淺談基于云平臺的能效管理系統(tǒng)研究及應(yīng)用

時間：2022-07-04作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：152

【摘要】通過分析云平臺的基本特點與能效管理系統(tǒng)平臺特性，提出了基于云平臺的能效管理服務(wù)系統(tǒng)。介紹了應(yīng)用云平臺的能效管理服務(wù)系統(tǒng)的背景和意義，設(shè)計了云平臺能效管理系統(tǒng)的框架和**功能，并對各功能模塊進行了詳細說明；分析了 能效數(shù)據(jù)采集傳輸和存儲、能效實時監(jiān)控、能效分析等需求側(cè)管理;通過工程應(yīng)用展示云服務(wù)能效管理系統(tǒng)在用電管理和能效分析方面實現(xiàn)的社會效益、管理效益與經(jīng)濟效益等節(jié)能成果。

關(guān)鍵詞：云平臺；能效管理；能效監(jiān)控；能效分析
0  引言
當前，企事業(yè)用電仍以傳統(tǒng)的能效管理系統(tǒng)為主,對電能仍實行粗放型管理。此外，這些管理系統(tǒng)的建設(shè)普遍存在規(guī)劃不合理、硬件資源浪費嚴重、設(shè)備使用率低、安全性和共享性差等問題。在加強節(jié)能的舉措中，重要的一點就是提高企事業(yè)單位用電能效管理水平，以輔助實現(xiàn)節(jié)能的目的。因而，在企事業(yè)單位中,尤其是高能耗的企業(yè)當中，推廣用電能效管理和監(jiān)控的信息化、可視化，以管理的手段深入挖掘用電的節(jié)能潛力是非常有必要的。
另外，傳統(tǒng)能效管理系統(tǒng)需要企事業(yè)單位自行組織人力物力搭建起一套完整的運行環(huán)境，包括運行系統(tǒng)所需要的服務(wù)器硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)以及與之相關(guān)的軟件資源。對企事業(yè)單位而言，這是一項巨大的前期成本投入，而后期的設(shè)備與系統(tǒng)的維護也需要巨大的成本支持。與此同時還伴隨有系統(tǒng)潛在的可靠性、安全性等風險。
基于云平臺的能效系統(tǒng)釆用的云計算是一種新型的計算模型K',具有可靠性和安全性能高、**大數(shù)據(jù)存儲處理、靈活的可維護性即可擴展性、資源利用效率高等優(yōu)勢，針對企事業(yè)用戶可通過提供便捷的能效管理云服務(wù),節(jié)省企業(yè)前期采購成本和后期維護成本，保證數(shù)據(jù)的共享性與安全性，結(jié)束原有小、散、亂的局面，提升企事業(yè)單位的能效管理、監(jiān)控以及優(yōu)化水平。
1  云平臺能效管理系統(tǒng)簡介
基于云計算技術(shù)基礎(chǔ)的能效管理云服務(wù)系統(tǒng),是結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和分布式控制技術(shù),并以服務(wù)接口的方式為企事業(yè)單位 提供能效管理服務(wù)的平臺。其充分利用網(wǎng)絡(luò)計算資源,實現(xiàn)可靠的電能數(shù)據(jù)采集、存儲和分析等；具有風險性低、易擴展等特性;在此基礎(chǔ)上建立完善的能耗監(jiān)測、管理體系，來實現(xiàn)能源消耗動態(tài)過 程的信息化、可視化、可控化，對企業(yè)生產(chǎn)過程中能源消耗的結(jié)構(gòu)、過程及要素進行精細化管理,進一步提高能源使用效率。
1.1云平臺能效管理系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)
基于云平臺能效管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)如 圖1所示。

基于云平臺能效管理系統(tǒng)包含以下幾個組成 部分:用戶設(shè)備監(jiān)控與數(shù)據(jù)釆集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路層、云平臺能效管理服務(wù)層和用戶服務(wù)層。
用戶設(shè)備監(jiān)控與數(shù)據(jù)釆集層由各類智能可通 信數(shù)據(jù)采集器、測控裝置、保護裝置等構(gòu)成。并通過通信管理機(協(xié)議轉(zhuǎn)化、規(guī)約轉(zhuǎn)化、集線器功能)將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺云端。
網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路層提供用戶設(shè)備信息通向云端的鏈路。
云平臺能效管理服務(wù)層由云傳輸中心、云數(shù)據(jù)中心和云應(yīng)用中心組成。云傳輸中心保證遠程通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?云數(shù)據(jù)中心提供對用戶大規(guī)模設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲預處理;云應(yīng)用中心提供給用戶群訪問接口，同時對用戶服務(wù)、用戶權(quán)限進行管理。
1.2能效管理云平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用
通過云平臺訪問服務(wù)接口(SaaS-軟件即服 務(wù))，用戶可以遠程監(jiān)控設(shè)備的負荷管理,進行能 效分析與診斷，智能優(yōu)化調(diào)度,實時處理故障，瀏覽曲線走勢報表與故障告警信息⑸云平臺業(yè)務(wù)層次框圖如圖2所示。
 

