基于邊緣計算的綜合能源系統能效評估方法研究

黃斌，閆宏莉，宋寶松，孫寶

（1.哈爾濱普華電力設計有限公司，黑龍江哈爾濱 150001；2.北京國電通網絡技術有限公司，北京 132012）

近年來，隨著能源轉換與存儲技術的發展，源網 荷儲之間的相互作用越發密切，以多能量互補為特征的綜合能源系統（Integrated Energy System，IES）受到了廣泛關注[1]。作為能源互聯網的重要載體，提高能源系統的能效對于探索區域內多能源協同優化、改善系統運行模式具有重要的研究意義[2]。如何合理評價能源效率是當前能源利用領域亟待解決的重要問題，是明確能源利用系統發展方向和挖掘能源利用潛力的關鍵[3-4]。

目前，IES 的能效評估方面已取得一定的成果，但大多針對獨立能源系統或設備展開，且過度依賴于中心處理器完成數據分析[5-6]。為此，展開基于邊緣計算的IES 能效評估方法研究，將能效評估任務卸載至部署在網絡邊緣的計算節點中，并采用改進的層次分析法計算各指標的綜合權重，以快速、準確地評估IES 的綜合能效。

1 綜合能源系統的能效評估體系

1.1 綜合能源系統

在IES 中，能源生產裝置主要包括燃氣輪機（Gas Turbine，GT）、可再生能源（Renewable Energy，RE）等；能量轉換裝置由熱泵、電制冷機和吸收式制冷機組成；儲能裝置由電池和熱箱組成[8]。系統內燃氣管網的天然氣產生高熱量，帶動燃氣輪機的發電機發電，系統主要的電能由大電網提供[9-10]。燃機鍋爐回收部分熱量，產生熱蒸汽和煙氣，其中熱蒸汽可作為吸收式冷水機組的熱源，也可供蒸汽負荷和空調負荷（Air Conditioning Load，ACL）使用；鍋爐產生的煙氣經轉化后可用于熱負荷(熱水)或制冷。IES 中能源梯級供應結構，如圖1 所示。

圖1 IES能源梯級供應結構

由于IES 中包含多種能源，因此將其細分成各種供能子系統，具體包括供氣、供電、供熱、供冷子系統[11]。根據熱力學第一定律，系統輸入輸出能量保持平衡，數學表達如下：

1.2 能效評估指標

為了能夠全面反映IES 的能源使用情況，構建了能效評估指標體系。其中，包含經濟性、高效性、安全性和靈活性等四個方面，具體指標如下：

1）經濟性：內部收益率，投資回收期，凈現值，節省燃料成本，節約排污成本；

2）高效性：能量耦合效率，能量轉換效率，能量傳輸效率，能量存儲效率；

3）安全性：單故障率，相關故障率，新能源對故障的貢獻率，新能源產能信譽度；

4）靈活性：電、氣、熱、冷供應能力，綜合新能源產量預測能力，系統吸收新能源的能力，調節裝置爬升能力。

2 基于邊緣計算的IES能效評估方法

2.1 邊緣計算

邊緣計算是將計算、存儲、帶寬、應用等資源和服務放置于網絡邊緣端，以減少數據傳輸延遲、提高用戶體驗、降低設備能耗等的新興技術[12-13]。邊緣計算的網絡結構如圖2 所示。

圖2 邊緣計算的網絡結構

邊緣計算層處于云計算中心與終端設備層之間，其對下可以接收各種異構終端設備的數據信息，對上能夠和云中心對接[14]。且邊緣計算層由邊緣節點和邊緣管理器兩部分構成，其中邊緣節點包括邊緣網關、邊緣控制器等硬件實體；邊緣管理器以軟件的形式集中管控邊緣節點。

2.2 邊緣計算層的能效評估方法

在IES 能效評估過程中，首先各個子系統將數據信息上傳至邊緣計算層，然后邊緣層計算各個子系統的能效評估指標[15-16]。其中，從IES 能效評估體系中選取關鍵的四個指標進行系統評估計算。具體表述如下：

1）一次能源利用率（高效性）：系統輸出能量與一次能源消耗量的比值，其代表系統對一次能源的利用率。計算如下：

式中，κp、κg、κr分別為電能、天然氣、RE 的折算因子；Ep為煤炭的最小熱量值。

2）能源節約率（經濟性）：相比于經典供能系統的一次能源利用率，其節省的能源比率反映的是系統能源節約能力。數學描述如下：

式中，ηp是由從發電側到用戶側的傳遞效率；ηh是燃氣/煤鍋爐到熱能用戶或蒸汽用戶的傳遞效率；C是電制冷機的傳遞效率。

3）故障率（安全性）：包括單一故障和相關故障率，其中單一故障是指由外部動作或內部故障引起的電源中斷或設備損壞等故障；相關故障是由于IES中多能量流的轉換，傳輸鏈路中一條線路或一個設備的故障可能導致其他線路或設備的相關故障。計算如下：

