姜宏圖 柴有國 徐瑞博 劉偉

【摘 要】綜合能源服務是近年來新興的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，目的是實現(xiàn)分布式電源的接入、高效應用，解決大量不同類型的分布式電源并網(wǎng)和管理問題。開發(fā)和延伸綜合能源服務能夠充分促進分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實現(xiàn)對多種負荷的管理及高可靠性能源供給。通過“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”打造新型能源體系模式的智慧能源綜合服務平臺，可有效解決傳統(tǒng)供能方式存在的問題，提供多種能源供給、多能協(xié)同互補、能源精細運維、區(qū)域能源聯(lián)網(wǎng)、能源生產(chǎn)安全的解決方案。打造“物聯(lián)網(wǎng)+智慧能源+精細運維+安全供用能”的能源發(fā)展新業(yè)態(tài)，實現(xiàn)能源系統(tǒng)安全、高效、低碳、可持續(xù)運行。

【關(guān)鍵詞】綜合能源服務;邊緣智能;邊緣計算;人工智能;物聯(lián)網(wǎng);模型;視覺識別

【中圖分類號】TP393.072 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0056-04

1 概述

1.1 背景

綜合能源服務是電、冷、熱等的多元化能源供應和多樣化增值服務模式。根據(jù)不同投資項目區(qū)的特點，因地制宜，通過冷、熱、電多種能源形式的高效、綜合利用，以開放的信息—能源一體化架構(gòu)最大限度地適應分布式可再生能源的接入，構(gòu)建智慧化的綜合能源服務，即智慧能源綜合服務，真正實現(xiàn)自下向上的能量對等分享。

園區(qū)能源生產(chǎn)安全是管控重點。在生產(chǎn)區(qū)發(fā)生火災或爆炸等事故的情況下，勢必會造成重大的人員傷亡，以及財產(chǎn)的重大損失。因此，制定和采取安全有效的防范措施，加強整個園區(qū)的安全管理勢在必行，其中全面的視頻監(jiān)控是安全防范的重要手段之一。

隨著邊緣計算、人工智能（即邊緣智能）等技術(shù)的快速發(fā)展，以及各種應用場景的不斷成熟，在綜合能源服務領(lǐng)域，存在大量的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)需要上傳到云端進行處理，給云計算帶來了更多的處理壓力且未來對反應速度會有越來越高的要求。根據(jù)Machina Research的數(shù)據(jù)預測，至2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將增長至270億個，蜂窩連接個數(shù)將達到220億個，將會有海量的邊緣端設備接入[1]。

1.2 必要性分析

建設區(qū)域智慧能源是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大勢所趨，整合制冷（供暖）設備后臺監(jiān)控系統(tǒng)、光伏監(jiān)控系統(tǒng)、儲能遠程監(jiān)控系統(tǒng)及充電樁平臺，實現(xiàn)各平臺的大數(shù)據(jù)化分析和多種能源間的耦合，逐步為整個園區(qū)起到節(jié)能、減排、降耗的作用[2]。

物聯(lián)網(wǎng)時代將會有數(shù)以百億的聯(lián)網(wǎng)設備且數(shù)據(jù)具有分散性、碎片化的特點，有著強大數(shù)據(jù)處理能力的云計算在面對海量的數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡帶寬帶來的限制時，也不能實現(xiàn)全面的計算覆蓋[3]。

綜合考量，邊緣計算在面臨大量數(shù)據(jù)、綜合決策上具有無可比擬的優(yōu)勢，既靠近數(shù)據(jù)源頭，又有一定的數(shù)據(jù)處理能力。而且在現(xiàn)實業(yè)務中并不是所有的數(shù)據(jù)都需要上傳到云端，但是這些數(shù)據(jù)又對本地的設備有用。“思科公司”2015—2020年全球云指數(shù)顯示，2020年全球產(chǎn)生的設備數(shù)據(jù)只有10%是有價值的數(shù)據(jù)，其余90%無須長期存儲。應用邊緣計算技術(shù)可以有效緩解網(wǎng)絡帶寬和云計算中心的壓力，增強本地應用響應效率。

