基于能源互聯(lián)網(wǎng)的辦公建筑源荷一體式監(jiān)控系統(tǒng)研究

郭凌穎

上海建科建筑節(jié)能技術(shù)股份有限公司

1 研究背景

大型公共建筑能耗是區(qū)域綜合能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。建筑能源消耗總量巨大、能耗日益增長(zhǎng)、分布分散且負(fù)荷特性多樣，可實(shí)現(xiàn)能量短時(shí)存儲(chǔ)及不同類型能源互相轉(zhuǎn)化，其自身也可產(chǎn)生能源。如：可再生能源、分布式發(fā)電裝置等[1]。可再生能源在建筑中的應(yīng)用日益廣泛。但是，可再生能源具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、低密度的特點(diǎn)，一般的做法是通過并網(wǎng)逆變器將可再生能源所發(fā)的電直接并入市政電網(wǎng)為建筑供電，但建筑用電的負(fù)荷多樣性和可再生能源的不穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全造成沖擊。能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能解決以上問題[2-3]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，每個(gè)用電主體既是能源的消費(fèi)者，也是能源的生產(chǎn)者。信息技術(shù)作為一種監(jiān)測(cè)控制手段，使建筑內(nèi)的源（光伏、光熱、風(fēng)電、化石能源和電網(wǎng)配電等）與荷（空調(diào)負(fù)荷、照明負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷等）之間實(shí)現(xiàn)供需平衡，最大限度利用可再生能源，在保障用戶的舒適性的同時(shí)，能有效降低建筑用能成本，提高整個(gè)能源網(wǎng)內(nèi)能源的安全性、高效利用和可持續(xù)性[4]。

2 研究目的

通過研究探討辦公類建筑內(nèi)可再生能源與常規(guī)能源的耦合應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，在保證建筑內(nèi)用戶舒適度的前提下，減少用電負(fù)荷的波動(dòng)性，減少建筑用電對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

3 研究?jī)?nèi)容

1）建立用戶用能預(yù)測(cè)模型。根據(jù)對(duì)建筑長(zhǎng)期能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，掌握不同類型建筑內(nèi)用戶的用能特性，結(jié)合采集到的實(shí)時(shí)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、室內(nèi)人員數(shù)量等數(shù)據(jù)，計(jì)算用戶用能預(yù)測(cè)曲線。

2）研究可再生能源與常規(guī)能源的耦合應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。研究基于模型預(yù)測(cè)的建筑能源系統(tǒng)控制策略，調(diào)整可再生能源及蓄能設(shè)施的運(yùn)行控制策略，制定優(yōu)化的建筑能源系統(tǒng)的控制策略，進(jìn)一步保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4 研究模型

4.1 研究對(duì)象概況

研究對(duì)象為夏熱冬冷區(qū)域的大型辦公建筑，該建筑使用了以太陽(yáng)能光伏發(fā)電為代表的可再生能源，建筑冷熱源來(lái)源為熱泵系統(tǒng)，輔助以燃?xì)忮仩t，儲(chǔ)能設(shè)備為冷/熱保溫水箱。圖1和圖2是該建筑夏季和冬季的能量模型圖，圖3是該建筑空調(diào)系統(tǒng)示意圖。

圖1 夏季能量模型圖

圖2 冬季能量模型圖

圖3 空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4.2 負(fù)荷特性

辦公建筑的用電負(fù)荷隨時(shí)間的變化具有一定的規(guī)律性，圖4是某辦公建筑一典型周的電消耗曲線，由圖4可見，辦公建筑工作日電耗明顯高于休息日電耗，夏季電耗略高于冬季電耗。

圖4辦公建筑典型工作周能耗曲線

圖5 是某辦公建筑一個(gè)典型工作日24小時(shí)的用電曲線（分夏季和冬季），表明上午6:00至8:00能耗增長(zhǎng)率最大，中午12:00能耗增長(zhǎng)至峰值，然后緩慢下降，19:00至20:00的能耗下降率最大，23:00至凌晨5:00處于一天中的能耗低谷。

