喬 克,吳 培,田傳波,丁慧龍
(1.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司,北京 100070;2.中國雄安集團(tuán)基礎(chǔ)建設(shè)有限公司,河北 雄安新區(qū) 071700;3.國網(wǎng)雄安思極數(shù)字科技有限公司,河北 雄安新區(qū) 071701)
目前,綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)在能源范圍內(nèi)成為新發(fā)展的一個業(yè)務(wù),具有客戶需求多、項(xiàng)目點(diǎn)廣、技術(shù)類別復(fù)雜、服務(wù)模式多元化等特點(diǎn)[1],涵蓋能源儀控平臺規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程投資建設(shè)、多能源運(yùn)營服務(wù),以及投資服務(wù)等環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范不統(tǒng)一,應(yīng)用的平臺功能不規(guī)范。
最近幾年,綜合能源系統(tǒng)飛快發(fā)展,其中該系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中成為主流。2000年國外率先開展了相關(guān)研究。美國、歐洲、日本研究機(jī)構(gòu)提出相關(guān)的研究計(jì)劃,并就示范項(xiàng)目的建設(shè),研發(fā)相關(guān)綜合能源管理平臺[2-5]。國內(nèi)研究從2010年左右開始,以相關(guān)科技項(xiàng)目配套工程為主,商業(yè)化推廣建設(shè)剛開始起步,相關(guān)能源儀控建設(shè)工作推進(jìn)緩慢[6]。從國際來看,與綜合能源服務(wù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可以參照ISO、IEC和ITU-T來執(zhí)行。其中,ISO更傾向于管理方法的標(biāo)準(zhǔn),能源管理體系標(biāo)準(zhǔn)ISO 50001在能源領(lǐng)域聞名于世,并于2011年6月15日發(fā)布,在2018年8月21日做了最新修訂[7]。IEC的技術(shù)導(dǎo)向更為明確,并且成立了智慧能源的專門委員會,由IEC中央辦公室直接負(fù)責(zé)[8]。IEC于2017年發(fā)布了智能微網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。2018年能源局頒布的《2018年能源領(lǐng)域擬立項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目》中,涉及綜合能源系統(tǒng)的1項(xiàng),涉及能源互聯(lián)網(wǎng)的4項(xiàng),并無直接針對綜合能源儀控設(shè)計(jì)制訂計(jì)劃[9]。按照相關(guān)的籌建方案,能源行業(yè)綜合能源服務(wù)技術(shù)委員會的管理機(jī)構(gòu)為中國電力企業(yè)聯(lián)合會[10],在綜合能源的供應(yīng)、技術(shù)裝備、運(yùn)營等領(lǐng)域,開展能源儀控設(shè)計(jì)工作。機(jī)構(gòu)的成立,有望成為綜合能源服務(wù)系統(tǒng)化的第一步。
依托雄安新區(qū)“綠色智慧新城、數(shù)字孿生城市”的發(fā)展目標(biāo),圍繞雄安新區(qū)高起點(diǎn)規(guī)劃、高質(zhì)量建設(shè)要求,加大對能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)平臺的深入研究及能源儀控體系建設(shè)開發(fā),支撐當(dāng)?shù)鼐G色低碳、信息智能現(xiàn)代化城市建設(shè),為推動中國能源轉(zhuǎn)型、助力深化改革提供強(qiáng)力支撐。本文結(jié)合當(dāng)?shù)氐挠媚芴攸c(diǎn),對當(dāng)前雄安新區(qū)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析,梳理了綜合能源業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)思路,并結(jié)合能源儀控平臺一體化業(yè)務(wù)的需求,提出系統(tǒng)功能、性能,及安全性的設(shè)計(jì)。
目前,國家層面的綜合能源儀控設(shè)計(jì)體系尚未建成,通過綜合分析容東綜合能源涉及的技術(shù)、應(yīng)用全生命周期建設(shè)需求,考慮雄安容東片區(qū)的規(guī)劃和需求,綜合能源儀控平臺規(guī)范主要是針對綜合能源平臺建設(shè)中的能源基礎(chǔ)設(shè)施智能化、能源數(shù)據(jù)服務(wù)、綜合能源平臺建設(shè)、服務(wù)與業(yè)務(wù)等過程進(jìn)行的規(guī)范化約束。綜合能源儀控平臺設(shè)計(jì)體系由總體概述、能源儀控平臺存儲系列設(shè)計(jì)、測試評價(jià)等3部分構(gòu)成,其綜合能源儀控平臺設(shè)計(jì)體系如圖1所示。
