基于CPS架構的商業(yè)樓宇負荷參與電網(wǎng)互動的關鍵技術研究

姜明軍，任明遠，周海軍，陳思行

（國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州，730030）

近年來，我國商業(yè)樓宇的總量和能耗量都在隨著經(jīng)濟分飛速發(fā)展的快速增長。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止至2018年，我國的建筑總面積就超過了六百億，且年增長率超過4%，其中商業(yè)樓宇就占了15%。但僅僅這15%的比例，卻消耗了三分之一的能耗，其單位能耗是其他建筑的兩倍之多。因此，建立一個科學的商業(yè)樓宇的智能節(jié)能管理系統(tǒng)，將樓宇內的用能設備進行柔性整合，參與電網(wǎng)互動，實現(xiàn)最優(yōu)的資源配置，在節(jié)能的同時還能夠電網(wǎng)的安全運轉?；跀?shù)字化的CPS技術，推動商業(yè)樓宇用能設備、系統(tǒng)間的潛在聯(lián)接，提高商業(yè)樓宇的智能用能控制能力，對降低能耗，提高電力綜合效能具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)概念與應用場景

■1.1 系統(tǒng)概念

作為信息物理系統(tǒng)的最小單元，單元級CPS可以通過智能用能終端實現(xiàn)對照明系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等的動態(tài)信息感知，并基于“感知―分析―決策―執(zhí)行”的數(shù)據(jù)執(zhí)行模式，實現(xiàn)信息轉化、指令下達和動作完成的工作。

對于CPS系統(tǒng)來說，可以分為兩個層級，其一是系統(tǒng)級CPS，它是通過工業(yè)網(wǎng)絡將智能能源網(wǎng)關和整個能源的管理系統(tǒng)相連接。通過這種連接，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的大范圍、寬領域的自動流動，最終串聯(lián)起多個單元級的CPS。通過這種串聯(lián)，可以為資源優(yōu)化配置提供現(xiàn)實的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)最終決策的精度和深度。系統(tǒng)級的CPS更多的應用在樓宇的能效分析、診斷以及控制性方面。其二是平臺級CPS，它是由多個系統(tǒng)級的CPS有機結合而成，其承擔著更高難度的工作，主要包括管理系統(tǒng)的主站以及負荷聚合商子站兩種重要站點，實現(xiàn)商業(yè)樓宇用能的系統(tǒng)性協(xié)同優(yōu)化。除此以外，通過大數(shù)據(jù)平臺還可以實現(xiàn)跨系統(tǒng)甚至跨平臺的互聯(lián)，在一個區(qū)域范圍內實現(xiàn)信息的“感知―分析―決策―執(zhí)行”。

■1.2 應用場景

電網(wǎng)在融合CPS技術后，商業(yè)樓宇負荷參與電網(wǎng)互動的架構如圖1所示。

圖1 基于CPS的電網(wǎng)供需信息交互架構

整個信息交互架構基于智能服務平臺來運轉，同時監(jiān)測各個系統(tǒng)級CPS的負荷狀態(tài)，并對這些狀態(tài)進行分析控制。要實現(xiàn)上述功能，離不開大數(shù)據(jù)分析技術的支撐，系統(tǒng)需要深度學習后才能夠更快的響應能耗的變化，輸出資源的調度計劃，將能源的利用率最大化。通過整合，省去交接過程的損耗，實現(xiàn)平臺及CPS的自能用能管控。

2 系統(tǒng)架構

基于CPS的商業(yè)樓宇電力網(wǎng)的融合系統(tǒng)如圖2所示。對于單元及CPS來說，其本質就是通過一系列的軟件來對監(jiān)控實體進行狀態(tài)感知，并通過數(shù)據(jù)平臺對該實體的狀態(tài)進行調控，構成一個獨立的控制閉環(huán)。為了更好的實現(xiàn)與外界的信息交互，單元級CPS往往都具備通信的功能。對于商業(yè)樓宇電網(wǎng)來說，每一個智能用電設備就代表一個最小CPS單元，基于智能用能終端就實現(xiàn)對各個設備的控制。

