qū)一級(jí)統(tǒng)一的能耗監(jiān)測(cè)與管理中心，初步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排指標(biāo)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)控。通過(guò)三年多試運(yùn)行和不斷完善與擴(kuò)容，系統(tǒng)平臺(tái)安全可靠、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，為節(jié)能減排工作提供了客觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為政府決策提供了客觀科學(xué)的依據(jù)，取得了較好的社會(huì)效益。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)的目標(biāo)宗旨

項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)的總體目標(biāo)是在區(qū)級(jí)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)成功搭建以及取得運(yùn)用成效的基礎(chǔ)上[12-13]，進(jìn)一步建立市級(jí)能源環(huán)境智慧城市互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，在全市范圍內(nèi)全面鋪設(shè)能耗監(jiān)測(cè)點(diǎn)[14]，為全市節(jié)能監(jiān)察工作提供全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)警、管理服務(wù)，并首次在全市提出互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支撐的碳資產(chǎn)管理和碳排放權(quán)交易管理服務(wù)概念，打造與之相呼應(yīng)的首個(gè)區(qū)域性碳管理與交易平臺(tái)系統(tǒng)。具體目標(biāo)為以下4點(diǎn)：

1)建立統(tǒng)一的能源環(huán)境智慧城市互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái),全面優(yōu)化政府節(jié)能減排管理和企業(yè)能源及碳經(jīng)營(yíng)模式，提高整體管理及經(jīng)營(yíng)收益；加強(qiáng)城市排污實(shí)時(shí)監(jiān)控，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，增強(qiáng)大數(shù)據(jù)、云服務(wù)功能，為政府節(jié)能減排工作及環(huán)境整治工作提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)分析和決策建議[15]。

2)建立用能和碳排放分布式實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一級(jí)監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)用能單位總體用能情況的監(jiān)測(cè)和預(yù)警[16]；二級(jí)、三級(jí)監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)用能單位主要線路、重點(diǎn)用電(水、氣)設(shè)備的用能監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警；四級(jí)以上監(jiān)測(cè)可根據(jù)用戶(hù)需求細(xì)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布和功能實(shí)現(xiàn)。

3)建立整合區(qū)內(nèi)外科研院所、高級(jí)專(zhuān)家和技術(shù)團(tuán)隊(duì)的后臺(tái)技術(shù)服務(wù)力量，確保對(duì)能耗及碳排放數(shù)據(jù)的有效分析，并有針對(duì)性地提出解決方案[17-18]。

4)建立開(kāi)放式的功能平臺(tái)，積極對(duì)接省、市能源及碳排放管理運(yùn)行系統(tǒng)，不斷拓展碳交易、新能源利用、循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)等功能模塊，提供綠色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的綜合性服務(wù)[19]。

2 項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

平臺(tái)設(shè)計(jì)以“總體設(shè)計(jì)、適當(dāng)超前、分期實(shí)施”的建設(shè)思路開(kāi)展實(shí)施。圖1所示為智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理云平臺(tái)系統(tǒng)方案總體規(guī)劃圖，由監(jiān)控云平臺(tái)、工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)、設(shè)備服務(wù)團(tuán)隊(duì)3大部分組成。其中監(jiān)控云平臺(tái)是智能能源及碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，包含數(shù)據(jù)處理中心、Web交互界面、大屏幕投影等；工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)是為了進(jìn)一步大量增加數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和設(shè)備維護(hù)建立的工作團(tuán)隊(duì)；成立服務(wù)團(tuán)隊(duì)是為了適應(yīng)不同客戶(hù)的需求和對(duì)系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化更新的需要。進(jìn)一步分析圖1可以看出，為了使本設(shè)計(jì)方案能夠科學(xué)合理，特別是更加實(shí)用化，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施與運(yùn)行考慮了各方面的因素，形成了技術(shù)層面、工程層面、服務(wù)層面的相互融合與支撐。

圖1 智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理云平臺(tái)系統(tǒng)組成框圖

智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理云平臺(tái)系統(tǒng)的具體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，由用戶(hù)應(yīng)用層、中心管理層、信號(hào)采集層和監(jiān)測(cè)對(duì)象共4大功能部分組成。

圖2 智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

用戶(hù)應(yīng)用層包含綜合管理端、政府端、企業(yè)端、公眾端等端口?？梢詾檎诰€監(jiān)測(cè)、企業(yè)咨詢(xún)服務(wù)、單個(gè)用戶(hù)需求及服務(wù)管理提供端到端解決方案。

