智慧能源关键信息技术研究

2022-06-23中国石化集团胜利石油管理局有限公司电力分公司

电力设备管理 2022年9期

中国石化集团胜利石油管理局有限公司电力分公司张利

1 概述

2019年中央政治局会议和中央经济工作会议再次指出[1]，加快推进以信息网络为核心的新型基础设施建设，加强战略性、网络型基础设施建设。2020年2月中央政治局会议强调加快5G 网络、工业互联网的建设。2020年3月政治局常务委员会会议进一步强调，加快5G 网络、数据中心等新型基础设施建设进度。

智慧能源就是充分利用通讯（5G）、自动化（采集、控制、分析、人工智能）等ICT 技术和新绿色能源（太阳能、地热、风能等），在能源的开发利用、控制管理、消费等环节，以符合生态文明建设和可持续发展要求，建立并完善能源技术和制度体系，从而呈现出的一种全新能源形式[2]。智慧能源项目建设的高度和直接效益取决于新绿色能源的占比率和管理水平。

基于经济效益的角度。一是提升油田企业劳动生产率和劳动效益[3]。可以减少能源运行管理中人员投入，节约人力成本，同时提高劳动生产率和效率；二是合理优化能源结构。智慧能源建设中采用分层优化、加强内部调度等手段，提高有限能源的科学合理利用率，满足生产需求；三是提升自动化水平。利用5G、大数据、云计算等新一代信息技术，大幅缩短油田信息数据采集时间，提高数据分析效率，提高管理层的有效决策水平[4]。

基于社会效益的角度。一是多层绿色能源应用。大力开发太阳能、水能、风能、地热能等绿色能源，促进胜利油田能源生产从化石能源主导向绿色能源主导的转变，走上绿色低碳发展道路；二是实现油田可持续发展。发挥大数据资源优化配置的关键作用，减少油田采油生产日常损耗，实现油田能源大范围配置和高效利用。

2 研究内容

图1 研究内容

2.1 技术发展及产业支持

各种基础技术和跨界技术的突破，促进了智慧能源的快速发展。诸如储能新材料、微电网、能量路由器等基础技术，还有分布式应用后台、人工智能、物联网、大数据等跨界技术。梳理相关技术产业主要环节和代表企业，分析产业发展对技术的支撑作用。

通讯产业发展。借助移动、联通、电信三大运营商5G 通讯网建设，缩短现场终端设备数据采集、控制时间，实现油田电网毫秒级精准负荷控制，满足紧急情况下的应急处理要求，保障油田安全生产运行。

绿色新能源产业发展。胜利油田新能源开发中心开展的绿色能源行动，是以太阳能发电、风能发电等清洁能源代替高污染、高能耗的传统能源，实现节能降碳的目标。

自动化产业发展。与国内主流自动化企业深入合作，运用日新月异的自动化新技术、新设备，不断提升油田生产效率，降低生产成本。

2.2 面向智慧能源的新一代信息技术视图

根据关键技术特点和产业支撑情况，构建面向智慧能源的新一代信息技术视图。整个智慧能源体系架构的核心包括搭建基础物理架构、部署智能终端、开发系统应用后台，而系统的ICT 架构可以实现低成本、快速、高效、弹性地部署业务。

网络构架。智慧能源采用分布式、经济型、混合型的网络架构设计方案。

终端节点。智慧能源紧抓需求侧管理，利用可控的变配电设备和灵活的线路拓扑保障稳定供电，依靠大数据分析，精准预测用户负荷和用能习惯，优化整个系统合理高效运营。

后台应用。智慧能源一般多应用在区域性的小型网络中，其管理模式可采用灵活的分布式和集中式相结合的混合管理模式，后台的高级应用中多注重统一平台的数据共享和多业务协调。

3 面向智慧能源的新一代信息关键技术应用

3.1 智慧能源应用场景

以单条供电线路和供电区域为电能监测管理模型和数据进行研究分析的单元，包括新能源应用可靠性分析，利润节能经济性分析、相关管理数据分析、建立合理的数据管理模型采集数据与传统数据区别研究分析。选择具有自发电、网电、绿电共有的供电区域，在该区域具有相对独立的区域电力调度，便于数据的分析和模型的建立，从供电可靠性、用电经济性对模型数据进行全面采集，建立更加科学的数据采集分析模型，将参数对可靠性、经济性的影响程度进行分类，为智慧能源管理优化提供支持。就智慧能源技术的具体应用情况，展开了以下深度介绍：

一是利用区块链技术。在支持高比例洁净能源的顺利吸收到方面，利用区块链技术可以支持多元主体之间点对点、即时、自由微平衡交换，从而促进高洁净能源的商业模式创新发展，从而提升高比例的洁净能源消纳；在开展综合能源服务的产业领域中，借助“多链”信息技术运用可实现综合能源体系中各市场主体的可信协调自治，实现市场主体的大数据公开、可信交互，确保了综合能源业务的可追溯性与安全有效性，增强企业客户进入综合能源领域的便捷性。

