“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源信息系統(tǒng)遠(yuǎn)程協(xié)同共享研究

楊湛曄，王佳楠，張虎潤，劉寶，鄭杰，蘇民強

（1.海南綠色能源與環(huán)境工程技術(shù)研究院，海南省 ?？谑?570125；2.海南大學(xué)管理學(xué)院，海南省 ?？谑?570228；3.海南天能電力有限公司，海南省 ?？谑?570125）

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)趨勢下，分布式能源形式多樣，為用戶提供冷、熱、電等多種能源利用方式，是提高能源利用效率、解決能源危機、保障能源安全的一種有效途徑[1-8]。

區(qū)別于集中式能源系統(tǒng)，分布式能源設(shè)備數(shù)量巨大、分布松散、不易管理，因此分布式能源的管理水平是影響系統(tǒng)效益的核心要素，它直接影響系統(tǒng)的運行維護(hù)成本、用能效率，以及能源可靠性[9-11]。提高廠站信息化、智能化水平，加強分布式能源的管理，是應(yīng)對投產(chǎn)電站增多、裝機容量增長的主要措施。目前用于分布式能源管理的信息服務(wù)系統(tǒng)主要存在以下不足：

1）傳統(tǒng)分布式監(jiān)控系統(tǒng)無法適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及存儲要求；智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)接入門檻高、安全等級要求高、維護(hù)成本高；分布式能源發(fā)電收益不穩(wěn)定，技術(shù)更新不積極。

2）分布式能源散狀分布且環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)因素限制了測量精度、數(shù)量，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量及速率低，通信故障多，誤報和漏報情況嚴(yán)重。

3）廠站數(shù)據(jù)綜合分析能力差，缺乏運營分析工具和數(shù)字化手段，故障定位及現(xiàn)場反饋困難；數(shù)據(jù)報表通過Excel手工處理，通過短信、微信、郵件傳輸，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不及時。

4）系統(tǒng)異地協(xié)同能力不足，設(shè)備管理與人員管理脫節(jié)，問題處理周期長、維護(hù)效率低、投入人力大。

針對分布式能源的監(jiān)控管理系統(tǒng)，文獻(xiàn)[12]率先描述了光伏電站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)架構(gòu)；文獻(xiàn)[13]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)消息隊列遙測傳輸(message queuing telemetry transport，MQTT)協(xié)議的消息傳輸和ILZ4壓縮法的智慧能源云平臺，可快速降低大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲成本和傳輸開銷；文獻(xiàn)[14-18]分別從光伏云網(wǎng)、光儲云網(wǎng)、分布式綜合能源云網(wǎng)等多角度，證明了云計算技術(shù)能夠顯著提升能源大數(shù)據(jù)查詢與分析性能，并有效降低成本。隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展以及“互聯(lián)網(wǎng)+”趨勢下各廠站對能源管理的迫切要求，能源互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)融合的研究越來越多[19-21]。

本文針對分布式能源廠站系統(tǒng)，通過開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)多地新舊多類型電站與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；通過部署云端信息服務(wù)平臺，匯總處理分析全域?qū)崟r數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)；利用互聯(lián)網(wǎng)異地協(xié)同共享，實現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”運維與運營；通過對云計算、邊緣計算專家系統(tǒng)的分析，探討了智慧信息系統(tǒng)問題分析、故障定位和趨勢預(yù)測等，并結(jié)合光伏子系統(tǒng)構(gòu)建經(jīng)驗，擬在分散式風(fēng)電、微網(wǎng)儲能、小水電、電動汽車充電等場景推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

信息系統(tǒng)由本地廠站監(jiān)控(或測控裝置)、數(shù)據(jù)采集及MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換器、云服務(wù)器及系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備、個人終端(如PC、手機)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 智慧能源云平臺組網(wǎng)拓?fù)銯ig.1 System networking topology diagram

