燃氣分布式能源智能監(jiān)測及運維管理平臺設計

徐 明張建敏譚志雄

1.上海齊耀動力技術有限公司

2.海南民生管道燃氣有限公司

0 概述

燃氣分布式能源系統(tǒng)，具有能效高、經(jīng)濟效益好，清潔環(huán)保，保障能源供應安全性和可靠性等優(yōu)點，近年來在我國迅速發(fā)展。由于涉及冷、熱、電不同形式能源生產(chǎn)和設備運行管理，對于大多數(shù)用戶，不具備運維管理能力，因此需要專業(yè)的技術平臺提供服務指導。對于政府而言，對分散的項目如何進行有效監(jiān)管，開展節(jié)能效果評價、運行情況后評估和補貼發(fā)放，缺乏有效的第三方的數(shù)據(jù)支撐。因此，建立開放的燃氣分布式能源智能監(jiān)測及運維管理平臺是必要的。

2015年，上海齊耀動力技術有限公司“燃氣分布式能源智能監(jiān)測及運維管理平臺”獲得上海市發(fā)改委服務業(yè)發(fā)展引導資金計劃立項支持。在項目實施過程中，該平臺逐步擴大到包括生物質(zhì)或濕垃圾沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)、垃圾填埋氣利用等其他燃氣分布式能源系統(tǒng)。本文介紹了該平臺的設計，結合投運效果評估，提出了燃氣分布式能源數(shù)字化運維管理的建議。

1 平臺構成

燃氣分布式能源智能監(jiān)測及運維管理平臺，由智能監(jiān)測平臺、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺兩部分組成，具體內(nèi)容如下：

1）智能監(jiān)測平臺

智能監(jiān)測平臺，采集項目現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并傳輸至平臺，在能效監(jiān)測的基礎上，以分析統(tǒng)計為手段，通過優(yōu)化計算，提供最佳的運行控制方案。主要包括：

a.數(shù)據(jù)采集層

以底層傳感器、變送器、執(zhí)行器等電氣設備為基礎，通過通信或模擬量傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)的收集，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、設備運行狀態(tài)監(jiān)測、能耗監(jiān)測，遠程抄表等各項基礎功能。其采集的精度和頻率符合國家及地方的相關標準。同時滿足多種通信要求，具備豐富的接口和協(xié)議轉換功能，包括總線接口，以太網(wǎng)接口等。

b.管理監(jiān)控層

建立現(xiàn)場服務器平臺，對收集的數(shù)據(jù)進行歸類整理計算，給出實時的能效和能耗分析結果，并對比歷史數(shù)據(jù)，供用戶決策參考。在收集數(shù)據(jù)的基礎上，監(jiān)測平臺依據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)參數(shù)，了解設備的啟停時間和使用規(guī)律，根據(jù)已有的優(yōu)化計算方法，挖掘節(jié)能潛力和重點。

c.運行指導層

在管理監(jiān)控層的基礎上，按照優(yōu)化計算后的結果，確定優(yōu)化運行模式，自動給出優(yōu)化運行方案建議，最優(yōu)化項目能效與經(jīng)濟效益。

d.遠程通信層

將項目數(shù)據(jù)遠傳至數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺。其遠傳方式包括有線和無線兩種方式，充分利用現(xiàn)在先進的互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠程監(jiān)控。

e.模塊化設計

平臺具有良好的可擴展性，采用模塊化設計，適應項目規(guī)模的變化進行設備的增減。

2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺

平臺具備大容量分布式供能項目運行數(shù)據(jù)存儲功能，通過對各個項目歷史數(shù)據(jù)分析，再對比項目運行情況，給出某個項目最佳運行模式的功能。該平臺有助于用戶通過對已有的建設項目的運行結果進行比選，得到最佳的設計、建設及運行方案，有助于未來新規(guī)劃項目的方案決策。

a.基于SQL數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)庫服務器，儲存海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的實時查詢和記錄。

b.通過MATLAB和LABVIEW，建立仿真計算平臺，利用項目已有運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)優(yōu)化計算和模擬仿真運行工況，給出最佳運行模式的結果。

c.基于MATLAB的數(shù)據(jù)分析平臺，通過數(shù)據(jù)分析，給出各項目的運行工況，并進行類比，包括用熱，用冷，用電，運行小時數(shù)等數(shù)據(jù)，提供項目能效分析。

d.積累項目的數(shù)據(jù)參數(shù)，作為項目規(guī)劃、設計、建設或運行方案的決策參考，為未來項目的建設運行方案提供咨詢建議，提高項目規(guī)劃成功率。

