基于CPS架構(gòu)的商業(yè)樓宇負(fù)荷參與電網(wǎng)互動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

姜明軍，任明遠(yuǎn)，周海軍，陳思行

（國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州，730030）

近年來，我國商業(yè)樓宇的總量和能耗量都在隨著經(jīng)濟(jì)分飛速發(fā)展的快速增長。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止至2018年，我國的建筑總面積就超過了六百億，且年增長率超過4%，其中商業(yè)樓宇就占了15%。但僅僅這15%的比例，卻消耗了三分之一的能耗，其單位能耗是其他建筑的兩倍之多。因此，建立一個(gè)科學(xué)的商業(yè)樓宇的智能節(jié)能管理系統(tǒng)，將樓宇內(nèi)的用能設(shè)備進(jìn)行柔性整合，參與電網(wǎng)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的資源配置，在節(jié)能的同時(shí)還能夠電網(wǎng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。基于數(shù)字化的CPS技術(shù)，推動(dòng)商業(yè)樓宇用能設(shè)備、系統(tǒng)間的潛在聯(lián)接，提高商業(yè)樓宇的智能用能控制能力，對(duì)降低能耗，提高電力綜合效能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)概念與應(yīng)用場景

■1.1 系統(tǒng)概念

作為信息物理系統(tǒng)的最小單元，單元級(jí)CPS可以通過智能用能終端實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等的動(dòng)態(tài)信息感知，并基于“感知―分析―決策―執(zhí)行”的數(shù)據(jù)執(zhí)行模式，實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)化、指令下達(dá)和動(dòng)作完成的工作。

對(duì)于CPS系統(tǒng)來說，可以分為兩個(gè)層級(jí)，其一是系統(tǒng)級(jí)CPS，它是通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將智能能源網(wǎng)關(guān)和整個(gè)能源的管理系統(tǒng)相連接。通過這種連接，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大范圍、寬領(lǐng)域的自動(dòng)流動(dòng)，最終串聯(lián)起多個(gè)單元級(jí)的CPS。通過這種串聯(lián)，可以為資源優(yōu)化配置提供現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)最終決策的精度和深度。系統(tǒng)級(jí)的CPS更多的應(yīng)用在樓宇的能效分析、診斷以及控制性方面。其二是平臺(tái)級(jí)CPS，它是由多個(gè)系統(tǒng)級(jí)的CPS有機(jī)結(jié)合而成，其承擔(dān)著更高難度的工作，主要包括管理系統(tǒng)的主站以及負(fù)荷聚合商子站兩種重要站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)樓宇用能的系統(tǒng)性協(xié)同優(yōu)化。除此以外，通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)甚至跨平臺(tái)的互聯(lián)，在一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息的“感知―分析―決策―執(zhí)行”。

■1.2 應(yīng)用場景

電網(wǎng)在融合CPS技術(shù)后，商業(yè)樓宇負(fù)荷參與電網(wǎng)互動(dòng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CPS的電網(wǎng)供需信息交互架構(gòu)

整個(gè)信息交互架構(gòu)基于智能服務(wù)平臺(tái)來運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)監(jiān)測各個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS的負(fù)荷狀態(tài)，并對(duì)這些狀態(tài)進(jìn)行分析控制。要實(shí)現(xiàn)上述功能，離不開大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的支撐，系統(tǒng)需要深度學(xué)習(xí)后才能夠更快的響應(yīng)能耗的變化，輸出資源的調(diào)度計(jì)劃，將能源的利用率最大化。通過整合，省去交接過程的損耗，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)及CPS的自能用能管控。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于CPS的商業(yè)樓宇電力網(wǎng)的融合系統(tǒng)如圖2所示。對(duì)于單元及CPS來說，其本質(zhì)就是通過一系列的軟件來對(duì)監(jiān)控實(shí)體進(jìn)行狀態(tài)感知，并通過數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)該實(shí)體的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的控制閉環(huán)。為了更好的實(shí)現(xiàn)與外界的信息交互，單元級(jí)CPS往往都具備通信的功能。對(duì)于商業(yè)樓宇電網(wǎng)來說，每一個(gè)智能用電設(shè)備就代表一個(gè)最小CPS單元，基于智能用能終端就實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的控制。

事實(shí)上，由于商業(yè)樓宇由諸多人員、設(shè)備和物體所構(gòu)成，因此單元級(jí)CPS不可能單獨(dú)存在的。一個(gè)樓宇內(nèi)的能源管理系統(tǒng)管理一個(gè)公司的負(fù)載設(shè)備的過程，都是多個(gè)智能符合設(shè)備功能作用的結(jié)果，最終通過系統(tǒng)性的網(wǎng)絡(luò)連接形成一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的CPS體系架構(gòu)。