本地廠站監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)本地設(shè)備(如光伏逆變器、匯流箱、變壓器、電能表、電站通信管理機及其他測控設(shè)備)數(shù)據(jù)的匯總及整理，并根據(jù)需要進(jìn)行處理，用于后續(xù)調(diào)用。數(shù)據(jù)采集及MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)廠站數(shù)據(jù)向云端數(shù)據(jù)平臺的轉(zhuǎn)發(fā)功能，作為MQTT協(xié)議客戶端對接云端MQTT服務(wù)器。通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在阿里云部署MQTT服務(wù)器、應(yīng)用及web服務(wù)器。

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源信息管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)各電站數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用功能，并通過云數(shù)據(jù)中心向互聯(lián)網(wǎng)用戶發(fā)布信息。系統(tǒng)管理功能包括用戶管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)日志管理、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等；設(shè)備信息管理功能包括設(shè)備信息錄入、查詢、維護(hù)管理等；數(shù)據(jù)采集功能包括光伏子站/水電子站/風(fēng)電子站/海島微網(wǎng)等智能子站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能；應(yīng)用數(shù)據(jù)分析功能包括光伏電站、水電站數(shù)據(jù)分析等；專項信息推送可以實現(xiàn)智慧運維管理的反饋。系統(tǒng)軟件功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能Fig.2 Software architecture diagram

2 系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”數(shù)據(jù)處理與共享

2.1 云服務(wù)器

系統(tǒng)軟件部署在云服務(wù)器，云服務(wù)器實現(xiàn)計算資源的即開即用和彈性伸縮。即無需自建機房，無需采購以及配置硬件設(shè)施，可快速部署，縮短應(yīng)用上線周期；可根據(jù)業(yè)務(wù)波動隨時擴(kuò)展和釋放資源，按需使用，降低成本；專有網(wǎng)絡(luò)，邏輯上可實現(xiàn)徹底隔離的云上私有網(wǎng)絡(luò)，可以自行分配私網(wǎng)IP地址范圍、配置路由表和網(wǎng)關(guān)等。虛擬防火墻、角色權(quán)限控制、防病毒攻擊及流量監(jiān)控等多重安全方案保障了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。結(jié)合電站數(shù)量和裝機規(guī)模，部署了5臺8核CPU、32 GB內(nèi)存服務(wù)器用于大數(shù)據(jù)處理，10臺4核CPU、8 GB內(nèi)存服務(wù)器用于web發(fā)布、API等服務(wù)。

系統(tǒng)軟件部署在云服務(wù)器上，對于信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)積累不充分的地區(qū)和單位，減少了硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運維管理的成本，提高了系統(tǒng)容錯性，可大大延長系統(tǒng)使用壽命。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

廠站數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集及MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換器發(fā)布到云端服務(wù)器。MQTT是一種基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通信協(xié)議，以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。訂閱/發(fā)布交互模型如圖3所示。

圖3 訂閱/發(fā)布交互模型Fig.3 Subscribe/publish interactive model

由圖3可知，實現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通信完成，在通信過程中，MQTT協(xié)議中有3種身份：發(fā)布者(Publish)、代理(Broker)、訂閱者(Subscribe)。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。將應(yīng)用數(shù)據(jù)訪問作為訂閱者，廠站數(shù)據(jù)節(jié)點作為發(fā)布者，云端服務(wù)器作為代理服務(wù)器。系統(tǒng)應(yīng)用訪問者和云端代理服務(wù)器直接通信，無需知道廠站地址、數(shù)據(jù)類型等信息。廠站僅需將電站狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給云端代理服務(wù)器，無需對接系統(tǒng)訪問者的信息，從而可極大減少通信代價，提高響應(yīng)速度。

廠站數(shù)據(jù)通過IEC-104協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)采集及MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換器，完成異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換，將電站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為符合MQTT消息格式的數(shù)據(jù)，向云服務(wù)器發(fā)出建立連接請求，成功連接后，實時數(shù)據(jù)立刻發(fā)布到MQTT云服務(wù)器上，歷史數(shù)據(jù)以時序文檔形式存入數(shù)據(jù)庫。云平臺與系統(tǒng)應(yīng)用的交互本質(zhì)上是云平臺處的MQTT服務(wù)器線程與應(yīng)用層處的MQTT Client線程的交互過程。

