劉穎丹 許 力 段 飛 黃忠輝

1.濟(jì)中節(jié)能技術(shù)(蘇州)有限公司

2.蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖科教發(fā)展有限公司

園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)介紹及示范應(yīng)用

劉穎丹1許 力1段 飛1黃忠輝2

1.濟(jì)中節(jié)能技術(shù)(蘇州)有限公司

2.蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖科教發(fā)展有限公司

綠色園區(qū)的建設(shè)和推廣是我國實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措，園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)的建設(shè)是綠色園區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。介紹了園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和功能，著重介紹平臺(tái)在在大數(shù)據(jù)模型預(yù)測技術(shù)和基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性故障診斷技術(shù)方面的創(chuàng)新以及在蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)的示范應(yīng)用。

綠色園區(qū)；園區(qū)智慧能源管理；需求側(cè)管理；大數(shù)據(jù)分析；節(jié)能

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和全球化帶來的機(jī)遇，能源消費(fèi)總量不斷增加，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。為應(yīng)對能源、環(huán)境以及氣候變化的挑戰(zhàn)，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長的必由之路。傳統(tǒng)的節(jié)能管理方式和舉措難以滿足政府和企事業(yè)單位節(jié)能管理的需求，借助信息技術(shù)工具，搭建園區(qū)能源管理平臺(tái)，已成為持續(xù)推進(jìn)節(jié)能降耗和實(shí)現(xiàn)用能精細(xì)化管理的必然趨勢，也是創(chuàng)建綠色園區(qū)的必要組成部分。

1 平臺(tái)定義

“園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)”是綜合運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及電力需求側(cè)管理措施等，對園區(qū)內(nèi)各單位所消耗的能源實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、動(dòng)態(tài)分析和集中管理，建立“自主負(fù)荷，主動(dòng)響應(yīng)”新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、信息化能源管理，提升園區(qū)能源管理水平，降低能源成本，并通過永久性或臨時(shí)性節(jié)能技術(shù)和手段降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)電力的動(dòng)態(tài)需求響應(yīng)和園區(qū)能源的優(yōu)化調(diào)度。

2 平臺(tái)架構(gòu)

對電、水、汽、燃?xì)狻⒌獨(dú)狻⒚旱雀黝愘Y源進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用，來實(shí)現(xiàn)能源管理，并接入分布式光伏、風(fēng)能以及儲(chǔ)能系統(tǒng)等運(yùn)營參數(shù)，有效支撐微電網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)園區(qū)性的能源調(diào)配與優(yōu)化運(yùn)維。園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集層

通過Modbus RTU協(xié)議采集設(shè)備數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)保存到本地文件，并發(fā)送部分?jǐn)?shù)據(jù)到采集服務(wù)器，還需要開發(fā)針對該嵌入式智能設(shè)備監(jiān)控軟件的配置軟件，配置軟件安裝在微型計(jì)算機(jī)上，通過該計(jì)算機(jī)主機(jī)配置數(shù)據(jù)采集軟件。同時(shí)嵌入式數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)可對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和暫存，提升數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理性能和安全性，并有效避免數(shù)據(jù)采集配套設(shè)備配置高的要求，大大降低數(shù)據(jù)定制化采集的成本。

（2）數(shù)據(jù)管理層

包括數(shù)據(jù)接口服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、WEB服務(wù)器、管理工作站、大屏幕、交換機(jī)等硬件設(shè)備。通過一系列功能模塊，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測、能耗地圖、能效管理、需求響應(yīng)、報(bào)警監(jiān)測、能耗模型預(yù)測、能源平衡與優(yōu)化調(diào)度等模塊，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)園區(qū)用能系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

3 平臺(tái)功能

（1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控圖組系統(tǒng)，建設(shè)園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)對各級載體（園區(qū)、政府、企業(yè)、建筑）、多種能源介質(zhì)（煤、電、蒸汽、水、燃料氣、氮?dú)獾龋?、多類運(yùn)營參數(shù)（溫濕度、二氧化碳濃度、出氣量、供回水溫差、壓力等）的產(chǎn)、存、耗全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握其歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)趨勢。

