智慧用能系统关键技术研究与应用

陶俊 章兵

（安徽继远软件有限公司，安徽合肥 230088）

0.引言

随着当前社会的不断发展，电力作为保障国家经济稳定运行的命脉，其配送电质量的好坏直接关系到经济的发展。同时，随着电力市场改革的不断推进，提升电力企业的服务质量，保障电力的输送水平，是当前国家电网公司改革的一个重点，也是难点。配电站作为配电网的重要环节，是配电网的主要运行信息监测者和调度控制执行者。随着配电网规模的不断扩大，使得配电站采集的数据和实现的控制功能也越来越丰富，迫切需要一个智能数据处理分析系统，具备强大的数据业务能力，提高配电系统信息共享和调度运维效益优化。目前，集成技术、物联网技术、传感器技术和网络通信技术日渐成熟，为传统配电站的智能化升级提供了强有力的技术支撑。对于计划通过长期持有配电房的用电企业来说，必须通过高效的运维管理方案来保障设备安全性，在企业降低运维成本，提高配电站房的安全和经济运行水平，以适应现代化管理的要求[1]。

1.配电网监测技术现状

通过对配电网系统的研究现状进行分析得出，当前配电站技术支持系统的研究仍然存在一些问题，主要体现在：（1）当前，配电网监测主要集中在高中压领域，对低压用户及企业用户的研究相对较少，随着低压电网中分布式能源的快速增长和渗透，低压配电网需管理的设备种类及数量越来越多，实时监测扩展到低压电网将成为研究热点；（2）配电站仍采用传统监测方式，数据采集类型少，且传输时延高，监测手段单一，缺乏配电站信息的全面感知手段，物联网技术的应用研究较少，尚未建立统一的配电站运行管控体系；（3）配电站技术支持系统的研究不够全面，无法满足配电设备全面感知、大数据应用分析和用户多样化用能服务的需求，同时获取的电力数据分散，形成了一个一个的“数据孤岛”，无统一分析平台，没有办法将所有数据打通，造成目前数据应用以原始数据展现为主、横向缺少数据关联分析、纵向缺少数据挖掘、无法充分发挥数据价值的现状[2]。

2.智能用能系统研究的关键点和难点

配电站房牵涉设备厂家多，聚集着众多厂商的监测设备，由于各厂商自己有一定的竞争关系，基本都是对本品牌或者联盟间的产品追到互联互通。大部分的监测设备由于通讯标准尚未统一，设备之间无法实现互联互通。如类似电表的IEC61850协议、直流屏监控模块的CDT协议、保护的IEC101、IEC103协议等，即使是常见的MODBUS RTU协议对应不同厂家，其协议也有差异。用户在进行智慧用能运行监测时需要更换原有设备，增加新的设备成本。因此，如何实现全协议数据接入是本研究的关键点。

电力监控平台在实际运行中会接入大量的运行数据，而对于大数据的处理来说，数据的价值随着时间推移而迅速下降，往往电力行业要求告警从发生到分析及告知用户需求在一分钟或十几秒内。针对电力监控数据量大、处理时效性需求高、安全性要求高等特点，如何应用更先进的存储技术以及提供更快更有价值的信息是本项目的关键点和难点。

没有用电能效分析和管理，企业的综合节能也无法实现，直接造成电能损耗，增添成本。因此，建立智慧用能平台，研发设计智慧用能Web和移动App系统，构建用能体系，实现覆盖安全用能、高效用能的一体化智慧用能系统是本次研究的重点。

3.智能用能系统采用的关键技术

开展全协议数据接入关键技术研究，达到支持主流的通讯协议和数据协议，实现用户侧电气量、运维数据（温湿度、零序电流、线缆温度、变压器温度、火灾监控、烟雾感应、水浸感应、门禁、摄像头等）、生产管理数据的多设备高效采集，构建用户侧物联网，降低用户设备投入成本，实现多维度数据的稳定、高效采集，为大数据分析和应用提供物联支撑。

