燃气分布式能源智能监测及运维管理平台设计

徐 明张建敏谭志雄

1.上海齐耀动力技术有限公司

2.海南民生管道燃气有限公司

0 概述

燃气分布式能源系统，具有能效高、经济效益好，清洁环保，保障能源供应安全性和可靠性等优点，近年来在我国迅速发展。由于涉及冷、热、电不同形式能源生产和设备运行管理，对于大多数用户，不具备运维管理能力，因此需要专业的技术平台提供服务指导。对于政府而言，对分散的项目如何进行有效监管，开展节能效果评价、运行情况后评估和补贴发放，缺乏有效的第三方的数据支撑。因此，建立开放的燃气分布式能源智能监测及运维管理平台是必要的。

2015年，上海齐耀动力技术有限公司“燃气分布式能源智能监测及运维管理平台”获得上海市发改委服务业发展引导资金计划立项支持。在项目实施过程中，该平台逐步扩大到包括生物质或湿垃圾沼气热电联产、垃圾填埋气利用等其他燃气分布式能源系统。本文介绍了该平台的设计，结合投运效果评估，提出了燃气分布式能源数字化运维管理的建议。

1 平台构成

燃气分布式能源智能监测及运维管理平台，由智能监测平台、数据统计分析平台两部分组成，具体内容如下：

1）智能监测平台

智能监测平台，采集项目现场数据，并传输至平台，在能效监测的基础上，以分析统计为手段，通过优化计算，提供最佳的运行控制方案。主要包括：

a.数据采集层

以底层传感器、变送器、执行器等电气设备为基础，通过通信或模拟量传输的方式进行数据的收集，实现环境监测、设备运行状态监测、能耗监测，远程抄表等各项基础功能。其采集的精度和频率符合国家及地方的相关标准。同时满足多种通信要求，具备丰富的接口和协议转换功能，包括总线接口，以太网接口等。

b.管理监控层

建立现场服务器平台，对收集的数据进行归类整理计算，给出实时的能效和能耗分析结果，并对比历史数据，供用户决策参考。在收集数据的基础上，监测平台依据现场系统参数，了解设备的启停时间和使用规律，根据已有的优化计算方法，挖掘节能潜力和重点。

c.运行指导层

在管理监控层的基础上，按照优化计算后的结果，确定优化运行模式，自动给出优化运行方案建议，最优化项目能效与经济效益。

d.远程通信层

将项目数据远传至数据统计分析平台。其远传方式包括有线和无线两种方式，充分利用现在先进的互联网技术，实现数据共享和远程监控。

e.模块化设计

平台具有良好的可扩展性，采用模块化设计，适应项目规模的变化进行设备的增减。

2）数据统计分析平台

平台具备大容量分布式供能项目运行数据存储功能，通过对各个项目历史数据分析，再对比项目运行情况，给出某个项目最佳运行模式的功能。该平台有助于用户通过对已有的建设项目的运行结果进行比选，得到最佳的设计、建设及运行方案，有助于未来新规划项目的方案决策。

a.基于SQL数据库，建立数据库服务器，储存海量数据，实现历史数据的实时查询和记录。

b.通过MATLAB和LABVIEW，建立仿真计算平台，利用项目已有运行数据，实现优化计算和模拟仿真运行工况，给出最佳运行模式的结果。

c.基于MATLAB的数据分析平台，通过数据分析，给出各项目的运行工况，并进行类比，包括用热，用冷，用电，运行小时数等数据，提供项目能效分析。

d.积累项目的数据参数，作为项目规划、设计、建设或运行方案的决策参考，为未来项目的建设运行方案提供咨询建议，提高项目规划成功率。

燃气分布式能源智能监测及运维管理平台基本构架见图1。

图1 燃气分布式能源智能监测及运维管理平台基本构架

2 平台主要功能

平台共分为四大功能模块：实时监测，运营管理，移动终端和数据分析，其中，实时监测，运营管理和移动终端属于基本功能，数据分析属于高级功能。

1）基本功能

a.实时监测

包括区位地图、数据监测、三维动态展示、在线记录与计量、报警与故障记录五大功能。

区位地图，以地图的方式显示辖区内的所有被监控站点的基本信息和隶属管理信息，并通过点击图标进入各个站点，显示各个站点的详细信息。

数据监测功能对站点当前的运行参数进行监测，并实时在平台显示。主要对站点设备、系统等运行状态进行实时监测，通过远程实时监测，运维人员可以通过平台数据展示全面、直观地了解分布式能源站运行情况，及时、准确地掌握各种信息。