（2）能耗地圖

能耗地圖模塊基于園區(qū)內(nèi)各企業(yè)、建筑的地理信息數(shù)據(jù)庫，能夠方便查詢智慧能源管理平臺(tái)內(nèi)各企業(yè)、建筑的能耗信息、用能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、新能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)針對該園區(qū)的能耗監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)分析、能效分析、超標(biāo)預(yù)警等功能。

圖2 同類型電源或負(fù)載的運(yùn)營狀態(tài)同比分析曲線圖

（3）能效管理

園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)主要包括能源計(jì)劃與實(shí)績管理、能源調(diào)度運(yùn)行管理（調(diào)度日志、異常監(jiān)察、運(yùn)行方式變更、事故、應(yīng)急預(yù)案管理等）、能源統(tǒng)計(jì)分析（同比、環(huán)比、對標(biāo)、成本、關(guān)聯(lián)分析等）、能源考核管理、能源計(jì)量結(jié)算管理、能源計(jì)量器具管理、能源質(zhì)量管理、能源報(bào)表管理等功能模塊。如圖2所示，同比分析同類型電源或負(fù)載的運(yùn)營狀態(tài)，用以判斷電源發(fā)電性能的差異和負(fù)荷運(yùn)營異常，便于管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源系統(tǒng)潛在的問題。

（4）需求響應(yīng)

信息互聯(lián)為園區(qū)能源合理分配提供了數(shù)據(jù)支撐，平臺(tái)系統(tǒng)基于園區(qū)能耗體系的重要等級及各能耗單元的需求響應(yīng)容量制定最佳需求響應(yīng)策略，幫助園區(qū)整體實(shí)現(xiàn)能源平衡。

（5）微網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)針對微網(wǎng)系統(tǒng)各組成部分，包括分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量裝換裝置等各環(huán)節(jié)的運(yùn)營參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，綜合分析天氣、供需變化、需求側(cè)管理等因素，輔助制定更加經(jīng)濟(jì)有效的能源“發(fā)、用、儲(chǔ)”運(yùn)行策略，有效支撐園區(qū)微電網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)園區(qū)性的能源調(diào)配與運(yùn)維優(yōu)化。

圖3為園區(qū)智慧能源、管理平臺(tái)中分布式光伏系統(tǒng)監(jiān)視圖。

（6）能耗模型預(yù)測

基于園區(qū)能源數(shù)據(jù)的積累，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立預(yù)測模型，為園區(qū)能源計(jì)劃制定和優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐，優(yōu)化園區(qū)內(nèi)企業(yè)、建筑能源管理體系，提高能源利用率。能源模型預(yù)測分為兩個(gè)部分，分別為用能預(yù)測和負(fù)載預(yù)測，因?yàn)楣δ懿煌?，采用的預(yù)測模型也會(huì)依據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以確保能源模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

（7）能源平衡與優(yōu)化調(diào)度

能源平衡與優(yōu)化調(diào)度是在考慮能源品位等級、產(chǎn)/耗能設(shè)備能耗特性差異，滿足生產(chǎn)需要的前提下，通過系統(tǒng)優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)能源的平衡能源計(jì)劃、優(yōu)化調(diào)度與實(shí)績管理。能源平衡與優(yōu)化調(diào)度功能將能源預(yù)測、需求響應(yīng)控制、配用電自動(dòng)化等體系進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，配合能源供需信息，在保證企業(yè)安全生產(chǎn)、建筑正常用能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化調(diào)度，確保能源平衡。

4 技術(shù)創(chuàng)新

為深度挖掘能源數(shù)據(jù)，發(fā)揮園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)園區(qū)能源精細(xì)化管理，在大數(shù)據(jù)模型預(yù)測技術(shù)和基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性故障診斷技術(shù)做了進(jìn)一步的探索。

圖3 園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)中分布式光伏系統(tǒng)

（1）大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)

大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)（Big Data-MPC）是在預(yù)測技術(shù)之上進(jìn)行深度開發(fā)而成的優(yōu)化控制技術(shù)（見圖4）。大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)是建立在設(shè)備或系統(tǒng)長期運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，通過海量數(shù)據(jù)建模，并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化算法（遺傳算法與進(jìn)化策略）來求解最優(yōu)的控制策略（設(shè)備最優(yōu)參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)最優(yōu)控制方案），確保設(shè)備或系統(tǒng)的最佳運(yùn)行狀態(tài)，有效降低生產(chǎn)運(yùn)營能源成本。

