面向能源互联网的综合能源仪控平台一体化设计与研究

乔 克，吴 培，田传波，丁慧龙

（1.北京国电通网络技术有限公司，北京 100070；2.中国雄安集团基础建设有限公司，河北 雄安新区 071700；3.国网雄安思极数字科技有限公司，河北 雄安新区 071701）

0 引言

目前，综合能源服务业务在能源范围内成为新发展的一个业务，具有客户需求多、项目点广、技术类别复杂、服务模式多元化等特点[1]，涵盖能源仪控平台规划设计、工程投资建设、多能源运营服务，以及投资服务等环节，各环节设计规范不统一，应用的平台功能不规范。

最近几年，综合能源系统飞快发展，其中该系统在工业领域中成为主流。2000年国外率先开展了相关研究。美国、欧洲、日本研究机构提出相关的研究计划，并就示范项目的建设，研发相关综合能源管理平台[2-5]。国内研究从2010年左右开始，以相关科技项目配套工程为主，商业化推广建设刚开始起步，相关能源仪控建设工作推进缓慢[6]。从国际来看，与综合能源服务相关的标准可以参照ISO、IEC和ITU-T来执行。其中，ISO更倾向于管理方法的标准，能源管理体系标准ISO 50001在能源领域闻名于世，并于2011年6月15日发布，在2018年8月21日做了最新修订[7]。IEC的技术导向更为明确，并且成立了智慧能源的专门委员会，由IEC中央办公室直接负责[8]。IEC于2017年发布了智能微网标准化路线图。2018年能源局颁布的《2018年能源领域拟立项行业标准计划项目》中，涉及综合能源系统的1项，涉及能源互联网的4项，并无直接针对综合能源仪控设计制订计划[9]。按照相关的筹建方案，能源行业综合能源服务技术委员会的管理机构为中国电力企业联合会[10]，在综合能源的供应、技术装备、运营等领域，开展能源仪控设计工作。机构的成立，有望成为综合能源服务系统化的第一步。

依托雄安新区“绿色智慧新城、数字孪生城市”的发展目标，围绕雄安新区高起点规划、高质量建设要求，加大对能源互联网关键技术及系统平台的深入研究及能源仪控体系建设开发，支撑当地绿色低碳、信息智能现代化城市建设，为推动中国能源转型、助力深化改革提供强力支撑。本文结合当地的用能特点，对当前雄安新区的现状进行分析，梳理了综合能源业务设计思路，并结合能源仪控平台一体化业务的需求，提出系统功能、性能，及安全性的设计。

1 综合能源仪控平台总体需求及设计

1.1 需求内容分析

目前，国家层面的综合能源仪控设计体系尚未建成，通过综合分析容东综合能源涉及的技术、应用全生命周期建设需求，考虑雄安容东片区的规划和需求，综合能源仪控平台规范主要是针对综合能源平台建设中的能源基础设施智能化、能源数据服务、综合能源平台建设、服务与业务等过程进行的规范化约束。综合能源仪控平台设计体系由总体概述、能源仪控平台存储系列设计、测试评价等3部分构成，其综合能源仪控平台设计体系如图1所示。

图1 综合能源仪控平台设计体系Fig.1 Integrated energy instrument and control platform design system

其中，总体概述从宏观的角度构建能源互联网的仪控系统（如图2所示），提出能源互联网的总体要求，给出术语以及用例，介绍整个标准的范围、业务功能、需求、架构、运行环境、安全性要求等内容。测试评价能源互联网设备级系统检验标准为基础保障类标准，构建完善的监测方法和评价体系，充分遵循已有国际、国家信息安全相关标准，参考行业综合能源相关标准。区域能源系统承担城市能源供应的基础保障功能，满足外部输入能源及本地大型清洁供能设施的接入需求。能源系统注重安全性、可靠性、稳定性，具备事故情况下，保障城市能源系统不瘫痪与快速恢复的能力。

图2 能源互联网仪控系统Fig.2 Energy internet instrument control system

能源的转换共享和互联互通是能源互联网的核心，能源域作为核心内容被描述在中心位置。标准体系重点描述了能源转换类、能源存储类和新能源传输类标准，需要根据当前的能源利用和转换效率制定该域内的标准。

1.2 能源仪控平台总体设计

根据雄安新区“绿色智慧新城、数字孪生城市”的发展目标，提出高起点规划、高质量的建设要求，大力发展能源互联网关键技术及系统平台的深入研究及开发，以能源仪控平台设计体系研究为基础，雄安综合能源仪控平台一体化作为智慧能源体系应用层的重要环节（如图3所示），开展平台功能、性能、安全性研究十分必要。

图3 综合能源互联网一体化Fig.3 Integrated energy internet integration

因此，以打造涵盖数据采集、数据存储、大数据分析、能源调度决策、金融交易等功能的一体化调控、运维和服务平台，实现能源互联网的可视化与可控化，对系统功能、性能、安全性的需求进行研究，并提出相关技术规范要求，为未来发展能源仪控平台一体化技术奠定基础。

