基于大數(shù)據(jù)分析的能源綜合利用管理思路

張星 張豈豪

中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司 山西太原 030012

傳統(tǒng)的工廠能源管理主要以數(shù)據(jù)采集、信息展示為主，通過(guò)信息化的手段提升能源利用管理水平，但是這種系統(tǒng)一般不具備方案優(yōu)化的能力，無(wú)法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析與模擬，而傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)只能提供理論的優(yōu)化方案，無(wú)法直接用于實(shí)際運(yùn)行中。本文將結(jié)合能源綜合利用實(shí)際需求，確定工廠能源信息管理中的重難點(diǎn)，提出利用大數(shù)據(jù)采集、分析與仿真結(jié)合的數(shù)字化工廠能源綜合利用系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的解決方案。

1 基于大數(shù)據(jù)分析的能源綜合利用管理總體設(shè)計(jì)

以某工廠冷卻系統(tǒng)為例，能源綜合利用管理范圍包括循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和蓄能系統(tǒng)，采集范圍包括供水?dāng)?shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)。其中供水?dāng)?shù)據(jù)又分為供水使用量、供水水壓、水溫、冷卻塔開(kāi)量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；用電數(shù)據(jù)包括有電壓、電流、電功率、蓄能容量等數(shù)據(jù)。能源綜合利用系統(tǒng)運(yùn)行既要考慮循環(huán)冷卻水系統(tǒng)因外界環(huán)境因素、工廠熱量因素，又要考慮蓄能裝置的充放效率與峰谷電價(jià)等因素。傳統(tǒng)的能源信息管理只能簡(jiǎn)單的提供用量數(shù)據(jù)，面對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)無(wú)法提出有效的優(yōu)化方案與最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。

不過(guò)隨著信息技術(shù)與軟件水平的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析與仿真技術(shù)為復(fù)雜能源綜合利用的方案優(yōu)化提供了可能。在此情況下，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將會(huì)由能源信息管理、仿真及數(shù)據(jù)分析三部分組成，其中能源信息管理實(shí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理并與三維模型集成，仿真實(shí)行系統(tǒng)數(shù)字化模擬，數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)利用大數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行修正，具體方案將會(huì)由下文進(jìn)行描述說(shuō)明。

2 能源信息管理

本方案中的能源信息管理模塊主要用于冷卻系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、分類及儲(chǔ)存，一方面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、超限報(bào)警、信息展示及報(bào)表分析等功能，一方面作為數(shù)據(jù)中心為仿真數(shù)據(jù)修正提供支撐。本模塊主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、能源信息處理及三維模型三部分組成，具體功能情況如下：

2.1 建立能源信息數(shù)據(jù)庫(kù)

本方案中的能源信息數(shù)據(jù)庫(kù)，主要用于存儲(chǔ)工廠所涉及到的能源管理數(shù)據(jù)信息，其中主要包括有水網(wǎng)資源數(shù)據(jù)、電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)五類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容[1]。除此之外，數(shù)據(jù)庫(kù)中還需要儲(chǔ)存虛擬展示模塊運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和虛擬展示模塊運(yùn)行數(shù)據(jù)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和交互的重要基礎(chǔ)保障。

2.2 能源信息處理

本方案中的能源信息處理模塊將會(huì)集成現(xiàn)代監(jiān)控傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理及通訊技術(shù)、能源監(jiān)測(cè)技術(shù)、交流采樣技術(shù)等多種先進(jìn)性技術(shù)手段，并通過(guò)大流量光纖作為數(shù)據(jù)傳輸渠道，從而形成穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集、傳輸管理系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)工程中的能源數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面信息化管理。具體能源信息處理模塊功能如下：①模塊可以對(duì)工廠的能源信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)異常情況后，模塊將會(huì)自行通過(guò)相關(guān)人員進(jìn)行處理；②對(duì)基礎(chǔ)信息進(jìn)行全面收集，并自行生成能源消耗數(shù)據(jù)報(bào)表。③對(duì)工廠中各設(shè)備的實(shí)際能源情況進(jìn)行全面分析、歸類、匯總，然后結(jié)合虛擬展示模塊，對(duì)設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。④通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，在虛擬展示模塊中展示出能耗曲線模型。能耗分析，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，對(duì)各設(shè)備的能耗情況進(jìn)行分析，方便相關(guān)人員進(jìn)行使用和管理[2]。

