基于BIM技術(shù)的供電所智慧微能源管控平臺

呂 超

（國網(wǎng)山東省電力公司濟南市歷城區(qū)供電公司，山東 濟南 250100）

電能是一種同人們?nèi)粘Ｉ罹o密關(guān)聯(lián)的能源，電能供應(yīng)的可靠性直接影響社會運行的穩(wěn)定性[1,2]。因此為保障高質(zhì)量的電能供應(yīng)，供電所需關(guān)注微能源供應(yīng)的高效管控，確保供電所微能源的科學(xué)分配，滿足相應(yīng)區(qū)域內(nèi)微能源使用需求[3]。

以往普遍使用的微能源管控平臺多為以雙層Stackelberg博弈為核心[4]，但考慮供電所涉及的微能源設(shè)備類型較多，此類管控平臺無法實現(xiàn)不同微能源設(shè)備的信息管理的全面性[5]，導(dǎo)致供電所微能源管控效率較差。BIM 技術(shù)能夠構(gòu)建3D 可視化模型[6]，改善傳統(tǒng)信息溝通方式，實現(xiàn)信息的可視化溝通，提升信息管理的全面性與把控度?；诖耍芯炕贐IM 技術(shù)的供電所智慧微能源管控平臺，構(gòu)建以電為中心的清潔低碳能源消費體系，實現(xiàn)智慧能源與供電所的有機融合，提高供電所內(nèi)可再生能源占比和供能安全可靠性、降低供電所碳排放和用能費用。

1 供電所智慧微能源管控平臺設(shè)計

1.1 平臺整體架構(gòu)

基于BIM技術(shù)的供電所智慧微能源管控平臺整體采用5層架構(gòu)，由下至上分別為測控層、網(wǎng)絡(luò)層、BIM 數(shù)據(jù)庫、功能層與應(yīng)用層。通過平臺內(nèi)各層的協(xié)作實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲、充的協(xié)調(diào)控制和冷、熱、電供能系統(tǒng)的智能運維，實現(xiàn)用戶用能需求側(cè)響應(yīng)[7]，并通過BIM構(gòu)件聚類等先進可行的管理手段，提高供電所能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。圖1 所示為基于BIM技術(shù)的供電所智慧微能源管控平臺的整體架構(gòu)。

圖1 平臺整體結(jié)構(gòu)

測控層的主要功能為采集供電所源、網(wǎng)、荷、儲、充以及冷、熱、電供能系統(tǒng)的運維數(shù)據(jù)；所采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)關(guān)傳輸至BIM 數(shù)據(jù)庫內(nèi)，生成BIM模型構(gòu)件；功能層依照用戶用能需求生成不同功能模塊，利用BIM模型構(gòu)件獲取相關(guān)構(gòu)建的各類數(shù)據(jù)；應(yīng)用層為平臺與使用者的交互工具，使用者通過操作觸摸屏一體機實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)查詢與處理。

1.2 測控層設(shè)計

1.2.1 逆變器

由于供電所微能源側(cè)的額定值通常為kW級別，且包含若干類不同的微能源設(shè)備，因此在測控層內(nèi)采用逆變器將各微能源設(shè)備功率變換[8]，將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電接入平臺內(nèi)進行處理與應(yīng)用。逆變器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 逆變器結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，直流/交流逆變器內(nèi)包含逆變橋電路與濾波電路等。光伏發(fā)電列陣與儲能系統(tǒng)（包括儲能與風(fēng)機）作為逆變器的輸入能源，兩者所輸入的均為直流電壓與電流。直流輸入通過逆變電路與濾波器（兩個回路）轉(zhuǎn)變?yōu)轭~定功率為kW 級別的交流電，并輸出。

1.2.2 控制器

控制器的核心為80C51 單片機，結(jié)合SPWM 發(fā)生器、驅(qū)動模塊以及驅(qū)動電路、保護電路和控制電流等共同實現(xiàn)逆變器控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)

驅(qū)動電路以集成模塊EXB840 為核心，其主要功能是區(qū)分弱電和強電[9]，并具有放大功率的作用。正弦脈寬調(diào)制信號發(fā)生器SA828 輸出的調(diào)制信號經(jīng)由啟動電路直接驅(qū)動逆變電路，具有高隔離性與高抗干擾能力的優(yōu)勢。

保護電路能夠?qū)崿F(xiàn)過載與短路兩種不同的保護功能[10]。過載保護即在外接負載高于額定值一定程度的條件下，通過關(guān)閉正弦脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，實現(xiàn)關(guān)斷逆變電路輸出的目的；同時以防止誤關(guān)斷為目的，針對過載信號引入濾波延遲電路。短路保護即在外接負載高于額定值2 倍以上的條件下，實時關(guān)閉控制器；控制器設(shè)計過程中，為保障控制關(guān)閉的實時性，將全部信號經(jīng)由數(shù)字或門合并后直接連接正弦脈寬調(diào)制信號發(fā)生器的引腳，同時通過TRIP（路由選擇）實現(xiàn)關(guān)閉。

