基于CPS架构的商业楼宇负荷参与电网互动的关键技术研究

2022-01-20姜明军任明远周海军陈思行

电子制作 2021年24期

姜明军，任明远，周海军，陈思行

（国网甘肃省电力公司，甘肃兰州，730030）

近年来，我国商业楼宇的总量和能耗量都在随着经济分飞速发展的快速增长。据不完全统计，截止至2018年，我国的建筑总面积就超过了六百亿，且年增长率超过4%，其中商业楼宇就占了15%。但仅仅这15%的比例，却消耗了三分之一的能耗，其单位能耗是其他建筑的两倍之多。因此，建立一个科学的商业楼宇的智能节能管理系统，将楼宇内的用能设备进行柔性整合，参与电网互动，实现最优的资源配置，在节能的同时还能够电网的安全运转。基于数字化的CPS技术，推动商业楼宇用能设备、系统间的潜在联接，提高商业楼宇的智能用能控制能力，对降低能耗，提高电力综合效能具有重要的现实意义。

1 系统概念与应用场景

■1.1 系统概念

作为信息物理系统的最小单元，单元级CPS可以通过智能用能终端实现对照明系统、空调系统、通风系统等的动态信息感知，并基于“感知―分析―决策―执行”的数据执行模式，实现信息转化、指令下达和动作完成的工作。

对于CPS系统来说，可以分为两个层级，其一是系统级CPS，它是通过工业网络将智能能源网关和整个能源的管理系统相连接。通过这种连接，就可以实现数据的大范围、宽领域的自动流动，最终串联起多个单元级的CPS。通过这种串联，可以为资源优化配置提供现实的数据，提高了系统最终决策的精度和深度。系统级的CPS更多的应用在楼宇的能效分析、诊断以及控制性方面。其二是平台级CPS，它是由多个系统级的CPS有机结合而成，其承担着更高难度的工作，主要包括管理系统的主站以及负荷聚合商子站两种重要站点，实现商业楼宇用能的系统性协同优化。除此以外，通过大数据平台还可以实现跨系统甚至跨平台的互联，在一个区域范围内实现信息的“感知―分析―决策―执行”。

■1.2 应用场景

电网在融合CPS技术后，商业楼宇负荷参与电网互动的架构如图1所示。

图1 基于CPS的电网供需信息交互架构

整个信息交互架构基于智能服务平台来运转，同时监测各个系统级CPS的负荷状态，并对这些状态进行分析控制。要实现上述功能，离不开大数据分析技术的支撑，系统需要深度学习后才能够更快的响应能耗的变化，输出资源的调度计划，将能源的利用率最大化。通过整合，省去交接过程的损耗，实现平台及CPS的自能用能管控。

2 系统架构

基于CPS的商业楼宇电力网的融合系统如图2所示。对于单元及CPS来说，其本质就是通过一系列的软件来对监控实体进行状态感知，并通过数据平台对该实体的状态进行调控，构成一个独立的控制闭环。为了更好的实现与外界的信息交互，单元级CPS往往都具备通信的功能。对于商业楼宇电网来说，每一个智能用电设备就代表一个最小CPS单元，基于智能用能终端就实现对各个设备的控制。

事实上，由于商业楼宇由诸多人员、设备和物体所构成，因此单元级CPS不可能单独存在的。一个楼宇内的能源管理系统管理一个公司的负载设备的过程，都是多个智能符合设备功能作用的结果，最终通过系统性的网络连接形成一个系统级的CPS体系架构。

图2 基于CPS的商业楼宇电力网的融合系统

对于系统级CPS来说，其集成了多个单元级CPS的监测处理循环，在局部区域形成了电力资源的合理再分配。除了具有单元CPS的功能外，还可以通过互联互通实现楼宇等多设备协调。由于系统级CPS的层级在单元级之上，因此，通过互联互通，就可以实现对单元级的管理，这个管理主要包括系统的识别、更新以及删除等。而另一个作用就是实时监视并诊断各个单元级CPS是否运转正常以及后续的使用能力。

3 系统优化管控策略

系统级的融合模型的参与对象就包括了电网、商业楼宇和供电侧的设备这三个方面。对于电网方面，首要的是获取楼宇和供电侧的数据信息，并基于这些信息进行分析，向楼宇的使用端和电厂的供电端分别发布指令，将匹配后的电能输入系统。商业楼宇的智能控制可以分为两个阶段，其一是日前阶段，这一阶段需要基于收集的数据信息，根据PSO算法得到最优的调控参数；二是在日内阶段，主要内容则是对实际实时的参数进行管控，一旦出现异常，立即反馈，通过系统的补偿对参数进行修正。