燃氣分布式能源智能監(jiān)測及運維管理平臺基本構架見圖1。

圖1 燃氣分布式能源智能監(jiān)測及運維管理平臺基本構架

2 平臺主要功能

平臺共分為四大功能模塊：實時監(jiān)測，運營管理，移動終端和數(shù)據(jù)分析，其中，實時監(jiān)測，運營管理和移動終端屬于基本功能，數(shù)據(jù)分析屬于高級功能。

1）基本功能

a.實時監(jiān)測

包括區(qū)位地圖、數(shù)據(jù)監(jiān)測、三維動態(tài)展示、在線記錄與計量、報警與故障記錄五大功能。

區(qū)位地圖，以地圖的方式顯示轄區(qū)內(nèi)的所有被監(jiān)控站點的基本信息和隸屬管理信息，并通過點擊圖標進入各個站點，顯示各個站點的詳細信息。

數(shù)據(jù)監(jiān)測功能對站點當前的運行參數(shù)進行監(jiān)測，并實時在平臺顯示。主要對站點設備、系統(tǒng)等運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，通過遠程實時監(jiān)測，運維人員可以通過平臺數(shù)據(jù)展示全面、直觀地了解分布式能源站運行情況，及時、準確地掌握各種信息。

每個系統(tǒng)都根據(jù)系統(tǒng)要求，以MIMIC圖的方式顯示。實時監(jiān)測功能界面見圖2。

圖2 實時監(jiān)測功能界面

在線記錄與計量功能將監(jiān)測的運行參數(shù)進行記錄與計量，并以曲線和柱狀圖等多種形式進行呈現(xiàn)。

平臺讀取設備報警及故障代碼，當設備出現(xiàn)報警或故障時，平臺向用戶推送報警與故障的實時信息，并能對信息進行記錄。

系統(tǒng)中包含的報警測點，當出現(xiàn)報警或故障時，能對信息進行顯示。

b.運維管理

運維管理功能模塊包括運行策略、權限管理、設備資產(chǎn)管理、計量表具管理、備品備件管理、運行管理報表、值班及HSE管理、售能系統(tǒng)、智能微網(wǎng)九大功能。

運行策略功能植入分布式能源站設計的運行策略，為運行管理人員提供支持。

權限管理功能可設置不同角色，并根據(jù)角色的不同關注點，授予不同的權限，并根據(jù)不同角色分配查看功能。此外，還可設置訪客權限，根據(jù)訪客的不同關注點，來匹配不同頁面的查看權限。

設備資產(chǎn)管理功能記錄設備主要信息，包括設備分類、設備名稱、設備資產(chǎn)價值、主要參數(shù)、狀態(tài)、數(shù)量、型號規(guī)格、購買時間、廠家及售后電話等。此外，該功能還可根據(jù)運行時間、維護保養(yǎng)周期自動提醒用戶是否需進行保養(yǎng)，并對維修維護等信息進行記錄。該功能還能出具自用電功率表。同時可以對設備列表進行查詢、新增、更新、刪除的操作。

“設備清單”的頁面中顯示已有設備的詳細列表，可以通過搜索關鍵字來查詢設備，可以對已有設備信息更新，可以刪除已有設備。

按照《上海市天然氣分布式供能系統(tǒng)后評估實施細則（暫行）》中的相關規(guī)定，計量表具管理功能對計量表具的以下指標進行記錄并管理：設備名稱、規(guī)格、安裝時間、精度、安裝位置、檢測單位、檢測有效日期、測量數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)含義描述等。此外，還對價格、數(shù)量、出庫時間和入庫時間進行記錄并管理，并且對計量器具的檢測計劃進行提醒。