圖5辦公建筑典型工作日能耗柱狀圖

圖6 和圖7是辦公建筑用電的分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)。夏季空調(diào)用電占總用電的51%，冬季空調(diào)用電占總用電的50%，均超過了照明和插座用電。在熱泵機(jī)組為建筑提供冷/熱量的案例中，當(dāng)夏季和冬季冷/熱量需求量較大的情況下，空調(diào)用電量占總用電的50%以上，可見空調(diào)能耗對(duì)建筑能耗的影響較大。

圖6 夏季典型工作日分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)

圖7 冬季典型工作日分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)

4.3 能源間轉(zhuǎn)換

本研究對(duì)象為各類能源之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（圖8）包括：

（1）可再生能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽汗夥l(fā)電裝置將光伏轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為用戶?cè)供電；

（2）電能轉(zhuǎn)變?yōu)槔淞浚ㄏ募荆和ㄟ^熱泵機(jī)組及水蓄冷裝置為用戶側(cè)提供冷量；

（3）電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚ǘ荆和ㄟ^熱泵機(jī)組及水蓄熱裝置為用戶側(cè)提供熱量；

（4）燃?xì)廪D(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚ǘ荆和ㄟ^燃?xì)忮仩t輔助熱泵機(jī)組為用戶側(cè)提供熱量。

圖8 夏季和冬季建筑內(nèi)能量轉(zhuǎn)換示意圖

4.4 建筑能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)研究對(duì)象的建筑內(nèi)能源互聯(lián)，需要安裝圖9所示的硬件設(shè)備架構(gòu)。包括用戶負(fù)荷監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、光伏發(fā)電監(jiān)控設(shè)備和主要用能設(shè)備的控制器。其中用戶負(fù)荷監(jiān)測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，包括用電能耗監(jiān)測(cè)、用氣量監(jiān)測(cè)、用水量監(jiān)測(cè)、冷熱量監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)儀表等。以上儀表通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)將建筑內(nèi)各項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)及環(huán)境參數(shù)傳輸至建筑能源綜合管理系統(tǒng)；光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)包括系統(tǒng)電流、電壓、功率和發(fā)電量，以及現(xiàn)場(chǎng)及周邊的監(jiān)控和氣象監(jiān)測(cè)等；設(shè)備控制主要完成能源管理系統(tǒng)下達(dá)的各項(xiàng)控制指令，主要包括水箱三通閥的控制、熱泵及水泵的啟?？刂频?。

圖9 建筑能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

4.5 光伏發(fā)電預(yù)測(cè)模型

光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)主要包括提前預(yù)測(cè)第二日的光伏發(fā)電曲線，以及光伏發(fā)電超短期預(yù)測(cè)。

1)日預(yù)測(cè)曲線

根據(jù)天氣預(yù)報(bào)信息，結(jié)合近日光伏發(fā)電狀況，繪制出第二天24小時(shí)的光伏發(fā)電預(yù)測(cè)曲線。

2)超短期預(yù)測(cè)

光伏陣列的輸出功率主要受太陽(yáng)能輻射能量和電池板的工作溫度[4]的影響，具體關(guān)系為：

式中，PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（太陽(yáng)光入射強(qiáng)度GSTC：1000W/m2，環(huán)境參考溫度TSTC：25℃）下的最大功率；GT為入射到電池板的輻射量；kc為功率溫度系數(shù)，可取值為-0．0047；Tc為電池板的工作溫度。Tc的計(jì)算方法采用文獻(xiàn)[5]中的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Ta為當(dāng)前環(huán)境溫度；βv=c1+c2ec3v為風(fēng)速v的指數(shù)函數(shù)；c、c、c3分別為常數(shù)。