圖1 綜合能源儀控平臺設(shè)計(jì)體系Fig.1 Integrated energy instrument and control platform design system
其中,總體概述從宏觀的角度構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的儀控系統(tǒng)(如圖2所示),提出能源互聯(lián)網(wǎng)的總體要求,給出術(shù)語以及用例,介紹整個標(biāo)準(zhǔn)的范圍、業(yè)務(wù)功能、需求、架構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境、安全性要求等內(nèi)容。測試評價(jià)能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備級系統(tǒng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)保障類標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建完善的監(jiān)測方法和評價(jià)體系,充分遵循已有國際、國家信息安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),參考行業(yè)綜合能源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)域能源系統(tǒng)承擔(dān)城市能源供應(yīng)的基礎(chǔ)保障功能,滿足外部輸入能源及本地大型清潔供能設(shè)施的接入需求。能源系統(tǒng)注重安全性、可靠性、穩(wěn)定性,具備事故情況下,保障城市能源系統(tǒng)不癱瘓與快速恢復(fù)的能力。
圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)儀控系統(tǒng)Fig.2 Energy internet instrument control system
能源的轉(zhuǎn)換共享和互聯(lián)互通是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心,能源域作為核心內(nèi)容被描述在中心位置。標(biāo)準(zhǔn)體系重點(diǎn)描述了能源轉(zhuǎn)換類、能源存儲類和新能源傳輸類標(biāo)準(zhǔn),需要根據(jù)當(dāng)前的能源利用和轉(zhuǎn)換效率制定該域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)雄安新區(qū)“綠色智慧新城、數(shù)字孿生城市”的發(fā)展目標(biāo),提出高起點(diǎn)規(guī)劃、高質(zhì)量的建設(shè)要求,大力發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)平臺的深入研究及開發(fā),以能源儀控平臺設(shè)計(jì)體系研究為基礎(chǔ),雄安綜合能源儀控平臺一體化作為智慧能源體系應(yīng)用層的重要環(huán)節(jié)(如圖3所示),開展平臺功能、性能、安全性研究十分必要。
圖3 綜合能源互聯(lián)網(wǎng)一體化Fig.3 Integrated energy internet integration
因此,以打造涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析、能源調(diào)度決策、金融交易等功能的一體化調(diào)控、運(yùn)維和服務(wù)平臺,實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的可視化與可控化,對系統(tǒng)功能、性能、安全性的需求進(jìn)行研究,并提出相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求,為未來發(fā)展能源儀控平臺一體化技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
2.1.1 能源感知需求分析
電力的能源感知層,按照源—網(wǎng)—荷—儲的能源特性進(jìn)行劃分。其中,“源”由電力主網(wǎng)、分布式光伏等兩部分構(gòu)成,由此來采集電網(wǎng)的狀態(tài)信息?!熬W(wǎng)”由配用電系統(tǒng)、管廊電力艙構(gòu)成,主要采集配用電網(wǎng)和傳輸線路相關(guān)的信息數(shù)據(jù)?!昂伞庇沙潆娫O(shè)施、智能家居、智能樓宇系統(tǒng)構(gòu)成,采集精細(xì)化用電數(shù)據(jù),以及相關(guān)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。“儲”是儲能系統(tǒng),主要采集電池、逆變器等系統(tǒng)參數(shù)。其規(guī)劃如圖4所示。
圖4 源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)規(guī)劃圖Fig.4 Coordinated planning diagram of load and storage in source