2.3 云端數(shù)據(jù)的處理、展示及互動

信息系統(tǒng)處理廠站各類設(shè)備的模擬量、開關(guān)量、計算加工數(shù)據(jù)等，也記錄各類設(shè)備的告警、故障、操作等相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)廠站數(shù)據(jù)信息，結(jié)合各類型數(shù)據(jù)模型，對各種歷史數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并根據(jù)時間維度(時、周、日、月、年)，利用報表或各種圖表的形式在互聯(lián)網(wǎng)終端或移動互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備上呈現(xiàn)。通過匯集從全局到細(xì)節(jié)逐層深入的數(shù)據(jù)信息，不僅可以進(jìn)行發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設(shè)備在線檢查、精確定位故障等，還可開展發(fā)電效率分析，電站資產(chǎn)分析，告警、故障率分析等。通過互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺，運維工程師和技術(shù)專家可了解全域廠站基本情況，調(diào)配現(xiàn)場資源，也可通過語音和視頻點對點指導(dǎo)現(xiàn)場工程師實時處理問題與故障，實現(xiàn)全域協(xié)同共享。

3 系統(tǒng)運行及智能數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)運行情況

海南省“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色能源信息服務(wù)系統(tǒng)目前已完成34個總裝機容量91 MW分布式光伏電站的集成管理，包含站端光伏監(jiān)控系統(tǒng)完成設(shè)備增設(shè)、云端服務(wù)器租賃及軟件部署、子站數(shù)據(jù)接入等工作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定；該系統(tǒng)初步實現(xiàn)了分布式光伏發(fā)電的數(shù)據(jù)和運維管理“互聯(lián)網(wǎng)+”，以及遠(yuǎn)程異地數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)可視化、運維移動化，基本滿足了生產(chǎn)運維管理工作，電站設(shè)備及數(shù)據(jù)管理效率已大大提高。

3.2 云端智能分析

系統(tǒng)具備云端數(shù)據(jù)分析功能，匯總所有電站生產(chǎn)運營運維數(shù)據(jù)，對于電站子陣、逆變器、匯流箱、組串的數(shù)據(jù)監(jiān)控，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)開展數(shù)據(jù)對比，評估電站運行健康狀態(tài)，快速找出短板、給出優(yōu)化建議。

以離散率分析為例，離散率可用于評估分布式發(fā)電單元的發(fā)電性能一致性情況，是分布式發(fā)電設(shè)備健康狀態(tài)的重要指標(biāo)[22-24]。在實際應(yīng)用時，可以對電站同類電氣量參數(shù)一致性進(jìn)行評價。如果參數(shù)離散率較低，說明各路的發(fā)電性能一致性較好，發(fā)電情況穩(wěn)定；離散率越大，一致性越差，通常存在故障單元。

其中某時刻(j時刻)核心電氣量參數(shù)(如匯流箱或逆變器的組串電流)離散率計算公式為

式中：CV為j時刻核心電氣量參數(shù)(某臺匯流箱或逆變器下所帶組串電流)的離散率，此處是指統(tǒng)計學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；μ為j時刻采集參數(shù)的平均值；σ為j時刻該采集參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)經(jīng)驗，對于光伏組串電流離散率值的評價，一般分為4個等級：若組串電流離散率范圍在0～5%，說明支路電流運行穩(wěn)定；5%～10%，運行情況良好；10%～20%，運行情況有待提高；超過20%，運行情況較差，必須進(jìn)行整改。光伏組串電流離散率分析如圖4所示。同樣，參考發(fā)電小時數(shù)離散率或輸出功率離散率，可以對逆變器的發(fā)電性能差異進(jìn)行評估確認(rèn)。

圖4 信息系統(tǒng)界面--離散率分析Fig.4 Interface of information system-dispersion rate analysis

