综合智慧能源管控系统分析与研究

2023-09-21刘保福李仁欠赵多旦

水电站机电技术 2023年8期

刘保福，郭育，李仁欠，冶军，赵多旦

（国家电投集团黄河公司格尔木分公司，青海格尔木 816000）

0 引言

综合智慧能源（电、热、冷、气）是能源互联网十四五规划重点方向。综合智慧能源是面向终端用户以电为核心，提供电、热、冷、气、水等多种用能，因地制宜、统筹开发，优化布局的一体化能源解决方案。“互联网+”智慧能源（以下简称能源互联网）是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征，能够推动各类能源主体的开放共享和规范交易，实现能源流、信息流与价值流的合并统一。因此能源互联网是能源系统与通信和互联网思维的融合。

1 总体架构

综合能源管控系统围绕矿山产能、用能、供能、储能、网络和服务应用展开，可对整个矿山系统进行实时远程监控，实现整个系统的过程控制、管理和运维。同时，提高矿山产能、用能、供能、储能的管理运维效率。综合能源管控平台是基于物联网和大数据的一体化管控平台，它实现了从产能、用能、供能和储能侧采集数据，并进行整合、计算、分析，最后到设备控制，完成了综合智慧能源管控系统的能源优化和数字化，提高运行调度效率，为管理决策作辅助支撑。

系统架构共分5 个层次，由前端设备层、前端采集层、网络层、平台层以及应用层组成（图1）。

图1 系统总体架构

前端设备层：包括逆变器、整流器、传感器、执行器。

前端采集层：通过数据采集传感器、网关等设备实现与前端的连接与协议转换、数据存储、实时分析、反馈控制等功能，承担底层计算功能。

网络层：实现网络的组网管理和安全管理。

平台层：智慧能源系统以平台为核心，包含综合能源管理系统（能量管理、综合用能管理、预测系统）、实时数据库、历史数据库等系统。

应用层：该层为运行人员操作层，主要由Web端、APP 端组成，其作用主要包括3D 展示、实时监测、集中控制、动态分析等功能。

充电站、110 kV 变电站监控、分布式光伏及储能系统等各集中控制单元的监控信息经数据采集装置采集，通过网络层传输至平台层。

综合能源管控系统通过用能信息的采集和各供能系统的运行情况相结合进行能源优化调度管控。

2 系统功能

综合能源管控系统平台区分为数据采集控制系统、监控中心系统、能源调度管理3 大部分，将负荷、能源、调度、运维、视频、安防、辅助决策等功能聚合，通过AI 算法实现统一管理，达到供给侧与需求侧可视、可监、可控、可调的目标。实现对多能网络的运行状态监视、指标分析、生产成本优化和效率提升，并且能够有效提高能效、推进能源供给侧改革。平台以能效调控、安全用电为切入点，以能源管理为核心，以能源数据挖掘为价值创造点，打造开放、共享的能源服务平台，实现能源综合一体化管理（图2）。

图2 系统功能结构图

2.1 数据采集控制系统

数据采集控制系统可实时和定时采集现场设备的各电参量、开关量状态（三相电压、电流、功率、功率因数、频率、电能、温度、开关位置、设备运行状态等）及非电量（温湿度、流量、压力等），将采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示（总系统功率、负荷最大值、功率因数上下限等），对重要的信息量进行数据库存储。并根据控制策略及指令，实现优化调节控制。

2.1.1 数据采集

（1）将各类电源、电网、储能、负荷、视频等信息通过感知层与数据采集装置实现实时采集、上报。

（2）数据采集装置需提供重要数据永久存储服务，保证数据完整、可靠，同时支持对平台未采集数据进行补采。

（3）平台的数据采集系统通过有线（光缆、网线和485 通信线）、无线方式（4G、5G、NB 物联网）与现场的各智能采集终端和第三方系统进行通信。数据采集系统在综合智慧能源系统中处于非常关键的地位，因此其必须具有高可靠性和强大的信息处理能力。

（4）系统可直接采集接收处理各种数据：

1）光伏发电系统的总发电量、电流、电压、有功、无功、功率因数、发电量数据信息；

2）储能EMS 系统变流、电池、烟感、温度、火灾、储能电度等数据信息采集（储能系统通过标准IEC104 通信协议上送至大数据智能终端）。

（5）配电系统通过站内测控装置将配电电力数据信息通过标准IEC104 通信协议上送至大数据智能终端；包括各电气回路有功、无功、功率因数、电度、电能质量等数据信息。