 
  (1)負荷管理:企事業(yè)單位或樓宇管理用戶可以根據(jù)能效管理云服務(wù)系統(tǒng)，實時查看設(shè)備的負荷特性和當前負荷、實際申報需量、峰/谷時段等，智能優(yōu)化大功率設(shè)備的投切方案，從而達到較大負荷、削峰填谷的作用，獲得一定的經(jīng)濟效益。
（2）能效分析診斷:用戶通過能效管理云服務(wù)提供的能效分析診斷模塊,針對用戶變壓器平均負 載率、日平均功率、日負荷率進行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采樣結(jié)果進行統(tǒng)計分析和智能診斷, 為優(yōu)化運行方式、優(yōu)化能耗配置，減少電能損耗提供支持。同時,分析排查能源利用方面存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)、挖掘節(jié)能潛力、尋找節(jié)能方向。
（3）智能優(yōu)化調(diào)度:該項服務(wù)根據(jù)用戶的生產(chǎn)特點、工藝特性和設(shè)備耗電曲線，智能計算生成推薦的生產(chǎn)排班和設(shè)備投切計劃,利用分時電價政策，在節(jié)約電費的同時，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的 “削峰填谷”。
（4）遠程實時監(jiān)控:實時監(jiān)測和顯示企業(yè)能 耗分布、流向信息。通過計算、處理診斷每個能耗監(jiān)測點的能耗效率和損耗情況。
（5）曲線走勢報表:報表分析、統(tǒng)計，可以對不同能耗設(shè)備進行橫向?qū)Ρ?，或者同類設(shè)備按時間縱向?qū)Ρ?，反饋給企業(yè)管理者，了解企業(yè)的能源管理水平及用能狀況。
（6）故障告警信息:監(jiān)測能耗異常報警、*分析預案處理。
1.3能效管理云平臺訪問應(yīng)用
由美國國家標準研究院(NIST)提出并被廣泛應(yīng)用的云架構(gòu)包含3個基本層次血：基礎(chǔ)設(shè)施層(Infrastructure Layer )、平臺層(Platform Layer) 和應(yīng)用層(Application Layer) 0云平臺能效管理系統(tǒng)架構(gòu)層次圖如圖3所示。
 