每个系统都根据系统要求，以MIMIC图的方式显示。实时监测功能界面见图2。

图2 实时监测功能界面

在线记录与计量功能将监测的运行参数进行记录与计量，并以曲线和柱状图等多种形式进行呈现。

平台读取设备报警及故障代码，当设备出现报警或故障时，平台向用户推送报警与故障的实时信息，并能对信息进行记录。

系统中包含的报警测点，当出现报警或故障时，能对信息进行显示。

b.运维管理

运维管理功能模块包括运行策略、权限管理、设备资产管理、计量表具管理、备品备件管理、运行管理报表、值班及HSE管理、售能系统、智能微网九大功能。

运行策略功能植入分布式能源站设计的运行策略，为运行管理人员提供支持。

权限管理功能可设置不同角色，并根据角色的不同关注点，授予不同的权限，并根据不同角色分配查看功能。此外，还可设置访客权限，根据访客的不同关注点，来匹配不同页面的查看权限。

设备资产管理功能记录设备主要信息，包括设备分类、设备名称、设备资产价值、主要参数、状态、数量、型号规格、购买时间、厂家及售后电话等。此外，该功能还可根据运行时间、维护保养周期自动提醒用户是否需进行保养，并对维修维护等信息进行记录。该功能还能出具自用电功率表。同时可以对设备列表进行查询、新增、更新、删除的操作。

“设备清单”的页面中显示已有设备的详细列表，可以通过搜索关键字来查询设备，可以对已有设备信息更新，可以删除已有设备。

按照《上海市天然气分布式供能系统后评估实施细则（暂行）》中的相关规定，计量表具管理功能对计量表具的以下指标进行记录并管理：设备名称、规格、安装时间、精度、安装位置、检测单位、检测有效日期、测量数据和测量数据含义描述等。此外，还对价格、数量、出库时间和入库时间进行记录并管理，并且对计量器具的检测计划进行提醒。

备品备件管理功能记录备品备件主要信息，包括设备名称、编号、数量、总数量、入库时间、服务编号、更换小时数、申请记录。同时可以对备品备件列表进行查询、新增、更新、删除的操作。“备品备件清单”的页面中显示已有备品备件的详细列表，可以通过搜索关键字来查询备品备件，可以对已有备品备件信息更新，可以删除已有备品备件。

运行管理报表，根据用户的要求自定义运行报表的周期及内容，比如运行时间，年利用小时数，发电量，市政供电量，供热量，供冷量，耗气量，自用电量等。实现对项目的运行数据的汇总与统计。

值班及HSE管理功能可根据分布式能源站的定员情况，对生产人员和管理人员进行日常运营管理（日志管理、交接班管理、排班表管理），并融入HSE管理体系，对生产人员和管理人员的职业健康安全与环境加以管理。该功能模块集成了在线一键开机、关机、紧急停车功能。

2）高级功能

a.能效分析与报表

对分布式能源站的能耗、设备效率、系统效率、输送效率、发电小时数等重要数据对比、分析、展示、输出。此功能按照《上海市天然气分布式供能系统后评估实施细则（暂行）》中的计算方法，来衡量分布式能源系统利用燃气发电机及发电后余热有效利用情况，并对系统各环节的能效情况进行对比分析，找出影响系统能效的关键点，进而提出改进建议。该功能还能出具分布式供能系统完整年度数据记录表和全年各月份负荷数据记录表。

b.节能减排分析与报表

实现分布式能源站节能情况分析，还可作为补贴依据。此功能按照《上海市天然气分布式供能系统后评估实施细则（暂行）》中的计算方法，以常规分供系统为基准，分析相比与常规分供系统取得同等供电、供热和供冷的情况下，减少的碳排放和污染物排放量。

