基于CPS的楼宇能源系统的供需互动协调控制方法研究

朱国梁 王瑞琪 王 硕

（国网山东综合能源服务有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

该文针对商业建筑自动化水平低导致的普遍能效低的问题，从商业建筑能耗控制系统建设入手，提出基于CPS的楼宇能源系统的供需互动协调控制方法，为客户提供全面的能耗解决方案，促进商业建筑能耗设备与系统的对接，提高节能水平[1]。建筑能源系统供需互动协调控制的研究主要集中在终端设备或“源”设备的局部优化上，违背了全球感知的协作，系统整体能耗优化将无法完成；该文探究了楼宇用能的物理场景、空调系统的自动节能控制和参与需求响应系统，建立了空调系统优化决策模式。

1 CPS楼宇能源系统物理感知体系构建

1.1 基于CPS的楼宇能源供需互动友好平台架构

CPS作为基于物理事件和计算的交互系统的基本单元，通过计算时间的相互作用，提供了多种互操作性和智能化解决方案，可运行于不同的应用领域。在能源运行信息处理过程中，可细分为能源管理系统的门级、站级、域级和过程级。在能源供应管理环节，平台主要负责集中协调用户与统一电网的供应关系。可直接与电网管理平台用户连接，无须设置操作系统与能源管理系统的接口。能源移动互联网的实现需要电网各环节的技术支持。平台系统级CPS平台是多个系统级CPS的有机功能组合[2]。其主要包括建筑智能工程管理信息平台主站和超负荷数据聚合供应商子系统站。SOS企业级CPS通过构建大数据聚合平台，实现多个跨平台系统和跨企业平台的信息互联和交互操作，实现智能协同，商业节点建筑的高效聚合和应用优化。CPS平台电网信息系统架构如图1所示。

图1 基于CPS的电网供需信息交互架构

负荷动态聚合供应商利用智能数据服务器和云计算平台，对多能源系统集成联合平台模型和CPS的系统负荷运行状态进行统一分析监控、实时综合分析和集中控制。同时，利用智能数据融合、大数据分析等新技术，制定多个CPS融合系统模型的能源调度管理计划，实现多个新能源系统资源的优化综合配置，提高能源综合利用率，实现CPS平台智能化综合用电功能管控[3]。该文构建了支持传统电力信息网格内部业务的智能云计算服务平台。实现了自动信息感知、实时数据分析、科学决策、精确自动控制和智能执行的闭环分配系统。完成了快速更换、系统性能优化和电源资源的协同控制。CPS的分配交互是通过分配智能单元软件的最终信息感知、计算数据分析等功能，自动控制整个传统物理信息实体及其周围环境的最终智能状态。

1.2 楼宇能源供需互动CPS服务节点功能优化

电力能源服务平台需要CPS的技术，要考虑到服务系统的扩展，需要重新设计针对用户需求侧多元化的互动信息平台融合及融合策略。互动信息平台是衔接用户服务系统与服务终端的重要桥梁，支持采用 openadr服务标准，目前已具备海量用户数据处理分析能力，在此基础上，进一步扩展提供高级服务应用，包括用户需求评估与分析、应急资源管理与调度、可靠性风险评估等。

构建供需服务平台与其他交互服务终端之间双向细化的CPS交互调度控制模型，分析参与供需交互的多个用户的各种触发点和事件、感知、决策和控制，并建立支持供需信息交互的闭环控制系统[4]。构建CPS服务平台节点的核心功能体系。它包括传感器、执行器和计算控制器。为了实现电网侧和用户侧各设备之间能够无时差进行信息通信，在每个CPS核心节点设置事件同步时钟，以保证每个事件的同步定时。CPS系统节点与电网基础设施连接，通过节点感知控制单元实时获取系统运行状态，并利用系统处理能力对实际电网环境进行反向分析和控制。对用户运行状态进行实时感知、采集和报告、协同计算机等处理，帮助所有用户分析、研究和判断供电系统未来的变化趋势。传统的大型电力系统在后期进行移峰调度管理时，由于缺乏有效的系统用户信息数据，只能在一定时间内对系统横断面进行系统运行分析，而新的CPS能够准确地给出系统在连续一段时间内的具体运行状态特征，解决了系统终端用户信息缺乏的问题。

