基于邊緣計算的綜合智慧能源一體化管控平臺設(shè)計與研究

程俊杰 阮玖圣

摘要：“碳中和、碳達峰”目標下，實現(xiàn)多種能源間的智慧化利用是未來能源研究的重點和方向。針對當前綜合能源利用中智能化程度低、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能很好的滿足多能耦合復雜性需求的痛點問題，本文提出一種基于邊緣計算的綜合智慧能源一體化管控平臺，一方面采用邊緣計算裝置+小型DCS一體機的理念，實現(xiàn)傳統(tǒng)綜合能源控制系統(tǒng)智能化改造升級，很好的滿足了綜合能源耦合復雜性的控制需求，另一方面基于通用平臺工具開發(fā)用戶應(yīng)用，具有更好的平臺通用性，在用戶提出新的需求時，能夠通過復用平臺工具模塊快速開發(fā)出來相關(guān)應(yīng)用，降低開發(fā)時間及成本。平臺能夠發(fā)揮綜合能源的優(yōu)勢與潛力，整體可大幅提升能源利用效率，具有較大的研發(fā)價值與市場潛力。

關(guān)鍵詞：綜合能源;小型化DCS;邊緣計算;數(shù)字孿生;用能優(yōu)化;

1.引言

隨著“碳達峰、碳中和”國家能源戰(zhàn)略發(fā)展目標的提出，未來構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)，實現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能降耗成為實現(xiàn)“雙碳”目標的基本思路和主要舉措，其中在工業(yè)生產(chǎn)、建筑環(huán)境、交通運輸?shù)拳h(huán)節(jié)實現(xiàn)多種能源的智慧化綜合利用是研究的重點和方向。

當前綜合智慧能源管理存在以下兩個方面的痛點：第一，目前市場上大都采取能源管理系統(tǒng)（Energy Management System）進行綜合能源優(yōu)化管理，但基本只具備基礎(chǔ)的用能監(jiān)控畫面、能耗分析功能。且該EMS對于整個綜合能源系統(tǒng)的控制策略全部是通過粗顆粒度的一階模型或是純軟件的方式來粗略的干預(yù)，其穩(wěn)定性和控制效果欠佳。其畫面顯示效果俱佳，但缺少真正的能源智能優(yōu)化內(nèi)核，非真正智能化的綜合能源管理系統(tǒng);第二，當前綜合能源的建設(shè)與運行仍以多種能源簡單集成為主，多能源耦合轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢并未發(fā)揮，導致能源利用造價高、效率低，阻礙了綜合能源的發(fā)展。綜合能源控制系統(tǒng)作為能效提升的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，在多能耦合、轉(zhuǎn)換，儲能經(jīng)濟運行、綜合能源供需平衡、并網(wǎng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)等方面均具有重要作用。但由于可再生能源的隨機波動性，綜合能源控制的復雜性，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以發(fā)揮綜合能源的潛力及優(yōu)勢，需進一步增強異質(zhì)能源的互補性和可替代性。綜合能源面臨著亟需解決的多能源耦合轉(zhuǎn)化效率低、造價高的難題。

本文提出一種基于邊緣計算的一體化綜合智慧能源管控平臺，研發(fā)方向切中行業(yè)痛點，采用智能算法驅(qū)動的綜合能源邊緣智能控制系統(tǒng)能夠大幅提升能源利用效率，具有較大研發(fā)價值及市場潛力。

2.平臺設(shè)計

1）平臺總體架構(gòu)

基于邊緣計算的綜合智慧能源一體化管控平臺是集管理與控制功能為一體的數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺，平臺以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)驅(qū)動算法模塊為工具，靈活開發(fā)出各種平臺應(yīng)用，滿足綜合能源項目管控一體化的需求。作為能源管理中心，綜合能源一體化智慧管控平臺應(yīng)提供能效管理、能源監(jiān)控、設(shè)備維保、能耗分析、負荷預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度等功能。例如實現(xiàn)用能數(shù)據(jù)精準展示、實時監(jiān)控異常告警、大數(shù)據(jù)自定義報表功能等。通過共享供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、燃氣、供暖、供冷等能源供應(yīng)和使用數(shù)據(jù)信息，平臺應(yīng)能實現(xiàn)對企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)輸配和消耗環(huán)節(jié)實施集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理。 平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

從功能層級上來分，包括：監(jiān)控顯示層、數(shù)據(jù)服務(wù)器層、邊緣控制層、就地設(shè)備層。

a）監(jiān)控顯示層

監(jiān)控顯示層是實現(xiàn)綜合能源相關(guān)資源與設(shè)備一體化管理的人機交互中心，一般包含的設(shè)備有：中央大屏顯示系統(tǒng)、一體化管控平臺終端、監(jiān)控顯示終端、信息安全隔離設(shè)備等。中央大屏顯示系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)精準展示功能;一體化管控平臺終端通過KVM設(shè)備接入管控平臺服務(wù)器，實現(xiàn)管控平臺服務(wù)器中綜合能源相關(guān)應(yīng)用的部署與操作;監(jiān)控顯示終端通過KVM設(shè)備接入監(jiān)控終端服務(wù)器，實現(xiàn)常規(guī)DCS監(jiān)控顯示功能;信息安全隔離設(shè)備通過加密通信保障與外部網(wǎng)絡(luò)通信安全。監(jiān)控顯示層主要涉及功能包括輸出結(jié)果渲染、3D界面精準展示與交互、相關(guān)指標及趨勢展示、實時監(jiān)控告警、VR/AR顯示等。

