馬 虹

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程學院，南京 210023)

0 引言

世界主要發(fā)達國家都在實施以技術(shù)為支撐的能源轉(zhuǎn)型政策[1-2]。未來能源行業(yè)已逐步向大數(shù)據(jù)、虛擬發(fā)電廠、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、共享經(jīng)濟和區(qū)塊鏈技術(shù)、數(shù)字融合技術(shù)等方面快速發(fā)展[3-4]。能源的發(fā)電成本將不斷下降，能源投資重心向綠色清潔化能源轉(zhuǎn)移，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化[5]?！笆濉笔侵袊?jīng)濟轉(zhuǎn)型和改革的關(guān)鍵時期，提高能源效率是能源發(fā)展的永恒目標[6]。以往經(jīng)濟快速發(fā)展過程中，能源戰(zhàn)略以滿足能源需求為主，能源效率難以兼顧[7]。在經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)下，滿足能源需求壓力減弱，能源行業(yè)今后發(fā)展將以提高效率為主[8]。“十三五”能源規(guī)劃要考慮的首位是節(jié)能，特別是工業(yè)節(jié)能設備和信息化手段的運用[9]。

為積極響應省、市、區(qū)政府關(guān)于建設生態(tài)文明和發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟的工作要求和“綠色城市”環(huán)境工程[10-11]，進一步提升智慧能源及碳排放監(jiān)測工作，筆者受相關(guān)部門委托，聯(lián)合中國電子學會、普天集團、江蘇蘇源高科等單位的技術(shù)力量，綜合運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧檢測手段，設計并實施了區(qū)域智慧能源和碳排放互聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺項目，并于2015年底初步建成投入使用，已為某區(qū)內(nèi)300多家企業(yè)和公共機構(gòu)提供能源及碳排放監(jiān)測服務，基本建成區(qū)一級統(tǒng)一的能耗監(jiān)測與管理中心，初步實現(xiàn)節(jié)能減排指標在線動態(tài)監(jiān)控。通過三年多試運行和不斷完善與擴容，系統(tǒng)平臺安全可靠、實時響應速度快、抗干擾能力強，為節(jié)能減排工作提供了客觀的數(shù)據(jù)基礎，為政府決策提供了客觀科學的依據(jù)，取得了較好的社會效益。

1 項目設計建設的目標宗旨

項目設計建設的總體目標是在區(qū)級能耗監(jiān)測平臺成功搭建以及取得運用成效的基礎上[12-13]，進一步建立市級能源環(huán)境智慧城市互聯(lián)網(wǎng)應用平臺，在全市范圍內(nèi)全面鋪設能耗監(jiān)測點[14]，為全市節(jié)能監(jiān)察工作提供全面、實時、準確的能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、預警、管理服務，并首次在全市提出互聯(lián)網(wǎng)平臺支撐的碳資產(chǎn)管理和碳排放權(quán)交易管理服務概念，打造與之相呼應的首個區(qū)域性碳管理與交易平臺系統(tǒng)。具體目標為以下4點：

1)建立統(tǒng)一的能源環(huán)境智慧城市互聯(lián)網(wǎng)應用平臺,全面優(yōu)化政府節(jié)能減排管理和企業(yè)能源及碳經(jīng)營模式，提高整體管理及經(jīng)營收益；加強城市排污實時監(jiān)控，大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，增強大數(shù)據(jù)、云服務功能，為政府節(jié)能減排工作及環(huán)境整治工作提供堅實的數(shù)據(jù)分析和決策建議[15]。

2)建立用能和碳排放分布式實時化監(jiān)測系統(tǒng)，一級監(jiān)測可實現(xiàn)對用能單位總體用能情況的監(jiān)測和預警[16]；二級、三級監(jiān)測可實現(xiàn)對用能單位主要線路、重點用電(水、氣)設備的用能監(jiān)測和實時預警；四級以上監(jiān)測可根據(jù)用戶需求細化監(jiān)測點分布和功能實現(xiàn)。

3)建立整合區(qū)內(nèi)外科研院所、高級專家和技術(shù)團隊的后臺技術(shù)服務力量，確保對能耗及碳排放數(shù)據(jù)的有效分析，并有針對性地提出解決方案[17-18]。

4)建立開放式的功能平臺，積極對接省、市能源及碳排放管理運行系統(tǒng)，不斷拓展碳交易、新能源利用、循環(huán)經(jīng)濟建設等功能模塊，提供綠色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的綜合性服務[19]。