控制電路的核心為80C51 單片機，結(jié)合A/D 轉(zhuǎn)換器等外圍擴展與正弦脈寬調(diào)制信號發(fā)生器共同實現(xiàn)控制功能。單片機對正弦脈寬調(diào)制信號發(fā)生器實施初始化與輸出脈寬、頻率與顯示等控制[11]，同時實現(xiàn)逆變器輸出電壓的閉環(huán)控制。

1.3 基于BIM的可視化管控技術(shù)路線

平臺功能層內(nèi)基于BIM 模型可通過3D 可視化形式體現(xiàn)供電所微能源設(shè)備，這種體現(xiàn)形式既直觀又形象，同時BIM模型還為設(shè)備相關(guān)參與者提供對應(yīng)的添加、修正、刪除與查詢等可視化操作[12]，提升供電所微能源管控效率。基于BIM的供電所微能源設(shè)備可視化管控技術(shù)路線，如圖4所示。

圖4 基于BIM的可視化管控技術(shù)路線

通過BIM軟件構(gòu)建供電所微能源設(shè)備3D模型，在設(shè)備屬性內(nèi)添加設(shè)備的基本、維護以及經(jīng)濟等不同類型信息，通過各類信息的統(tǒng)一管控，構(gòu)建包含全部設(shè)備信息的BIM模型?；贐IM軟件對供電所微能源設(shè)備信息實施可視化展示，通過三維空間準(zhǔn)確定位供電所微能源設(shè)備；利用3D模型呈現(xiàn)設(shè)備信息；通過有所差異的顏色或圖案呈現(xiàn)設(shè)備各類狀態(tài)[13]，以及各類信息的整合與可視化展示輔助管理人員對供電所微能源的管控與決策。

2 應(yīng)用分析

為驗證本文所研究的基于BIM 技術(shù)的供電所智慧微能源管控平臺在實際供電所能源管控中的應(yīng)用效果，以國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司彩石供電所為應(yīng)用對象，采用本文平臺對其微能源進行管控。

2.1 微能源設(shè)備信息統(tǒng)計

采用本文平臺統(tǒng)計應(yīng)用對象內(nèi)微能源設(shè)備的全部信息，其中包括微能源設(shè)備的類型、型號、歷史維護信息、維護狀態(tài)以及維護成本等。以應(yīng)用對象所包含的部分充電樁為例，導(dǎo)出充電樁信息總表，所得結(jié)果如表1所示。

表1 微能源設(shè)備信息統(tǒng)計結(jié)果

分析表1 得到，本文平臺所導(dǎo)出的充電樁設(shè)備信息內(nèi)包含設(shè)備的全部屬性信息，且信息較為詳盡，分類清晰，由此說明本文平臺能夠?qū)崿F(xiàn)微能設(shè)備信息的全面管理。

2.2 逆變器輸出結(jié)果

平臺中，不同負荷條件下，逆變器輸出結(jié)果，如圖5所示。

圖5 輸出結(jié)果

分析圖5（a）得到，在線性負荷條件下，平臺中的逆變器可令微能源設(shè)備輸出諧頻降至穩(wěn)定狀態(tài)，輸出頻率分辨率較高。

分析圖5（b），在非線性負荷條件下，本文平臺中的逆變器可有效抑制微能源設(shè)備輸出的諧頻，輸出頻率分辨率較高。

綜合圖5（a）和圖5（b）的結(jié)果可知，在不同負荷條件下，本文平臺中逆變器均能有效抑制微能源設(shè)備輸出的諧頻，提升輸出頻率分辨率，有利于提升平臺對于微能源設(shè)備的管控效果。

3.3 平臺效益分析

從經(jīng)濟效益角度出發(fā)，驗證本文平臺的應(yīng)用性，所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)濟效益分析

分析圖6 得到，采用本文平臺前，應(yīng)用對象空氣三聯(lián)供系統(tǒng)相對分體式空調(diào)節(jié)能率與綜合節(jié)能率分別為34%和62%，采用本文平臺后，空氣三聯(lián)供系統(tǒng)相對分體式空調(diào)節(jié)能率與綜合節(jié)能率分別提升16%和8%。采用本文平臺前，風(fēng)、光清潔能源利用率為38%，采用本文平臺后，風(fēng)、光清潔能源利用率提升12%。以上數(shù)據(jù)充分說明采用本文平臺能夠有效提升應(yīng)用對象的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)束語

考慮BIM技術(shù)對于信息管理的性能優(yōu)勢，本文設(shè)計基于BIM 技術(shù)的供電所智慧微能源管控平臺，對于BIM技術(shù)在供電所微能源設(shè)備運維信息的管理進行詳細探究。通過測控層、網(wǎng)絡(luò)層、BIM 數(shù)據(jù)庫、功能層與應(yīng)用層間的協(xié)作實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲、充的協(xié)調(diào)控制和冷、熱、電供能系統(tǒng)的智能運維，實現(xiàn)用戶用能需求側(cè)響應(yīng)。同時以國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司彩石供電所為應(yīng)用對象，驗證本文方法的應(yīng)用效果，所得結(jié)果顯示本文平臺能夠?qū)崿F(xiàn)微能設(shè)備信息的全面管理，并且有效提升微能源設(shè)備的節(jié)能率與清潔能源利用率。