b）數(shù)據(jù)服務(wù)器層

包括實時數(shù)據(jù)庫/歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管控平臺服務(wù)器、監(jiān)控終端服務(wù)器等設(shè)備。其中管控平臺服務(wù)器是整個平臺實現(xiàn)業(yè)務(wù)計算的核心。一方面，數(shù)據(jù)服務(wù)器層提供平臺通用工具，各種業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠通過調(diào)用這些平臺工具快速開發(fā)實現(xiàn)，支持工具包括數(shù)據(jù)處理、分析、查詢，能夠評估計算模塊，算法訓練、求解、部署模塊，3D交互引擎、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生擬合工具、第三方算法支撐工具等，另一方面，基于提供的通用工具，面向綜合能源各項需求可有針對性開發(fā)基于WEB的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序，包括能源效率及性能分析、能源運行優(yōu)化、負荷預(yù)測、智能算法訓練及部署、智能運維等功能。相比較于目前主流的基于平臺數(shù)據(jù)來開發(fā)應(yīng)用的方案設(shè)計，基于通用平臺工具再開發(fā)用戶應(yīng)用，具有更好的平臺通用性，在用戶提出新的需求時，能夠通過復用平臺工具模塊快速開發(fā)出來相關(guān)應(yīng)用，降低開發(fā)時間及成本。綜合能源數(shù)據(jù)，包括綜合能源中新能源、儲能、供熱制冷設(shè)備、泵、閥門等運行數(shù)據(jù);來自第三方控制系統(tǒng)、SCADA、SIS、EMS等系統(tǒng)中的數(shù)據(jù);以及視頻、氣象、GIS等其他數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)通過各種配置的通訊協(xié)議及接口，通過數(shù)據(jù)清洗預(yù)處理上傳至平臺實時數(shù)據(jù)庫/歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，來支撐平臺上層工具開發(fā)。

c）邊緣控制層

邊緣控制層包括小型化DCS一體機、邊緣計算裝置兩部分構(gòu)成。邊緣控制層是整個平臺的工業(yè)大腦，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、智能優(yōu)化計算、直接調(diào)度控制等功能。小型化DCS一體機，在具備傳統(tǒng)DCS全部功能的同時，實現(xiàn)了小型化設(shè)計，滿足綜合能源項目各種場景安裝需求，裝置采用可拔插模塊化設(shè)計，能夠根據(jù)不同的綜合能源項目靈活配置產(chǎn)品硬件組成，具有靈活、可擴展、易維護等優(yōu)勢。利用可拓展I/O智能模塊、DTU無線通信模塊，增加DCS遠程監(jiān)控、邏輯組態(tài)遠程更新應(yīng)用等功能;邊緣計算裝置包含基于實現(xiàn)ARM架構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片核心版接口板載模塊，主要實現(xiàn)人工智能算法應(yīng)用功能。邊緣計算服務(wù)器通過OPC及內(nèi)部通訊協(xié)議與小型化DCS一體機進行雙向通信，邊緣計算智能算法運算結(jié)果可以通過小型化DCS一體機作用到現(xiàn)場設(shè)備上，提升綜合能源智能化水平。此外，通過兩者深度融合，可以實現(xiàn)智能算法與邏輯控制之間的無擾切換、互為冗余配置或其他自定義功能，如智能算法通過更改DCS控制邏輯參數(shù)實現(xiàn)優(yōu)化提升等。邊緣控制層滿足了綜合智慧能源項目各種基本控制和智能控制需求。

d）就地層

就地層提供能源現(xiàn)場設(shè)備及系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的各種通信協(xié)議及接口，包括但不僅限于OPC、MODBUS、CAN通信協(xié)議，第三方DCS/PLC內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換，以及兼容SIS、EMS、SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口，天氣及GIS數(shù)據(jù)接口和其他數(shù)據(jù)規(guī)約等。

2）平臺功能架構(gòu)

按功能和計算內(nèi)容劃分，分為數(shù)據(jù)訪問層、技術(shù)支持層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層及表現(xiàn)層4層技術(shù)結(jié)構(gòu)組成。數(shù)據(jù)訪問層提供能源現(xiàn)場設(shè)備及系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的各種通信協(xié)議及接口。技術(shù)支持層提供平臺通用工具，各種業(yè)務(wù)層應(yīng)用能夠通過調(diào)用這些平臺工具快速開發(fā)實現(xiàn)，支持工具包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析、查詢，能夠評估計算模塊，算法訓練、求解、部署模塊，3D交互引擎等。更高級別地，還可進一步開發(fā)綜合能數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生擬合工具，第三方算法支撐工具等，分別用于智慧運維、高精度優(yōu)化和綜合能源生態(tài)體系構(gòu)建支持。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是面向綜合能源各項需求有針對性開發(fā)的應(yīng)用程序，包括能源效率及性能分析、能源運行優(yōu)化、負荷預(yù)測、智能算法訓練及部署等功能，基于綜合能源數(shù)字孿生還可開發(fā)智能運維等高級應(yīng)用。表現(xiàn)層技術(shù)主要涉及3D界面精準展示、相關(guān)指標及趨勢展示、實時監(jiān)控告警等功能的開發(fā)。