式中，N為單位時間內的系統故障數；分別是邊緣計算節點j每單位時間內發生的單一故障數和相關故障數。

4）電、氣、熱、冷供應能力（靈活性）：向負荷提供電、氣、冷、熱能量流應滿足一定的約束條件，即獲得的電、氣、冷、熱能量流Px可以滿足負荷的最大需求Lx,max：

負荷供應能力可由裕量?定義：

式中，λp、λg、λc和λh分別是電、氣、冷、熱的電能質量系數。

2.3 云計算中心的綜合能效評估方法

IES 的能效評估問題涉及多種因素，不能完全使用定量的方式進行評定。因此需要利用層次分析法統一量化指標，以實現系統能效的合理評估。當邊緣計算層將各子系統的能效評估值上傳至云層后，云計算中心利用綜合能效評估方法計算系統的整體能效。

利用改進層次分析法確定主觀權重，構造指標判斷矩陣W，其定義如下：

式中，ωα,β為指標α與β之間的相對重要性。然后，計算獲得W的最大特征值λmax以及對應的特征向量w，并將其歸一化處理獲取各個評估指標的權值向量。同時采用德爾菲法對層次分析法進行優化，形成最優判斷矩陣。

最終，計算用于判定指標是否存在一致性的一致性比CR為：

因此，綜合能效評估的計算方法如下：

式中，S、I分別是能效評估的總分值和各個指標的分值；是各個評價指標的權值。

3 實驗結果與分析

實驗以黑龍江某區域的IES 為例，利用所提方法進行能效評估。系統中，各類負荷均集中在白天，光伏出力也集中在白天，而風力發電的波動性較大。雖然能源的供應側與消耗側存在不匹配的情況，但可以通過儲能裝置或負荷調度等措施進行調節，實現系統能效的優化。

3.1 能效評估結果分析

以2015 年、2017年和2020年的IES 數據進行能效評估，結果如表1 所示。

表1 IES綜合能效評估結果

從表1 中可以看出，2015 年、2017 年、2020 年綜合能效評估得分分別為43.85、45.29 和48.88，呈現出了一個不斷上升的趨勢，說明該系統具有較大的發展潛力。從四個因素的得分可以發現，靈活性的比重較大，均超過了13，反映出其對系統整體水平的影響較大，是投資的重點。由于多能源之間的耦合仍處于起步階段，因此利用能源互補實現系統優化運行的技術有待進一步優化和調整。

3.2 與其他方法的對比分析

由于所提方法采用邊緣計算，將各個子系統的能效評估計算任務卸載至邊緣層，其在一定程度上提高了評估效率且減少了系統能耗。其中，不同方法的能效評估時間對比如圖3 所示。

圖3 能效評估的時間對比

從圖3 中可以看出，隨著系統規模的擴大，終端設備不斷增多，則能效評估的時間也在不斷增長。由于所提方法采用邊緣計算，將計算分析任務卸載至網絡邊緣，能夠有效縮短時延，因此其評估時間較其他對比方法均有所縮短。尤其是終端設備數量越多，所提方法的優勢越明顯。當終端數量為1 200 個時，評估時間僅為35 ms。此外，不同評估方法的能耗如圖4 所示。

圖4 能效評估的能耗對比

從圖中可以看出，相比于其他方法，所提方法的評估能耗最小。當終端設備數量為1 200 個時，能耗大約為300 J。文獻[4]采用層次分析法進行能效評估，大量的數據分析依靠核心處理器，耗時長且能耗大。同樣，文獻[8]從多個方面分析IES，且由一個服務器完成分析，能耗較大。文獻[6]主要考慮了清潔能源的能效，不適用于處理IES 數據，因此能耗情況并不理想。

4 結束語

提升能源的利用率是IES 建設的一個關鍵目標，為了全面反映IES 的能源利用效率，提出了基于邊緣計算的IES 能效評估方法。在邊緣計算網絡中，IES 各個環節的設備作為其終端設備。在每個供能子系統中均配置邊緣計算節點，分析處理各個子系統的能效，并將子系統的能效值上傳至云中心服務器，利用改進層次分析法完成IES 的綜合能效評估。通過某區域IES 三年的數據分析，其綜合能效評估得分分別是43.85、45.29 和48.88，呈現向上發展的趨勢。且評價時間與能耗隨著終端設備的增多而不斷上升，但所提方法的上升幅度最小，優于其他對比方法。然而該文方法在云計算中心僅采用改進層次分析法進行綜合評估，其評估性能有待提升。在接下來的研究中，將融入尋優效果更優的算法進行綜合能效評估。