考慮智能決策的集團(tuán)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

吳蘭旭 ,董中凱 ,宋志春 ,林武星

(1.遠(yuǎn)光能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展(橫琴)有限公司,廣東省 珠海市 519000;2.國網(wǎng)數(shù)字科技控股有限公司(國網(wǎng)雄安金融科技集團(tuán)有限公司),北京市 西城區(qū) 100053)

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與深度融合,在2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和背景下,集團(tuán)企業(yè)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求日益迫切[1-2]。從集團(tuán)企業(yè)能源現(xiàn)狀來看,普遍具備能源品種多(如水、電、氣、冷、熱、風(fēng)、氮、氧……)、流程長、用能體量大、節(jié)能減排要求高的特征;從市場發(fā)展來看,實(shí)際企業(yè)綜合能源管理過程中,電能替代和電力節(jié)能降損仍是企業(yè)能源管理的重心[3-4],集團(tuán)企業(yè)致力于構(gòu)建低碳化、智能化的能源管理體系,通過數(shù)字技術(shù)與方法來提升企業(yè)能效[5]。

國內(nèi)集團(tuán)企業(yè)能源管理系統(tǒng)大多建設(shè)于21世紀(jì)初計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)信息化普及時(shí)期,具備一定的能源監(jiān)測能力和信息化能力[6]。目前,能源管理系統(tǒng)正由信息化向智能化發(fā)展,發(fā)達(dá)國家對智能化能源管理非常重視,系統(tǒng)軟硬件智能化應(yīng)用較為廣泛。國內(nèi)集團(tuán)企業(yè)能源管理系統(tǒng)已初具規(guī)模[7-9],在“十四五”數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)期,面臨更新迭代與升級。但由于存量能源子系統(tǒng)多、能源設(shè)備種類復(fù)雜、系統(tǒng)之間壁壘嚴(yán)重、重建投資高、建設(shè)難度大等問題[10],集團(tuán)企業(yè)能源系統(tǒng)更新建設(shè)無法滿足低碳化、智能化要求?？紤]集團(tuán)企業(yè)能源管理實(shí)際建設(shè)需要,系統(tǒng)建設(shè)過程中需要考慮存量系統(tǒng)設(shè)備復(fù)用、數(shù)據(jù)通信鏈路暢通、智能算法數(shù)據(jù)支撐等諸多方面,單純從設(shè)備端或子系統(tǒng)端進(jìn)行升級具備較大局限性[11]。為更好滿足企業(yè)能源智能決策需求,解決能源數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、構(gòu)建智能化決策體系是企業(yè)能源管理系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢[12]。

本文提出一種考慮智能決策的集團(tuán)企業(yè)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中最大程度地考慮對存量能源軟硬件的兼容和復(fù)用,針對不同種類能源子系統(tǒng)和設(shè)備,解決能源數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通問題,結(jié)合節(jié)能改造、能效評估、能源交易三個(gè)實(shí)際管理決策需求[13],實(shí)現(xiàn)集團(tuán)企業(yè)智能型綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與集成。設(shè)計(jì)方案有效保證監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性、開放性和可擴(kuò)展性要求,為集團(tuán)企業(yè)綜合能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 集團(tuán)企業(yè)能源管理系統(tǒng)概述

1.1 主要存在問題

目前集團(tuán)型企業(yè)綜合能源管理,多種能源子系統(tǒng)均已分批建設(shè),具備一定的信息化基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)現(xiàn)狀,應(yīng)用過程中仍存在一些問題[14],具體表現(xiàn)如下。

(1) 數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。能源品種多、流程長是能源管理主要現(xiàn)狀,分批建設(shè)、系統(tǒng)歸屬不同部門、不同供應(yīng)商、軟硬件版本協(xié)議不同、通訊網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量良莠不齊等都導(dǎo)致能源數(shù)據(jù)缺乏互聯(lián)互通。

(2) 存量設(shè)備系統(tǒng)復(fù)用。能源設(shè)備多屬于按需分批上線的重資產(chǎn)投資,設(shè)備復(fù)用不僅是對公有資產(chǎn)的保護(hù),同時(shí)也會避免造成資源浪費(fèi),如何通過數(shù)據(jù)層的統(tǒng)一兼容存量設(shè)備是現(xiàn)有能源系統(tǒng)更新面臨的主要問題。