圖4 大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)

大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)相對于傳統(tǒng)控制技術(shù)具有絕對的優(yōu)勢。首先，由于其控制策略是基于長期的歷史數(shù)據(jù)，保證了優(yōu)化控制方案的可行性和執(zhí)行策略的安全性；其次，大數(shù)據(jù)模型預(yù)測控制技術(shù)可融入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)配合使用，實(shí)現(xiàn)控制策略滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，保證優(yōu)化控制方案實(shí)時(shí)跟進(jìn)，確保優(yōu)化控制方案長期有效。

（2）基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性故障診斷技術(shù)

傳統(tǒng)的故障監(jiān)控技術(shù)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生，有效防止故障擴(kuò)大化。預(yù)測性故障診斷技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高級于實(shí)時(shí)故障監(jiān)控技術(shù)，其側(cè)重點(diǎn)在于具有精確的預(yù)測功能，在故障未發(fā)生之前事先發(fā)掘潛在的故障問題，避免故障發(fā)生導(dǎo)致的損失，防患于未然。

絕大多數(shù)故障都會(huì)在發(fā)生之前表現(xiàn)出一些異常的狀態(tài)，這些提前表現(xiàn)出異常狀態(tài)是預(yù)測性診斷故障的關(guān)鍵。預(yù)測性故障診斷技術(shù)是憑借決大數(shù)據(jù)挖掘機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)（決策樹、KNN、K-Means等算法），對設(shè)備或系統(tǒng)的海量歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性分類、關(guān)聯(lián)、聚類分析，挖掘出故障發(fā)生的前兆特征，定位異常狀態(tài)，結(jié)合專家系統(tǒng)對設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測性故障診斷，降低過程中的能源損失。

5 示范應(yīng)用

（1）園區(qū)獨(dú)墅湖科教公司應(yīng)用

從2015年3月起，濟(jì)中節(jié)能技術(shù)（蘇州）有限公司與蘇州工業(yè)園區(qū)獨(dú)墅湖科教發(fā)展有限公司開始共同打造“蘇州獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)智慧能源管理平臺(tái)”（見圖5）。蘇州獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)面積11 km2，地處蘇州工業(yè)園區(qū)，是一座集生活、娛樂、科教、辦公于一體的時(shí)尚現(xiàn)代化科教新城。園區(qū)載體眾多，業(yè)態(tài)豐富，包括商業(yè)綜合體、酒店、學(xué)校、甲級寫字樓、文體公共場館、科研單位、公寓等，各類型建筑約150幢，總建筑面積約250萬m2，總設(shè)計(jì)用電容量約185 000 kVA。

圖5 獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)智慧能源管理平臺(tái)首頁

獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)通過園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)園區(qū)上百幢建筑能源的統(tǒng)籌管理，管理人員可通過互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（PC、平板電腦、手機(jī)）隨時(shí)隨地查看每幢建筑的能耗狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、動(dòng)態(tài)分析和園區(qū)能源集中化、信息化管理，整體提高能源管理水平；基于長期存儲(chǔ)的建筑能耗數(shù)據(jù)，管理人員在濟(jì)中節(jié)能數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下，可對每幢建筑或重要能耗設(shè)備進(jìn)行全面的能耗核算或能效評估，完全以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑能耗漏洞提供了依據(jù)；隨著能耗分析與能耗評估的逐步展開，為了進(jìn)一步完善建筑能源管理機(jī)制，將建筑控制系統(tǒng)運(yùn)營數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，建立起集能耗監(jiān)測與能源管控于一體的能源管理系統(tǒng)；基于采集能耗數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)營控制信息，濟(jì)中節(jié)能可以結(jié)合建筑日常需求制定出最優(yōu)化的控制策略，大幅度降低建筑運(yùn)營能耗成本。

以獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)慧湖大廈為例，說明平臺(tái)投入使用后短短兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)帶來的改善。

慧湖大廈位于蘇州工業(yè)園區(qū)月亮灣路10號，是集辦公及商務(wù)服務(wù)為一體的綜合性項(xiàng)目，是按照5A甲級寫字樓標(biāo)準(zhǔn)精心設(shè)計(jì)、精細(xì)施工的示范性精品工程。大廈用地面積17 011 m2，總建筑面積111 614 m2；2016年總電力能耗為480萬kwh。