二是利用大数据技术。在系统的安全与稳健运营方面，借助统计分析、数字模型构建助力实现综合能源网络的实时预警、信息监控、故障报警与检测，为异质能调度、交易和需求做出响应；提高消费端能效，在大数据聚类、性能分析等技术方面，实现对用户负载特征的精准感知，为制定和全面完善消费者侧动态优化方案提供数据支撑。用户侧的能源效率；源网荷和存储之间的能量流、业务流和信息流，揭示多对象交互的“三流”机制，促进源网荷和存储的联合优化，提高异质能网络效率的可靠性。

三是云平台技术。在先进的能源服务管理方面，云平台可以存储和管理用户身份、能耗数据等信息，支持应用、部门和系统之间的信息交换、共享和协同，实现终端能源大数据标准化。在智能监控方面，依托云平台开放、全面的技术特性，可促进多主体、多设备的广泛接入，实现实时动态监控、远程控制和远程建立多终端支持体系。

在智慧能源服务平台运营能力成熟度中，我们将技术运营成熟度划分为项目型、产品型、平台型和生态型等四个不同发展阶段[5]。智慧能源服务平台的技术运营是一个从项目型、产品型到平台型不断发展，能力沉淀机制逐步建立的过程，同时也是一个从封闭、半封闭的自开发向全开放的生态型应用创新发展的过程。

项目型：在项目型阶段，采控运营、增值运营、数据运营和生态运营各业务的产品或应用功能都是根据项目进行单独的定制化设计与开发。例如在楼宇用能增值运营的项目型阶段，对于两个同样是公共建筑的用能托管项目，可能因为两个建筑内综合能源系统构成不同、用能需求不同或者托管方式不同等综合因素，还无法就数理模型、运行控制或应用功能等方面进行归纳、抽象，两个项目的应用系统只能分别开发实现。因此，受制于业务和技术积累有限，在项目型发展阶段是以项目为中心，根据单个项目的需要来开发系统应用功能。

产品型：经过项目型阶段的技术和业务经验积累，对于一些诸如市场化售电、需求响应、智能运维等业务相对稳定、模式固定的业务，应用功能、技术方案和框架趋于稳定，为改变项目型应用开发复用性问题，需要向产品型应用开发转变。通过产品化，同类项目的工程实施就可以由项目实施转变为产品实施，质量管理也由项目质量转变为产品质量控制，从而大大降低综合能源服务项目实施效率和成本。

平台型：智慧能源服务的平台型发展是以用户为中心，在内部建立起业务和技术能力不断沉淀、产品/服务可以快速融合创新的、以技术驱动的业务创新体系。构建统一的物联和数据接入平台，为平台上的各个产品提供统一的数据和网络安全；建立产品间的客户信息、账户管理、订单管理、结算管理等公共服务体系。

生态型：生态型发展是将平台的物联接入、数据资源、核心技术、公共服务体系等平台能力和资源，通过应用商店服务、开源社区服务、模型算法服务等方式对外开放，吸引能源服务商、专业技术服务商或者第三方开发者等生态合作伙伴入驻，依托平台公共服务能力可以快速创建自己的应用，并可以通过应用商城向其他伙伴分享自己开发的应用。

3.2 应用成熟度

系统主要由三部分组成，分别为数据采集网络、数据传输网络、系统能效管理软件。系统具备强大的历史能耗数据储存、分析和追溯的能力，企业能耗管理和生产人员根据不同需求设置工作点参数，从而生成各类能耗数据报表和数据曲线，如单设备能耗、生产线能耗、单班组能耗等，对能耗数据进行量化分析、趋势对比等处理，从而发掘出能源消耗结构和过程中的深层次问题，对企业能耗结构的优化、改进提供数据支撑。

3.3 面向智慧能源的新一代信息应用视图

智慧能源系统网络架构由互联网和能源网组成，能源网提供基础供能服务，互联网结合ICT 技术提供对服务价值二次发掘服务。智慧能源技术架构由物理层、网络信息层、应用服务层和效益价值层组成，其中采用ICT 和5G 等互联网技术作为沟通物理层和网络信息层的桥梁，其中采用现代自动化调控技术和区块链等新技术作为沟通网络信息层和服务应用层的桥梁。整个系统架构实现自底向上的能量、数据、价值的联动[6]。

物理构架层。根据现有网架结构的实际情况、负荷密度、路径条件以及政策处理因素等合理规划，在网架结构上充分考虑事故情况下的故障隔离、负荷转供需求。

网络信息层。信息支持系统的建设，重点在于物理节点上智能设备的部署。例如在电力网络建设中，内容不仅包含如RTU、DTU、FPU 和保护测控装置等传统二次设备，还包含部署于馈线和终端配变上的各类监控、传感装置，以及布置于用户侧的精准计量装置。

服务应用层。其建设包括两层含义，“服务”是实现目标、“应用”是支撑手段。应用层面的建设重点是通过对供区内设备的控制实现故障检修状况下运行方式的调整，通过精准预测供区的负荷赢得能源市场交易的先机，通过大数据分析实现供需资源优化配置和能效最大化。服务层面的建设重点是对用户端的金融属性和价值的进一步发掘，并提供定制化服务。

价值效益层。建立智慧能源的最终目的是提高能源的可靠性、经济性；实现多种能源在油田生产中分配达到最佳状态。实现能源管理过程中数据的全面采集提升能源管理水平，实现电网管理效率的提高，减少用工量，为油田生产提供可靠、经济、高效的能源管理模式，减低原油生产的单位成本。