2 楼宇能源系统的供需互动协调控制管理算法

基于CPS的供需双向融合互动平台在高效融合控制系统，可有效感知管理设备的实际工作管理状态以及自动控制系统周边环境的不断变化，为资源调度以及电网紧急事件处理、信息采集发布等管理工作提供更为准确的信息。主要采用的模型是融合系统自动管理模型，构建了融合传感、通信、计算三个系统一体化的高效融合自动控制系统模型，更好地帮助企业实现需求侧自动化的可视化人力调度，使人力资源的融合管理更加高效。然而在售后服务市场逐步完全放开后，系统电源、用户、负荷的互动协调控制管理和功能更为优化。通过预先自动设定系统配置的控制策略和系统启动时进行控制管理逻辑，使用户端能够自动控制整个电网 CPS 服务功能。系统管理服务终端能够按照每个服务用户预先自动设定的负荷电网功能优化系统功能，控制目标进行实时自动调节，例如此时的用户可以根据整个负荷电网侧面的实时网站发布的能源价格变动相关信息，调节整个电网承载负荷的能源变化，P为电荷密度。V为负荷值，CP为电力消耗值,用户需要从整个电网CPS服务终端中获取与整个负荷电网、用户以及电网负荷相关的电网服务产品信息。能源调控的最大功率是（λ，β），手动控制在能源调控机组的额定风速为ω，能源调控机的速度为R，使其随风速的变化而变化。为了获得最大功率，能源调控系统必须保持最佳叶尖速比，风能利用率保持在最大值，如公式（1）~公式（3）所示。

从表达式可以看出，能量调节系统的输出功率d（UPVIPV）与许多因素有关，包括物理因素和气象因素。对固定能源调节系统，能源调节系统只有一个可变因素，即系数DUPV，其余因素DIPV不变。建筑电能在最大功率点的输出功率dPPV和输出电压满足以下条件，如公式（3）所示。

传统的电导率增量的方法和自动干涉电压观测增量法，可以采用设置和自动改变工作电压增量参考值的测量原理方法来准确控制，但在准确判断不同工作点的测量过程中，采用的是传统的测量方法。不同干涉点的测量准则是不同的。由于最大运动功率工作点的电导率的测量准则数值趋于零，电导率和电导率干涉增量的方法同样可以有效地避免左右轴向振荡，控制其更接近最大工作功率值，提高系统的轴向稳态运动性能。但是该方法存在大量的重复微分计算，计算过程对运算控制的精确度要求增大，容易造成错误判断。因此，改进后的方法使用成本高且方法中的模型也相对复杂[5]。根据国际清洁能源标准用电频率调控系统使用时的频率，将危险信号射频小波信号计算处理系数划分为三个层次，有效避免部分射频信号处理误差。由此数据分析后所获取的危险信号误差平均值、信号方差和经过等级标准化的信号期望值分别换算，如公式（4）~公式（6）所示。

式中：X为平均值；σ为方差；Si为标准化期望值；N为标准化信号总数，其中i为序列号。

在获取低于标准化过程期望值后，根据计算自适应过程定理对其负荷进行数值调整，可直接获取高于标准化过程期望值的负荷数值。具体计算自适应定理调控计算步骤方法如下所示：1）临界法用于设定控制器参数，以设定调节器的初始值。2）静态参数用于调节。为了使参数收敛到实际值，需要使用输入信号作为激励来获得初始参数数据。3）在硬件闭环参数调控和预处理控制模块中，对上述方法获取的真实数据文件进行闭环预处理，确定硬件参数输入极值控制范围。4）辨识模型参数周期计数器模型是否存在大于现有参数值的设定时间周期，如果确定是，则须在设定时间为短的t+1时刻重新计算参数控制器变量和参数输出值；如果不是，则需要跳转到其他步骤重新对现有数据模型进行分析处理。