2.3 系統(tǒng)三維模型

系統(tǒng)三維模型將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化編碼與數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)，以提供直觀的展示效果，并為仿真提供模型基礎(chǔ)。

對(duì)于系統(tǒng)三維模型功能的實(shí)現(xiàn)，其主要關(guān)鍵點(diǎn)還在于三維模型數(shù)據(jù)采集以及模型建立兩方面。其中三維模型數(shù)據(jù)采集效果決定著工廠三維模型構(gòu)建的真實(shí)有效性，其中構(gòu)成三維模型數(shù)據(jù)中的影像采集清晰度及質(zhì)量將會(huì)直接決定著后續(xù)模型構(gòu)建和展示的效果及精細(xì)度。因此，在進(jìn)行實(shí)際三維數(shù)據(jù)信息采集的過(guò)程中，應(yīng)盡可能使用高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從多個(gè)角度對(duì)車間及設(shè)備的全貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且要確保每張影像中車間及設(shè)備的精細(xì)度和清晰度，這樣才能夠最大限度保障后續(xù)的三維模型構(gòu)建效果。三維模型通常會(huì)分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩類。其中靜態(tài)模型在本設(shè)計(jì)中主要指廠區(qū)、廠房建筑等內(nèi)容；動(dòng)態(tài)模型則是指機(jī)電設(shè)備等內(nèi)容。在實(shí)際模型構(gòu)建的過(guò)程中，無(wú)論是靜態(tài)模型，還是動(dòng)態(tài)模型，都應(yīng)以模型原物體的相關(guān)規(guī)劃圖或者設(shè)計(jì)圖作為重要參考基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而最大限度保障三維模型的真實(shí)有效性。

3 能源綜合利用系統(tǒng)仿真

能源綜合利用系統(tǒng)仿真可利用成熟軟件進(jìn)行，例如Autodesk EcotectAnalysis、BentleySystem 及 Green Building Studio 等，主要功能包括建筑全能耗分析、碳排量分析、能源系統(tǒng)仿真等，可利用已建立的三維模型，輸入各類能耗參數(shù)進(jìn)行仿真，其中各設(shè)備性能參數(shù)采用廠家提供的數(shù)據(jù)，待后續(xù)修正。

4 數(shù)據(jù)分析

分析收集的能源綜合利用系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)仿真系統(tǒng)中輸入的各類能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備性能參數(shù)進(jìn)行修正。

以蓄能系統(tǒng)為例，為充分提高經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)在夜間（電價(jià)最低時(shí)段）進(jìn)行儲(chǔ)能，在9:00至17:00（電價(jià)最高時(shí)段）進(jìn)行釋能（為冷卻系統(tǒng)提供電能）。而每天的蓄電量與當(dāng)天剩余電量及下一日預(yù)計(jì)用電量（受季節(jié)、天氣因素影響）相關(guān)。若采用蓄電池，相關(guān)規(guī)定要求充電狀態(tài)小于50%時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能效率大于95%；充電狀態(tài)在75%時(shí)，儲(chǔ)能效率大于90%；充電狀態(tài)在90%時(shí)，儲(chǔ)能效率大于85%，其他蓄能設(shè)備趨勢(shì)與此一致。因此運(yùn)行方案應(yīng)該盡量保證當(dāng)天蓄電量釋放完畢，儲(chǔ)電量維持在90%甚或80%以下[3]。

利用仿真系統(tǒng)建立運(yùn)行仿真模型，可提出理論上的儲(chǔ)能、釋能方案，然后利用系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，修正蓄能系統(tǒng)損耗、儲(chǔ)能效率系數(shù)、下一日預(yù)計(jì)用電量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行，到達(dá)用電成本最低的目的，并提升能源綜合利用效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)提出結(jié)合仿真與大數(shù)據(jù)分析的能源綜合利用系統(tǒng)管理思路，可實(shí)現(xiàn)能源綜合利用系統(tǒng)的可視化展示、虛擬化仿真以及大數(shù)據(jù)分析，可以為能源綜合利用系統(tǒng)提供經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)修正的最優(yōu)化運(yùn)行方案。