(3) 數(shù)據(jù)分析與智能決策。現(xiàn)有系統(tǒng)不能通過數(shù)據(jù)分析為企業(yè)提出智能決策建議,一方面不能指導(dǎo)集團(tuán)參與能源市場交易(碳交易和電力交易)和需求響應(yīng)進(jìn)而節(jié)約能源成本并贏取市場紅利;另一方面不能為集團(tuán)節(jié)能減排和能效優(yōu)化提供有效決策支撐[15-16]。

1.2 綜合能源系統(tǒng)建設(shè)途徑

圍繞集團(tuán)企業(yè)能源系統(tǒng)建設(shè)需求與痛點(diǎn),考慮集團(tuán)信息化建設(shè)現(xiàn)狀,綜合能源系統(tǒng)建設(shè)在傳統(tǒng)能源管理基礎(chǔ)上優(yōu)化應(yīng)遵循以下路徑。

(1) 減少重復(fù)投資。在“十四五”數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及國家雙碳政策下,企業(yè)能源信息化將面臨二次建設(shè),建議沿用“十三五”或更早期能源基礎(chǔ)設(shè)施,包括部分物聯(lián)設(shè)備、能源展示設(shè)備、安防通訊設(shè)備以及系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)。

(2) 構(gòu)建集團(tuán)能源大數(shù)據(jù)中心。建立具備通訊兼容、數(shù)據(jù)兼容的能源大數(shù)據(jù)中心,為管理層提供多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入存儲、場景化大數(shù)據(jù)分析及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等服務(wù)和基礎(chǔ)支撐[17-18]。

(3) 提升數(shù)字化決策能力。圍繞能源交易、節(jié)能改造、能效評估等層面痛點(diǎn),開展數(shù)字化決策能力的研究,包括負(fù)荷預(yù)測、功率預(yù)測、損耗評估等[19]。

2 集團(tuán)企業(yè)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

集團(tuán)企業(yè)綜合能源服務(wù)架構(gòu)主要層次包含:

(1) 基礎(chǔ)服務(wù)。基礎(chǔ)服務(wù)是企業(yè)能源管理的基礎(chǔ),主要以中臺的形勢兼容存量軟硬件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、技術(shù)的集中優(yōu)化。服務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)考慮了對存量系統(tǒng)與設(shè)備的兼容性?；A(chǔ)服務(wù)包含的數(shù)據(jù)中臺,以實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集以及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互;包含的業(yè)務(wù)中臺,以實(shí)現(xiàn)能源管理業(yè)務(wù)流程的處理與關(guān)聯(lián);包含的技術(shù)中臺,以提供區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支撐以及預(yù)置算法的服務(wù)支撐[20-22]。

(2) 核心應(yīng)用。核心應(yīng)用是企業(yè)能源管理功能實(shí)現(xiàn)的重要部分,包含:能源監(jiān)視模塊,主要實(shí)現(xiàn)多品種能源的監(jiān)視;綜合能效模塊,以實(shí)現(xiàn)能效與能源質(zhì)量的管理優(yōu)化;資產(chǎn)運(yùn)維模塊,以實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源的運(yùn)維與管理,并提高工作效率;雙碳管理模塊,以實(shí)現(xiàn)企業(yè)能碳融合管理,支撐企業(yè)雙碳目標(biāo)的達(dá)成;能源交易模塊,以支撐企業(yè)能源采購、能源成本優(yōu)化與管理的實(shí)現(xiàn)。

(3) 支撐場景。場景以圍繞能效評估、能源交易、節(jié)能減排等集團(tuán)管理層常見決策目標(biāo)為中心,基于數(shù)學(xué)算法開展預(yù)測、評估、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化的智能決策服務(wù),實(shí)現(xiàn)對集團(tuán)企業(yè)能源管理的決策支撐[23-26]。

2.2 智能決策模塊設(shè)計(jì)