2 面向雄安新区综合能源一体化平台设计

2.1 系统功能需求分析

2.1.1 能源感知需求分析

电力的能源感知层，按照源—网—荷—储的能源特性进行划分。其中，“源”由电力主网、分布式光伏等两部分构成，由此来采集电网的状态信息。“网”由配用电系统、管廊电力舱构成，主要采集配用电网和传输线路相关的信息数据。“荷”由充电设施、智能家居、智能楼宇系统构成，采集精细化用电数据，以及相关设备状态数据。“储”是储能系统，主要采集电池、逆变器等系统参数。其规划如图4所示。

图4 源网荷储协调规划图Fig.4 Coordinated planning diagram of load and storage in source

感知的其他需求方面，主要是以下两方面：一是区域、街区、用户能源站的安全管理需求，涉及到视频监测和燃气浓度监测等；二是能源站各重点设备及系统的工况信息的采集，包括三联供、地源热泵、光热系统等。

2.1.2 综合服务需求分析

对容东片区家庭能源、楼宇能耗、储能情况进行实时监控及数据分析，提供家庭、楼宇能耗查询及报警功能，为用户提供便捷的用能方式，同时通过能耗及储能数据分析，制定最优化电和热调峰方案。容东片区作为雄安新区规划的5组团容城的先行区域，需按照雄安新区整体建设要求开展综合能源光储微网系统建设（如图5所示）。为推进智能容东的建设，率先开展智能城市顶层设计和专项设计，确定建设蓝图和实施计划与总体框架，并指导容东片区共性平台建设及制定。

图5 综合能源光储微网系统Fig.5 Integrated energy optical storage microgrid system

建立快速、便捷、智能化的服务业务办理流程，由此为容东区域的发展带来便利。

2.1.3 能源市场需求分析

通过多表合一采集容东片区用户用能数据，提供客户用能情况查询功能，并根据用能数据分析，智能化制定用能套餐，对用能套餐销量进行分析排名，优化用能套餐，提供便捷客户计量缴费方式，提高能源供应效益。建立碳资产管理平台，规范容东片区碳交易市场。

用户方面，结合用能数据分析，分析容东片区产能成本，为能源生产提供降本方案，实现用户购能自动化结算功能。能源生产商方面，实现采购、生产、售后统一分类管理，实现能源生产标准化管理制度，降低能源生产管理成本。

2.2 系统功能优化设计

系统业务范围应包括：实现多种应用和服务场景下，能源系统互联互通的开放接口、网络协议和应用支撑平台，支持多种形式的供能与用能设备的快速、便捷接入，实现综合能源的总体优化与客户侧能源系统的快速响应与精确控制，支撑综合能源服务联合运营，包括联合运行、联合调控、联合账单，挖掘能源数据价值，提供“能源+”块数据服务。平台应具有的基础功能如下：

实现综合能源全方位、全过程的数字化建设，统一技术架构、数据规范，构建信息共享中心，促进数据流转与共享，进而达到资源共享的目的。其能源分析和指标体系如图6所示。

图6 能源分析和指标体系Fig.6 Energy analysis and indicator system

支持电、热、冷、气、水等多种能源形式的综合能量管理与调度，通过日前机组组合、日中经济调度，实时调节组成系统的多时间尺度调度，提升综合能效和能源管理水平。

构建能量交易电子商务平台，实现热（冷）电气多种能源灵活交易，并提供灵活用能、辅助服务、能效管理、节能服务差异化的能源商品，支持终端用户灵活自主参与市场。

3 仪控平台性能一体化设计研究

3.1 硬件环境性能设计

1）感控设施的质量应达到国际认证标准。

2）感控设施的施工与运行条件应统一。

3）感控设施应具备故障自预警、自处理功能。

3.2 通信网络性能指标

应具备高可靠性、高可用性。网络设计能有效地避免单点故障，在设备的选择和关键设备的互联时，应提供充分的关键设备冗余、重要业务模块冗余和链路冗余，网络应当达到电信级可靠性。

