基于CPS的樓宇能源系統的供需互動協調控制方法研究

朱國梁 王瑞琪 王 碩

（國網山東綜合能源服務有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

該文針對商業建筑自動化水平低導致的普遍能效低的問題，從商業建筑能耗控制系統建設入手，提出基于CPS的樓宇能源系統的供需互動協調控制方法，為客戶提供全面的能耗解決方案，促進商業建筑能耗設備與系統的對接，提高節能水平[1]。建筑能源系統供需互動協調控制的研究主要集中在終端設備或“源”設備的局部優化上，違背了全球感知的協作，系統整體能耗優化將無法完成；該文探究了樓宇用能的物理場景、空調系統的自動節能控制和參與需求響應系統，建立了空調系統優化決策模式。

1 CPS樓宇能源系統物理感知體系構建

1.1 基于CPS的樓宇能源供需互動友好平臺架構

CPS作為基于物理事件和計算的交互系統的基本單元，通過計算時間的相互作用，提供了多種互操作性和智能化解決方案，可運行于不同的應用領域。在能源運行信息處理過程中，可細分為能源管理系統的門級、站級、域級和過程級。在能源供應管理環節，平臺主要負責集中協調用戶與統一電網的供應關系。可直接與電網管理平臺用戶連接，無須設置操作系統與能源管理系統的接口。能源移動互聯網的實現需要電網各環節的技術支持。平臺系統級CPS平臺是多個系統級CPS的有機功能組合[2]。其主要包括建筑智能工程管理信息平臺主站和超負荷數據聚合供應商子系統站。SOS企業級CPS通過構建大數據聚合平臺，實現多個跨平臺系統和跨企業平臺的信息互聯和交互操作，實現智能協同，商業節點建筑的高效聚合和應用優化。CPS平臺電網信息系統架構如圖1所示。

圖1 基于CPS的電網供需信息交互架構

負荷動態聚合供應商利用智能數據服務器和云計算平臺，對多能源系統集成聯合平臺模型和CPS的系統負荷運行狀態進行統一分析監控、實時綜合分析和集中控制。同時，利用智能數據融合、大數據分析等新技術，制定多個CPS融合系統模型的能源調度管理計劃，實現多個新能源系統資源的優化綜合配置，提高能源綜合利用率，實現CPS平臺智能化綜合用電功能管控[3]。該文構建了支持傳統電力信息網格內部業務的智能云計算服務平臺。實現了自動信息感知、實時數據分析、科學決策、精確自動控制和智能執行的閉環分配系統。完成了快速更換、系統性能優化和電源資源的協同控制。CPS的分配交互是通過分配智能單元軟件的最終信息感知、計算數據分析等功能，自動控制整個傳統物理信息實體及其周圍環境的最終智能狀態。

1.2 樓宇能源供需互動CPS服務節點功能優化

電力能源服務平臺需要CPS的技術，要考慮到服務系統的擴展，需要重新設計針對用戶需求側多元化的互動信息平臺融合及融合策略。互動信息平臺是銜接用戶服務系統與服務終端的重要橋梁，支持采用 openadr服務標準，目前已具備海量用戶數據處理分析能力，在此基礎上，進一步擴展提供高級服務應用，包括用戶需求評估與分析、應急資源管理與調度、可靠性風險評估等。

構建供需服務平臺與其他交互服務終端之間雙向細化的CPS交互調度控制模型，分析參與供需交互的多個用戶的各種觸發點和事件、感知、決策和控制，并建立支持供需信息交互的閉環控制系統[4]。構建CPS服務平臺節點的核心功能體系。它包括傳感器、執行器和計算控制器。為了實現電網側和用戶側各設備之間能夠無時差進行信息通信，在每個CPS核心節點設置事件同步時鐘，以保證每個事件的同步定時。CPS系統節點與電網基礎設施連接，通過節點感知控制單元實時獲取系統運行狀態，并利用系統處理能力對實際電網環境進行反向分析和控制。對用戶運行狀態進行實時感知、采集和報告、協同計算機等處理，幫助所有用戶分析、研究和判斷供電系統未來的變化趨勢。傳統的大型電力系統在后期進行移峰調度管理時，由于缺乏有效的系統用戶信息數據，只能在一定時間內對系統橫斷面進行系統運行分析，而新的CPS能夠準確地給出系統在連續一段時間內的具體運行狀態特征，解決了系統終端用戶信息缺乏的問題。