備品備件管理功能記錄備品備件主要信息，包括設備名稱、編號、數(shù)量、總數(shù)量、入庫時間、服務編號、更換小時數(shù)、申請記錄。同時可以對備品備件列表進行查詢、新增、更新、刪除的操作?！皞淦穫浼鍐巍钡捻撁嬷酗@示已有備品備件的詳細列表，可以通過搜索關鍵字來查詢備品備件，可以對已有備品備件信息更新，可以刪除已有備品備件。

運行管理報表，根據(jù)用戶的要求自定義運行報表的周期及內(nèi)容，比如運行時間，年利用小時數(shù)，發(fā)電量，市政供電量，供熱量，供冷量，耗氣量，自用電量等。實現(xiàn)對項目的運行數(shù)據(jù)的匯總與統(tǒng)計。

值班及HSE管理功能可根據(jù)分布式能源站的定員情況，對生產(chǎn)人員和管理人員進行日常運營管理（日志管理、交接班管理、排班表管理），并融入HSE管理體系，對生產(chǎn)人員和管理人員的職業(yè)健康安全與環(huán)境加以管理。該功能模塊集成了在線一鍵開機、關機、緊急停車功能。

2）高級功能

a.能效分析與報表

對分布式能源站的能耗、設備效率、系統(tǒng)效率、輸送效率、發(fā)電小時數(shù)等重要數(shù)據(jù)對比、分析、展示、輸出。此功能按照《上海市天然氣分布式供能系統(tǒng)后評估實施細則（暫行）》中的計算方法，來衡量分布式能源系統(tǒng)利用燃氣發(fā)電機及發(fā)電后余熱有效利用情況，并對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的能效情況進行對比分析，找出影響系統(tǒng)能效的關鍵點，進而提出改進建議。該功能還能出具分布式供能系統(tǒng)完整年度數(shù)據(jù)記錄表和全年各月份負荷數(shù)據(jù)記錄表。

b.節(jié)能減排分析與報表

實現(xiàn)分布式能源站節(jié)能情況分析，還可作為補貼依據(jù)。此功能按照《上海市天然氣分布式供能系統(tǒng)后評估實施細則（暫行）》中的計算方法，以常規(guī)分供系統(tǒng)為基準，分析相比與常規(guī)分供系統(tǒng)取得同等供電、供熱和供冷的情況下，減少的碳排放和污染物排放量。

c.故障分析與診斷

故障分析與診斷功能能夠隨著故障數(shù)據(jù)的積累和研究的深入逐步豐富，通過對異常數(shù)據(jù)的分析，預判可能發(fā)生的故障點，提示維修或更換相關設備，避免重大損失，提高系統(tǒng)利用率。

3 平臺關鍵技術

基于MATLAB，SQL和數(shù)據(jù)分析模型，實現(xiàn)典型工藝的運行情況分析，推薦最佳運行方案。

開發(fā)通用、智能化的通信網(wǎng)管，將由各種串行接口、網(wǎng)絡接口以及各種通信協(xié)議構成的通信設備，納入統(tǒng)一的智能監(jiān)測平臺，并與通信運營商兼容，實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)用戶端和智能監(jiān)控中心的互聯(lián)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為相關數(shù)據(jù)的深度挖掘和優(yōu)化分析奠定基礎。

通過多樣化數(shù)據(jù)冗余技術、加密技術和網(wǎng)絡安全技術，確?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的完整、準確、安全和可靠，以保證后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘、分析的準確性和可靠性。

歷史數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)套件采用自主開發(fā)的套件，針對并發(fā)大數(shù)據(jù)存儲和管理進行優(yōu)化設置，兼容OPC、DDE、Modbus、TCP等通信協(xié)議，與常用組態(tài)軟件、通信軟件具備良好的兼容性，可高速實現(xiàn)上千萬數(shù)據(jù)的并發(fā)存取。系統(tǒng)存儲無點數(shù)限制，可滿足分布式能源監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)存儲管理和分析服務。