在网络层面实现多协议接入，支持主流的通讯协议和数据协议，能够支持采集运维和生产管理侧数据，预留多种电气接口，能够迅速组网并接入多种设备。若用户已有相关采集设备，无需新增，使用户能够以超低的成本将设备接入物联网，相较于传统接入直接降低成本20%以上。

应用“分布式数据存储+RabbitMQ消息队列”形式，提高数据存储和处理效率。把原有传统集中的存储服务器存放所有数据改为分布式数据存储，通过网络使用企业中的每台机器上的磁盘空间，将这些分散的存储资源构成一个虚拟的存储设备。数据分散存储在企业的各个角落，不仅提高了系统的可靠性、安全性，也提高了数据的存取效率，易于扩展。针对电力数据监控的特殊性和要求，采用RabbitMQ消息队列的形式将底层采集的数据源源不断地往上层系统传输，这些数据可以为不同服务按需订阅使用，极大地提高了时效性和数据通用性。

对海量数据的存储和处理技术进行研究：（1）研究微服务架构，通过将功能逐项分解到各个离散服务器中，以提升服务器对数据的高敏捷性、高稳定性及高扩展性，提升用户体验。（2）研究分布式存储技术，利用分布式存储优势，试用对多台存储服务器优化配置以分担存储负荷，同时利用位置服务器定位数据的存储信息进一步提升系统可靠性、可用性和存取效率。（3）研究数据流式处理技术，减少系统间耦合程度，以异步形式加快系统响应速度，合理分配服务器资源，进行削峰填谷。

利用云计算、人工智能、大数据、物联网、5G与“互联网+”服务理念相结合，通过 “线上+线下”的有机融合打造企业智慧用能平台，为用户提供管家式的配电智慧运维或代维服务、能效监测与管控、用电信息采集、综合能源管理、增值服务等一站式用电管理服务，主要具备以下主要功能模块：

在运行监测方面，通过图形化的方式直观监控配电室的电气设备、环境、安防等运行状态和实时数据（如电压、电流、温度、用电量等），支持自定义监控画面和Web展现页面，所见即所得，用户可同时通过Web端和手机App查看配电室实时运行状况。

在智能运检方面，通过“巡检管理+一键报修+工作评估”智能运检模式实现智能化自动巡检和工单派发，任务快速响应，打造便捷高效的运检人员工作站，全面提升运维效率和工作体验。

在能效管理方面，通过对企业用能数据的全面计算，以及同比、环比等各种变化趋势分析，能够及时发现各种异常负载情况，为节能降耗提供有力的依据；手机App还能提供电能质量分析功能，为电能质量的优化提供数据基础；同时，企业也可以通过App查询统计用能情况及时做出设备调度和用电调整[3]。

在设备资产管理方面，可以提供设备的全生命周期管理，实现设备从出厂安装调试到上限运行维护再到设备报废的周期管理，通过流程管理辅助措施实现各种设备的高效运行延长设备的使用寿命，为企业创造价值；通过对设备的运行数据、维修保养数据的记录和分析，给出预防性维保建议。

在数据增值方面，通过云计算、人工智能和大数据分析技术对电气设备运行数据进行分析，推算出用电结构性规划建议，完成从经验分析向大数据分析的转变；通过平台庞大的数据基础及大数据分析对外提供节能改造服务、电能质量质量、咨询服务、电能替代等数据增值服务。

4.智能用能系统应用方案和成果

从智慧用能需求分析着手研究智慧用能业务需求，开展系统功能需求及性能需求分析，在功能需求和性能需求分析基础上深入研究各项功能具体实现方法、移动数据安全传输方法，提出软件功能设计规范，并按照该设计规范进行自主设计智慧用能系统，最后通过试点应用对各项研究成果加以验证。各阶段工作如图1所示。

