基于CPS的分布式能源管理研究

梁 軍

(中國石化銷售有限公司海南石油分公司，海南 ?？?570000)

1 引言

CPS是綜合了計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和物理實(shí)體的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過計(jì)算、通信和控制(computing、communication、control，3C)技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，形成包含智能感知層，信息挖掘?qū)?，網(wǎng)絡(luò)層，認(rèn)知層和配置執(zhí)行層的5C架構(gòu)(Connection，Conversion，Cyber，Cognition，Configuration)，從而實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)[1-2]。

2006年2月發(fā)布的《美國競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》中將CPS列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。同年在美國舉辦的CPS研討會(huì)上，美國國家科學(xué)基金會(huì)對(duì)CPS給出了如下的定義 ：實(shí)體(Physical)是自然界中的或由人類制造的，遵循物理定理在連續(xù)的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)(Cyber)是利用計(jì)算、通信、及控制系統(tǒng)進(jìn)行的離散及邏輯化管理；CPS是將實(shí)體與網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)組成部分在所有層面和維度上緊密結(jié)合的系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)體及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)稱性的深入管理。CPS通過融合虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界和現(xiàn)實(shí)的物理世界，用一種全新的方式將人、機(jī)、物關(guān)聯(lián)在一起，改變了人與現(xiàn)實(shí)物理世界之間的交互方式，近年來已經(jīng)受到工業(yè)制造、醫(yī)療和電力等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[3-4]。

當(dāng)前，人類社會(huì)的發(fā)展對(duì)能源的需求不斷擴(kuò)大，為緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源及環(huán)境之間的矛盾，必須不斷提高能源的利用效率。隨著風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電等技術(shù)的興起，能源系統(tǒng)由傳統(tǒng)的集中式供能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯用鎸?duì)用戶的分布式供能；由傳統(tǒng)的單種能源獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩艏癁楹诵?，包含油、氣、電的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)。區(qū)域能源的管理不斷趨于復(fù)雜化。

目前關(guān)于能源管理的研究主要針對(duì)集中式管理的系統(tǒng)，此類系統(tǒng)一般包括一個(gè)能源管理平臺(tái)，通過能源管控系統(tǒng)、能耗監(jiān)控系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源的平衡和優(yōu)化調(diào)度，提高能源的利用效率[5]。然而，對(duì)于包含多種形式，多種應(yīng)用方式的分布式能源系統(tǒng)，集中式的優(yōu)化控制難以達(dá)到兼顧各種能源效益的目的，且隨著區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，集中式的優(yōu)化也將加大控制中心的工作負(fù)擔(dān)和系統(tǒng)的失控風(fēng)險(xiǎn)。因此，分布式優(yōu)化技術(shù)逐漸興起，分布式約束優(yōu)化問題的求解機(jī)制中，不存在集中式的全局控制，而采用多求解器的分布策略，其運(yùn)行過程不同于集中管理的系統(tǒng)。

CPS技術(shù)的引入為能源管理提供了新的思路，將計(jì)算、通信和控制過程融入到現(xiàn)有的能源系統(tǒng)中將在很大程度上擴(kuò)展能源管理的空間，并實(shí)現(xiàn)其分布式控制。本文對(duì)含油、氣、電的多能源系統(tǒng)進(jìn)行分析，將分布式能源系統(tǒng)劃分為供能與用能兩部分，結(jié)合CPS的架構(gòu)體系，研究區(qū)域多能源系統(tǒng)的分布式管理方法，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源的高效利用提供新的方向。

2 分布式能源系統(tǒng)概述

分布式能源系統(tǒng)對(duì)提高能源利用效率、促進(jìn)可再生能源規(guī)?；_發(fā)、提高社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施利用率和能源供應(yīng)安全，以及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義[6-7]，圖1是一種典型的分布式能源系統(tǒng)供用能結(jié)構(gòu)，不同于傳統(tǒng)的各能源系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，此類能源系統(tǒng)中多種能源相互交叉，供能和用能來源呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)。電力的來源既包含傳統(tǒng)的集中式燃煤發(fā)電，也包含燃?xì)獍l(fā)電和一些風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及水力發(fā)電等；交通工具的多樣化使用能方面更加靈活，用戶可以根據(jù)具體需求選擇成品油、電力或天然氣作為動(dòng)力來源。這些因素都導(dǎo)致了分布式能源管理的復(fù)雜化。

圖1 分布式能源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

分布式能源系統(tǒng)的管理目標(biāo)是更高效地利用能源，更低的碳排放以及系統(tǒng)整體及其中的個(gè)體的高經(jīng)濟(jì)效益。具體來講，有以下幾個(gè)方面：

(1)供需平衡是分布式能源管理的基本目標(biāo)，也是高效用能的基礎(chǔ)。在分布式能源系統(tǒng)中，由于用能來源的多樣化，用戶行為的不確定性，供需平衡問題也變得更加復(fù)雜。

(2)分布式能源系統(tǒng)中的供用能個(gè)體應(yīng)在自主性基礎(chǔ)上追求個(gè)體的最大利益。供能個(gè)體可以依據(jù)用能反應(yīng)、環(huán)境條件和環(huán)境影響制訂用能價(jià)格，用戶則可對(duì)供能單元的價(jià)格調(diào)整做出獨(dú)立響應(yīng)。

