綜合智慧能源站智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)研究

呂寶龍 王海軍 趙鴻飛 白紅濤 許愛(ài)民 董得志

(1、武漢光谷綠動(dòng)能源有限公司，湖北 武漢430073 2、國(guó)家電投集團(tuán)湖北分公司，湖北 武漢430063 3、國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京102209）

能源互聯(lián)網(wǎng)是利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)能源和互聯(lián)網(wǎng)深度融合的新型利用模式,綜合智慧能源管理是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要表現(xiàn)形式,區(qū)域能源管理和智能優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)是建設(shè)與運(yùn)行能源互聯(lián)網(wǎng)的重要且關(guān)鍵一環(huán)[1-2]。未來(lái)的綜合智慧能源管理系統(tǒng)是以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等為支撐的大型開(kāi)放式能源管理服務(wù)平臺(tái),采用分層分布式結(jié)構(gòu),借助云數(shù)據(jù)中心,對(duì)電、熱（冷）、氣等多種能源的生產(chǎn)、輸送、消費(fèi)等各類(lèi)信息進(jìn)行智能處理,對(duì)整個(gè)能源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。其主要特點(diǎn)包括創(chuàng)新能源生產(chǎn)模式,創(chuàng)新需求側(cè)消費(fèi)模式,實(shí)現(xiàn)能源供需互動(dòng)[3]。從功能角度來(lái)說(shuō)，多能源系統(tǒng)可將多種形式的能源有機(jī)整合，根據(jù)價(jià)格、對(duì)環(huán)境的影響等因素進(jìn)行分配調(diào)節(jié)；從能源服務(wù)角度來(lái)說(shuō)，將用戶(hù)的多種需求統(tǒng)籌考慮，通過(guò)合理調(diào)度達(dá)到削鋒填谷、合理用能的目的；從能源網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，通過(guò)協(xié)同分析電氣網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)多種能源技術(shù)發(fā)展[4-6]。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在分析麻城項(xiàng)目工況尋優(yōu)需求和邊界條件基礎(chǔ)上，融合運(yùn)用國(guó)家電投集團(tuán)中央研究院綜合智慧能源調(diào)度控制系統(tǒng)研發(fā)成果開(kāi)發(fā)智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)。智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)使用一套軟件包（智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)軟件包），分為管理子系統(tǒng)和尋優(yōu)子系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)分別部署、獨(dú)立運(yùn)行。

管理子系統(tǒng)部署于管理區(qū)，并與SIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通訊，通過(guò)尋優(yōu)工作站實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、計(jì)劃、報(bào)表等功能。尋優(yōu)子系統(tǒng)部署于生產(chǎn)區(qū)，依托服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)外設(shè)、隔離網(wǎng)閘、下位機(jī)和協(xié)調(diào)控制器等計(jì)算機(jī)設(shè)備接入DCS 過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、計(jì)劃、尋優(yōu)、下控等功能。

1.1 總體框架結(jié)構(gòu)

軟件包從麻城項(xiàng)目運(yùn)行特點(diǎn)出發(fā)，圍繞上述需求進(jìn)行功能模塊的設(shè)計(jì)和劃分，系統(tǒng)總體被分為尋優(yōu)服務(wù)層、平臺(tái)層和數(shù)據(jù)層三大主要層級(jí)。如圖1 所示。

尋優(yōu)服務(wù)層是實(shí)現(xiàn)智能尋優(yōu)的關(guān)鍵功能集合，基于所獲取的電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)尋優(yōu)并計(jì)算系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)支撐負(fù)荷預(yù)測(cè)算法以及推動(dòng)尋優(yōu)模型的自演進(jìn)，挖掘用戶(hù)用能習(xí)慣以及系統(tǒng)特性。

平臺(tái)層為數(shù)據(jù)、尋優(yōu)模型和算法提供調(diào)度和運(yùn)行支撐，同時(shí)對(duì)尋優(yōu)結(jié)果進(jìn)行可視化展示，以及處理、反饋故障信息，監(jiān)控尋優(yōu)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)有序調(diào)用各個(gè)子模塊的功能和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)層內(nèi)功能的執(zhí)行。

數(shù)據(jù)層可依托麻城項(xiàng)目DCS/SIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的情況設(shè)計(jì)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)處理機(jī)制，滿(mǎn)足尋優(yōu)所需的數(shù)據(jù)獲取、通信、結(jié)果導(dǎo)出等需求，主要包括管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口、DCS數(shù)據(jù)采集接口、系統(tǒng)設(shè)備及其他采集監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)采集接口。

