基于信息物理系統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)用能控制策略研究

張然　李建克　張建洲　桑圣澤

摘?要：構(gòu)建工業(yè)園區(qū)用能控制系統(tǒng)，從能源的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲、消費(fèi)等環(huán)節(jié)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)供能側(cè)多能互補(bǔ)優(yōu)化、源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制，提升工業(yè)園區(qū)整體用能管理水平，開展能源友好互動，降低工業(yè)園區(qū)綜合能耗，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，并為用戶開展智慧用能建設(shè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：工業(yè)園區(qū);信息物理系統(tǒng);綜合能源;用能控制

目前我國的用電構(gòu)成中，工業(yè)用電量的比重占全社會用電量的75%左右，工業(yè)企業(yè)將產(chǎn)量作為第一要素，多數(shù)企業(yè)對于用能數(shù)據(jù)停留在關(guān)口數(shù)據(jù)采集，而忽視電能以外的其他綜合能源的利用?！吨袊圃?025》提出，“基于信息物理系統(tǒng)（CPS）的智能裝備、智能工廠等正在引領(lǐng)制造方式的變革，加強(qiáng)信息物理系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，重塑新時(shí)期國家競爭新優(yōu)勢”。因此在工業(yè)企業(yè)集中的園區(qū)建設(shè)用能控制系統(tǒng)，可有效提高能源利用效率。

1 系統(tǒng)定位和建設(shè)目標(biāo)

工業(yè)園區(qū)用能控制系統(tǒng)，是集成計(jì)算、通信與控制技術(shù)，使用能設(shè)備或系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能，構(gòu)建協(xié)調(diào)優(yōu)化、友好互動、靈活交易的用能管控體系。

通過建設(shè)工業(yè)園區(qū)用能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)各供用能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)，以及分布式光伏、風(fēng)電、三聯(lián)供、熱電廠、儲能等多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)配置，提升能源綜合利用水平和負(fù)荷平衡能力。

2 用能場景分析

工業(yè)園區(qū)涉及能源的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化、傳輸、存儲和消費(fèi)等環(huán)節(jié)，包含風(fēng)、光、氣、電、熱、冷、儲等多類型能源形式。在能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，為滿足不同形式的用能需求，園區(qū)通常配置能源站，涵蓋如分布式光伏、風(fēng)電、三聯(lián)供機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及燃?xì)忮仩t等不同形式供能設(shè)備，通過多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)能效提升。

在傳輸和存儲環(huán)節(jié)，部分園區(qū)還建設(shè)有熱、氣管道，同時(shí)還會配置儲能裝置，實(shí)現(xiàn)不同能源形式的分時(shí)利用及園區(qū)內(nèi)部的“削峰填谷”。在消費(fèi)環(huán)節(jié)，園區(qū)用能負(fù)荷較大，企業(yè)用戶眾多，分屬不同行業(yè)，用能形式及用能習(xí)慣存在差異，可為電網(wǎng)互動及園區(qū)內(nèi)部互動提供大量的優(yōu)質(zhì)資源。

首先，工業(yè)園區(qū)各供能系統(tǒng)及儲能均有獨(dú)立的能源生產(chǎn)管控系統(tǒng)，但各個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，缺乏實(shí)現(xiàn)聯(lián)動的方式及策略，在供能側(cè)無法實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化，導(dǎo)致園區(qū)整體能效水平不高;其次，部分園區(qū)建設(shè)了能源管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費(fèi)環(huán)節(jié)的可視化，具備一定的能效分析能力，但普遍缺乏控制能力，系統(tǒng)分析結(jié)果和優(yōu)化調(diào)節(jié)策略需要人為執(zhí)行，無法實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié);再次，園區(qū)能源管理系統(tǒng)主要以能源自我管理為目標(biāo)，缺乏園區(qū)內(nèi)部的互動。

3 系統(tǒng)功能及架構(gòu)