2.1.2 数据控制

（1）平台层在安全约束边界条件下，根据源网荷储运行状态通过多目标寻优算法，得出整个综合能源系统的理论调节情况，设定各子系统运行目标，提高源荷的协调运行。

（2）现场采集层设备根据设定目标实现各子系统的自动运行，最大化提高光伏发电就地消纳能力、提升能源效率和降低能源损耗。

（3）监控中心通过网络通信对各个系统实现实时监视、参数调整和远程控制等功能。

2.2 监控中心系统

通过实时模拟画面，可直观地向用户展示能源、电网、储能和负荷等运行状态，快速定位各环节设备故障，实现便捷运维、实现远程视频监视，同时辅助分析光伏系统利用率以及能效运行状态。

2.2.1 大屏展示

提供专业LCD 设计的大屏幕演示页面，显示内容可自定义。

2.2.2 概况展示

概况主要由基本信息、主接线图、实时监测、日负荷走势、每日用能量走势、每月用能量走势和需量等功能模块构成，主要包括：累计用能量（日、月、年）、用能数据实时数据、实时负荷（今日、昨日负荷对比）、每日用能（本月每日与上月每日对比）、每月（今年和去年每月对比）、尖峰平谷电费统计分析和需量实时跟踪等。除此，还包含每日生产用电量与矿石产出量对比、每日生活电量对比。

2.2.3 数据查询

（1）查询光伏及储能、发电数据，包括累计发电量、有功功率、无功功率、功率因素、电流、电压、频率等。

（2）查询变电站电负荷的曲线数据，包括累计用电量、有功功率、无功功率、功率因素、电流、电压、频率等。

2.2.4 配电系统接线图

（1）按照现场实际情况定义配电系统接线图。（2）支持断路器、手车、刀闸、地刀、母线、变压器等组态配置。

（3）支持配置高压、低压等配电系统接线图，进行潮流及关键参数展示。

2.2.5 设备告警

（1）在系统中能够查看设备实时告警以及历史告警信息，告警的状态根据设备反馈状态刷新。

（2）告警信息支持按照状态、告警等级、设备类型、所在厂区域、时间范围进行快速筛选查找。

告警指示灯：告警产生后，系统告警指示灯高亮。

告警响铃：可配置告警是否响铃，配置告警响铃后，产生告警后系统响铃。支持响铃停止功能，即消音功能。

人声告警：可配置告警产生后，语音播报。

2.2.6 越限告警

（1）支持新增、修改和删除预警点。

（2）支持上上限、下限、下下限设置。

（3）超过设置阈值时，主动预警提示。

2.3 能源调度管理

基于供能预测和用能预测，结合生产计划，进行能源的当日调度优化；实时监测源侧及负荷侧的运行状态，在安全约束边界条件下以发电与用电匹配为核心，进行动态调节，并通过热储能系统和电储能系统进行辅助调度，提高新能源就地消纳能力，提高能源利用效率，提升源网荷储的运行经济性、可靠性和安全性（图3）。

图3 能源调度管理功能图

2.3.1 经济调度功能

（1）在线调度

基于源、储、荷的实时运行状态，在电网系统运行的安全约束条件下以及各类储能和可控负荷运行边界条件下，以经济运行为目标，以发用匹配为核心，减少区域能量交换为约束，通过寻优算法，实时调整负荷及储能的运行，提升新能源的就地消纳能力，提高系统能量利用效率，降低运行费用。

（2）重要负荷保障

将负荷重要程度进行分级、分组管理（一级、二级、三级），在电网故障时，智慧能源管控系统切换运行模式，基于光、储、柴系统独立运行模式，在一定时间内，保障重要负荷的正常运行。

2.3.2 能源管控

对矿区内生产过程中的各类能源进行管控，通过自动采集等方式，将矿区现场的光伏、储能、供水和供热数据进行采集，实时监控生产过程中能源状况及能源供应分析。参照生产计划和消耗定额进行对比分析，为生产管理调度提供及时准确的能源数据信息（图4、图5）。

图4 能源管控流程图

图5 能源管控总图

（1）运行监控

利用能源数据自动采集及第三方系统对接等方式，实现矿区内光伏、储能、供热、供水等数据的集中运行监视。各能源站点展示实时能量流模拟画面和数据，监测能源站点设备运行状态和运行曲线，全景展示各个能源站点全量信息。并根据能源调控指令会设定目标值，进行能源的远程调控，方便进行能源站点集中管控，统一调度（图6、图7）。

