基于云平臺(tái)的綜合能源信息服務(wù)框架設(shè)計(jì)

李 輝,李夫?qū)?康章建,張永澤,史海云,馬 操

(江蘇電力信息技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000)

綜合能源協(xié)調(diào)運(yùn)用是現(xiàn)階段能源發(fā)展的核心,綜合能源信息服務(wù)框架的搭建則對(duì)綜合能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸和分配起著至關(guān)重要的作用。

針對(duì)綜合能源信息服務(wù)這一問(wèn)題相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行了較多的研究。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)綜合能源信息進(jìn)行集合和梳理,從多方面對(duì)綜合能源的特點(diǎn)進(jìn)行分析,建立一個(gè)具有智能化特點(diǎn)的信息服務(wù)評(píng)價(jià)框架,信息服務(wù)管理人員可以從數(shù)據(jù)平臺(tái)中獲取五個(gè)課題數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)信息,實(shí)現(xiàn)綜合能源信息服務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和邏輯關(guān)系運(yùn)行,較高效率保障綜合能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸和分配任務(wù)。但是基于大數(shù)據(jù)的信息服務(wù)框架過(guò)度依賴(lài)現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息,不能夠結(jié)合實(shí)際環(huán)境提出相適應(yīng)的綜合能源運(yùn)用方案。文獻(xiàn)[2]基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提出智慧能源信息服務(wù)框架,在框架中接入多臺(tái)監(jiān)控設(shè)備,可以為信息服務(wù)框架提供實(shí)時(shí)穩(wěn)定的能源運(yùn)用數(shù)據(jù),監(jiān)控設(shè)備同時(shí)與智慧互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)了能源信息數(shù)據(jù)的共享,保障了綜合能源在服務(wù)框架中的實(shí)時(shí)定位功能。但是這種服務(wù)框架在數(shù)據(jù)管理方面存在一定的缺陷,不能夠及時(shí)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。

綜上所述,本文提出基于云平臺(tái)的綜合能源信息服務(wù)框架,能夠在服務(wù)架構(gòu)中執(zhí)行整套數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)程序,然后根據(jù)綜合能源的實(shí)際應(yīng)用情況做出相應(yīng)的處理操作,進(jìn)而提出綜合能源在不同環(huán)境下的運(yùn)用方案。

1 綜合能源信息服務(wù)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文應(yīng)用多代理技術(shù)建設(shè)綜合能源信息服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu),系統(tǒng)架構(gòu)中存在一個(gè)上層代理和多個(gè)下層代理,下層代理之間可以實(shí)現(xiàn)信息交互功能,滿(mǎn)足系統(tǒng)內(nèi)部信息與信息之間的請(qǐng)求和反饋,下層代理主要包括學(xué)習(xí)中心代理、數(shù)據(jù)求解代理、綜合能源區(qū)域控制代理和綜合能源多區(qū)域管理代理[3-4]。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合能源信息服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

(1)學(xué)習(xí)中心代理的作用是從服務(wù)架構(gòu)中采集可學(xué)習(xí)信息,從大量的信息中尋找解決綜合能源運(yùn)營(yíng)問(wèn)題的優(yōu)化方案。學(xué)習(xí)中心代理具有一定的智能性,可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用總結(jié),再結(jié)合綜合能源的實(shí)際運(yùn)用情況推理出最佳的綜合能源運(yùn)用方案[5-6]。

(2)數(shù)據(jù)求解代理的作用是將學(xué)習(xí)中心代理推理出來(lái)的綜合能源運(yùn)用方案對(duì)外進(jìn)行信息交換,隨時(shí)接收外部方案運(yùn)用過(guò)程中的請(qǐng)求和反饋信息,并針對(duì)請(qǐng)求反饋信息提出合適的優(yōu)化方法。數(shù)據(jù)求解代理中可以融入多種算法,主要有深度學(xué)習(xí)、智能算法和魯棒優(yōu)化方法等。

(3)綜合能源區(qū)域控制代理的作用是將綜合能源從一個(gè)區(qū)域調(diào)送到多個(gè)區(qū)域,達(dá)到綜合能源在電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)以及天然氣系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)效果。代理的具體架構(gòu)表現(xiàn)為:熱力系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、天然氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、電-熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、電-氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、熱-氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理和電-熱-氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理。