離散率分析可在分布式能源領(lǐng)域推廣，對設(shè)備、設(shè)備集合或電站的數(shù)據(jù)和時間段靈活選擇，可根據(jù)需要部署在云端或邊緣側(cè)，開展全域數(shù)據(jù)或局部數(shù)據(jù)特定參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，可以快速劃分定位問題，提高運算效率。

3.3 系統(tǒng)瓶頸及不足

MQTT協(xié)議輕量級的特點，更適宜在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)下提供基于云平臺的遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，而在分布式高可靠性、實時傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)通信及工業(yè)控制等領(lǐng)域存在數(shù)據(jù)通信瓶頸。其在系統(tǒng)中的問題如下：

1）云端展示系統(tǒng)數(shù)據(jù)5～15 min刷新一次；

2）云端部署的簡單分析邏輯運算，其邏輯確認(rèn)及推送信息需要60～120 min；

3）子站數(shù)據(jù)匯集到云端系統(tǒng)后，僅實現(xiàn)了若干數(shù)據(jù)的簡單匯集，未實現(xiàn)核心數(shù)據(jù)整體重構(gòu)；

4）運維運營現(xiàn)實需求無法及時響應(yīng)，功能新增及調(diào)整周期過長；

5）傳統(tǒng)的子站自動化系統(tǒng)與云端的智能化相互無互動，“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源信息服務(wù)系統(tǒng)的共享模式仍有較大發(fā)展空間。

4 系統(tǒng)協(xié)同共享優(yōu)化探討

4.1 基于信息互聯(lián)的數(shù)據(jù)共享

物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等均是將所轄各種元素互聯(lián)起來，無論是機器、人還是系統(tǒng)。信息互聯(lián)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)端到端的流動和跨系統(tǒng)的流動，從而實現(xiàn)更充分的數(shù)據(jù)共享。

目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基本形成了“終端連接+邊緣計算+云端存儲+大數(shù)據(jù)分析+應(yīng)用服務(wù)”等端到云的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。其中，北京亞控科技以組態(tài)的思想構(gòu)建信息系統(tǒng)，工程師以工程需求靈活調(diào)整方案，將“互聯(lián)網(wǎng)+”信息系統(tǒng)從定制化推向了工程化，在實現(xiàn)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，增加智能策略的靈活性，有益于降低成本并加速“互聯(lián)網(wǎng)+”信息服務(wù)系統(tǒng)的推廣。

華為技術(shù)有限公司在2019年推出了電力物聯(lián)網(wǎng)方案架構(gòu)，提出了云、管、邊、端的系統(tǒng)解決方案。云端包含資源彈性管理、數(shù)據(jù)智能融合、智能AI等；管即通信，包含有線/無線(5G)全場景，隨需連接；邊即智能邊緣計算，實現(xiàn)邊緣安全自治，增強云邊互動；端側(cè)實現(xiàn)設(shè)備自發(fā)現(xiàn)、自組網(wǎng)及全面感知，即插即用，拓?fù)渥R別，并統(tǒng)一新型模型。華為邊緣計算實現(xiàn)了硬件平臺化、軟件APP化，數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，邊緣業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)就地重構(gòu)，云邊高度協(xié)同，按需靈活部署及調(diào)整APP軟件，且即插即用簡化工程配置，顛覆了原有設(shè)備的軟硬件開發(fā)及工程實現(xiàn)的生態(tài)模式，進(jìn)一步提高了效率。華為電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 華為電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Architecture of Huawei power Internet of things

亞控的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、華為的電力物聯(lián)網(wǎng)平臺，均是實現(xiàn)信息互聯(lián)數(shù)據(jù)共享的平臺工具。

4.2 基于云計算和邊緣計算的專家系統(tǒng)經(jīng)驗共享

在設(shè)備、人員、數(shù)據(jù)信息安全準(zhǔn)確高速互聯(lián)之后，系統(tǒng)需要更多的智慧應(yīng)用和智慧決策。信息服務(wù)系統(tǒng)要求準(zhǔn)確全面采集數(shù)據(jù)，展示廠站的運行狀態(tài)，直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)備告警故障問題等。而智慧決策則可以選擇建立在基于云計算和邊緣計算所構(gòu)建的專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，及時明確發(fā)展趨勢并形成優(yōu)化方案，確保最優(yōu)資源調(diào)配，保障整體效率。決策推理流程如圖6所示。