3）平臺優(yōu)化功能

根據(jù)綜合能源不同場景梳理，平臺應(yīng)實現(xiàn)的能源預(yù)測與優(yōu)化功能包括：

序號系統(tǒng)功能功能描述1能源供應(yīng)預(yù)測根據(jù)是否使用氣象數(shù)據(jù)，單一時間尺度或多時間尺度預(yù)測2用戶負荷預(yù)測根據(jù)系統(tǒng)的運行特性、增容決策、自然條件與社會影響等諸多因數(shù)，在滿足一定精度要求的條件下，確定未來某特定時刻的負荷數(shù)據(jù)，其中負荷是指電力需求量（功率）或用電量3儲能優(yōu)化包括電儲能、熱儲能、蓄冷、儲氣，目標為保證供需平衡同時，降低儲能系統(tǒng)運行成本，增加儲能設(shè)備壽命4電負荷控制優(yōu)化含電儲能優(yōu)化，供需預(yù)測算法，在保證用戶用電需求的同時，最小化發(fā)電成本。電能品質(zhì)需要保證，控制周期及精度要求高5熱負荷控制優(yōu)化含熱儲能優(yōu)化，供需預(yù)測算法，在保證用戶熱能需求的同時，最小化供熱成本。熱能耦合轉(zhuǎn)換復雜，需要解決熱慣性問題6冷負荷控制優(yōu)化含蓄冷儲能優(yōu)化，供需預(yù)測算法，在保證用戶冷負荷需求的同時，最小化供冷成本。7峰谷電價并網(wǎng)優(yōu)化包括儲能優(yōu)化、市場電價預(yù)測、新能源功率預(yù)測，并網(wǎng)控制8調(diào)度優(yōu)化（數(shù)據(jù)驅(qū)動）包括供需預(yù)測算法，控制優(yōu)化為秒級及以下優(yōu)化，調(diào)度優(yōu)化是分鐘級及以上運行方式優(yōu)化，采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進行算法尋優(yōu)9調(diào)度優(yōu)化（數(shù)字孿生）包括供需預(yù)測算法，包含基于機理模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的綜合能源數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于數(shù)字孿生進行算法尋優(yōu)10綜合能源自尋優(yōu)算法包括綜合能源數(shù)字孿生，在保證綜合能源控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，采用安全單調(diào)遞優(yōu)強化學習算法，使綜合能包括綜合能源數(shù)字孿生，分析用戶用能習慣，基于數(shù)字孿生和智能算法，改進用戶用能習慣，降低用戶用能成本。如醫(yī)院照明用能優(yōu)化、冷熱負荷需求優(yōu)化等11用戶用能優(yōu)化包括綜合能源數(shù)字孿生，根據(jù)用戶用能習慣，基于數(shù)字孿生和智能算法，提出能優(yōu)化建議或直接更改用戶負荷需求控制系統(tǒng)參數(shù)，滿足實際用戶需求的同時降低用戶用能成本及穩(wěn)定性。案例包括醫(yī)院照明用能優(yōu)化、空調(diào)制冷節(jié)能、供熱用能優(yōu)化等。

3.結(jié)束語

未來能源將會朝著清潔化、智慧化、去中心化、綜合化方向發(fā)展，能源利用形式將會呈現(xiàn)冷、熱、電、氣能源在供應(yīng)、傳輸、消費和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)化利用趨勢。本文提出一種基于邊緣計算的綜合智慧能源一體化平臺設(shè)計，一方面采用邊緣計算裝置+小型DCS一體機的理念，實現(xiàn)傳統(tǒng)綜合能源控制系統(tǒng)智能化改造升級，很好的滿足了綜合能源耦合復雜性的控制需求，另一方面基于通用平臺工具開發(fā)用戶應(yīng)用，具有更好的平臺通用性，在用戶提出新的需求時，能夠通過復用平臺工具模塊快速開發(fā)出來相關(guān)應(yīng)用，降低開發(fā)時間及成本。平臺能夠發(fā)揮綜合能源的優(yōu)勢與潛力，整體可大幅提升能源利用效率，具有較大的研發(fā)價值與市場潛力。

參考文獻：

[1] 艾芊，郝然.多能互補、集成優(yōu)化能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2017

[2] 宋晨輝，馮健，楊東升，周博文，齊 格.考慮系統(tǒng)耦合性的綜合能源協(xié)同優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2018

[3] 鐘迪，李啟明，周賢，彭爍，王保民.多能互補能源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].熱力發(fā)電，2018