光伏發(fā)電量可根據(jù)以上公式，結(jié)合實(shí)時(shí)采集的輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測(cè)光伏發(fā)電功率。

4.6 用戶側(cè)需求預(yù)測(cè)模型

用戶側(cè)需求預(yù)測(cè)主要包括前日預(yù)測(cè)第二日的用戶用能需求，以及當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的用能需求，簡(jiǎn)稱超短期預(yù)測(cè)。

1)日前負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線

日前預(yù)測(cè)即前一日預(yù)測(cè)第二日的用戶用能需求，主要是根據(jù)第二日的天氣預(yù)報(bào)溫度T、濕度D、風(fēng)速V等信息和預(yù)估的建筑內(nèi)人員數(shù)量P，檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中不同的室外環(huán)境參數(shù)下的歷史負(fù)荷，估算出第二日的用戶負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線。將以上各參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)提供給機(jī)器自學(xué)習(xí)程序，通過機(jī)器自學(xué)習(xí)和不斷與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比校正，最終形成無(wú)限接近實(shí)際情況的日前負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線。

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的建筑室外環(huán)境參數(shù)見表1，一日用電能耗數(shù)據(jù)見表2。

表1 建筑室外環(huán)境參數(shù)表

表2 一日用電能耗數(shù)據(jù)

2)實(shí)時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)

實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)用戶負(fù)荷主要根據(jù)當(dāng)前建筑內(nèi)空調(diào)通風(fēng)和照明設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，結(jié)合環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)用戶人數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、臨時(shí)下達(dá)的開關(guān)設(shè)備指令等，對(duì)日前用戶側(cè)需求預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行修正。

5 優(yōu)化控制策略及效果

優(yōu)化控制策略主要分為日前調(diào)度控制策略和實(shí)時(shí)修正控制策略，可以根據(jù)多種優(yōu)化目標(biāo)和約束條件制定不同的策略。

5.1 日前調(diào)度控制策略

日前調(diào)度控制策略是根據(jù)第二天24小時(shí)光伏發(fā)電日預(yù)測(cè)曲線和負(fù)荷日預(yù)測(cè)曲線制定第二天24小時(shí)的靜態(tài)調(diào)度控制策略，在不同的時(shí)間段合理分配光伏出力，并確定合理的儲(chǔ)熱量或儲(chǔ)冷量以及空調(diào)運(yùn)行的方式。

大樓總用電曲線、空調(diào)用電曲線、光伏發(fā)電量曲線和電網(wǎng)出力曲線見圖10。

圖10 大樓總用電曲線、空調(diào)用電曲線、光伏發(fā)電量曲線和電網(wǎng)出力曲線

從預(yù)測(cè)曲線計(jì)算出的電網(wǎng)出力曲線，可直觀看到電網(wǎng)出力曲線波動(dòng)較大，電網(wǎng)穩(wěn)定性較差，電網(wǎng)出力每小時(shí)增長(zhǎng)/減少率統(tǒng)計(jì)見圖11。

圖11 電網(wǎng)波動(dòng)速率曲線

電網(wǎng)出力穩(wěn)定性即電網(wǎng)波動(dòng)速率，記為PL’是由當(dāng)前超短期時(shí)間單位內(nèi)電網(wǎng)出力減去上一時(shí)間單位內(nèi)電網(wǎng)出力，其占上一時(shí)間單位內(nèi)電網(wǎng)出力的比值來(lái)衡量。該比值作為判定電網(wǎng)實(shí)時(shí)穩(wěn)定性的參數(shù)，可通過調(diào)整閾值來(lái)改變建筑用能設(shè)備的調(diào)控策略。

在制定日前調(diào)度控制策略時(shí)，時(shí)間單位設(shè)定為1小時(shí)。當(dāng)制定實(shí)時(shí)調(diào)度控制策略時(shí)，時(shí)間單位設(shè)定為15分鐘或30分鐘。根據(jù)設(shè)定的閾值，將電網(wǎng)波動(dòng)率調(diào)整到理想范圍以內(nèi)，假設(shè)給定電網(wǎng)波動(dòng)閾值為[-30%，30%]（可調(diào)）。