事實上，由于商業(yè)樓宇由諸多人員、設備和物體所構成，因此單元級CPS不可能單獨存在的。一個樓宇內的能源管理系統(tǒng)管理一個公司的負載設備的過程，都是多個智能符合設備功能作用的結果，最終通過系統(tǒng)性的網(wǎng)絡連接形成一個系統(tǒng)級的CPS體系架構。

圖2 基于CPS的商業(yè)樓宇電力網(wǎng)的融合系統(tǒng)

對于系統(tǒng)級CPS來說，其集成了多個單元級CPS的監(jiān)測處理循環(huán)，在局部區(qū)域形成了電力資源的合理再分配。除了具有單元CPS的功能外，還可以通過互聯(lián)互通實現(xiàn)樓宇等多設備協(xié)調。由于系統(tǒng)級CPS的層級在單元級之上，因此，通過互聯(lián)互通，就可以實現(xiàn)對單元級的管理，這個管理主要包括系統(tǒng)的識別、更新以及刪除等。而另一個作用就是實時監(jiān)視并診斷各個單元級CPS是否運轉正常以及后續(xù)的使用能力。

3 系統(tǒng)優(yōu)化管控策略

系統(tǒng)級的融合模型的參與對象就包括了電網(wǎng)、商業(yè)樓宇和供電側的設備這三個方面。對于電網(wǎng)方面，首要的是獲取樓宇和供電側的數(shù)據(jù)信息，并基于這些信息進行分析，向樓宇的使用端和電廠的供電端分別發(fā)布指令，將匹配后的電能輸入系統(tǒng)。商業(yè)樓宇的智能控制可以分為兩個階段，其一是日前階段，這一階段需要基于收集的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)PSO算法得到最優(yōu)的調控參數(shù)；二是在日內階段，主要內容則是對實際實時的參數(shù)進行管控，一旦出現(xiàn)異常，立即反饋，通過系統(tǒng)的補償對參數(shù)進行修正。

一般來說，用電設備與電網(wǎng)的互動方式主要是通過調整用電設備的負荷行為習慣。對于單臺設備來說，其負荷的特性僅與該用戶的使用行為密切相關，包括用戶的使用習慣、特殊化需求以及續(xù)航能力等方面。而對于設備群來說，其負荷的特性還會收到設備的尺寸、數(shù)量、規(guī)格等參數(shù)的影響，具體表現(xiàn)如下：

（1）用戶的需求。以洗衣機為例子，具體表現(xiàn)在用戶的用水量、洗滌數(shù)量以及使用頻率等；

（2）使用習慣。部分用戶在購置設備時，會有一些型號、大小等偏好。正是由于有一大堆不同客戶的使用習慣將會直接影響到用電負荷分布的多樣性；

（3）設備的規(guī)模：是指一個商業(yè)樓宇內部用電設備的總數(shù)，會受到到電器的購置成本、使用編輯寫以及壽命等因素的影響。

（4）壽命方面。以一款電熱水器為例，其使用壽命往往受到電熱水器的內膽材料、水箱的容量、自來水的檢測等因素。

經(jīng)過多次的研討發(fā)現(xiàn)，大部分的用電設備的操作只有開啟和關閉兩種狀態(tài)。因此對于該系統(tǒng)直接采用相對簡單的BPSO算法，其中0代表設備關閉，1則代表開，通過監(jiān)測環(huán)境進行調節(jié)?；诖耍梢越档蜆I(yè)主以及用戶的用電成本，也能夠提高人們的舒適度和參與度。設備群的運作過程設備群的開關往往是不斷調整的，以15min為一個區(qū)段進行離散型搜索，及時調整用能情況。

4 電力CPS的研究挑戰(zhàn)

（1）系統(tǒng)仿真算法。這種算法是分析系統(tǒng)的狀態(tài)特征，進行監(jiān)控調節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置的重要工具。針對不同的商業(yè)樓宇系統(tǒng)，就必須對應的去研究一個能夠與之相匹配的仿真算法來滿足節(jié)能用能的需求。仿真算法的分類也多種多樣，其中，最適用于商業(yè)樓宇的為分布式算法，這種算法可以與云計算平臺相匹配，相適應。