中心管理層由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、分析計(jì)算服務(wù)器、Web服務(wù)器、防火墻、數(shù)據(jù)交換機(jī)、系統(tǒng)軟件等部分組成。一般設(shè)置在中心機(jī)房和服務(wù)展示大廳。

信號(hào)采集層是服務(wù)前端的各類(lèi)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，通過(guò)不同的傳感器和通信節(jié)點(diǎn)完成。從節(jié)能減排方面監(jiān)測(cè)，涉及的主要有用電量、氣體排放、煤消耗等方面的數(shù)據(jù)采集。

監(jiān)測(cè)對(duì)像是根據(jù)政府相關(guān)部門(mén)的要求來(lái)確定的，這里主要研究的是對(duì)像特點(diǎn)和選用數(shù)據(jù)采集的技術(shù)方案。

在數(shù)據(jù)信息傳輸方面主要運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)“片切塊”及短距離射頻芯片解決。

平臺(tái)一期建成區(qū)級(jí)智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)展示大廳、平臺(tái)軟件運(yùn)行系統(tǒng)、服務(wù)器數(shù)據(jù)中心及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)終端安裝等，為區(qū)內(nèi)近100家企業(yè)和公共機(jī)構(gòu)提供能源及碳排放監(jiān)測(cè)服務(wù)，并建成全區(qū)統(tǒng)一的能耗監(jiān)測(cè)與管理中心，初步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排指標(biāo)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為全區(qū)節(jié)能減排工作提供了客觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；平臺(tái)二期工程主要是平臺(tái)的功能版塊完善和性能提升以及區(qū)內(nèi)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象布點(diǎn)達(dá)到80 %以上的覆蓋率，即完成安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)500個(gè)以上。

圖4 被監(jiān)測(cè)單位用電負(fù)荷實(shí)時(shí)在線分析

平臺(tái)三期工程計(jì)劃用于市范圍內(nèi)重點(diǎn)轄區(qū)的智慧能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理云平臺(tái)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)、大數(shù)據(jù)挖掘、分析和跟蹤服務(wù)以及各區(qū)內(nèi)重點(diǎn)單位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)大面積覆蓋工作?；窘ǔ筛采w全市1 500家以上用能單位(含150家三級(jí)以上監(jiān)控重點(diǎn)用能單位)的能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理綜合平臺(tái)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)累計(jì)達(dá)到5 000個(gè)以上，幫助區(qū)內(nèi)200家以上重點(diǎn)耗能企業(yè)實(shí)施節(jié)能技改，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗綜合價(jià)值超5億元以上。

平臺(tái)四期工程建成覆蓋全市所有區(qū)縣及附近城市重點(diǎn)用能單位、功能完善、有海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的市級(jí)平臺(tái)和綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)展各市區(qū)的自動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋率，真正達(dá)到部省關(guān)于高耗能企業(yè)及企業(yè)高耗能設(shè)備覆蓋率的要求，納入平臺(tái)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工商企業(yè)與公共機(jī)構(gòu)總數(shù)將至少達(dá)到3 000家以上。同時(shí)，平臺(tái)將爭(zhēng)取納入省級(jí)能源及碳排放監(jiān)測(cè)管理、交易平臺(tái)總架構(gòu)，為省市大平臺(tái)的落地奠定數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)。

3 項(xiàng)目一期的特點(diǎn)和實(shí)施取得的成效

項(xiàng)目一期工程由系統(tǒng)軟件層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)采集層組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗企事業(yè)單位的用電量等能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)用能支路進(jìn)行計(jì)量，將數(shù)據(jù)采集器上傳到能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析。

1)平臺(tái)依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)基礎(chǔ)，以信息化智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源消耗及溫室氣體排放的可視化、可量化和智能化分析，便于政府和企業(yè)實(shí)時(shí)了解最新能耗情況。智慧能源監(jiān)測(cè)服務(wù)中心如圖3所示。

圖3 智慧能源監(jiān)測(cè)服務(wù)中心

2)平臺(tái)輔以能效及碳減排專(zhuān)家組的后臺(tái)聯(lián)網(wǎng)服務(wù),通過(guò)對(duì)各類(lèi)能源消耗碳排放數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)、分析、管理,幫助客戶(hù)準(zhǔn)確掌握能源消耗過(guò)程、能耗水平、費(fèi)用支出等是否合理,挖掘節(jié)能潛力,量化節(jié)能減排技改效果，進(jìn)一步開(kāi)展精細(xì)化能源及碳排放管理。圖4為一個(gè)礦山有限公司被監(jiān)測(cè)用電負(fù)荷實(shí)時(shí)在線分析，根據(jù)安裝在礦山380 V強(qiáng)電進(jìn)線、風(fēng)機(jī)泵等19個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析，顯示出該單位24小時(shí)內(nèi)用電在線負(fù)荷曲線，進(jìn)一步，可以得到1天、1周、1月、1 年的最大值、最小值和平均值。通過(guò)觀測(cè)到的ABC三相負(fù)荷情況可以為企業(yè)提供改進(jìn)功率因素決策，以提高用電效率。圖5為被監(jiān)測(cè)單位消耗電能分析?？梢缘玫骄_的電量計(jì)算和分析數(shù)據(jù)并換算成電價(jià)和碳排放量。