(4)綜合能源多區(qū)域管理代理的運(yùn)行步驟為:確定每個(gè)區(qū)域中的綜合能源剩余量,按照合適的運(yùn)用方案與區(qū)域管理方法進(jìn)行融合,融合成功后對(duì)向中心代理發(fā)送綜合能源的執(zhí)行運(yùn)行策略,若沒(méi)有融合成功,需要將各個(gè)區(qū)域的子代理執(zhí)行指令發(fā)送到學(xué)習(xí)中心代理中,通過(guò)多種算法對(duì)執(zhí)行指令迭代推理,直到尋找出適合該區(qū)域的綜合能源區(qū)域管理執(zhí)行方案[7-8]。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的技術(shù)架構(gòu)按照SG-EA架構(gòu)管控標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,架構(gòu)中可以容納多臺(tái)物理設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域內(nèi)的所有綜合能源服務(wù)信息的計(jì)算、處理和儲(chǔ)存功能,完成以上功能的平臺(tái)由協(xié)議模塊、采集模塊、儲(chǔ)存模塊、服務(wù)模塊和展示模塊組成,其中數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊采用了冗余程度高、可擴(kuò)展編程模型大的分布式關(guān)系,允許軟硬件中錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的恢復(fù)操作[9-10]。綜合能源信息技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合能源信息技術(shù)架構(gòu)

協(xié)議模塊中應(yīng)用了MQTT和TCP/IP兩種通信協(xié)議,MQTT通信協(xié)議可以滿(mǎn)足綜合能源服務(wù)信息控制裝置與云平臺(tái)中的相關(guān)模塊之間的信息共享,TCP/IP通信協(xié)議可以滿(mǎn)足技術(shù)架構(gòu)本體信息與外部信息的相互傳輸。采集模塊建立在協(xié)議模塊上,通過(guò)協(xié)議對(duì)各個(gè)組件的數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行擴(kuò)充,采集模塊中的用電設(shè)備將通信鏈路下的協(xié)議同步認(rèn)證,強(qiáng)化采集模塊在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高并發(fā)、低延時(shí)的效果。服務(wù)和展示模塊均在可視化屏幕中實(shí)現(xiàn),服務(wù)模塊應(yīng)用JSP前臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)搭建,使得功能按鈕簡(jiǎn)單易操作,展示模塊應(yīng)用Html5前臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)搭建,使得展示模塊具有個(gè)性化程度高、信息展示層面多的特點(diǎn)[11-12]。

1.3 云平臺(tái)架構(gòu)

本文搭建的云平臺(tái)是在傳統(tǒng)的電力物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上增加云集中數(shù)據(jù)處理設(shè)備和云服務(wù)終端設(shè)備,然后分別在兩種設(shè)備上增加邊緣層和感應(yīng)層,保障云平臺(tái)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。搭建的云平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

感應(yīng)層主要由綜合能源傳感器、視頻采集器、執(zhí)行器和感應(yīng)終端組成,其中所有的設(shè)備均可以與云計(jì)算層中的數(shù)據(jù)連接通信,幫助多種類(lèi)數(shù)據(jù)在感應(yīng)層中形成一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),有效提升了綜合能源信息服務(wù)數(shù)據(jù)在云平臺(tái)中的擴(kuò)散[13]。邊緣層主要由數(shù)據(jù)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)和邊緣管理器組成,通過(guò)對(duì)邊緣管理器的控制可以實(shí)現(xiàn)邊緣層對(duì)綜合能源信息服務(wù)數(shù)據(jù)的智能運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制,經(jīng)過(guò)計(jì)算后的數(shù)據(jù)在云平臺(tái)中能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)轉(zhuǎn)換[14]。

2 基于云平臺(tái)的綜合能源信息服務(wù)數(shù)據(jù)管理

2.1 綜合能源能量流動(dòng)平衡

2.1.1 電力能量流動(dòng)平衡

電力能量流動(dòng)范圍主要包括工業(yè)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域和生活領(lǐng)域,電力能量的生產(chǎn)來(lái)源比較豐富,主要有風(fēng)力發(fā)電、熱力發(fā)電、光伏發(fā)電等。電力能量生產(chǎn)后進(jìn)入儲(chǔ)存裝置中進(jìn)行充放電,然后進(jìn)入到供配電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)電能的流動(dòng),電能的每次流動(dòng)均需要受到平衡優(yōu)化,云平臺(tái)下的電力能量流動(dòng)平衡公式如下:

Pt+Pw+Pv=Pchp,t+PGT,t+Pbt,t

(1)

式中:Pt為發(fā)電機(jī)在t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的有功功率,kW;Pw為風(fēng)能發(fā)電裝置有功功率,kW;Pv為熱能發(fā)電裝置有功功率,kW;Pchp,t為熱電裝置產(chǎn)生的區(qū)域性有功功率,kW;PGT,t為燃?xì)鈾C(jī)組的區(qū)域性有功功率,kW;Pbt,t為儲(chǔ)電裝置的區(qū)域性有功功率,kW。

2.1.2 天然氣能量流動(dòng)平衡

天然氣能量的流動(dòng)主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和生活用氣兩大領(lǐng)域,天然氣儲(chǔ)氣罐可以隨時(shí)充放氣,滿(mǎn)足天然氣在綜合能源網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)流動(dòng),為天然氣能源的負(fù)荷供給提供了保障功能[15]。式(2)為天然氣能源在網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)平衡公式:

Wt+Wgs=WLt+WGTt

(2)

式中:Wt為天然氣井在t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的有功功率,kW;Wgs為代表天然氣在儲(chǔ)氣罐的有功功率之和,kW;WLt為所有天然氣產(chǎn)生的區(qū)域性負(fù)荷;WGTt為天然氣機(jī)組的有功功率之和,kW。

2.1.3 熱力能量流動(dòng)平衡

熱力能量的流動(dòng)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和生活用熱領(lǐng)域,儲(chǔ)熱設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行充放熱,可以避免熱能的過(guò)度流失且保證用熱負(fù)荷的穩(wěn)定。對(duì)于熱力能量的流動(dòng)平衡公式如下所示:

Qt+QGTt=QLt

(3)

式中:Qt為熱力機(jī)組產(chǎn)生的有功功率之和,kW;QGTt為燃?xì)鈾C(jī)組的有功功率之和,kW;QLt為熱力能量流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷之和,kW。

2.1.4 其他綜合能量流動(dòng)平衡

電-氣能量的耦合是綜合綠色能源,能量由電能轉(zhuǎn)化為天然氣,可以減少天然氣井的開(kāi)采。式(4)為電能向天然氣能流動(dòng)的平衡公式:

Wt=∝Pt/H

(4)

式中:∝為電能向天然氣能流動(dòng)的效率;H為天然氣熱值,J/kg。

電-熱能量的耦合是由熱電機(jī)組和電鍋爐兩大設(shè)備組成的,可以避免其中任意一項(xiàng)能量的應(yīng)用高峰。式(5)為電-熱能量流動(dòng)平衡公式:

Qt=βPt

(5)

式中:β為電能與熱能之間的轉(zhuǎn)換效率。

電-熱-氣能量的耦合可以全面性提高綜合能量的應(yīng)用效率,其能量流動(dòng)平衡公式如下:

Pt=βWtH

(6)

Qt=δWtH

(7)

式中:β為燃?xì)鈾C(jī)組中天然氣與電能之間的轉(zhuǎn)換效率;δ為燃?xì)鈾C(jī)組中天然氣與熱能之間的轉(zhuǎn)換效率。

2.2 綜合能源信息服務(wù)數(shù)據(jù)控制

對(duì)信息進(jìn)行優(yōu)化控制,得到優(yōu)化控制模型。在進(jìn)行控制前建立約束條件:

(8)

根據(jù)約束條件,建立多個(gè)區(qū)域下的綜合能源信息服務(wù)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng),分別在每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)定相應(yīng)的能量流動(dòng)平衡公式,公式內(nèi)容如下:

Si=Si-1+Si-2+Si-3+…+Sn

(9)

式中:Si為i區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的能量;n為綜合能源信息服務(wù)系統(tǒng)中共有n個(gè)區(qū)域。眾多綜合能源管理區(qū)域中的服務(wù)數(shù)據(jù)可以在云平臺(tái)中生成控制方案,利用云平臺(tái)的協(xié)調(diào)能力保障多個(gè)區(qū)域?qū)C合能源的合理運(yùn)用。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于云平臺(tái)的綜合能源信息服務(wù)框架的實(shí)際應(yīng)用效果,進(jìn)行實(shí)例分析。分別探究綜合能源信息服務(wù)框架的能耗、運(yùn)營(yíng)成本、對(duì)智能終端的需求響應(yīng)和運(yùn)維狀態(tài)。選用本文的服務(wù)框架對(duì)綜合能源進(jìn)行系統(tǒng)性的分析與規(guī)劃,根據(jù)能源分析結(jié)果、時(shí)空分析結(jié)果和指標(biāo)分析結(jié)果建立維度,實(shí)現(xiàn)維度的統(tǒng)一化管理,對(duì)不同的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合仿真,通過(guò)協(xié)同優(yōu)化和信息評(píng)價(jià)得到能量的流動(dòng)狀態(tài),從橫向進(jìn)行能源之間的互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化,從縱向?qū)崿F(xiàn)能源之間的分層協(xié)調(diào)優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)規(guī)劃的綜合能源系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 綜合能源系統(tǒng)

對(duì)于能源信息服務(wù)框架來(lái)說(shuō),能耗是核心問(wèn)題,使用本文服務(wù)框架對(duì)用戶(hù)的能耗進(jìn)行感知,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 能耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖5可知,電能日產(chǎn)量低于3.5萬(wàn)kW·h,本文提出的服務(wù)框架能夠同時(shí)連接儲(chǔ)能中心、數(shù)據(jù)中心和通信中心,通過(guò)統(tǒng)一建設(shè)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維和管理,采用貫通式連接滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的不同要求,本文采用的儲(chǔ)能方式為云儲(chǔ)能方式,能夠有效將綜合能源客戶(hù)端的分散性能源集中在云端,通過(guò)虛擬儲(chǔ)能方式來(lái)代替實(shí)體儲(chǔ)能方式,在不同的時(shí)間和空間內(nèi),綜合能源都可以得到很好地復(fù)用,從而有效降低能耗,同時(shí)能夠減少?gòu)?fù)雜的安裝工作和維護(hù)工作。