感知的其他需求方面,主要是以下兩方面:一是區(qū)域、街區(qū)、用戶能源站的安全管理需求,涉及到視頻監(jiān)測和燃?xì)鉂舛缺O(jiān)測等;二是能源站各重點(diǎn)設(shè)備及系統(tǒng)的工況信息的采集,包括三聯(lián)供、地源熱泵、光熱系統(tǒng)等。
2.1.2 綜合服務(wù)需求分析
對容東片區(qū)家庭能源、樓宇能耗、儲能情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析,提供家庭、樓宇能耗查詢及報(bào)警功能,為用戶提供便捷的用能方式,同時通過能耗及儲能數(shù)據(jù)分析,制定最優(yōu)化電和熱調(diào)峰方案。容東片區(qū)作為雄安新區(qū)規(guī)劃的5組團(tuán)容城的先行區(qū)域,需按照雄安新區(qū)整體建設(shè)要求開展綜合能源光儲微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)(如圖5所示)。為推進(jìn)智能容東的建設(shè),率先開展智能城市頂層設(shè)計(jì)和專項(xiàng)設(shè)計(jì),確定建設(shè)藍(lán)圖和實(shí)施計(jì)劃與總體框架,并指導(dǎo)容東片區(qū)共性平臺建設(shè)及制定。
圖5 綜合能源光儲微網(wǎng)系統(tǒng)Fig.5 Integrated energy optical storage microgrid system
建立快速、便捷、智能化的服務(wù)業(yè)務(wù)辦理流程,由此為容東區(qū)域的發(fā)展帶來便利。
2.1.3 能源市場需求分析
通過多表合一采集容東片區(qū)用戶用能數(shù)據(jù),提供客戶用能情況查詢功能,并根據(jù)用能數(shù)據(jù)分析,智能化制定用能套餐,對用能套餐銷量進(jìn)行分析排名,優(yōu)化用能套餐,提供便捷客戶計(jì)量繳費(fèi)方式,提高能源供應(yīng)效益。建立碳資產(chǎn)管理平臺,規(guī)范容東片區(qū)碳交易市場。
用戶方面,結(jié)合用能數(shù)據(jù)分析,分析容東片區(qū)產(chǎn)能成本,為能源生產(chǎn)提供降本方案,實(shí)現(xiàn)用戶購能自動化結(jié)算功能。能源生產(chǎn)商方面,實(shí)現(xiàn)采購、生產(chǎn)、售后統(tǒng)一分類管理,實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理制度,降低能源生產(chǎn)管理成本。
系統(tǒng)業(yè)務(wù)范圍應(yīng)包括:實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用和服務(wù)場景下,能源系統(tǒng)互聯(lián)互通的開放接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用支撐平臺,支持多種形式的供能與用能設(shè)備的快速、便捷接入,實(shí)現(xiàn)綜合能源的總體優(yōu)化與客戶側(cè)能源系統(tǒng)的快速響應(yīng)與精確控制,支撐綜合能源服務(wù)聯(lián)合運(yùn)營,包括聯(lián)合運(yùn)行、聯(lián)合調(diào)控、聯(lián)合賬單,挖掘能源數(shù)據(jù)價(jià)值,提供“能源+”塊數(shù)據(jù)服務(wù)。平臺應(yīng)具有的基礎(chǔ)功能如下:
實(shí)現(xiàn)綜合能源全方位、全過程的數(shù)字化建設(shè),統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)規(guī)范,構(gòu)建信息共享中心,促進(jìn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)與共享,進(jìn)而達(dá)到資源共享的目的。其能源分析和指標(biāo)體系如圖6所示。
圖6 能源分析和指標(biāo)體系Fig.6 Energy analysis and indicator system
支持電、熱、冷、氣、水等多種能源形式的綜合能量管理與調(diào)度,通過日前機(jī)組組合、日中經(jīng)濟(jì)調(diào)度,實(shí)時調(diào)節(jié)組成系統(tǒng)的多時間尺度調(diào)度,提升綜合能效和能源管理水平。
構(gòu)建能量交易電子商務(wù)平臺,實(shí)現(xiàn)熱(冷)電氣多種能源靈活交易,并提供靈活用能、輔助服務(wù)、能效管理、節(jié)能服務(wù)差異化的能源商品,支持終端用戶靈活自主參與市場。
1)感控設(shè)施的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到國際認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
2)感控設(shè)施的施工與運(yùn)行條件應(yīng)統(tǒng)一。
3)感控設(shè)施應(yīng)具備故障自預(yù)警、自處理功能。