一般来说，用电设备与电网的互动方式主要是通过调整用电设备的负荷行为习惯。对于单台设备来说，其负荷的特性仅与该用户的使用行为密切相关，包括用户的使用习惯、特殊化需求以及续航能力等方面。而对于设备群来说，其负荷的特性还会收到设备的尺寸、数量、规格等参数的影响，具体表现如下：

（1）用户的需求。以洗衣机为例子，具体表现在用户的用水量、洗涤数量以及使用频率等；

（2）使用习惯。部分用户在购置设备时，会有一些型号、大小等偏好。正是由于有一大堆不同客户的使用习惯将会直接影响到用电负荷分布的多样性；

（3）设备的规模：是指一个商业楼宇内部用电设备的总数，会受到到电器的购置成本、使用编辑写以及寿命等因素的影响。

（4）寿命方面。以一款电热水器为例，其使用寿命往往受到电热水器的内胆材料、水箱的容量、自来水的检测等因素。

经过多次的研讨发现，大部分的用电设备的操作只有开启和关闭两种状态。因此对于该系统直接采用相对简单的BPSO算法，其中0代表设备关闭，1则代表开，通过监测环境进行调节。基于此，可以降低业主以及用户的用电成本，也能够提高人们的舒适度和参与度。设备群的运作过程设备群的开关往往是不断调整的，以15min为一个区段进行离散型搜索，及时调整用能情况。

4 电力CPS的研究挑战

（1）系统仿真算法。这种算法是分析系统的状态特征，进行监控调节，实现系统的最优配置的重要工具。针对不同的商业楼宇系统，就必须对应的去研究一个能够与之相匹配的仿真算法来满足节能用能的需求。仿真算法的分类也多种多样，其中，最适用于商业楼宇的为分布式算法，这种算法可以与云计算平台相匹配，相适应。

（2）安全性。从广义上说，电网的CPS是我国的一大关键性基础设施，直接关系到诸多群众的用电安全和稳定，因此，安全是不可忽略的一大问题。安全性包括设备自身的影响以及信息系统的影响，前者主要如电压稳定性、扰动稳定性等，而后者则更为关键，除了要关注随时随地可能会出现系统的随机性故障，也要识别到人为攻击的预防维护。人为攻击的手段主要两种，一种是线下的物理攻击，直接将电力系统的设备破坏掉，另一种防范难度更大，为利用黑客技术的虚拟攻击。需要明确的是，信息系统与物理系统的安全性之间是相互影响的，必须进行融合研究，构筑统一的电力CPS安全理论。

（3）系统规划与调度。在系统的设计过程中，必须将如何更好的通过嵌入传感设备来提高系统的规划和调度能力作为重点工作来突破，并配合相适配的操作系统以及程序。未来的电力系统必然是朝向信息化方向发展，电力CPS的调度问题需要考虑的更多的平衡点，对于智能负荷的要求更高。分布式的电源、电动汽车等设备的接入会给系统的稳定运行带来新的挑战，而提高随即优化性则是解决这一问题的关键点。

5 应用实例

■5.1 实例背景

将商业楼宇用能智能管理系统用于A城市某建筑大楼，该楼宇供冷采用中央空调，空调的总功率为580KW。根据用户反馈，每年的4～10月份为中央空调开启时间，年运行约6个月。冷水机组的工况为冷冻水进水温度12℃，出水温度为7℃。A城市各月平均温度如图3所示。可以发现，在4～10月间，平均温度在22～29℃波动，在温度最高的七月，逐日的温度波动为23～35℃，总体上，温度波动较大。但是冷水机组却一致维持进水12℃，出水7℃的工作条件，在温度较低之时，就容易造成不必要的能耗浪费。

图3 A城市各月平均温度

■5.2 实例效果

在2019年6月22日正式引入该系统，引入之后的能耗明显降低，达到较好的节能效果。分别选取系统安装前的6月18日和安装后的6月23日的中央空调负荷以及能耗进行对比，两日的平均温度均在28℃附近，其中25日温度波动区间为23.4～31.3℃，29日为24.1～31.5℃，可以认为两天的天气条件相当，具体对比如下所示：

（1）中央空调日负荷对比如图4所示。中央空调从十点上班开始运转，至晚上十点停止运行，在安装系统前，空调机组在11：00～20：00区间内都呈现满负荷运转的状态，安装系统后，在12：00～17：00之间出现负荷下降的情况，此为空调机组间歇性运行的结果。在满足室内人员温度需求时，系统会对调节空调的负荷，从而提高节能效果。