2 項目實施內(nèi)容

平臺設計以“總體設計、適當超前、分期實施”的建設思路開展實施。圖1所示為智慧能源及碳排放監(jiān)測管理云平臺系統(tǒng)方案總體規(guī)劃圖，由監(jiān)控云平臺、工程技術(shù)團隊、設備服務團隊3大部分組成。其中監(jiān)控云平臺是智能能源及碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的核心，包含數(shù)據(jù)處理中心、Web交互界面、大屏幕投影等；工程技術(shù)團隊是為了進一步大量增加數(shù)據(jù)采集點和設備維護建立的工作團隊；成立服務團隊是為了適應不同客戶的需求和對系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化更新的需要。進一步分析圖1可以看出，為了使本設計方案能夠科學合理，特別是更加實用化，整個系統(tǒng)的實施與運行考慮了各方面的因素，形成了技術(shù)層面、工程層面、服務層面的相互融合與支撐。

圖1 智慧能源及碳排放監(jiān)測管理云平臺系統(tǒng)組成框圖

智慧能源及碳排放監(jiān)測管理云平臺系統(tǒng)的具體架構(gòu)設計如圖2所示，由用戶應用層、中心管理層、信號采集層和監(jiān)測對象共4大功能部分組成。

圖2 智慧能源及碳排放監(jiān)測管理云平臺系統(tǒng)設計方案

用戶應用層包含綜合管理端、政府端、企業(yè)端、公眾端等端口。可以為政府在線監(jiān)測、企業(yè)咨詢服務、單個用戶需求及服務管理提供端到端解決方案。

中心管理層由數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)采集服務器、分析計算服務器、Web服務器、防火墻、數(shù)據(jù)交換機、系統(tǒng)軟件等部分組成。一般設置在中心機房和服務展示大廳。

信號采集層是服務前端的各類數(shù)據(jù)采集點，通過不同的傳感器和通信節(jié)點完成。從節(jié)能減排方面監(jiān)測，涉及的主要有用電量、氣體排放、煤消耗等方面的數(shù)據(jù)采集。

監(jiān)測對像是根據(jù)政府相關(guān)部門的要求來確定的，這里主要研究的是對像特點和選用數(shù)據(jù)采集的技術(shù)方案。

在數(shù)據(jù)信息傳輸方面主要運用互聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡“片切塊”及短距離射頻芯片解決。

平臺一期建成區(qū)級智慧能源及碳排放監(jiān)測展示大廳、平臺軟件運行系統(tǒng)、服務器數(shù)據(jù)中心及數(shù)據(jù)監(jiān)測點終端安裝等，為區(qū)內(nèi)近100家企業(yè)和公共機構(gòu)提供能源及碳排放監(jiān)測服務，并建成全區(qū)統(tǒng)一的能耗監(jiān)測與管理中心，初步實現(xiàn)節(jié)能減排指標在線動態(tài)監(jiān)控，為全區(qū)節(jié)能減排工作提供了客觀的數(shù)據(jù)基礎；平臺二期工程主要是平臺的功能版塊完善和性能提升以及區(qū)內(nèi)重點監(jiān)測對象布點達到80 %以上的覆蓋率，即完成安裝實時監(jiān)測點500個以上。

圖4 被監(jiān)測單位用電負荷實時在線分析

平臺三期工程計劃用于市范圍內(nèi)重點轄區(qū)的智慧能源及碳排放監(jiān)測管理云平臺的建設運營、大數(shù)據(jù)挖掘、分析和跟蹤服務以及各區(qū)內(nèi)重點單位的監(jiān)測點大面積覆蓋工作?；窘ǔ筛采w全市1 500家以上用能單位(含150家三級以上監(jiān)控重點用能單位)的能源及碳排放監(jiān)測管理綜合平臺，監(jiān)測點總數(shù)累計達到5 000個以上，幫助區(qū)內(nèi)200家以上重點耗能企業(yè)實施節(jié)能技改，實現(xiàn)節(jié)能降耗綜合價值超5億元以上。

平臺四期工程建成覆蓋全市所有區(qū)縣及附近城市重點用能單位、功能完善、有海量數(shù)據(jù)基礎的市級平臺和綜合監(jiān)測網(wǎng)點，進一步擴展各市區(qū)的自動數(shù)據(jù)監(jiān)測點覆蓋率，真正達到部省關(guān)于高耗能企業(yè)及企業(yè)高耗能設備覆蓋率的要求，納入平臺的數(shù)據(jù)監(jiān)測工商企業(yè)與公共機構(gòu)總數(shù)將至少達到3 000家以上。同時，平臺將爭取納入省級能源及碳排放監(jiān)測管理、交易平臺總架構(gòu)，為省市大平臺的落地奠定數(shù)據(jù)采集基礎。

3 項目一期的特點和實施取得的成效

項目一期工程由系統(tǒng)軟件層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)采集層組成，實現(xiàn)對能耗企事業(yè)單位的用電量等能耗進行監(jiān)測，通過用能支路進行計量，將數(shù)據(jù)采集器上傳到能耗監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對能耗的在線監(jiān)測和動態(tài)分析。