應(yīng)具備高可靠性、高可用性。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能有效地避免單點(diǎn)故障,在設(shè)備的選擇和關(guān)鍵設(shè)備的互聯(lián)時,應(yīng)提供充分的關(guān)鍵設(shè)備冗余、重要業(yè)務(wù)模塊冗余和鏈路冗余,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)達(dá)到電信級可靠性。
對網(wǎng)絡(luò)通信基本需求如下:
1)滿足區(qū)域、街道和用戶三級相關(guān)職能單位的互聯(lián)互通和信息共享的需求。
2)滿足信息化系統(tǒng)內(nèi)大數(shù)據(jù)量信息傳輸、交換的需求。
3)滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性的要求。
4)滿足數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)暢通、快捷、安全、可擴(kuò)展。
5)提供可靠的線路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的保障,能支持線路和主要交換機(jī)的冗余。
另外,還需要滿足監(jiān)控設(shè)備接入的需求,需要滿足傳感設(shè)備與物聯(lián)感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)正常、可靠傳輸。
3.3.1 系統(tǒng)響應(yīng)要求
1)滿足高峰期同時在線1000人左右的訪問需求,系統(tǒng)每個一級功能模塊最長響應(yīng)時長不能超過5 s,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行多用戶并發(fā)操作時,應(yīng)滿足表1要求。
表1 高峰期系統(tǒng)功能模塊響應(yīng)時長Table 1 Response time of system function module in peak period
2)滿足系統(tǒng)7×24 h業(yè)務(wù)無間斷,穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
3)系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)前臺提高對非法輸入、特殊字符的容錯能力,避免非法用戶對系統(tǒng)用戶進(jìn)行密碼暴力破解。
4)CPU可用率<30%,內(nèi)存使用率<50%。
5)系統(tǒng)應(yīng)滿足易理解、易分析、易配置、易修改、易測試的要求。
6)系統(tǒng)從用戶體驗(yàn)維度出發(fā),滿足頁面布局合理,通用操作規(guī)范,出錯處理、反饋與提示人性化等要求。
3.3.2 可靠性指標(biāo)
1)系統(tǒng)年可用率≥99.99%。
2)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行要求:7×24 h。
3)系統(tǒng)故障恢復(fù)時間(MTTR)≤30 min。
4)平均故障間隔時間(MTBF)≥5000 h。
5)事件產(chǎn)生的平均時間間隔(MTBSI)= MTTR+MTBF≥5000 h。
3.3.3 可維護(hù)性
平臺的可維護(hù)性需求包括以下幾方面:應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該采用構(gòu)件化設(shè)計(jì)思想,系統(tǒng)框架與業(yè)務(wù)邏輯分離。應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn)異常錯誤報(bào)告時,必須能夠提供詳細(xì)的異常信息。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所發(fā)生的錯誤應(yīng)該有明確的錯誤編號,并能在系統(tǒng)的相應(yīng)維護(hù)手冊中查到錯誤處理方法與步驟。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷加大時,仍需確保所需的服務(wù)質(zhì)量,而不應(yīng)更改整個系統(tǒng)的平臺,應(yīng)用系統(tǒng)必須支持各構(gòu)件的單獨(dú)升級。應(yīng)用軟件中的任一模塊更新、加載時,在不更新與上下模塊的接口的前提下,不影響業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)和服務(wù)。
系統(tǒng)以服務(wù)雄安新區(qū)綜合能源儀控平臺一體化服務(wù)市場運(yùn)營為基礎(chǔ),打造融合跨行業(yè)數(shù)字能源信息共享平臺、智慧高效能源公共服務(wù)平臺、綜合能源一體化運(yùn)營管理平臺三重功能的一體化平臺,實(shí)現(xiàn)信息共享、能源監(jiān)控、生產(chǎn)運(yùn)營、客戶服務(wù)、能源市場,實(shí)現(xiàn)城市能源(電、氣、熱、冷)綜合管理與綜合能源運(yùn)營全業(yè)務(wù)支撐(生產(chǎn)、調(diào)度、營銷),為政府、能源消費(fèi)者、能源運(yùn)營商、能源產(chǎn)品商等多元化用戶提供綜合能源信息化智慧服務(wù),為公司建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè),實(shí)現(xiàn)綜合能源運(yùn)營提供“一攬子”信息化支撐。