智能決策模塊設(shè)計(jì)是集團(tuán)企業(yè)綜合能源管理系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心部分,是綜合能源管理系統(tǒng)數(shù)字化能力體現(xiàn)的關(guān)鍵部分,包括決策目標(biāo)的獲取、模型的建立、模型的優(yōu)化以及智能結(jié)果的輸出。

智能決策模塊的設(shè)計(jì)(如圖1),智能決策基于模型庫和數(shù)據(jù)庫,模型庫包括了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等模型;數(shù)據(jù)庫包含了能源運(yùn)行數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、碳排數(shù)據(jù);算法庫是數(shù)據(jù)庫的一部分,內(nèi)置了大量人工智能輔助算法;含推理機(jī)的知識庫本身具備一定智能功能,能結(jié)合用能知識、節(jié)能知識、碳排政策以及專家經(jīng)驗(yàn)完成初級推理與需求參數(shù)優(yōu)化功能[27-28]。

圖1 智能決策模塊Fig.1 Intelligent decision-making module

智能決策是模塊的重要組成部分,首先通過人機(jī)交互與自然語言處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的獲取,然后基于模型庫與數(shù)據(jù)庫接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互并完成數(shù)據(jù)獲取;在結(jié)合目標(biāo)與數(shù)據(jù)特征分析結(jié)果完成智能算法的自動匹配,內(nèi)置智能算法包含了常見的層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及多元分析等。最終融合推理機(jī)實(shí)現(xiàn)模型調(diào)優(yōu)與自我優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造決策、能效評估決策、能源交易決策等智能決策建議的輸出。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 考慮數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的能源大數(shù)據(jù)模塊

能源大數(shù)據(jù)模塊是集團(tuán)企業(yè)能源智能決策的基礎(chǔ),主要是統(tǒng)一集團(tuán)分散的能源數(shù)據(jù)、構(gòu)建數(shù)據(jù)資源池,為集團(tuán)決策層提供全局?jǐn)?shù)據(jù)支撐;構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺,統(tǒng)一企業(yè)內(nèi)分散的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)能源數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通;構(gòu)建數(shù)據(jù)資源池,從更高層面看待全局?jǐn)?shù)據(jù),讓數(shù)據(jù)價(jià)值得到充分的體現(xiàn);構(gòu)建統(tǒng)一的分析數(shù)據(jù)共享平臺,讓數(shù)據(jù)流動起來,服務(wù)于更多的智能決策業(yè)務(wù),產(chǎn)生更高價(jià)值。

能源大數(shù)據(jù)模塊如圖2所示,在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中等同于數(shù)據(jù)中臺作用,主要包括數(shù)據(jù)連接器、能源主題庫、數(shù)據(jù)資源池三大部分。

圖2 能源大數(shù)據(jù)模塊架構(gòu)Fig.2 Energy big data module architecture

數(shù)據(jù)連接器是為能源智能決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵,主要包括數(shù)據(jù)主動拉取、接口推送和引擎直連。主動拉取主要針對成本管理數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù);接口推送主要為其他子系統(tǒng)接口提供數(shù)據(jù)協(xié)議互通與檢驗(yàn);引擎直連為關(guān)系型數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù)和非機(jī)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供檢索引擎支撐。

能源主題庫是智能決策的核心,一方面兼容了存量系統(tǒng)數(shù)據(jù)和存量能源設(shè)備數(shù)據(jù),同時(shí)將能源計(jì)劃數(shù)據(jù)提前納入,為后期決策提供參考支撐;另一方面將能源監(jiān)測數(shù)據(jù)、能源管理數(shù)據(jù)、能碳統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按照時(shí)序數(shù)據(jù)和歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)與存儲。

數(shù)據(jù)資源池主要保存經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、碳排指標(biāo)、能效指標(biāo)、能耗指標(biāo)等數(shù)據(jù),為智能決策特征分析以及模型調(diào)參提供參考。

3.2 智能決策工作流程與原理

智能決策工作原理為:通過軟件系統(tǒng)界面人機(jī)交互獲取決策目標(biāo)需求;根據(jù)目標(biāo)需求獲數(shù)據(jù);結(jié)合數(shù)據(jù)和目標(biāo)進(jìn)行特征分析并建立模型;根據(jù)建立模型進(jìn)行算法匹配;通過模型調(diào)優(yōu)來優(yōu)化算法參數(shù);最終完成結(jié)果輸出,整體流程如圖3所示。