在云平臺能效管理系統(tǒng)的云架構(gòu)層次中，每層的功能都以服務(wù)的形式提供出來，進而出現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(Infrastructure as a Service,laaS)、平臺服務(wù)(Platform as a Service, PaaS )和軟件服務(wù) (Software as a Service, SaaS )的概念。
laaS是將基本的基礎(chǔ)設(shè)施資源提供給用戶的 服務(wù)。用戶*自行購買、維護硬件設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)軟件，就可以直接在基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層上獲取自己需求的服務(wù)。
PaaS交付給用戶豐富的云中間件資源，包括應(yīng)用運行時環(huán)境、共享服務(wù)以及自動化管理服 務(wù)等。
SaaS是指服務(wù)提供商以Web Service的方式向用戶交付軟件的服務(wù)。對于軟件服務(wù)提供商而言,由于與軟件相關(guān)的所有資源都放在云中，便于進行軟件的部署和升級，因此軟件產(chǎn)品的生命周期不再明顯。
云平臺能效管理系統(tǒng)提供給用戶SaaS。采用這種服務(wù)交互模式無論是在商業(yè)上還是技術(shù)上都是一個巨大變革。在能效管理過程中，用戶不再需要關(guān)心硬件設(shè)備的搭建、軟件的安裝升級，以及后續(xù)的IT人員專職系統(tǒng)維護，較不需要預算成本，僅僅根據(jù)用戶的使用范圍和用戶權(quán)限進行“按需付費”。
1.4 能效管理云平臺優(yōu)勢
基于云平臺的能效管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)能效管理相比，具有多方面特殊優(yōu)勢。
(1)有效管理性:能效管理系統(tǒng)包括對設(shè)備運行狀況的監(jiān)控系統(tǒng)、降低系統(tǒng)故障率的維護系統(tǒng)。能效管理云系統(tǒng)提供給用戶可視化遠程互動操作界面，根據(jù)系統(tǒng)檢測業(yè)務(wù)負載,有效增減資源進行調(diào)度，同時也有效保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全等。
（2）負載可伸縮性:通過云平臺能效管理系統(tǒng)，并依據(jù)系統(tǒng)使用負載變化的能力，在負載變大或減小時,利用網(wǎng)絡(luò)計算資源,釆用節(jié)能算法，實時進行智能調(diào)整以適應(yīng)負載。
（3）可靠性:指一個組件或系統(tǒng)執(zhí)行其功能的能力，系統(tǒng)成功完成*功能的概率是衡量系統(tǒng)可靠性的常用指標。云平臺能效管理系統(tǒng)采集 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，均存在云端，保證數(shù)據(jù)讀寫的可靠就是保證系統(tǒng)的質(zhì)量,基于云平臺對能效系統(tǒng)可靠性的重要性不言而喻。
（4）安全性:對于云平臺應(yīng)用,可能有大量用戶會在統(tǒng)一時間訪問系統(tǒng),對每個用戶的數(shù)據(jù)安全性要求相當髙，敏感的企業(yè)成本數(shù)據(jù)較是如此, 因此在設(shè)計系統(tǒng)時,需嚴格將各企業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隔離，從數(shù)據(jù)級和應(yīng)用級多個層面保證不同企業(yè)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互獨立、安全。
（5）多用戶有效性:傳統(tǒng)的軟件運行和維護模式要求軟件被部署在用戶所購買或租用的硬件資源當中，大多服務(wù)于特定的個人用戶或者企業(yè)用戶。在云計算環(huán)境中，更多的軟件以SaaS的方式發(fā)布出去，提供給更多的企業(yè)用戶共享使用，對用戶組進行統(tǒng)一的管理與維護，節(jié)約用戶成本的同時,實現(xiàn)多用戶使用的有效性。
（6）開放性共享性:基于云平臺能效管理系統(tǒng)除了面向企業(yè)、樓宇等耗能用戶外，還面向?qū)ν庀到y(tǒng)(如區(qū)域能源管理調(diào)度中心或其他公司行政部門)，與外系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換c因此，本文介紹的系統(tǒng)，設(shè)計統(tǒng)一的標準接口來預留與外系統(tǒng)的通信途徑，從而實現(xiàn)跨用戶、跨區(qū)域數(shù)據(jù)共享,便于能源中心對資源進行實時調(diào)整和優(yōu)化。
（7） 低成本性:企業(yè)管理和運營軟件系統(tǒng)正逐漸伸展到企業(yè)業(yè)務(wù)和管理的各個角落，導致企業(yè)在軟件系統(tǒng)維護上的人力和物力成本日趨增多。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,企業(yè)日常運營越來越依賴于軟件系統(tǒng)平臺。基于云平臺的能效管理系統(tǒng)可以有效降低企業(yè)能效管理成本。首先是能效管理軟件系統(tǒng)建設(shè)初期的投入大幅減少,不再需要進行巨大的成本一次性投資，避免初期對軟硬件資源的過分投入。另外，對企業(yè)用戶來說，云平臺可以幫助實現(xiàn)應(yīng)用的自動化管理，且*單獨配置維護人員，直接減低了企業(yè)對系統(tǒng)的維護成本。
 
2  工程應(yīng)用分析
2.1工程概況
工程應(yīng)用案例以某電器生產(chǎn)基地基于云平臺能效管理系統(tǒng)為例。該基地云平臺能效管理系統(tǒng) 圖如圖4所示。
 