4 運行效果

該平臺克服了能源站現(xiàn)場條件差、技術復雜難度大等困難，針對試用期間反映的信號不穩(wěn)定、界面不統(tǒng)一、功能不完善等問題進行系統(tǒng)升級改版。截至2020年底，陸續(xù)有上海中心大廈燃氣分布式能源系統(tǒng)、成都長島度假酒店燃氣分布式能源系統(tǒng)、深圳下坪垃圾填埋氣發(fā)電系統(tǒng)等多個項目接入平臺。

平臺投運以來，迅速積累了大量的運維數(shù)據(jù)，依托于云平臺和相關數(shù)據(jù)，運行管理人員能夠通過平臺遠程實時分析運行狀態(tài)，評估燃氣發(fā)電機組設備狀態(tài)，指導客戶實施更加精準的預防性維護維修，在平臺的大數(shù)據(jù)支撐下，深圳下坪垃圾填埋氣發(fā)電項目創(chuàng)造年運行8 500 h的最高紀錄，接入平臺的項目全部實現(xiàn)了100%系統(tǒng)可利用率。通過云平臺，用戶現(xiàn)場不需要配備運行值守人員，通過在線巡檢可以判斷評估記錄設備狀態(tài)，實現(xiàn)了現(xiàn)場無人值守。

通過平臺的實施，建立了數(shù)字化運維管理數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲管理和分析等企業(yè)標準，初步建立了燃氣分布式能源數(shù)字化運維管理能力。對于我國燃氣分布式能源行業(yè)數(shù)字化運維管理及運維管理標準的建設，提供了重要的參考和數(shù)據(jù)。

5 數(shù)字化運維管理建議

燃氣分布式能源系統(tǒng)不同于普通的建筑物能源供應系統(tǒng)，是因為其具有節(jié)能型、減排性、效益性而投入建設的，其運行效果，特別是發(fā)電效率、一次能源綜合利用率、年運行小時數(shù)等關鍵運行指標的優(yōu)劣，決定了項目能否達成計劃效益目標。

我國在發(fā)電廠、公共建筑能耗等基本建立了運行狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集標準、數(shù)據(jù)分類及表示方法等標準規(guī)范，促進了行業(yè)管理規(guī)范化[1]。燃氣分布式能源系統(tǒng)維護頻繁、工作量大，投入產(chǎn)出比高，通過智能監(jiān)測和運維管理平臺能夠有效地管理設備狀態(tài)，提高系統(tǒng)可利用率，實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守，提高系統(tǒng)的投運效益。國內(nèi)有必要建立相應的標準規(guī)范。

燃氣發(fā)電機組作為分布式能源系統(tǒng)核心設備，大多本體自帶故障報警和數(shù)據(jù)傳輸模塊，但是由于各廠家數(shù)據(jù)采集范圍和標準不統(tǒng)一，發(fā)電機組運行數(shù)據(jù)很難統(tǒng)一，并且其設備狀態(tài)判斷、故障診斷等嚴重依賴于制造工廠的設計和技術，用戶一般出于商業(yè)秘密的考慮不愿接入制造廠家的數(shù)據(jù)平臺，造成燃氣發(fā)電機組的狀態(tài)判斷、故障診斷等需要用戶積累豐富的經(jīng)驗后才能建立分析邏輯[2]。一般而言，燃氣發(fā)電機組結構特點和故障邏輯具有一定的相似性，建議行業(yè)制造廠家盡快出臺相關的導則或標準，盡快提高國內(nèi)數(shù)字化運維水平。

在我國碳達峰和碳中和的戰(zhàn)略布局下，燃氣分布式能源，特別是沼氣分布式能源系統(tǒng)碳減排效果好，用戶對核算交易具有極高的熱情，燃氣分布式能源智能監(jiān)測和運維管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)碳減排的快速和精準核算，可以大幅提高核算效率，如何通過區(qū)塊鏈技術構建管理平臺和碳核算、交易的數(shù)字化系統(tǒng)，是值得深入研究的課題。