圖3 智能決策流程圖Fig.3 Intelligent Decision Flowchart

4 集團(tuán)電力交易智能決策應(yīng)用

集團(tuán)企業(yè)大部分具備自備電廠,除自備發(fā)電外,用電不足部分市場化購電,面臨自發(fā)電量與外購電量最優(yōu)化、市場化購電方案難以制定的問題,在此具體需求目標(biāo)背景下,系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)交互明確目標(biāo)后自動獲取如下幾個(gè)方面數(shù)據(jù):

(1) 企業(yè)發(fā)電(熱電+新能源發(fā)電)精細(xì)成本。自備發(fā)電資源的邊際成本、啟動成本、空載成本、平均成本,并實(shí)現(xiàn)自發(fā)電成本精細(xì)化測算。

(2) 精確用能需求數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)預(yù)測用電負(fù)荷,支撐購電交易方案制定,規(guī)避電量偏差風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 市場行情數(shù)據(jù)。電力中長期價(jià)格和現(xiàn)貨價(jià)格。

基于企業(yè)自備發(fā)電能力、發(fā)電成本、市場價(jià)格等因素,以用能成本最低為優(yōu)化目標(biāo),系統(tǒng)自動構(gòu)建了電力交易輔助決策模型[29-31]。模型調(diào)優(yōu)過程考慮了影響預(yù)測結(jié)果的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和約束層面,數(shù)據(jù)基礎(chǔ)影響包含了價(jià)格結(jié)果分析、電量盈缺分析、用電需求評估,其中價(jià)格結(jié)果分析主要包含發(fā)電測算成本和市場預(yù)測價(jià)格;電量盈缺分析包括了發(fā)電能能力評估、用電需求評估以及持倉電量;用電需求評估包括了負(fù)荷預(yù)測結(jié)果、企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、企業(yè)生產(chǎn)訂單。約束條件影響主要針對機(jī)組約束和交易約束,機(jī)組約束關(guān)聯(lián)了機(jī)組啟停狀態(tài)、爬坡率、出力上下限;交易約束關(guān)聯(lián)了保函額度、累積量額度以及凈量額度。

模型提供了發(fā)電成本測算、負(fù)荷預(yù)測、電價(jià)預(yù)測、購售電交易輔助決策等應(yīng)用,可按照年度、月度、月內(nèi)、多日、日前等周期自動生成包含電費(fèi)、電量、申報(bào)電費(fèi)的能源交易輔助決策方案,如圖4。系統(tǒng)提供了電力交易輔助決策,包括系統(tǒng)年度交易電量、預(yù)測火電發(fā)電量、預(yù)測光伏發(fā)電電量以及交易的決策電價(jià),是為集團(tuán)提供用能綜合分析工具重要抓手,實(shí)際管理過程中可降低集團(tuán)企業(yè)綜合用能成本。

圖4 電力交易輔助決策Fig.4 Power trading assists decision-making

5 結(jié)論

(1) 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮并利用集團(tuán)存量能源管理子系統(tǒng)與硬件資源,提升數(shù)據(jù)決策能力的同時(shí),最大程度減少二次投資。

(2) 構(gòu)建統(tǒng)一的集團(tuán)能源數(shù)據(jù)中心,充分利用系統(tǒng)現(xiàn)有數(shù)據(jù),可有效保證能源管理系統(tǒng)對集團(tuán)管理層提供決策意見與支撐。

(3) 系統(tǒng)通過服務(wù)與功能應(yīng)用層支撐多種應(yīng)用場景的決策需要,可通過持續(xù)迭代算法和模塊對決策支撐進(jìn)行擴(kuò)充,具備良好的擴(kuò)展性。

(4) 本文提出的集團(tuán)企業(yè)綜合能源系統(tǒng)構(gòu)架與集團(tuán)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及國家“雙碳”目標(biāo)下企業(yè)需求聯(lián)系較為緊密,也代表了企業(yè)能源管理的部分趨勢,將為集團(tuán)企業(yè)實(shí)際能源管理過程中節(jié)能減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供參考。