对网络通信基本需求如下：

1）满足区域、街道和用户三级相关职能单位的互联互通和信息共享的需求。

2）满足信息化系统内大数据量信息传输、交换的需求。

3）满足网络传输可靠性的要求。

4）满足数据传输网络畅通、快捷、安全、可扩展。

5）提供可靠的线路和网络设备的保障，能支持线路和主要交换机的冗余。

另外，还需要满足监控设备接入的需求，需要满足传感设备与物联感知系统的数据正常、可靠传输。

3.3 平台性能要求

3.3.1 系统响应要求

1）满足高峰期同时在线1000人左右的访问需求，系统每个一级功能模块最长响应时长不能超过5 s，当系统进行多用户并发操作时，应满足表1要求。

表1 高峰期系统功能模块响应时长Table 1 Response time of system function module in peak period

2）满足系统7×24 h业务无间断，稳定可靠运行。

3）系统能够在系统前台提高对非法输入、特殊字符的容错能力，避免非法用户对系统用户进行密码暴力破解。

4）CPU可用率＜30%，内存使用率＜50%。

5）系统应满足易理解、易分析、易配置、易修改、易测试的要求。

6）系统从用户体验维度出发，满足页面布局合理，通用操作规范，出错处理、反馈与提示人性化等要求。

3.3.2 可靠性指标

1）系统年可用率≥99.99%。

2）系统连续运行要求：7×24 h。

3）系统故障恢复时间（MTTR）≤30 min。

4）平均故障间隔时间（MTBF）≥5000 h。

5）事件产生的平均时间间隔(MTBSI)= MTTR+MTBF≥5000 h。

3.3.3 可维护性

平台的可维护性需求包括以下几方面：应用系统应该采用构件化设计思想，系统框架与业务逻辑分离。应用系统出现异常错误报告时，必须能够提供详细的异常信息。系统在运行过程中所发生的错误应该有明确的错误编号，并能在系统的相应维护手册中查到错误处理方法与步骤。当系统负荷加大时，仍需确保所需的服务质量，而不应更改整个系统的平台，应用系统必须支持各构件的单独升级。应用软件中的任一模块更新、加载时，在不更新与上下模块的接口的前提下，不影响业务运转和服务。

系统以服务雄安新区综合能源仪控平台一体化服务市场运营为基础，打造融合跨行业数字能源信息共享平台、智慧高效能源公共服务平台、综合能源一体化运营管理平台三重功能的一体化平台，实现信息共享、能源监控、生产运营、客户服务、能源市场，实现城市能源（电、气、热、冷）综合管理与综合能源运营全业务支撑（生产、调度、营销），为政府、能源消费者、能源运营商、能源产品商等多元化用户提供综合能源信息化智慧服务，为公司建设能源互联网企业，实现综合能源运营提供“一揽子”信息化支撑。

3.4 安全性设计研究

综合能源建设涵盖众多基础设施、数据资源和平台建设，为保障综合能源的安全平稳运行，保障其各类设施和数据的可用性和保密性，应从物理安全、信息安全、社会安全三方面采取有效措施。同时，应能支撑各类安全措施供需对接和下沉片区整体安全防范体系。

1）信息安全要求

要保证应用系统的安全，防止其在运行过程中出现故障或其他安全风险。对于新建应用系统，要有严格的代码审查措施来减少系统漏洞和安全隐患，应用之间要降低可能互相影响的因素，保证应用之间的隔离性。

2）物理安全要求

物联感知系统各感知设备需要进行安全保障，防止因设备丢失和物理性损坏。同时，对于终端运行应用的设备进行信息认证和物理防护，防止通过物理手段非授权终端接入网络或人为恶意入侵而造成数据泄露。

能源层面做好网络及部分计算存储设施的安全防护措施，做好各类设施物理空间的外部维护、权限管理，防止发生物理性损坏和非授权入侵。

3）社会安全要求

综合能源涉及的相关业务，例如工地、管廊、水务、市政、交通、公共服务等内容，涉及到政府、供能单位、企业、居民等多方的服务与互动，存在产生社会矛盾、突发事件的可能性，建设过程中需通过制度与机制设计，规避矛盾风险，防止社会性突发事件的发生。涉及多方参与、多方利益的业务中，应充分论证和调研各方需求、权利与义务，明确权责边界，做到有理可依，有规可查，充分考虑业务组织机制的设计，防止出现侵害某方利益，造成社会损失、激发社会矛盾的发展。

通过信息化平台，对能源内各主体、各业务的舆情信息进行全面的掌握，做到及时发展社会问题，及时形成干预办法，及时进行舆情反馈，防止激发负面舆情事件的发生。

综合能源平台各分平台和系统牵涉到多种网络形态的交叉，包括物联网、互联网、能源微网、视频专网等网络，需要实现前端感控设施、后端平台系统之间的安全连接，同时各个形态的网络边界需要有效的访问控制措施来保障核心节点的安全。对于系统内的数据，要做好防泄露或脱敏措施，不被他人非法读取其中的内容。数据在传输过程中必须经过安全的加密手段加密，防止被人非法截获。为了保证数据的高可用性，防止数据因物理、系统故障或人为等因素而造成无法使用，须做好相应的容灾备份措施。

4 总结

能源互联网是当今世界在能源领域中的一个新型发展方向，也是雄安新区建设“绿色低碳、安全高效、智慧友好、引领未来”的现代能源系统的重要途径。以雄安新区能源互联网为蓝图，开展以多能融合、开放共享和智能调控为特征，不同层次的市场主体灵活接入的一体化平台功能、性能及安全性标准化研究，打造平台标准化体系，为雄安新区的建设提供了重要的支撑作用。

以平台的标准化研究为基础，梳理下一步雄安新区综合能源仪控平台设计的研究方向及技术规范涵盖的内容，以推动未来新区综合能源平台相关产业的发展。