1.3 建設目標

為了實現(xiàn)多能互補集成綜合利用、多能源協(xié)同運行優(yōu)化及削峰填谷等目標，建設基于邊緣智能的綜合能源服務平臺，具體目標如下：實現(xiàn)新能源的合理利用;實現(xiàn)多能互補集成應用;實現(xiàn)安全穩(wěn)定優(yōu)化運行;體現(xiàn)能源利用經(jīng)濟性;實現(xiàn)削峰填谷和能效綜合服務。

2 需求分析

2.1 業(yè)務需求

在市場競爭環(huán)境下，能源供需會呈現(xiàn)雙側(cè)隨機性波動特征，為了解決這一問題，需要制定應對措施，實行需求側(cè)管理服務模式[4]。

（1）節(jié)能服務與合同能源管理。合同能源管理是一種基于市場的節(jié)能機制，節(jié)能技術(shù)改造、升級、換代是以未來的節(jié)能收益為前提，從而實現(xiàn)降低能源支出成本、提高能源使用效率的目的。

（2）優(yōu)化用能服務。通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，針對需求側(cè)管理的用能設備進行分析，優(yōu)化用戶用能方案，實現(xiàn)用戶用能成本最優(yōu)。站在用戶視角提供服務，提升用戶用能體驗[5]。

（3）能效診斷服務。針對用戶用能過程中遇到的問題，例如電量大但效率低，峰谷電使用分配不合理等情況，為用戶提供全面有效的用能分析，并提出專業(yè)化能效診斷建議。包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及診斷建議的全過程。

（4）能源安全服務。綜合能源園區(qū)周邊環(huán)境比較復雜，人員流動性大，園區(qū)的安全管理制度逐步健全，安防產(chǎn)品在園區(qū)的普及，大大提升了園區(qū)的技防水平。隨著安防意識的不斷提升，園區(qū)安防逐步向技防邁進。

2.2 技術(shù)需求

針對綜合能源園區(qū)的能源安全需要，視頻監(jiān)控將數(shù)據(jù)分流到邊緣端，降低網(wǎng)絡傳輸壓力和業(yè)務端到端時延，實現(xiàn)本地分析、快速處理、實時響應。在云端執(zhí)行訓練任務，在邊緣計算節(jié)點執(zhí)行邏輯推理，邊云協(xié)同實現(xiàn)實時響應、決策，以及人臉識別、行為檢測、越界檢測、火焰識別等多種人工智能應用場景。邊緣智能技術(shù)需要具有如下特點。

（1）數(shù)據(jù)處理實時性。實時性是邊緣智能需要具有的最重要的技術(shù)特點，由于靠近物與數(shù)據(jù)的源頭，可以在一定程度上避免數(shù)據(jù)上傳下達的時延，有效提升本地設備的處理能力和響應速度。

（2）業(yè)務數(shù)據(jù)可靠性。安全可靠的數(shù)據(jù)是業(yè)務正常開展的有效保障，只有對邊緣計算服務進行加密處理，設備之間的數(shù)據(jù)傳輸才會有安全保障。在廣域網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，通過邊緣計算服務，可實現(xiàn)本地業(yè)務的可靠運行。

（3）應用開發(fā)多樣性。應用邊緣智能技術(shù)后，會有大量的數(shù)據(jù)在其邊緣端處理，除了安防監(jiān)控視頻處理，還有其他的應用場景，如操作規(guī)范、設備異常監(jiān)控等?？筛鶕?jù)實際的業(yè)務需求定義邊緣智能應用。