1.2 功能設(shè)計(jì)

為有效支撐麻城項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷優(yōu)化分配及參數(shù)級(jí)工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)業(yè)務(wù)過(guò)程，系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：

1.2.1 管理子系統(tǒng)

管理子系統(tǒng)是系統(tǒng)在管理區(qū)的主要實(shí)施方式，將尋優(yōu)軟件包部署在項(xiàng)目管理區(qū)的尋優(yōu)工作站，核心功能為①展示（包括系統(tǒng)狀態(tài)、尋優(yōu)功能、經(jīng)濟(jì)性）、②功能測(cè)試、③模型訓(xùn)練、④數(shù)據(jù)管理/報(bào)表。管理子系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

子系統(tǒng)整體采用BS 架構(gòu)。在數(shù)據(jù)層，利用在管理區(qū)部署的數(shù)據(jù)庫(kù)及相應(yīng)通訊計(jì)算程序，處理尋優(yōu)相關(guān)的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)讀寫(xiě)等業(yè)務(wù)。通過(guò)專(zhuān)有數(shù)據(jù)協(xié)議采集SIS 數(shù)據(jù)，作為計(jì)算引擎的數(shù)據(jù)總線，為尋優(yōu)軟件包的數(shù)據(jù)獲取、尋優(yōu)結(jié)果的展示提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)共享服務(wù)。運(yùn)行在服務(wù)層的尋優(yōu)引擎，通過(guò)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)用智能優(yōu)化算法庫(kù)中相應(yīng)的算法，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)、制定生產(chǎn)計(jì)劃、尋優(yōu)模型的訓(xùn)練以及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)功能。同時(shí)人機(jī)界面以網(wǎng)頁(yè)形式發(fā)布，用戶(hù)通過(guò)賬號(hào)/密碼登錄后可瀏覽頁(yè)面，進(jìn)行相應(yīng)的信息獲取和操作。

通過(guò)隔離網(wǎng)閘單向采集尋優(yōu)子系統(tǒng)的尋優(yōu)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔，用于支撐運(yùn)行評(píng)價(jià)及模型訓(xùn)練。

1.2.2 尋優(yōu)子系統(tǒng)

通過(guò)在尋優(yōu)計(jì)算服務(wù)器上部署尋優(yōu)軟件包及相關(guān)硬件，執(zhí)行①工況尋優(yōu)（負(fù)荷預(yù)測(cè)、日前調(diào)度、實(shí)時(shí)尋優(yōu)）、②工況監(jiān)視（尋優(yōu)異常告警、尋優(yōu)數(shù)據(jù)確認(rèn)）、③尋優(yōu)指令下控。其中關(guān)鍵設(shè)備及軟件按照一備一用的方式部署，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖2所示。

利用運(yùn)行在生產(chǎn)區(qū)的2 臺(tái)尋優(yōu)服務(wù)器（一用一備），運(yùn)行尋優(yōu)軟件包，同時(shí)處理尋優(yōu)相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互與歷史數(shù)據(jù)存檔等業(yè)務(wù)。通過(guò)Motobus/opcDA 數(shù)據(jù)協(xié)議采集DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，作為計(jì)算引擎的數(shù)據(jù)總線，為尋優(yōu)所需實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，及尋優(yōu)指令下控提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

圖3 VM 和Docker 技術(shù)比較

圖4 VM 和Docker 性能比較

尋優(yōu)引擎周期性地訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)用智能優(yōu)化算法，進(jìn)行預(yù)測(cè)、生產(chǎn)計(jì)劃定制以及實(shí)時(shí)修正，最終生成項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的運(yùn)行工況，并根據(jù)能源站控制系統(tǒng)需求，折算出對(duì)應(yīng)的設(shè)備參數(shù)設(shè)定值。通過(guò)人機(jī)頁(yè)面反饋給調(diào)度員并得到確認(rèn)指令后，通過(guò)下位機(jī)或協(xié)調(diào)控制器向DCS 系統(tǒng)下控，設(shè)備的動(dòng)態(tài)過(guò)程保護(hù)及運(yùn)行邏輯由DCS 保證。

2 主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Docker 容器化部署

系統(tǒng)在部署過(guò)程中，與傳統(tǒng)的VM（VMware、KVM 等）相比，Docker 虛擬化技術(shù)在日常運(yùn)維工作中有以下2 個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。