調(diào)整后的電網(wǎng)波動(dòng)率如圖12所示：

圖12 調(diào)整后的電網(wǎng)波動(dòng)速率曲線

通過計(jì)算初始用戶側(cè)總用電預(yù)測(cè)曲線UL(t)和反推的用戶用電修正曲線UL2(t)之間的差值，可得到優(yōu)化調(diào)控的節(jié)電目標(biāo)量C(t)。具體的計(jì)算過程如圖13和圖14所示。

圖13 節(jié)電目標(biāo)量計(jì)算流程圖

圖14 節(jié)電目標(biāo)量曲線

根據(jù)日前預(yù)測(cè)曲線制定靜態(tài)調(diào)控策略的過程如圖15。

圖15 日前調(diào)控策略流程圖

節(jié)電有效措施：使用蓄冷/蓄熱水箱中提前儲(chǔ)存的冷/熱水對(duì)大樓進(jìn)行供冷/熱，停止/降低熱泵機(jī)組運(yùn)作功率從而達(dá)到節(jié)電的效果。

余電消耗采取蓄熱蓄冷策略：半夜使用谷電開啟熱泵機(jī)組，對(duì)蓄冷/熱水箱內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行制冷/加熱的操作，實(shí)現(xiàn)蓄冷/熱。

5.2 實(shí)時(shí)修正調(diào)度控制策略

實(shí)時(shí)修正控制策略是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，以及光伏發(fā)電超短期預(yù)測(cè)、負(fù)荷超短期預(yù)測(cè)、儲(chǔ)熱/冷狀態(tài)等，對(duì)用戶需求預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行修正，然后對(duì)日前調(diào)度控制策略制定的日調(diào)度方案進(jìn)行修正。

最終實(shí)現(xiàn)的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略如表3所示。

實(shí)施優(yōu)化控制前后用戶總用電曲線對(duì)比如圖16所示。優(yōu)化調(diào)控后，用戶用電量趨勢(shì)與光伏發(fā)電量曲線趨勢(shì)相近，光伏發(fā)電量峰值時(shí)用戶用電量也達(dá)到峰值。

表3 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略及調(diào)整

圖16 優(yōu)化調(diào)控前后用戶用電量

實(shí)施優(yōu)化控制前后電網(wǎng)出力曲線如圖17所示?？梢婋S著閾值范圍取值越小，電網(wǎng)出力的曲線越平緩，電網(wǎng)出力波動(dòng)越小。

圖17 優(yōu)化調(diào)控后電網(wǎng)出力曲線對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

建筑作為用能主體，也是能源的生產(chǎn)者，可利用能源互聯(lián)網(wǎng)手段解決辦公類建筑內(nèi)可再生能源與常規(guī)能源的耦合。由于可再生能源的不穩(wěn)定性，容易對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊，在保證用戶能源需求的前提下盡量減少用戶用電對(duì)電網(wǎng)的沖擊。研究使用熱泵機(jī)組及光伏發(fā)電系統(tǒng)的辦公建筑在實(shí)際運(yùn)行中的能耗情況，提出了一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)的建筑源荷一體式監(jiān)管系統(tǒng)，首先使用機(jī)器自學(xué)習(xí)法對(duì)建筑能耗及可再生能源發(fā)電量進(jìn)行日預(yù)測(cè)，然后基于預(yù)測(cè)制定優(yōu)化運(yùn)行日前調(diào)度控制策略，并在實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行超短期預(yù)測(cè)并實(shí)時(shí)修正控制策略，實(shí)施優(yōu)化調(diào)控后有效實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)速率在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，使電網(wǎng)出力趨于平緩。