3 方案設計

3.1 功能介紹

以滿足能源供求關(guān)系為基本出發(fā)點的傳統(tǒng)能源規(guī)劃已不能適應當前的經(jīng)濟發(fā)展方式和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整需求，制定以科學的理念為基礎(chǔ)的綜合能源服務是大勢所趨。為了最大限度地節(jié)約資源及實現(xiàn)資源互補、實現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)的調(diào)整、能源效益的最大化，并獲得最佳社會效益與經(jīng)濟效益，智慧能源綜合服務平臺總體共包含3個部分，分別為基于智能邊緣的OT系統(tǒng)、智能計算IT管理、基于人工智能的決策支持。

（1）基于智能邊緣的OT系統(tǒng)。實現(xiàn)對微電源、逆變器、中央控制器的集成，組成微網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和微網(wǎng)網(wǎng)絡通信管理，中央控制器功能包括來電自動并網(wǎng)、斷電或故障自動進入孤島運行的遠程控制，以及進行能量綜合管理、控制和需求側(cè)管理等。

（2）智能計算IT管理。①能量交易服務。此平臺提供集冷、熱、氣、水、電等多種能源的購能管理、售能管理、電價套餐及費用管理、能源增值服務等功能，實現(xiàn)能源的購、售一體化交易管理。②能源安全管理。從園區(qū)人員車輛進出頻繁、人員流動性大、園區(qū)公共物資多及生產(chǎn)區(qū)域安全要求高等特點出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、視頻分析、深度學習、人工智能技術(shù)，進行智能計算平臺、邊云協(xié)同AI應用系統(tǒng)和邊緣智能EIBox研制的應用研究。智能計算平臺研究內(nèi)容是對人員行為、車輛、園區(qū)環(huán)境等現(xiàn)場的計算分析下放到邊緣端執(zhí)行，模型深度學習訓練放在云端，具體做法是將訓練好的模型下發(fā)到邊緣端，邊緣端計算結(jié)果反饋給云端進行訓練，循環(huán)往復不斷進行模型的訓練，實現(xiàn)模型對實際業(yè)務的深入理解。邊云協(xié)同AI應用系統(tǒng)研究內(nèi)容是管理模型訓練、模型轉(zhuǎn)換、模型部署、數(shù)據(jù)回傳和模型再優(yōu)化等。邊緣智能EIBox研制內(nèi)容是制造智能控制器，在該設備中針對人員行為分析、車輛識別、綜合環(huán)境分析等進行模型構(gòu)建，然后通過邊云協(xié)同平臺和視頻采集設備進行智能視頻分析，實現(xiàn)園區(qū)安全防控。

（3）基于人工智能的決策支持對能源生產(chǎn)、能源調(diào)度、用能管理進行能效分析和節(jié)能診斷，決策支持分為領(lǐng)導決策和企業(yè)級決策。領(lǐng)導決策對企業(yè)經(jīng)營績效、客戶服務、內(nèi)部運營與成長發(fā)展四大方面進行總結(jié)、提煉，這也是領(lǐng)導最為關(guān)注的核心內(nèi)容，是戰(zhàn)略駕駛艙重點把控與深入分析的企業(yè)經(jīng)營特征表征點。企業(yè)級決策事項從企業(yè)整體戰(zhàn)略的承接與落實上進行全面梳理與總結(jié)。涵蓋資源（人、財、物）規(guī)劃、計劃分解執(zhí)行、風險管控、發(fā)展創(chuàng)新各個層面的決策內(nèi)容。利用數(shù)理統(tǒng)計與分析技術(shù)，自動構(gòu)建關(guān)注指標變化情況決策簡報，方便領(lǐng)導一站式獲取指標的總體情況。

3.2 功能架構(gòu)

功能架構(gòu)如圖1所示。

（1）基于邊緣智能的OT系統(tǒng)。經(jīng)過邊緣智能終端處理實時數(shù)據(jù)，無縫的對接已安裝的各分布式源系統(tǒng)[6]，通過數(shù)據(jù)中心儲能、集中式電儲能、需求側(cè)響應及電動汽車充放電管理等可調(diào)控負荷手段，能夠平抑用電峰谷差。