該生產(chǎn)基地分布式儲能系統(tǒng)、智能樓宇控制 系統(tǒng)、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、分布式風電系統(tǒng)、智能電器及系統(tǒng)以及負荷監(jiān)控系統(tǒng),通過分布于基地內(nèi)的通信管理機來實現(xiàn)與基于云平臺的企業(yè)電能管理云服務(wù)的通信?；貎?nèi)不需建設(shè)覆蓋全廠區(qū)和配電房的通信專網(wǎng)，也不需架設(shè)本地服務(wù)器, 只要在互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域登錄云平臺能效管理系統(tǒng)公共服務(wù)界面，并經(jīng)過系統(tǒng)用戶驗證后即可應(yīng)用能效管理云服務(wù)提供的各項功能。
2.2 應(yīng)用分析
（1）需量控制:作為綜合性工業(yè)園區(qū),為對該生產(chǎn)基地能耗進行統(tǒng)一管理和優(yōu)化,需通過能耗的度量模型、測量方法和分析優(yōu)化算法，針對不同時段選擇與實際電容量相匹配的方案，降低支付給電力公司的用電容量費用。.
通過搭建云平臺能耗管理系統(tǒng)，采用云計算技術(shù)，統(tǒng)計用電負荷數(shù)據(jù)、釆取大數(shù)據(jù)分析進行能 耗度量測量、模型方法和優(yōu)化算法的實現(xiàn)和驗證。
（2）用電分析:通過云平臺能效管理系統(tǒng)，用戶無論何時何地即可通過Web訪問，并對數(shù)據(jù)庫內(nèi)一定時期的用電量數(shù)據(jù)分析，采用圖表形式查看各個車間或高能耗設(shè)備的用電情況，根據(jù)電價浮動自動合理調(diào)節(jié)負載的運行模式，自動、合理調(diào)節(jié)負載，既可以降低用戶的用電費用，也可以幫助 電網(wǎng)削峰填谷。
生產(chǎn)基地用電量對比曲線圖如圖5所示。
 

(3)多用戶遠程監(jiān)控與用電預測：云平臺提供SaaS,實現(xiàn)多用戶異地實時監(jiān)控能耗及查看遠程報警信息;通過能耗、趨勢分析發(fā)現(xiàn)用電不合理之處并提出改進建議，提岀合理的大需量值，達到節(jié)能降耗、經(jīng)濟用電的目的。
(4)智能負荷優(yōu)化與削峰填谷:通過云平臺提供的大數(shù)據(jù)云計算技術(shù),采用算法對當前系統(tǒng)進行負荷優(yōu)化。
以該基地A區(qū)二樓辦公區(qū)域夏季空調(diào)電能監(jiān)控負荷優(yōu)化為例,優(yōu)化前負荷曲線如圖6所示。 (夏季一周內(nèi)日平均數(shù)據(jù)值)
 

應(yīng)用基于云平臺能效管理系統(tǒng)，對負荷進行歷史數(shù)據(jù)分析、對當前電力負荷進行預測與需量控制，實時優(yōu)化用電負荷，根據(jù)用電時段(電價時段階梯)自動調(diào)節(jié)當前負載的運行模式，既滿足降低用電成本，同時協(xié)助用戶進行電網(wǎng)的“削峰 填谷”。基于云平臺能效管理系統(tǒng)優(yōu)化后的負荷曲線圖如圖7所示。
 

以峰時(8 ~11時)3 h用電平均值250 kWh 為例,A區(qū)二樓即可節(jié)約電費：(1.044 -0.513) (元/kWh) x250 kWh/d = 132 元/d。初步估算若 整個生產(chǎn)基地有10個類似空調(diào)區(qū)域，通過云平臺 能效管理系統(tǒng)做到低谷時段用電,則一年僅空調(diào) 用電(按6個月統(tǒng)計)即可節(jié)約24萬元。
 
3 安科瑞能耗云平臺結(jié)構(gòu)
 

 
4 云平臺功能 
 
  

 
5 云平臺配置
 



6 結(jié)語
本文提出基于云平臺能效管理云服務(wù)模式,通過前文介紹和應(yīng)用案例,企業(yè)能夠有效地低成本，有效率地應(yīng)用負荷管理,遠程實時監(jiān)控，電能能效分析等，從而實現(xiàn)“削峰填谷”的社會效益和節(jié)電、節(jié)費的經(jīng)濟效益。此外，基于云平臺能效管理云服務(wù)還可從以下幾個方面有效推動能效需求側(cè)管理，有助于實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。
(1)基于云平臺能效管理系統(tǒng)，企事業(yè)單位用戶通過對高電耗用能設(shè)備進行遠程實時監(jiān)控, 采集監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù),為合作的專業(yè)節(jié)能設(shè)備公司 提供有**的能耗數(shù)據(jù)，有助于這些設(shè)備企業(yè)采 取積極措施，研發(fā)并升級節(jié)能技術(shù),為進一步降低設(shè)備能耗做準備。
(2)基于云平臺電能能效管理云服務(wù)數(shù) 據(jù)中心可以匯總使用云服務(wù)的企事業(yè)單位用戶的用電數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析，為公司相關(guān)部門提供宏觀層面的企業(yè)能效數(shù)據(jù)，進一步掌握所轄范圍內(nèi)企事業(yè)單位節(jié)能減排執(zhí)行情況， 并有計劃化地改造或淘汰落后用電企業(yè)，為進一步實施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、淘汰落后產(chǎn)能提供數(shù)據(jù)支持。

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