图1 应用进程模型

通过本系统的建设：（1）可以实现用能隐患的显性管理、预测预警，通过系统运行的数据进行分析显示，排查导致温度过高等电气线路隐患，隐性隐患通过智慧用能系统可以转化为显性的数据展示和隐患预测预警，通过短信等方式提醒用能企业；智慧用能系统实现用电设备和线路的全程监测、数据传送，弥补了“点对点”人防的缺陷、实现隐患缺陷早发现、早预警、早治理。（2）丰富电力安全生产社会化服务内容，提高了服务效率；通过技术服务手段为用能企业提供隐患排查服务，解决了企业“查不出”隐患、“管不好”安全用电的难题；与此同时，通过智慧用能系统监控平台，为电工协会、行业组织等衍生出专业的电力技术服务队伍或机构提供了条件，便于中小微企业及时购买服务、及时消除安全隐患，即降低用能企业专门雇用人员的成本支出、又提高服务的针对性有效性。（3）为日常监督提供技术支撑，智慧用能系统在为用能企业隐患排查治理提供便利的同时，也可以为用能企业提供提高监管实效的途径选择；通过智慧用能系统平台大数据分析梳理出不同时间节点的用电隐患预警相对集中的部分，用能企业依据数据分析有针对性地组织隐患自查自改工作；另一方面，通过平台数据用能企业可以了解到企业内部电气客观真实的安全运行状况记录、隐患发生及消除进展过程。

基于大数据、人工智能和物联网技术打造的智慧用能平台，为用户降低运维成本，延长设备使用寿命，节省电费，提高配电运行安全，智能监控，提升可靠性，消除运行、巡检盲区，减少故障停电次数，缩减故障停电时间，保障用电质量。

提高人力资源利用，增加工作效率。通过物联网技术即可实时监测电气设备的运行情况，有效地减少了现场巡检次数，能更合理地分配运检班组的工作；结合多种监控手段，可精确定位故障点，抢修人员可以第一时间处理故障点，减少故障排查时间，提高工作效率，智慧用能运用后可降低30%～60%运维人力成本。

制订针对性运检计划。通过对企业空间和时间两个维度的监测数据进行比对，生成不同时间段需要重点关注的运检方向，制订针对性计划，提升5%～20%设备使用寿命。

进入大数据分析时代。通过云计算、人工智能、大数据分析技术对电气设备运行数据进行分析，推算出用电结构性规划建议，完成从经验分析向大数据分析的转变，实现提升15%～30%管理效率，节约5%～15%电能费用。

通过联合电气设备制造商、专业运维公司、电力工程公司、综合能源服务商等合作伙伴对现有变配电系统信息化系统进行功能模块重构、微服务化改造，构建智慧用能平台，打造“平台＋移动应用＋专家团队”的立体化综合服务体系，为用户提供用能咨询、智能运检、能效分析、设备资产、综合能源、增值服务等一站式智能用电服务。

5.结语

智慧用能是以能源及其设施为基础，以电力网络为核心，依托互联网、物联网、大数据、云计算等新技术对能源的生产、运输、储存和消费过程进行实时监测、数据分析和优化处理，并通过数字化、网络化、智能化手段实现用能的安全、高效、绿色、智慧应用。智慧用能系统广泛应用于电力、交通、建筑、城市等领域，智慧用能系统贯穿用能产业服务全过程，构建的面向能源互联网的“智慧用能大脑”，汇聚政府、能源互联网产业链上下游和多方用能运营商资源，实现业务引流、产业赋能，助力打造智慧用能产业生态。平台支撑“区域、园区、企业”三级应用，服务政府、用能运营商、用能消费者等用户，提供绿色、安全、经济、高效、增值的多元化智慧用能服务。同时，推进智慧用能数字化进程，提升企业能效，提高社会认知度，从而进一步提升企业品牌，扩大企业知名度，最终产生潜在价值。