2 樓宇能源系統的供需互動協調控制管理算法

基于CPS的供需雙向融合互動平臺在高效融合控制系統，可有效感知管理設備的實際工作管理狀態以及自動控制系統周邊環境的不斷變化，為資源調度以及電網緊急事件處理、信息采集發布等管理工作提供更為準確的信息。主要采用的模型是融合系統自動管理模型，構建了融合傳感、通信、計算三個系統一體化的高效融合自動控制系統模型，更好地幫助企業實現需求側自動化的可視化人力調度，使人力資源的融合管理更加高效。然而在售后服務市場逐步完全放開后，系統電源、用戶、負荷的互動協調控制管理和功能更為優化。通過預先自動設定系統配置的控制策略和系統啟動時進行控制管理邏輯，使用戶端能夠自動控制整個電網 CPS 服務功能。系統管理服務終端能夠按照每個服務用戶預先自動設定的負荷電網功能優化系統功能，控制目標進行實時自動調節，例如此時的用戶可以根據整個負荷電網側面的實時網站發布的能源價格變動相關信息，調節整個電網承載負荷的能源變化，P為電荷密度。V為負荷值，CP為電力消耗值,用戶需要從整個電網CPS服務終端中獲取與整個負荷電網、用戶以及電網負荷相關的電網服務產品信息。能源調控的最大功率是（λ，β），手動控制在能源調控機組的額定風速為ω，能源調控機的速度為R，使其隨風速的變化而變化。為了獲得最大功率，能源調控系統必須保持最佳葉尖速比，風能利用率保持在最大值，如公式（1）~公式（3）所示。

從表達式可以看出，能量調節系統的輸出功率d（UPVIPV）與許多因素有關，包括物理因素和氣象因素。對固定能源調節系統，能源調節系統只有一個可變因素，即系數DUPV，其余因素DIPV不變。建筑電能在最大功率點的輸出功率dPPV和輸出電壓滿足以下條件，如公式（3）所示。

傳統的電導率增量的方法和自動干涉電壓觀測增量法，可以采用設置和自動改變工作電壓增量參考值的測量原理方法來準確控制，但在準確判斷不同工作點的測量過程中，采用的是傳統的測量方法。不同干涉點的測量準則是不同的。由于最大運動功率工作點的電導率的測量準則數值趨于零，電導率和電導率干涉增量的方法同樣可以有效地避免左右軸向振蕩，控制其更接近最大工作功率值，提高系統的軸向穩態運動性能。但是該方法存在大量的重復微分計算，計算過程對運算控制的精確度要求增大，容易造成錯誤判斷。因此，改進后的方法使用成本高且方法中的模型也相對復雜[5]。根據國際清潔能源標準用電頻率調控系統使用時的頻率，將危險信號射頻小波信號計算處理系數劃分為三個層次，有效避免部分射頻信號處理誤差。由此數據分析后所獲取的危險信號誤差平均值、信號方差和經過等級標準化的信號期望值分別換算，如公式（4）~公式（6）所示。

式中：X為平均值；σ為方差；Si為標準化期望值；N為標準化信號總數，其中i為序列號。

在獲取低于標準化過程期望值后，根據計算自適應過程定理對其負荷進行數值調整，可直接獲取高于標準化過程期望值的負荷數值。具體計算自適應定理調控計算步驟方法如下所示：1）臨界法用于設定控制器參數，以設定調節器的初始值。2）靜態參數用于調節。為了使參數收斂到實際值，需要使用輸入信號作為激勵來獲得初始參數數據。3）在硬件閉環參數調控和預處理控制模塊中，對上述方法獲取的真實數據文件進行閉環預處理，確定硬件參數輸入極值控制范圍。4）辨識模型參數周期計數器模型是否存在大于現有參數值的設定時間周期，如果確定是，則須在設定時間為短的t+1時刻重新計算參數控制器變量和參數輸出值；如果不是，則需要跳轉到其他步驟重新對現有數據模型進行分析處理。