圖5 被監(jiān)測(cè)單位消耗電能分析

3)平臺(tái)整合了區(qū)內(nèi)外眾多技術(shù)資源，對(duì)企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)改造工程提供咨詢(xún)、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維一整套的服務(wù)，不斷提升企業(yè)能效、降低排放水平。目前，公司已與區(qū)內(nèi)多家重點(diǎn)用能企業(yè)達(dá)成合作戰(zhàn)略協(xié)議，并獲得政府的政策扶持和資金支持，預(yù)計(jì)完成后將進(jìn)一步在全市范圍內(nèi)推廣、應(yīng)用。圖6為利用運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)施與維護(hù)，對(duì)于企業(yè)的數(shù)據(jù)完整性和正確性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6 服務(wù)咨詢(xún)功能

4)平臺(tái)以開(kāi)放式的功能架構(gòu)，從基礎(chǔ)的能耗及碳排放數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析發(fā)展到后臺(tái)專(zhuān)家?guī)於ㄏ蚋櫡?wù)、能耗及碳排放預(yù)警、能源結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建等功能模塊，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)低碳發(fā)展提供最大助力。平臺(tái)積極對(duì)接省市經(jīng)信委、發(fā)改委能源及碳排放管理服務(wù)系統(tǒng)，會(huì)同相關(guān)科研單位研發(fā)了碳交易及碳資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、新能源交通監(jiān)管、循環(huán)資源利用等新功能模塊，不僅更加貼近市場(chǎng)需求，也更加強(qiáng)了平臺(tái)在后互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

5)管理權(quán)限。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)部署的用能數(shù)據(jù)采集點(diǎn)將準(zhǔn)確的用能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和匯總，通過(guò)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口傳送到以云計(jì)算為基礎(chǔ)架構(gòu)的后臺(tái)，通過(guò)初步的數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)或應(yīng)用通過(guò)預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的方式進(jìn)行發(fā)布，以提供最終用戶(hù)進(jìn)行能耗、能效的分析和改進(jìn)。同時(shí)，考慮到目前用能單位的多樣性，系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)為此建立了一套完善的權(quán)限管理體系來(lái)解決不同用戶(hù)管理不同區(qū)域的能耗數(shù)據(jù)。圖7是權(quán)限管理流程圖。

圖7 管理權(quán)限設(shè)置

4 結(jié)束語(yǔ)

本平臺(tái)系統(tǒng)方案依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)基礎(chǔ)，以信息化智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源消耗及溫室氣體排放的可視化、可量化和智能化分析；同時(shí)輔以能效及碳減排專(zhuān)家組的后臺(tái)聯(lián)網(wǎng)服務(wù),通過(guò)對(duì)各類(lèi)能源消耗機(jī)碳排放數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)、分析及管理,幫助客戶(hù)準(zhǔn)確掌握能源消耗過(guò)程、能耗水平、費(fèi)用支出等是否合理,挖掘節(jié)能潛力,量化節(jié)能減排技改效果，進(jìn)一步開(kāi)展精細(xì)化能源及碳排放管理；同時(shí)，平臺(tái)還整合了區(qū)內(nèi)外眾多技術(shù)資源，對(duì)企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)改造工程提供從咨詢(xún)、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維一整套的服務(wù)，不斷提升企業(yè)能效、降低排放水平。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案總結(jié)和吸收了成功的案例與經(jīng)驗(yàn)，采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)接口和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與第三方產(chǎn)品數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接；同時(shí)充分考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度、抗干擾能力、適用環(huán)境、利用率、安全性等，提供符合信息化發(fā)展的各項(xiàng)數(shù)據(jù)服務(wù)，通過(guò)對(duì)接全局信息化優(yōu)化決策體系，進(jìn)一步提升了運(yùn)行管理的信息化水平，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化集約的運(yùn)行管理及設(shè)備管理，具有規(guī)范、專(zhuān)業(yè)、可靠、可擴(kuò)展、可定制的特點(diǎn)。