2.1.1 Docker 技術(shù)簡(jiǎn)化了服務(wù)器遷移帶來(lái)的重新

配置工作，提高部署效率，降低老舊系統(tǒng)部署過(guò)程中 出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；而傳統(tǒng)的VM 技術(shù)在遷移中存在跨平臺(tái)兼容性問(wèn)題，并且需要更多的系統(tǒng)資源。

2.1.2 Docker 技術(shù)縮短了環(huán)境交付和部署的周期

使用Docker 技術(shù)，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)鏡像快速部署開(kāi)發(fā) 環(huán)境，開(kāi)發(fā)結(jié)束后，平滑移交給運(yùn)維和測(cè)試人員，另外，容器的維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單快捷，節(jié)約開(kāi)發(fā)、測(cè)試、部署時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)快速迭代（圖3）。

本系統(tǒng)采用配置有4 顆CPU（每顆8 核心，3.2HZ）、256G 內(nèi)存、1T 容量外接存儲(chǔ)的服務(wù)器作為測(cè)試機(jī)器，VM的環(huán)境安裝為VMwareESXI5.1，并部署CentOS6.5 虛擬，Docker 容器環(huán)境底層安裝CentOS6.5 系統(tǒng)，部署Docker Engine，應(yīng)用程序選擇Tomcat中間件（圖4）。

作為一種輕量級(jí)虛擬化方式，Docker 在性能上略?xún)?yōu)于VM虛擬化[7]。在動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)部署過(guò)程中，為解決虛擬機(jī)環(huán)境存在的系統(tǒng)使用率低以及虛擬機(jī)運(yùn)行過(guò)程中面臨的漏洞加固問(wèn)題，將虛擬機(jī)設(shè)計(jì)成Docker 容器。在新的機(jī)器中安裝部署生產(chǎn)環(huán)境時(shí)，相比物理機(jī)環(huán)境，Docker 容器環(huán)境和虛擬機(jī)環(huán)境可以減少配置量，方便程序的遷移和復(fù)用。因此，本系統(tǒng)采用容器化集成于部署方式，有利于提高系統(tǒng)集成和部署效率。

2.2 Orleans 分布式架構(gòu)

智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)系統(tǒng)采用Orleans 分布式開(kāi)發(fā)框架。Orleans 是一個(gè)支持有狀態(tài)云生應(yīng)用/ 服務(wù)水平伸縮的基于Virtual Actor 模型的.NET 分布式框架[8]。Orleans 提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)構(gòu)建分布式的高規(guī)模計(jì)算應(yīng)用程序，而無(wú)需了解并應(yīng)用復(fù)雜并發(fā)或其他伸縮模式(圖5)。

Orleans 采用的也是Actor 模型，基于Erlang, Akka, CAF 等框架的分布式開(kāi)發(fā)仍過(guò)于復(fù)雜、需要統(tǒng)一處理一些過(guò)于底層的細(xì)節(jié)，如Actor 的生命周期的管理、尋址、錯(cuò)誤處理及Actor 故障恢復(fù)，分布式資源管理等細(xì)節(jié)，Orleans 進(jìn)一步提高分布式編程的抽象級(jí)別。因此，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，Orleans 的核心貢獻(xiàn)是它的編程模型，它在不限制功能或?qū)﹂_(kāi)發(fā)人員施加繁重約束的情況下，降低了高度并行分布式系統(tǒng)固有的復(fù)雜性[9]。

圖5 基于Orleans 應(yīng)用部署圖

2.3 尋優(yōu)算法

實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型中，采集實(shí)時(shí)負(fù)荷值并通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到各機(jī)組出力指令值，每次求解變量相對(duì)較少，此時(shí)采用粒子群算法，能夠較好地解決非線性少變量的優(yōu)化問(wèn)題[10]。粒子群優(yōu)化算法主要由：產(chǎn)生初始解、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值、計(jì)算約束條件罰函數(shù)值、計(jì)算適應(yīng)度值、篩選最優(yōu)粒子、粒子向最優(yōu)粒子移動(dòng)步驟構(gòu)成。針對(duì)變頻泵型能源站，由于其流量可無(wú)極調(diào)節(jié)，故可使用粒子群算法求解，以出口溫度和冷媒水流量作為決策變量，經(jīng)濟(jì)性為核心構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。此時(shí)可將環(huán)境溫度與機(jī)組效率（COP）的相關(guān)性，水泵功耗與供回水溫差的考慮進(jìn)經(jīng)濟(jì)性中，得到最優(yōu)解決方案。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