（2）安全性。從廣義上說，電網(wǎng)的CPS是我國的一大關鍵性基礎設施，直接關系到諸多群眾的用電安全和穩(wěn)定，因此，安全是不可忽略的一大問題。安全性包括設備自身的影響以及信息系統(tǒng)的影響，前者主要如電壓穩(wěn)定性、擾動穩(wěn)定性等，而后者則更為關鍵，除了要關注隨時隨地可能會出現(xiàn)系統(tǒng)的隨機性故障，也要識別到人為攻擊的預防維護。人為攻擊的手段主要兩種，一種是線下的物理攻擊，直接將電力系統(tǒng)的設備破壞掉，另一種防范難度更大，為利用黑客技術的虛擬攻擊。需要明確的是，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的安全性之間是相互影響的，必須進行融合研究，構筑統(tǒng)一的電力CPS安全理論。

（3）系統(tǒng)規(guī)劃與調度。在系統(tǒng)的設計過程中，必須將如何更好的通過嵌入傳感設備來提高系統(tǒng)的規(guī)劃和調度能力作為重點工作來突破，并配合相適配的操作系統(tǒng)以及程序。未來的電力系統(tǒng)必然是朝向信息化方向發(fā)展，電力CPS的調度問題需要考慮的更多的平衡點，對于智能負荷的要求更高。分布式的電源、電動汽車等設備的接入會給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)，而提高隨即優(yōu)化性則是解決這一問題的關鍵點。

5 應用實例

■5.1 實例背景

將商業(yè)樓宇用能智能管理系統(tǒng)用于A城市某建筑大樓，該樓宇供冷采用中央空調，空調的總功率為580KW。根據(jù)用戶反饋，每年的4～10月份為中央空調開啟時間，年運行約6個月。冷水機組的工況為冷凍水進水溫度12℃，出水溫度為7℃。A城市各月平均溫度如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在4～10月間，平均溫度在22～29℃波動，在溫度最高的七月，逐日的溫度波動為23～35℃，總體上，溫度波動較大。但是冷水機組卻一致維持進水12℃，出水7℃的工作條件，在溫度較低之時，就容易造成不必要的能耗浪費。

圖3 A城市各月平均溫度

■5.2 實例效果

在2019年6月22日正式引入該系統(tǒng)，引入之后的能耗明顯降低，達到較好的節(jié)能效果。分別選取系統(tǒng)安裝前的6月18日和安裝后的6月23日的中央空調負荷以及能耗進行對比，兩日的平均溫度均在28℃附近，其中25日溫度波動區(qū)間為23.4～31.3℃，29日為24.1～31.5℃，可以認為兩天的天氣條件相當，具體對比如下所示：

（1）中央空調日負荷對比如圖4所示。中央空調從十點上班開始運轉，至晚上十點停止運行，在安裝系統(tǒng)前，空調機組在11：00～20：00區(qū)間內都呈現(xiàn)滿負荷運轉的狀態(tài)，安裝系統(tǒng)后，在12：00～17：00之間出現(xiàn)負荷下降的情況，此為空調機組間歇性運行的結果。在滿足室內人員溫度需求時，系統(tǒng)會對調節(jié)空調的負荷，從而提高節(jié)能效果。

圖4 中央空調日負荷曲線圖

（2）樓宇耗能對比如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過引入系統(tǒng)，由于自動調節(jié)功能的生效，樓宇的總耗能出現(xiàn)了階段性的下降，樓宇的耗能減少，節(jié)能效果提升。

圖5 樓宇耗能對比

6 結語

本文提出了基于CPS架構的商業(yè)樓宇負荷參與電網(wǎng)互動的智能用能控制管理系統(tǒng)，并對其概念、架構進行分析，并對電力CPS的未來研究方向作出探討，以期能促進該領域的發(fā)展。