基于信息物理系統(tǒng)架構(gòu)的工業(yè)園區(qū)供用能控制系統(tǒng)由“云管邊端”組成，云通過管與邊和端連接，邊連接各類端，端分為采集和控制，同時(shí)為邊和云提供控制的依據(jù)和執(zhí)行，云進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控，平時(shí)收集海量用戶信息，邊通過優(yōu)化調(diào)度控制用戶用能設(shè)備，提高能效。工業(yè)園區(qū)用能控制系統(tǒng)通過在端側(cè)安裝采集終端、柔性負(fù)荷控制終端、柔性負(fù)荷調(diào)度網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，在邊側(cè)安裝用戶智慧能源網(wǎng)關(guān)、智慧能源網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息監(jiān)測與控制終端等設(shè)備，在云側(cè)生成優(yōu)化控制策略，并通過管層下發(fā)邊、端執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化控制、提升用能效率、降低工業(yè)園區(qū)的用能成本，并且實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)與電網(wǎng)之間的友好互動。

4 模型搭建及控制策略研究

工業(yè)企業(yè)在能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)模型和園區(qū)的模型基本一致，針對其特有的能源循環(huán)利用的特性，建立基于工業(yè)企業(yè)能源循環(huán)梯次利用機(jī)制的能效提升模型。此模型主要關(guān)注工藝環(huán)節(jié)的能源轉(zhuǎn)換（如焦化工藝中的焦?fàn)t等）、能源使用（如煉鐵工藝?yán)锏母郀t等）環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的大量余熱余能，充分協(xié)調(diào)使用、回收、分配、轉(zhuǎn)換之間的參數(shù)關(guān)系，通過構(gòu)建工業(yè)園區(qū)用能管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化余熱余能的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)能效的提升。

通過對工業(yè)企業(yè)能效提升模型的分析利用，對非線性優(yōu)化模型進(jìn)行策略設(shè)計(jì)，在用能控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)能源循環(huán)梯次利用，降低單位產(chǎn)量能耗，通過循環(huán)迭代獲得最優(yōu)參數(shù)配比，并通過邊緣路由器控制相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行。

部分園區(qū)存在光伏及熱電聯(lián)產(chǎn)等供能設(shè)備，光、熱、電等能源形式的協(xié)調(diào)優(yōu)化是工業(yè)園區(qū)用能控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)重要功能，為此建立光、熱、電多能協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。該模型以氣象數(shù)據(jù)和園區(qū)歷史光伏負(fù)荷數(shù)據(jù)為輸入，對光伏負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測;同時(shí)以歷史熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)及用戶上報(bào)用能計(jì)劃為輸入，對園區(qū)熱、電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)，以環(huán)保、能效、經(jīng)濟(jì)、光伏消納為目標(biāo)，輸出園區(qū)供能側(cè)多能互補(bǔ)優(yōu)化策略及內(nèi)外部的交易互動策略，發(fā)送至相應(yīng)邊緣路由器執(zhí)行。

園區(qū)用能控制系統(tǒng)通過相關(guān)優(yōu)化策略的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)光熱電多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化。多能協(xié)調(diào)優(yōu)化策略以每小時(shí)熱電廠發(fā)電量、供熱量、儲能系統(tǒng)充、放電量為求解目標(biāo)，以綜合指標(biāo)作為依據(jù)，采用智能算法進(jìn)行計(jì)算求解，得出不同負(fù)荷條件下的最佳優(yōu)化調(diào)度方案。實(shí)時(shí)優(yōu)化控制基于當(dāng)前負(fù)荷與分布式能源發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)測信息，利用指定的優(yōu)化算法對未來一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)園區(qū)能源調(diào)度計(jì)劃制定最優(yōu)控制策略，并通過邊緣路由器推送至各能源生產(chǎn)控制系統(tǒng)（如熱電廠DCS等）完成調(diào)控任務(wù)。

5 結(jié)論

本文分析工業(yè)園區(qū)各能源的生產(chǎn)管理，搭建基于信息物理系統(tǒng)用能控制模型，研究多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，通過接入工業(yè)用戶用能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)用戶負(fù)荷互濟(jì)和用能效率提升。

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作者簡介：張然（1984-），男，漢族，江蘇南京人，工學(xué)學(xué)士，本科，工程師，從事電動汽車充放電技術(shù)研究;李建克（1984-），男，漢族，江蘇南京人，工學(xué)學(xué)士，本科，工程師，從事電動汽車充電設(shè)施技術(shù)研究;張建洲（1988-），男，漢族，江蘇南京人，工學(xué)學(xué)士，本科，工程師，從事電動汽車充放電技術(shù)研究;桑圣澤（1991-），男，漢族，江蘇南京人，工學(xué)學(xué)士，本科，助理工程師，從事電動汽車充放電技術(shù)研究。