(3)對(duì)于系統(tǒng)的整體控制，需要收集系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析供能行為和用能行為，對(duì)系統(tǒng)能源進(jìn)行宏觀管理和規(guī)劃；統(tǒng)計(jì)用能個(gè)體的多種需求，通過合理調(diào)度削峰填谷，并使能源系統(tǒng)向低碳，高效，經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，必要時(shí)加入人為因素維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定良性運(yùn)行。

3 分布式能源系統(tǒng)的管理方法

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，分布式能源系統(tǒng)需要具備一定的硬件和軟件基礎(chǔ)。除供能和用能實(shí)體外，其硬件系統(tǒng)主要包括傳感、控制、計(jì)算和通信等設(shè)備；軟件系統(tǒng)即其內(nèi)部的個(gè)體決策算法與系統(tǒng)管理算法。

CPS為分布式能源管理實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了技術(shù)支持，其架構(gòu)可以分為5個(gè)層次[8]，如圖二所示。分別是智能感知層，信息挖掘?qū)?，網(wǎng)絡(luò)層，認(rèn)知層和配置執(zhí)行層，信息網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體在這五個(gè)層次中實(shí)現(xiàn)了緊密結(jié)合。

圖2 CPS的5C架構(gòu)

本文將分布式能源系統(tǒng)簡單劃分為供能和用能兩部分，供能個(gè)體和用能個(gè)體在系統(tǒng)中獨(dú)立決策，單獨(dú)控制，其CPS架構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式能源系統(tǒng)管理的CPS架構(gòu)

根據(jù)圖3所示的架構(gòu)，分布式能源管理CPS將具有以下功能：

(1)智能感知

在供能和用能個(gè)體上加裝傳感和通信設(shè)備，可以對(duì)其供能或用能數(shù)據(jù)進(jìn)行各種形式的采集和匯總，同時(shí)個(gè)體之間可以進(jìn)行通信和交流，交換部分?jǐn)?shù)據(jù)。在智能傳感網(wǎng)絡(luò)中預(yù)留插口，還可以滿足個(gè)體的即插即用。

(2)信息挖掘

在供能和用能設(shè)備端加入嵌入式分析算法，可以使智能感知網(wǎng)絡(luò)中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)在本地被分析利用，從而實(shí)現(xiàn)本地的智能化。這一層次主要用來評(píng)估設(shè)備的狀態(tài)和性能，并進(jìn)行設(shè)備衰退變化趨勢(shì)計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

(3)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)層將接收來自整個(gè)系統(tǒng)的公開數(shù)據(jù)，并形成一個(gè)大數(shù)據(jù)環(huán)境，運(yùn)行分析算法并進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算、知識(shí)挖掘和聚類分析。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層也是供能個(gè)體之間、用能個(gè)體之間以及供能和用能個(gè)體之間交互的媒介，是整個(gè)系統(tǒng)交流的核心。

(4)認(rèn)知

在集中式優(yōu)化的系統(tǒng)中，認(rèn)知層主要由系統(tǒng)所采用的優(yōu)化算法構(gòu)成，其主要作用是分析與決策，通過分析當(dāng)前系統(tǒng)中供能和用能個(gè)體的目標(biāo)和狀態(tài)，進(jìn)行一體化模擬并做出決策。

而在分布式優(yōu)化的系統(tǒng)中，認(rèn)知層分為系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)兩個(gè)等級(jí)。系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知層主要負(fù)責(zé)綜合網(wǎng)絡(luò)外的信息和人為因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部個(gè)體的決策進(jìn)行干預(yù)，增加系統(tǒng)的協(xié)同性。設(shè)備級(jí)認(rèn)知層主要由供能或用能個(gè)體的決策算法組成，分布式管理的理念正是在這一層次得到體現(xiàn)。兩個(gè)等級(jí)的認(rèn)知層使供能個(gè)體與用能個(gè)體之間相互獨(dú)立，而又相互制約。

(5)配置執(zhí)行

配置執(zhí)行層主要組成為個(gè)體相應(yīng)的控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備，無論是來自信息挖掘?qū)又兴惴ǖ闹噶钸€是來自通信設(shè)備由網(wǎng)絡(luò)接收的命令，最終都將通過控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備傳達(dá)至個(gè)體，從而使供能或用能個(gè)體做出反應(yīng)。

上述架構(gòu)與現(xiàn)有的各類能源實(shí)體進(jìn)行深度融合，可以打破目前供能個(gè)體與用能個(gè)體的信息孤島模式，實(shí)現(xiàn)從供能到用能的信息協(xié)同，促進(jìn)個(gè)體間的直接和間接交流，從而實(shí)現(xiàn)能源的供需平衡。在上述架構(gòu)中加入分布式優(yōu)化算法可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源的分布式管理，使系統(tǒng)中的個(gè)體在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自身利益的最大化，保證整個(gè)系統(tǒng)的高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

CPS深度融合了計(jì)算資源和物理實(shí)體，通過充分開發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源，使物理系統(tǒng)運(yùn)行效果和性能得到了優(yōu)化。本文通過分析CPS的5C架構(gòu)，將CPS與分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，提出了分布式能源的管理架構(gòu)。CPS加入能源系統(tǒng)可以使供能個(gè)體和用能個(gè)體向智能化的方向發(fā)展，增強(qiáng)能源之間的協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)分布式能源的充分利用與共享，從而提高能源的利用效率。