c.故障分析与诊断

故障分析与诊断功能能够随着故障数据的积累和研究的深入逐步丰富，通过对异常数据的分析，预判可能发生的故障点，提示维修或更换相关设备，避免重大损失，提高系统利用率。

3 平台关键技术

基于MATLAB，SQL和数据分析模型，实现典型工艺的运行情况分析，推荐最佳运行方案。

开发通用、智能化的通信网管，将由各种串行接口、网络接口以及各种通信协议构成的通信设备，纳入统一的智能监测平台，并与通信运营商兼容，实现分布式能源系统用户端和智能监控中心的互联互通，实现数据共享，为相关数据的深度挖掘和优化分析奠定基础。

通过多样化数据冗余技术、加密技术和网络安全技术，确保现场采集数据的完整、准确、安全和可靠，以保证后续数据挖掘、分析的准确性和可靠性。

历史数据库管理系统套件采用自主开发的套件，针对并发大数据存储和管理进行优化设置，兼容OPC、DDE、Modbus、TCP等通信协议，与常用组态软件、通信软件具备良好的兼容性，可高速实现上千万数据的并发存取。系统存储无点数限制，可满足分布式能源监测系统历史数据存储管理和分析服务。

4 运行效果

该平台克服了能源站现场条件差、技术复杂难度大等困难，针对试用期间反映的信号不稳定、界面不统一、功能不完善等问题进行系统升级改版。截至2020年底，陆续有上海中心大厦燃气分布式能源系统、成都长岛度假酒店燃气分布式能源系统、深圳下坪垃圾填埋气发电系统等多个项目接入平台。

平台投运以来，迅速积累了大量的运维数据，依托于云平台和相关数据，运行管理人员能够通过平台远程实时分析运行状态，评估燃气发电机组设备状态，指导客户实施更加精准的预防性维护维修，在平台的大数据支撑下，深圳下坪垃圾填埋气发电项目创造年运行8 500 h的最高纪录，接入平台的项目全部实现了100%系统可利用率。通过云平台，用户现场不需要配备运行值守人员，通过在线巡检可以判断评估记录设备状态，实现了现场无人值守。

通过平台的实施，建立了数字化运维管理数据采集、数据存储管理和分析等企业标准，初步建立了燃气分布式能源数字化运维管理能力。对于我国燃气分布式能源行业数字化运维管理及运维管理标准的建设，提供了重要的参考和数据。

5 数字化运维管理建议

燃气分布式能源系统不同于普通的建筑物能源供应系统，是因为其具有节能型、减排性、效益性而投入建设的，其运行效果，特别是发电效率、一次能源综合利用率、年运行小时数等关键运行指标的优劣，决定了项目能否达成计划效益目标。

我国在发电厂、公共建筑能耗等基本建立了运行状态远程监测系统和数据采集标准、数据分类及表示方法等标准规范，促进了行业管理规范化[1]。燃气分布式能源系统维护频繁、工作量大，投入产出比高，通过智能监测和运维管理平台能够有效地管理设备状态，提高系统可利用率，实现现场无人值守，提高系统的投运效益。国内有必要建立相应的标准规范。

燃气发电机组作为分布式能源系统核心设备，大多本体自带故障报警和数据传输模块，但是由于各厂家数据采集范围和标准不统一，发电机组运行数据很难统一，并且其设备状态判断、故障诊断等严重依赖于制造工厂的设计和技术，用户一般出于商业秘密的考虑不愿接入制造厂家的数据平台，造成燃气发电机组的状态判断、故障诊断等需要用户积累丰富的经验后才能建立分析逻辑[2]。一般而言，燃气发电机组结构特点和故障逻辑具有一定的相似性，建议行业制造厂家尽快出台相关的导则或标准，尽快提高国内数字化运维水平。

在我国碳达峰和碳中和的战略布局下，燃气分布式能源，特别是沼气分布式能源系统碳减排效果好，用户对核算交易具有极高的热情，燃气分布式能源智能监测和运维管理平台能够实现碳减排的快速和精准核算，可以大幅提高核算效率，如何通过区块链技术构建管理平台和碳核算、交易的数字化系统，是值得深入研究的课题。