綜合能源建設(shè)涵蓋眾多基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源和平臺建設(shè),為保障綜合能源的安全平穩(wěn)運(yùn)行,保障其各類設(shè)施和數(shù)據(jù)的可用性和保密性,應(yīng)從物理安全、信息安全、社會安全三方面采取有效措施。同時,應(yīng)能支撐各類安全措施供需對接和下沉片區(qū)整體安全防范體系。
1)信息安全要求
要保證應(yīng)用系統(tǒng)的安全,防止其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障或其他安全風(fēng)險(xiǎn)。對于新建應(yīng)用系統(tǒng),要有嚴(yán)格的代碼審查措施來減少系統(tǒng)漏洞和安全隱患,應(yīng)用之間要降低可能互相影響的因素,保證應(yīng)用之間的隔離性。
2)物理安全要求
物聯(lián)感知系統(tǒng)各感知設(shè)備需要進(jìn)行安全保障,防止因設(shè)備丟失和物理性損壞。同時,對于終端運(yùn)行應(yīng)用的設(shè)備進(jìn)行信息認(rèn)證和物理防護(hù),防止通過物理手段非授權(quán)終端接入網(wǎng)絡(luò)或人為惡意入侵而造成數(shù)據(jù)泄露。
能源層面做好網(wǎng)絡(luò)及部分計(jì)算存儲設(shè)施的安全防護(hù)措施,做好各類設(shè)施物理空間的外部維護(hù)、權(quán)限管理,防止發(fā)生物理性損壞和非授權(quán)入侵。
3)社會安全要求
綜合能源涉及的相關(guān)業(yè)務(wù),例如工地、管廊、水務(wù)、市政、交通、公共服務(wù)等內(nèi)容,涉及到政府、供能單位、企業(yè)、居民等多方的服務(wù)與互動,存在產(chǎn)生社會矛盾、突發(fā)事件的可能性,建設(shè)過程中需通過制度與機(jī)制設(shè)計(jì),規(guī)避矛盾風(fēng)險(xiǎn),防止社會性突發(fā)事件的發(fā)生。涉及多方參與、多方利益的業(yè)務(wù)中,應(yīng)充分論證和調(diào)研各方需求、權(quán)利與義務(wù),明確權(quán)責(zé)邊界,做到有理可依,有規(guī)可查,充分考慮業(yè)務(wù)組織機(jī)制的設(shè)計(jì),防止出現(xiàn)侵害某方利益,造成社會損失、激發(fā)社會矛盾的發(fā)展。
通過信息化平臺,對能源內(nèi)各主體、各業(yè)務(wù)的輿情信息進(jìn)行全面的掌握,做到及時發(fā)展社會問題,及時形成干預(yù)辦法,及時進(jìn)行輿情反饋,防止激發(fā)負(fù)面輿情事件的發(fā)生。
綜合能源平臺各分平臺和系統(tǒng)牽涉到多種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的交叉,包括物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、能源微網(wǎng)、視頻專網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò),需要實(shí)現(xiàn)前端感控設(shè)施、后端平臺系統(tǒng)之間的安全連接,同時各個形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)邊界需要有效的訪問控制措施來保障核心節(jié)點(diǎn)的安全。對于系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù),要做好防泄露或脫敏措施,不被他人非法讀取其中的內(nèi)容。數(shù)據(jù)在傳輸過程中必須經(jīng)過安全的加密手段加密,防止被人非法截獲。為了保證數(shù)據(jù)的高可用性,防止數(shù)據(jù)因物理、系統(tǒng)故障或人為等因素而造成無法使用,須做好相應(yīng)的容災(zāi)備份措施。
能源互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今世界在能源領(lǐng)域中的一個新型發(fā)展方向,也是雄安新區(qū)建設(shè)“綠色低碳、安全高效、智慧友好、引領(lǐng)未來”的現(xiàn)代能源系統(tǒng)的重要途徑。以雄安新區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)為藍(lán)圖,開展以多能融合、開放共享和智能調(diào)控為特征,不同層次的市場主體靈活接入的一體化平臺功能、性能及安全性標(biāo)準(zhǔn)化研究,打造平臺標(biāo)準(zhǔn)化體系,為雄安新區(qū)的建設(shè)提供了重要的支撐作用。
以平臺的標(biāo)準(zhǔn)化研究為基礎(chǔ),梳理下一步雄安新區(qū)綜合能源儀控平臺設(shè)計(jì)的研究方向及技術(shù)規(guī)范涵蓋的內(nèi)容,以推動未來新區(qū)綜合能源平臺相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。