圖6 決策推理流程圖Fig.6 Diagnostic reasoning flowchart

通過云計算和邊緣計算共同構(gòu)建智慧能源專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)屬于人工智能的發(fā)展分支，通過用一種知識表達(dá)模式，應(yīng)用大量的推理方法，模擬人類專家的推理思維，設(shè)計出一套可求解復(fù)雜問題的人工智能程序。系統(tǒng)可模擬人類專家對輸入的信息進(jìn)行推理、判斷，并快速給出相應(yīng)策略。專家系統(tǒng)由推理控制策略、人機交互界面、綜合數(shù)據(jù)庫、知識庫、知識獲取等5個部分組成。

信息系統(tǒng)提供了綜合數(shù)據(jù)庫和人機交互界面。知識獲取是將求解問題的各種專家知識、經(jīng)驗或其他知識源轉(zhuǎn)換到知識庫的一種方式[25]。按照設(shè)計數(shù)據(jù)庫的存儲規(guī)則，獲取知識以構(gòu)造知識庫，不斷將新知識添加入知識庫，使系統(tǒng)的知識與知識庫得以不斷地更新與補充。推理控制策略是專家系統(tǒng)知識庫價值的重要體現(xiàn)，它的任務(wù)是通過運用知識庫的知識，選擇適當(dāng)?shù)耐评砜刂撇呗赃M(jìn)行推理，解決實際問題。根據(jù)缺陷或故障時呈現(xiàn)出的現(xiàn)象及信息，探尋缺陷及故障類別、原因，以及其相應(yīng)的解決方案。

通過云邊協(xié)同構(gòu)建的智慧能源專家系統(tǒng)，可篩查定位故障或潛在問題區(qū)域，制定方案推送特定管理人員，安排并監(jiān)督問題解決。例如，篩選發(fā)電低效廠站并優(yōu)先整改的策略，可先通過云端標(biāo)準(zhǔn)化廠站綜合能量效率橫向排查全部電站，再采用歷史相似日對比分析法縱向確認(rèn)，進(jìn)而邊側(cè)通過離散數(shù)據(jù)分析等定位問題區(qū)域。上述傳統(tǒng)分析方法可在云邊協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺及專家系統(tǒng)上發(fā)揮更大作用，通過基本算法排列組合，實現(xiàn)跨地域、跨類型、多時空、有針對性的策略決策。

5 結(jié)論

結(jié)合海南分布式光伏“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色(智慧)能源信息服務(wù)系統(tǒng)的階段性建設(shè)成果和后續(xù)計劃，結(jié)論如下：

1）系統(tǒng)構(gòu)建實現(xiàn)分布式光伏新舊系統(tǒng)的跨區(qū)域統(tǒng)籌管理，有利于及時發(fā)現(xiàn)問題，有助于提高各電站信息的互聯(lián)互通，有利于經(jīng)驗積累與記錄、設(shè)備維護(hù)、能源生產(chǎn)效率提高，示范效果顯著。

2）海島微網(wǎng)、儲能、余熱利用功冷并供、綠色小水電、分散式風(fēng)電、城市充電站等分布式能源涉及發(fā)、儲、用，電、熱、冷，針對目前各類系統(tǒng)對高效能源管控的迫切需求，可結(jié)合應(yīng)用新技術(shù)，嘗試更高層次多時空互補的分布式能源聚合。

3）能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，分布式能源信息化建設(shè)應(yīng)該結(jié)合自身特點及互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，嘗試新方法，實現(xiàn)源源互補、源荷互動，強調(diào)分布式高效管理與知識經(jīng)驗的共享，以提高整體效率和競爭力，成為骨干能源互聯(lián)網(wǎng)及智能電網(wǎng)的有益補充。

4）互聯(lián)模式和智慧應(yīng)用也可推廣到其他傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)行業(yè)中。