图6 供水系统运行监控图

图7 供暖系统运行监控图

（2）能源分析

对能源生产情况进行类别、时比分析，为能源运营提供有效的数据支持。效率分析主要对能源站点进行性能参数效率分析。分布式光伏能源站点主要根据日辐射量测算实际发电量和理论发电量对比后的综合效率、组串式逆变器效率和组件效率；化学储能能源站点主要根据充/放电电量、功率以及时长对比后的充电效率、放电效率、衰减效率；供能能源站点主要按不同时间维度（日、月、年）对发电平台发电量供电量曲线、供热效率、温度曲线、发电平台耗电分析、发电平台能效、热电效率、理论发电量和实际发电量曲线进行分析。

（3）节能分析及管理

对能源、生产、生活能耗数据进行采集、处理、分析，及时了解和掌握各种能耗的生产、使用过程和重点能耗设备的运行工况，在信息分析的基础上实现能源管理的流程优化再造，并具备以客观数据为依据的能源消耗评价体系。

通过能效监测和各类分析，从设备节能、工艺节能和管理节能3 个维度提供节能建议。借助平台能效社交管理，提高全员节能意识，并通过合理化节能建议的展示及直观的奖励呈现，提升全员节能的参与度，提升管理能效。通过平衡分析，及时发现异常情况，及时止损。

（4）报表管理

报表管理包含各类能源统计及产能统计。主要包含：发电量统计、储能充电电量统计、储能放电电量统计、水量统计、暖气量统计、生产统计、逆变器发电对比、子阵发电对比和设备运行对比等。支持通过不同周期（小时、日、周、月、季、年）及维度进行自定义报表设置。

2.3.3 负荷管理

对矿区生产区和生活区用电、水、热等能源损耗状况进行全面监测、分析和评估，并为用户提供能耗统计、节能诊断、能效管理和分析决策等服务。通过对能源消耗过程信息化、可视化管理，优化生产区和生活区用能过程，科学、合理地制定生产区和生活区能耗考核标准和考核体系，有效降低生产区和生活区能耗并提升管理水平（图8、图9）。

图8 实际负荷曲线

图9 能源供应柱状图

（1）负荷监测

对矿区生产区和生活区电、水、热等数据进行统计，可按日、月、年生成能耗历史曲线，可在地图中以颜色标识用能量的展示。

（2）能效管理

1）能耗监测

①分类能耗：按照能源种类分为电、热、水进行计量，做到每类负荷逐时、逐日、逐月、逐年各项指标累计、排序、分析。

②分项能耗：按照负荷性质进行分项计量，做到各分项回路逐时、逐日、逐月、逐年能耗统计、分析。

③设备能耗：按照设备类型进行高耗能设备的能耗计量，通过设备用能模型，进行能耗统计和分析。

④建筑能耗：按照楼宇进行计量，做到每个楼宇逐时、逐日、逐月、逐年能耗累计、排序和分析。

⑤检修日能耗：统计出监测电、热、水工作时间、休息时间、检修日时间的历史能耗值，并对待机能耗、工作能耗、检修日能耗进行分析，掌握设备待机能耗情况。

⑥工艺能耗：针对采矿和选矿各工艺环节的能耗监视，做到每个环节逐时、逐日、逐月、逐年能耗累计、排序和分析。

2）用能分析

实现能源绩效管理、能源成本管理、能源统计分析等功能。对生产进行整体工艺流程的能耗采集，并针对重点能耗设备进行单独测量，通过电平衡分析、水平衡分析、单位能耗分析以及能效对标等手段查找能耗源并进行能效分析，实现生产能源流程监控，提高能源利用率。

①用能对比：用能对比可根据用户的需求展示全年/每月整体用能情况，根据大数据分析以及技术积累，分析各工艺环节及生活负荷不同时间段整体用能情况的环比率及同比率，并统计展示单品能耗、各类能源花费等。

②用能提醒：根据用能数字化情况，结合未来生产计划，合理安排用能计划，超过计划用能，系统将会主动预警提醒。

③尖峰平谷分析：统计尖峰平谷时间段用电量以及电费，错峰后节约用电以及电费展示。

④负荷分析：直观呈现用电区域最大负荷、最大负荷发生时间、最小负荷、最小负荷发生时间，平均负荷；直观呈现用电区域峰谷差、峰谷差率等。

⑤设备负荷率分析：直观呈现重点用电设备最大负荷、最小负荷、平均负荷、负荷率、最小负荷率等重点指标。

⑥电能质量分析：直观呈现重点线路电压、频率、功率因素合格情况。主要包括：最大值、最大值偏差、最小值、最小值偏差，合格率等，并且当电能质量超标时会主动提示。并对谐波进行分析，包括谐波电流日最大值统计、谐波电压含有率最大值统计、基波有功功率和谐波功率对比，2～21 次谐波数据查看等。同时，实时分析三相不平衡度，统计和分析不平衡度情况，时间多维度统计、展示。