圖2 基于CPS的商業(yè)樓宇電力網(wǎng)的融合系統(tǒng)

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)CPS來說，其集成了多個(gè)單元級(jí)CPS的監(jiān)測處理循環(huán)，在局部區(qū)域形成了電力資源的合理再分配。除了具有單元CPS的功能外，還可以通過互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)樓宇等多設(shè)備協(xié)調(diào)。由于系統(tǒng)級(jí)CPS的層級(jí)在單元級(jí)之上，因此，通過互聯(lián)互通，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單元級(jí)的管理，這個(gè)管理主要包括系統(tǒng)的識(shí)別、更新以及刪除等。而另一個(gè)作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)視并診斷各個(gè)單元級(jí)CPS是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常以及后續(xù)的使用能力。

3 系統(tǒng)優(yōu)化管控策略

系統(tǒng)級(jí)的融合模型的參與對(duì)象就包括了電網(wǎng)、商業(yè)樓宇和供電側(cè)的設(shè)備這三個(gè)方面。對(duì)于電網(wǎng)方面，首要的是獲取樓宇和供電側(cè)的數(shù)據(jù)信息，并基于這些信息進(jìn)行分析，向樓宇的使用端和電廠的供電端分別發(fā)布指令，將匹配后的電能輸入系統(tǒng)。商業(yè)樓宇的智能控制可以分為兩個(gè)階段，其一是日前階段，這一階段需要基于收集的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)PSO算法得到最優(yōu)的調(diào)控參數(shù)；二是在日內(nèi)階段，主要內(nèi)容則是對(duì)實(shí)際實(shí)時(shí)的參數(shù)進(jìn)行管控，一旦出現(xiàn)異常，立即反饋，通過系統(tǒng)的補(bǔ)償對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。

一般來說，用電設(shè)備與電網(wǎng)的互動(dòng)方式主要是通過調(diào)整用電設(shè)備的負(fù)荷行為習(xí)慣。對(duì)于單臺(tái)設(shè)備來說，其負(fù)荷的特性僅與該用戶的使用行為密切相關(guān)，包括用戶的使用習(xí)慣、特殊化需求以及續(xù)航能力等方面。而對(duì)于設(shè)備群來說，其負(fù)荷的特性還會(huì)收到設(shè)備的尺寸、數(shù)量、規(guī)格等參數(shù)的影響，具體表現(xiàn)如下：

（1）用戶的需求。以洗衣機(jī)為例子，具體表現(xiàn)在用戶的用水量、洗滌數(shù)量以及使用頻率等；

（2）使用習(xí)慣。部分用戶在購置設(shè)備時(shí)，會(huì)有一些型號(hào)、大小等偏好。正是由于有一大堆不同客戶的使用習(xí)慣將會(huì)直接影響到用電負(fù)荷分布的多樣性；

（3）設(shè)備的規(guī)模：是指一個(gè)商業(yè)樓宇內(nèi)部用電設(shè)備的總數(shù)，會(huì)受到到電器的購置成本、使用編輯寫以及壽命等因素的影響。

（4）壽命方面。以一款電熱水器為例，其使用壽命往往受到電熱水器的內(nèi)膽材料、水箱的容量、自來水的檢測等因素。

經(jīng)過多次的研討發(fā)現(xiàn)，大部分的用電設(shè)備的操作只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)。因此對(duì)于該系統(tǒng)直接采用相對(duì)簡單的BPSO算法，其中0代表設(shè)備關(guān)閉，1則代表開，通過監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。基于此，可以降低業(yè)主以及用戶的用電成本，也能夠提高人們的舒適度和參與度。設(shè)備群的運(yùn)作過程設(shè)備群的開關(guān)往往是不斷調(diào)整的，以15min為一個(gè)區(qū)段進(jìn)行離散型搜索，及時(shí)調(diào)整用能情況。

4 電力CPS的研究挑戰(zhàn)

（1）系統(tǒng)仿真算法。這種算法是分析系統(tǒng)的狀態(tài)特征，進(jìn)行監(jiān)控調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置的重要工具。針對(duì)不同的商業(yè)樓宇系統(tǒng)，就必須對(duì)應(yīng)的去研究一個(gè)能夠與之相匹配的仿真算法來滿足節(jié)能用能的需求。仿真算法的分類也多種多樣，其中，最適用于商業(yè)樓宇的為分布式算法，這種算法可以與云計(jì)算平臺(tái)相匹配，相適應(yīng)。