為驗(yàn)證技術(shù)方案可行性，在上述基礎(chǔ)上運(yùn)用C#等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了麻城人民醫(yī)院分布式能源項(xiàng)目智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)管理區(qū)子系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行是運(yùn)行與測(cè)試，應(yīng)用表明：麻城人民醫(yī)院分布式能源項(xiàng)目智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)采取負(fù)荷預(yù)測(cè)+日前調(diào)度+實(shí)時(shí)修正的智能尋優(yōu)技術(shù)路線，可有效反應(yīng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)、實(shí)時(shí)負(fù)荷，主要設(shè)備實(shí)時(shí)出力等狀態(tài)。

如圖6 所示，頁(yè)面“實(shí)時(shí)負(fù)荷及預(yù)測(cè)”曲線，展示的是當(dāng)日的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果、實(shí)時(shí)負(fù)荷，內(nèi)容包括電/熱/冷/汽/水/光伏的預(yù)測(cè)結(jié)果，分別通過(guò)曲線上方的按鈕進(jìn)行切換，其中預(yù)測(cè)負(fù)荷計(jì)算于前一天的日末，作為曲線中標(biāo)準(zhǔn)線，實(shí)時(shí)負(fù)荷隨時(shí)間不斷寫(xiě)滿(mǎn)曲線，與預(yù)測(cè)曲線對(duì)比展現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度。整張曲線會(huì)在日末刷新，加載第二天的預(yù)測(cè)曲線，并清空前一天的實(shí)時(shí)負(fù)荷曲線歷史。

圖6

頁(yè)面“設(shè)備計(jì)劃及狀態(tài)”曲線，展示各設(shè)備的日前計(jì)劃、實(shí)時(shí)尋優(yōu)指令以及實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備包括燃機(jī)/溴化鋰/電制冷/供熱鍋爐/熱水鍋爐，分別通過(guò)曲線上方的按鈕進(jìn)行切換，其中日前計(jì)劃曲線基于前一天對(duì)本日的預(yù)測(cè)負(fù)荷進(jìn)行尋優(yōu)，其計(jì)算于前一天的日末，作為曲線中的標(biāo)準(zhǔn)線，實(shí)時(shí)尋優(yōu)結(jié)果作為運(yùn)行指令，隨時(shí)間填滿(mǎn)曲線，同時(shí)機(jī)組響應(yīng)指令后的運(yùn)行狀態(tài)曲線。計(jì)劃、指令和運(yùn)行狀態(tài)形成對(duì)比，展示計(jì)劃的精度，以及設(shè)備響應(yīng)指令的動(dòng)態(tài)效果。整張曲線會(huì)在日末刷新，加載第二天的生產(chǎn)計(jì)劃，并清空前一天的尋優(yōu)及狀態(tài)曲線歷史。頁(yè)面下方的尋優(yōu)對(duì)比表，對(duì)實(shí)時(shí)尋優(yōu)以及“以熱定電”的運(yùn)行指令進(jìn)行分別展示，對(duì)運(yùn)行人員提供參考，如圖7 所示。

圖7

將麻城項(xiàng)目的可研作為依據(jù)，搭建能源站設(shè)備和用戶(hù)的仿真模型，同時(shí)接入用戶(hù)的設(shè)計(jì)負(fù)荷數(shù)據(jù)和舊址的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，供平臺(tái)的測(cè)試運(yùn)行。經(jīng)驗(yàn)證，平臺(tái)的運(yùn)行可靠性達(dá)到99.9%，尋優(yōu)后的項(xiàng)目運(yùn)行邊際成本較傳統(tǒng)“以熱定電”工況提升1%以上，負(fù)荷預(yù)測(cè)精度高于90%。

4 結(jié)論

本文研究并分析了麻城人民醫(yī)院分布式能源項(xiàng)目智能工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)的功能、架構(gòu)和涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)，并以湖北麻城人民醫(yī)院為例開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)，以驗(yàn)證方案的可行性與可靠性。實(shí)現(xiàn)麻城項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷優(yōu)化分配及參數(shù)級(jí)工況動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。系統(tǒng)功能包括管理區(qū)能源綜合管理、生產(chǎn)控制區(qū)工況尋優(yōu)及調(diào)優(yōu)指令自動(dòng)下控等方面。在優(yōu)化提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能化無(wú)人值守，同時(shí)體現(xiàn)源荷互動(dòng)的先進(jìn)理念，具有廣泛的適用性。