運(yùn)營(yíng)成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)營(yíng)成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1可知,本文提出的服務(wù)框架能夠有效降低運(yùn)營(yíng)成本。本文設(shè)計(jì)的服務(wù)框架利用云平臺(tái)技術(shù)對(duì)能源的電流和電壓以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面分析,在對(duì)用電行為進(jìn)行感知時(shí),通過(guò)工況監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)全時(shí)段的精細(xì)化分析,有效降低運(yùn)行成本。

對(duì)智能終端的需求響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 需求響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖6可知,在引入本文的服務(wù)框架之前,電力負(fù)荷的需求響應(yīng)時(shí)間在0.05～0.10 s波動(dòng),而在引入本文設(shè)計(jì)的服務(wù)框架之后,需求響應(yīng)低于0.01 s,能夠在短時(shí)間快速響應(yīng)各種不同的要求,達(dá)到響應(yīng)分析。綜上所述,本文提出的服務(wù)框架具有極好的需求響應(yīng)能力,通過(guò)云平臺(tái)連接大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)挖掘用戶(hù)的潛在能力,利用激勵(lì)性互動(dòng)機(jī)制對(duì)信息進(jìn)行有效分析,通過(guò)分布式設(shè)備實(shí)現(xiàn)多能源融合需求響應(yīng),從而保證能源信息運(yùn)行的靈活性,保證綜合能源運(yùn)行的穩(wěn)定性。

運(yùn)維狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖7可知,本文提出的服務(wù)框架內(nèi)部的協(xié)同設(shè)備和服務(wù)器能夠協(xié)調(diào)配合,從而確保服務(wù)框架的運(yùn)維效果,云平臺(tái)內(nèi)部強(qiáng)大的計(jì)算性能能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)要求,同時(shí)配備文字和圖像識(shí)別功能以及大數(shù)據(jù)處理功能,連接服務(wù)邊緣,從而提供更加高效的運(yùn)維服務(wù)。云端與設(shè)備之間連接,在對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)維分析時(shí),可以快速檢測(cè)到運(yùn)行過(guò)程中存在的故障與缺陷,通過(guò)現(xiàn)代化的管理向客戶(hù)展示多元化的技術(shù)服務(wù)。

圖7 運(yùn)維狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)

綜上所述,本文提出的基于云平臺(tái)的綜合能源信息服務(wù)框架具備很強(qiáng)的分析能力,能夠協(xié)調(diào)控制,完成負(fù)荷數(shù)據(jù)優(yōu)化,根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性,給出合適的調(diào)配方案,從而提高綜合能源的機(jī)組備用容量,確保能源能夠更好地交互,提高能源的利用效率,降低綜合能源信息服務(wù)能耗,減少工作過(guò)程的運(yùn)行成本。在引入云平臺(tái)后,大數(shù)據(jù)可以在云端得到更好的處理,通過(guò)建立更好的約束條件,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度,保證運(yùn)行過(guò)程的安全性,增強(qiáng)綜合能源信息服務(wù)框架需求側(cè)的彈性。

4 結(jié) 論

綜合能源信息服務(wù)框架對(duì)綜合能源在多個(gè)區(qū)域內(nèi)的合理運(yùn)用起到?jīng)Q定性作用,框架中的每條控制指令均是綜合能源的最終執(zhí)行指令,為了能夠優(yōu)化綜合能源信息服務(wù)框架,本文基于云平臺(tái)做出以下研究:

(1)從系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和云平臺(tái)架構(gòu)三方面搭建了綜合能源信息服務(wù)框架,全面增強(qiáng)了綜合能源信息在架構(gòu)系統(tǒng)中的可識(shí)別程度、個(gè)性化程度和信息感應(yīng)程度。

(2)在云平臺(tái)中對(duì)電力能量、天然氣能量、熱力能量以及三種能量的耦合能量進(jìn)行了流動(dòng)平衡數(shù)據(jù)管理和控制,增加了服務(wù)框架的數(shù)據(jù)處理能力和綜合運(yùn)用能力。

在未來(lái)的發(fā)展中,綜合能源種類(lèi)和用途將更為廣泛,所以還需要對(duì)服務(wù)框架進(jìn)行多領(lǐng)域協(xié)同智能管理方面發(fā)展,滿(mǎn)足服務(wù)框架的智能性和多樣性需求。