經過自定義適應負載調控后，可自動剔除負載數值中的錯誤設置數據，將該錯誤數據全部錯誤設置為一個空值，可對危險小波信號的值進行準確定位。此時一個標準化小波期望值Sr的計算結果。

式中：dri表示整個能源危險供電信號系統產生的特定頻率；ω表示能源頻率窗口圖中的某一段頻率序列。

對根據所求定位結果系統進行自動加權定位處理，根據加權結果將整個能源危險供電信號系統進行非關閉值定位處理，通過系統引入自動坐標系統進行自動定位，定位后的能源信號系統具有較強大的抵御干擾能力，為危險能源信號自動適應控制系統工作提供便利。自動調節技術在暖通空調系統中的應用已成為不可阻擋的趨勢，國內許多研究機構都致力于這方面的研究。自動控制技術是現階段比較成熟的技術。暖通空調系統有其獨特的特點。因此，暖通空調自動控制系統需要由專業人員設置自動控制，才能達到預期的目標。它既能滿足建筑環境的需要，又能最大限度地提高能源效率。實時采集空調系統設定值和室內環境參數。根據數據采集平臺獲得的舒適性控制目標，將傳感器計算出的溫度作為空調模糊控制器輸入值，通過空調CPS控制器的計算，輸出值為空調系統溫度T的設定值。空調系統運行后，作用于室內環境，達到舒適狀態，實現模糊控制器的實時控制，達到舒適度的動態控制效果。

3 試驗結果分析

試驗原始數據包括風速、光照強度和相應的溫度測量，數據由電子風速計、太陽輻射記錄儀和溫度傳感器采集。物理模型為金豐S50/750kW能量調節器和sfm10036建筑能源。計算表明，在特定溫度和風速下，風能處理系統采用特定溫度時間內的能量電壓溫度極值和特定電壓凈化極值。兩棟建筑主要采用室外中央空調配風進行凈化和制冷。變壓器空調配電及冷卻處理系統采用室外直流空調變壓器配電。具體的極端電壓水平為10kV。空調冷卻系統采暖設備總功耗580kW，室外空調采暖系統容量580kW。根據所有室外用戶空調系統綜合運行及凈化情況的處理記錄，制冷處理系統將于每年4月至10月初重新啟動或恢復試運行，每年第一次啟動或試運行的處理時間約為6個月。室外中央空調冷水機組綜合利用凈化工況的處理溫度標準是根據各種最不利的氣候工況的溫度標準設定的，并以國家相關標準規定的溫度為準，即冷卻口進、出水凈化處理溫度分別為12℃和7℃。冷卻水進口和出口溫度分別為37℃和32℃。圖2顯示了在控制對象傳遞函數參數不變的情況下，傳統PID控制器和該文控制方法的響應曲線。

圖2 試驗結果分析

從圖2中可以看出，傳統的PID控制系統存在較為明顯的振蕩超調現象。雖然該文的方法也存在輕微的震蕩現象，但是調整時間比傳統的PID控制系統短得多，調整響應快。因此，該文提出的控制效果更好，調節快速穩定，超調量小，無振蕩。由于自然光照受天氣因素的影響較大，時變性、不可預測的當地氣象因素對局部光照計算效果的波動影響是非線性的，利用了Matlab /Simulink等工具軟件技術進行光照模擬控制仿真，通過對比整體光照管理計算系統方法的模擬仿真結果，可看出該文控制方法中的輸入值在調節控制數據中的速度快，輸出調節數據中的占空比準確，能有效保證用戶得到更好的整體光照控制計算效果。

4 結語

該文介紹了一種基于CPS體系結構的建筑智能節能控制與管理應用系統。設計了建筑智能節能控制系統的總體結構。結合建筑用能的實際物理應用場景，設計和分析了優化響應控制和控制策略，并建立了決策系統模型和管理流程。通過自動協調能耗優化和需求響應的分析，驗證了CPS體系結構下基于樓宇管理應用系統的能耗控制和能源負荷控制需求優化響應管理的有效性。未來將結合傳統數據采集、物聯網和遠程智能通信網絡，實現商業建筑能耗數據的智能通信，實現商業建筑所有用電和耗能設備信息的智能互聯，建立商業建筑能源智能控制和管理的應用模式。