经过自定义适应负载调控后，可自动剔除负载数值中的错误设置数据，将该错误数据全部错误设置为一个空值，可对危险小波信号的值进行准确定位。此时一个标准化小波期望值Sr的计算结果。

式中：dri表示整个能源危险供电信号系统产生的特定频率；ω表示能源频率窗口图中的某一段频率序列。

对根据所求定位结果系统进行自动加权定位处理，根据加权结果将整个能源危险供电信号系统进行非关闭值定位处理，通过系统引入自动坐标系统进行自动定位，定位后的能源信号系统具有较强大的抵御干扰能力，为危险能源信号自动适应控制系统工作提供便利。自动调节技术在暖通空调系统中的应用已成为不可阻挡的趋势，国内许多研究机构都致力于这方面的研究。自动控制技术是现阶段比较成熟的技术。暖通空调系统有其独特的特点。因此，暖通空调自动控制系统需要由专业人员设置自动控制，才能达到预期的目标。它既能满足建筑环境的需要，又能最大限度地提高能源效率。实时采集空调系统设定值和室内环境参数。根据数据采集平台获得的舒适性控制目标，将传感器计算出的温度作为空调模糊控制器输入值，通过空调CPS控制器的计算，输出值为空调系统温度T的设定值。空调系统运行后，作用于室内环境，达到舒适状态，实现模糊控制器的实时控制，达到舒适度的动态控制效果。

3 试验结果分析

试验原始数据包括风速、光照强度和相应的温度测量，数据由电子风速计、太阳辐射记录仪和温度传感器采集。物理模型为金丰S50/750kW能量调节器和sfm10036建筑能源。计算表明，在特定温度和风速下，风能处理系统采用特定温度时间内的能量电压温度极值和特定电压净化极值。两栋建筑主要采用室外中央空调配风进行净化和制冷。变压器空调配电及冷却处理系统采用室外直流空调变压器配电。具体的极端电压水平为10kV。空调冷却系统采暖设备总功耗580kW，室外空调采暖系统容量580kW。根据所有室外用户空调系统综合运行及净化情况的处理记录，制冷处理系统将于每年4月至10月初重新启动或恢复试运行，每年第一次启动或试运行的处理时间约为6个月。室外中央空调冷水机组综合利用净化工况的处理温度标准是根据各种最不利的气候工况的温度标准设定的，并以国家相关标准规定的温度为准，即冷却口进、出水净化处理温度分别为12℃和7℃。冷却水进口和出口温度分别为37℃和32℃。图2显示了在控制对象传递函数参数不变的情况下，传统PID控制器和该文控制方法的响应曲线。

图2 试验结果分析

从图2中可以看出，传统的PID控制系统存在较为明显的振荡超调现象。虽然该文的方法也存在轻微的震荡现象，但是调整时间比传统的PID控制系统短得多，调整响应快。因此，该文提出的控制效果更好，调节快速稳定，超调量小，无振荡。由于自然光照受天气因素的影响较大，时变性、不可预测的当地气象因素对局部光照计算效果的波动影响是非线性的，利用了Matlab /Simulink等工具软件技术进行光照模拟控制仿真，通过对比整体光照管理计算系统方法的模拟仿真结果，可看出该文控制方法中的输入值在调节控制数据中的速度快，输出调节数据中的占空比准确，能有效保证用户得到更好的整体光照控制计算效果。

4 结语

该文介绍了一种基于CPS体系结构的建筑智能节能控制与管理应用系统。设计了建筑智能节能控制系统的总体结构。结合建筑用能的实际物理应用场景，设计和分析了优化响应控制和控制策略，并建立了决策系统模型和管理流程。通过自动协调能耗优化和需求响应的分析，验证了CPS体系结构下基于楼宇管理应用系统的能耗控制和能源负荷控制需求优化响应管理的有效性。未来将结合传统数据采集、物联网和远程智能通信网络，实现商业建筑能耗数据的智能通信，实现商业建筑所有用电和耗能设备信息的智能互联，建立商业建筑能源智能控制和管理的应用模式。