1)平臺依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)基礎，以信息化智能系統(tǒng)實現(xiàn)能源消耗及溫室氣體排放的可視化、可量化和智能化分析，便于政府和企業(yè)實時了解最新能耗情況。智慧能源監(jiān)測服務中心如圖3所示。

圖3 智慧能源監(jiān)測服務中心

2)平臺輔以能效及碳減排專家組的后臺聯(lián)網(wǎng)服務,通過對各類能源消耗碳排放數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、分析、管理,幫助客戶準確掌握能源消耗過程、能耗水平、費用支出等是否合理,挖掘節(jié)能潛力,量化節(jié)能減排技改效果，進一步開展精細化能源及碳排放管理。圖4為一個礦山有限公司被監(jiān)測用電負荷實時在線分析，根據(jù)安裝在礦山380 V強電進線、風機泵等19個運行點的實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析，顯示出該單位24小時內(nèi)用電在線負荷曲線，進一步，可以得到1天、1周、1月、1 年的最大值、最小值和平均值。通過觀測到的ABC三相負荷情況可以為企業(yè)提供改進功率因素決策，以提高用電效率。圖5為被監(jiān)測單位消耗電能分析?？梢缘玫骄_的電量計算和分析數(shù)據(jù)并換算成電價和碳排放量。

圖5 被監(jiān)測單位消耗電能分析

3)平臺整合了區(qū)內(nèi)外眾多技術(shù)資源，對企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)改造工程提供咨詢、設計、建設、運維一整套的服務，不斷提升企業(yè)能效、降低排放水平。目前，公司已與區(qū)內(nèi)多家重點用能企業(yè)達成合作戰(zhàn)略協(xié)議，并獲得政府的政策扶持和資金支持，預計完成后將進一步在全市范圍內(nèi)推廣、應用。圖6為利用運維系統(tǒng)對平臺進行實施與維護，對于企業(yè)的數(shù)據(jù)完整性和正確性進行實時監(jiān)控。

圖6 服務咨詢功能

4)平臺以開放式的功能架構(gòu)，從基礎的能耗及碳排放數(shù)據(jù)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析發(fā)展到后臺專家?guī)於ㄏ蚋櫡?、能耗及碳排放預警、能源結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建等功能模塊，為區(qū)域經(jīng)濟低碳發(fā)展提供最大助力。平臺積極對接省市經(jīng)信委、發(fā)改委能源及碳排放管理服務系統(tǒng)，會同相關(guān)科研單位研發(fā)了碳交易及碳資產(chǎn)經(jīng)營、新能源交通監(jiān)管、循環(huán)資源利用等新功能模塊，不僅更加貼近市場需求，也更加強了平臺在后互聯(lián)網(wǎng)+時代的核心競爭力。

5)管理權(quán)限。通過現(xiàn)場部署的用能數(shù)據(jù)采集點將準確的用能數(shù)據(jù)進行采集和匯總，通過預設的標準接口傳送到以云計算為基礎架構(gòu)的后臺，通過初步的數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)或應用通過預定義標準服務的方式進行發(fā)布，以提供最終用戶進行能耗、能效的分析和改進。同時，考慮到目前用能單位的多樣性，系統(tǒng)專門為此建立了一套完善的權(quán)限管理體系來解決不同用戶管理不同區(qū)域的能耗數(shù)據(jù)。圖7是權(quán)限管理流程圖。

圖7 管理權(quán)限設置

4 結(jié)束語

本平臺系統(tǒng)方案依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)基礎，以信息化智能系統(tǒng)實現(xiàn)能源消耗及溫室氣體排放的可視化、可量化和智能化分析；同時輔以能效及碳減排專家組的后臺聯(lián)網(wǎng)服務,通過對各類能源消耗機碳排放數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、分析及管理,幫助客戶準確掌握能源消耗過程、能耗水平、費用支出等是否合理,挖掘節(jié)能潛力,量化節(jié)能減排技改效果，進一步開展精細化能源及碳排放管理；同時，平臺還整合了區(qū)內(nèi)外眾多技術(shù)資源，對企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)改造工程提供從咨詢、設計、建設、運維一整套的服務，不斷提升企業(yè)能效、降低排放水平。

系統(tǒng)設計方案總結(jié)和吸收了成功的案例與經(jīng)驗，采用了國際標準、行業(yè)標準的標準接口和通信協(xié)議，實現(xiàn)了系統(tǒng)與第三方產(chǎn)品數(shù)據(jù)的無縫連接；同時充分考慮系統(tǒng)的實時響應速度、抗干擾能力、適用環(huán)境、利用率、安全性等，提供符合信息化發(fā)展的各項數(shù)據(jù)服務，通過對接全局信息化優(yōu)化決策體系，進一步提升了運行管理的信息化水平，實現(xiàn)優(yōu)化集約的運行管理及設備管理，具有規(guī)范、專業(yè)、可靠、可擴展、可定制的特點。