（2）智能計算IT管理。信息系統(tǒng)通過高帶寬光纖，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)采集和通信，信息流與能量流融合情況。系統(tǒng)的高效運行需要通過能量管理系統(tǒng)支撐。一方面，通過數(shù)據(jù)采集、信息分析處理、智能化調(diào)控功能實現(xiàn)分布式能源的上網(wǎng)、調(diào)度;另一方面，運用網(wǎng)絡系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析用戶的用電特性、用能特征，實現(xiàn)需求側(cè)管理及用戶用能優(yōu)化，最終達到供需雙側(cè)的互動。

系統(tǒng)融合情況如圖2所示。

（3）基于人工智能的決策支持。本項目考慮結(jié)合商用數(shù)值天氣預報（Numerical Weather Prediction）和神經(jīng)網(wǎng)絡法，實現(xiàn)功率預測和負荷預測，用電行為可以通過應用各類先進的數(shù)據(jù)分析及機器學習技術(shù)，挖掘智能電表數(shù)據(jù)實現(xiàn)。整個系統(tǒng)可存在多種能源轉(zhuǎn)換裝置，其中常見的有含內(nèi)燃機的CCHP系統(tǒng)、熱泵、電動制冷機等。支持能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費及能源市場深度融合的數(shù)據(jù)分析。

3.3 技術(shù)架構(gòu)

（1）架構(gòu)組成。為實現(xiàn)不同綜合能源服務中能源的精益化管理，提高分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱利用、地熱資源利用、光伏發(fā)電等清潔能源的利用效率，實現(xiàn)多能互補集成綜合利用和多能源協(xié)同運行優(yōu)化等目標，需要建設智慧能源綜合服務平臺，平臺依托云計算、大數(shù)據(jù)與移動互聯(lián)技術(shù)，支持公有云、私有云模式部署，并可擴展相關(guān)高級應用、集成外部應用系統(tǒng)。

（2）技術(shù)架構(gòu)。技術(shù)架構(gòu)滿足分布式數(shù)據(jù)采集、存儲、基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘等，向下采集來源于電源設備、配電設備、智能儀表、供冷站、換熱站、視頻監(jiān)控等多種數(shù)據(jù)。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的架構(gòu)存儲和模型分析，支撐上層應用（如圖3所示）。

在邊云協(xié)同上，選擇“輕邊緣”架構(gòu)，即邊緣側(cè)的容器引擎和設備管理agent盡量輕量化，管理面運行在云端且構(gòu)建在K8S的調(diào)度能力之上，100%兼容K8S原生API。all in K8S的設計理念使得用戶可以圍繞K8S的標準API定制需求或者輕松集成云原生生態(tài)中的成熟項目。

（3）網(wǎng)絡拓撲。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)按照安全防護的要求，從物理結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡隔離等方面進行區(qū)分。①控制區(qū)：生產(chǎn)類設備、系統(tǒng)、車間。②非控制區(qū)：園區(qū)內(nèi)用戶的智能電表、供熱/冷計量表及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、存儲、計算分析服務器。③管理區(qū)：系統(tǒng)展示層，與管理局域網(wǎng)在同一網(wǎng)絡層的設備，例如鏡像數(shù)據(jù)庫服務器、發(fā)布服務器及邊緣計算服務器。在不同區(qū)之間采用單向物理隔離器，保護生產(chǎn)運行安全;在局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間采用防火墻，通過配置規(guī)則允許合法信息交互，防止外部威脅影響系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)語

利用邊緣智能技術(shù)建設智慧能源綜合服務平臺，實現(xiàn)供熱（采暖和供熱水）、制冷及發(fā)電過程一體化的能源綜合利用管理，包括數(shù)據(jù)中心儲能、集中式電儲能、需求側(cè)響應及電動汽車充放電管理等可調(diào)控負荷手段，平抑用電峰谷差。測算各類可調(diào)控負荷的技術(shù)經(jīng)濟性，給出各類可調(diào)控負荷的合理容量及可盈利價格方案，提供更有效的綜合能源服務。

參 考 文 獻

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