（2）存在問題

基于園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，慧湖大廈在夜間非運(yùn)營時(shí)段（21:00～ 05:00共8h）功率負(fù)載水平一直維持在200 kW左右，如圖6、圖7所示，通過排查發(fā)現(xiàn)大廈5號變壓器和6號變壓器線路存在非必要開啟設(shè)備夜間運(yùn)行和部分照明未關(guān)閉現(xiàn)象，如圖8所示。

（3）解決方案

通過現(xiàn)場確認(rèn)和管理優(yōu)化，根據(jù)慧湖大廈實(shí)際運(yùn)營需求，關(guān)閉非運(yùn)營時(shí)段不必要的照明和設(shè)備，降低大廈非運(yùn)營時(shí)段功率負(fù)載，如圖9、圖10所示。

圖6 慧湖大廈南樓非運(yùn)營時(shí)段風(fēng)機(jī)未關(guān)閉造成的能耗漏洞

圖7 慧湖大廈南塔樓非運(yùn)營時(shí) 段風(fēng)機(jī)未關(guān)閉造成的能耗漏洞

圖8 慧湖大廈變電所空調(diào)在非必要時(shí)段運(yùn)行造成的能耗漏洞

（4）改善效果

通過全面系統(tǒng)性地排查并制定可行的方案，慧湖大廈非運(yùn)營時(shí)段（21:00～05:00共8h）整體功率負(fù)載下降27.5kW，其主要調(diào)整線路的功率負(fù)載降低情況如表1。

圖9 慧湖大廈總結(jié)點(diǎn)調(diào)整前后功率均值對比

圖10 慧湖大廈有功功率在調(diào)整前后的對比

表1 非運(yùn)營時(shí)段主要設(shè)備調(diào)整前后能耗對比

根據(jù)慧湖大廈電力單價(jià)（0.89元/kWh），每天降低功率負(fù)載時(shí)間按8h計(jì)算，年節(jié)省電力能耗成本2萬元。上述舉例僅為該平臺(tái)投入運(yùn)營后發(fā)現(xiàn)的其中一項(xiàng)能耗漏洞，在兩個(gè)月的運(yùn)行期間，共探測出能耗漏洞25項(xiàng)（見表2），即可實(shí)現(xiàn)年節(jié)能量457 233 kWh，約占慧湖大廈年電力總能耗的9.53%。

結(jié)合慧湖大廈案例分析，隨著園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)的升級完善以及數(shù)據(jù)積累，整個(gè)蘇州獨(dú)墅湖科教創(chuàng)新區(qū)按照降低能耗10%來估算，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)約電力消耗約713.15萬kwh，減少二氧化碳排放約5 883.49 t，相當(dāng)于種植了12 652棵樹，取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

表2 能耗漏洞匯總

4 結(jié)語

隨著園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)的建設(shè)及運(yùn)維的推進(jìn)，平臺(tái)將積累海量的能源數(shù)據(jù)，基于能源大數(shù)據(jù)建立的模型準(zhǔn)確性越來越精確，對綠色園區(qū)的能源管理和優(yōu)化調(diào)度發(fā)揮更重要的影響，園區(qū)智慧能源管理平臺(tái)的建設(shè)將成為國家持續(xù)推進(jìn)節(jié)能減排戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。

Introduction and Demonstration Application of Industry Park Intelligent Energy Management Platform

Liu Yingdan1, Xu Li1, Duan Fei1, Huang Zhonghui2

Jet China Energy Saving Technology(Suzhou) Co.，Ltd Suzhou Industry Park Dushu Lake Scientifi c Education Development Co.，Ltd

Construction and promotion of green industry park is key measure to realize low carbon economy in China. Meanwhile industry park intelligent energy management platform construction is key park to green industry park construction. The author introduces structure and functions of industry park intelligent energy management platform and innovative cases of big data model prediction technology and fault diagnosis technology based on big data and demonstration application at Suzhou industry park dushu lake scientific education creation zone.

Green Industry Park, Industry Park Intelligent Energy Management, Demand-Side Management, Big Data Analysis, Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.06.007