（2）安全性。從廣義上說，電網(wǎng)的CPS是我國的一大關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施，直接關(guān)系到諸多群眾的用電安全和穩(wěn)定，因此，安全是不可忽略的一大問題。安全性包括設(shè)備自身的影響以及信息系統(tǒng)的影響，前者主要如電壓穩(wěn)定性、擾動(dòng)穩(wěn)定性等，而后者則更為關(guān)鍵，除了要關(guān)注隨時(shí)隨地可能會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)的隨機(jī)性故障，也要識(shí)別到人為攻擊的預(yù)防維護(hù)。人為攻擊的手段主要兩種，一種是線下的物理攻擊，直接將電力系統(tǒng)的設(shè)備破壞掉，另一種防范難度更大，為利用黑客技術(shù)的虛擬攻擊。需要明確的是，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的安全性之間是相互影響的，必須進(jìn)行融合研究，構(gòu)筑統(tǒng)一的電力CPS安全理論。

（3）系統(tǒng)規(guī)劃與調(diào)度。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，必須將如何更好的通過嵌入傳感設(shè)備來提高系統(tǒng)的規(guī)劃和調(diào)度能力作為重點(diǎn)工作來突破，并配合相適配的操作系統(tǒng)以及程序。未來的電力系統(tǒng)必然是朝向信息化方向發(fā)展，電力CPS的調(diào)度問題需要考慮的更多的平衡點(diǎn)，對(duì)于智能負(fù)荷的要求更高。分布式的電源、電動(dòng)汽車等設(shè)備的接入會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)，而提高隨即優(yōu)化性則是解決這一問題的關(guān)鍵點(diǎn)。

5 應(yīng)用實(shí)例

■5.1 實(shí)例背景

將商業(yè)樓宇用能智能管理系統(tǒng)用于A城市某建筑大樓，該樓宇供冷采用中央空調(diào)，空調(diào)的總功率為580KW。根據(jù)用戶反饋，每年的4～10月份為中央空調(diào)開啟時(shí)間，年運(yùn)行約6個(gè)月。冷水機(jī)組的工況為冷凍水進(jìn)水溫度12℃，出水溫度為7℃。A城市各月平均溫度如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，在4～10月間，平均溫度在22～29℃波動(dòng)，在溫度最高的七月，逐日的溫度波動(dòng)為23～35℃，總體上，溫度波動(dòng)較大。但是冷水機(jī)組卻一致維持進(jìn)水12℃，出水7℃的工作條件，在溫度較低之時(shí)，就容易造成不必要的能耗浪費(fèi)。

圖3 A城市各月平均溫度

■5.2 實(shí)例效果

在2019年6月22日正式引入該系統(tǒng)，引入之后的能耗明顯降低，達(dá)到較好的節(jié)能效果。分別選取系統(tǒng)安裝前的6月18日和安裝后的6月23日的中央空調(diào)負(fù)荷以及能耗進(jìn)行對(duì)比，兩日的平均溫度均在28℃附近，其中25日溫度波動(dòng)區(qū)間為23.4～31.3℃，29日為24.1～31.5℃，可以認(rèn)為兩天的天氣條件相當(dāng)，具體對(duì)比如下所示：

（1）中央空調(diào)日負(fù)荷對(duì)比如圖4所示。中央空調(diào)從十點(diǎn)上班開始運(yùn)轉(zhuǎn)，至晚上十點(diǎn)停止運(yùn)行，在安裝系統(tǒng)前，空調(diào)機(jī)組在11：00～20：00區(qū)間內(nèi)都呈現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，安裝系統(tǒng)后，在12：00～17：00之間出現(xiàn)負(fù)荷下降的情況，此為空調(diào)機(jī)組間歇性運(yùn)行的結(jié)果。在滿足室內(nèi)人員溫度需求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)空調(diào)的負(fù)荷，從而提高節(jié)能效果。

圖4 中央空調(diào)日負(fù)荷曲線圖

（2）樓宇耗能對(duì)比如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，通過引入系統(tǒng)，由于自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的生效，樓宇的總耗能出現(xiàn)了階段性的下降，樓宇的耗能減少，節(jié)能效果提升。

圖5 樓宇耗能對(duì)比

6 結(jié)語

本文提出了基于CPS架構(gòu)的商業(yè)樓宇負(fù)荷參與電網(wǎng)互動(dòng)的智能用能控制管理系統(tǒng)，并對(duì)其概念、架構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)電力CPS的未來研究方向作出探討，以期能促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。