基于邊緣計算的小型化綜合能源智能控制系統(tǒng)設計與研究

程俊杰 阮玖圣

摘? 要：未來能源將會朝著清潔化、智慧化、去中心化、綜合化方向發(fā)展，能源利用形式將會呈現(xiàn)冷、熱、電、氣能源在供應、傳輸、消費和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)化利用趨勢。當前綜合能源的建設與運行仍以多種新能源簡單集成為主，由于可再生能源的隨機波動性、綜合能源控制的復雜性，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以發(fā)揮綜合能源的潛力及優(yōu)勢，需進一步增強異質(zhì)能源的互補性和可替代性，解決多能源耦合轉(zhuǎn)化效率低、造價高的難題。本文提出一種基于邊緣計算的小型DCS系統(tǒng)，采用小型化、可插拔的模塊化設計，具備傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)全部功能的同時，增加了人工智能邊緣計算模塊功能，在傳統(tǒng)工業(yè)設備的協(xié)調(diào)控制功能的基礎上，利用邊緣智能，提升綜合能源智能化水平，大幅提高了能源利用效率，具有較好的應用前景。

關鍵詞：綜合能源? 小型化DCS? 邊緣計算? 多能耦合? 數(shù)字孿生

中圖分類號：TP13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0073-03

Design and Research of Miniaturized Integrated Energy Intelligent Control System Based on Edge Computing

CHENG Junjie? ?RUAN Jiusheng

（Simulation Center， State Nuclear Power Automation System Engineering Company， Shanghai， 200241 China）

Abstract： In the future， energy will develop in the direction of cleanness， intelligence， decentralization and integration. The form of energy utilization will show the trend of comprehensive and optimal utilization of cold， heat， electricity and gas energy in the links of supply， transmission， consumption and transformation. At present， the construction and operation of comprehensive energy still focus on the simple integration of a variety of new energy. Due to the random fluctuation of renewable energy and the complexity of comprehensive energy control， the traditional control system is difficult to give full play to the potential and advantages of comprehensive energy. It is necessary to further enhance the complementarity and substitutability of heterogeneous energy and solve the problems of low efficiency and high cost of multi energy coupling conversion. This paper proposes a small DCS system based on edge computing， which adopts a miniaturized and pluggable modular design. When it has all the functions of the traditional DCS system， it adds the function of artificial intelligence edge computing module. On the basis of having the coordinated control function of traditional industrial equipment， it makes use of edge intelligence， improves the level of comprehensive energy intelligence， and greatly improves the energy utilization efficiency. It has a good application prospect.

Key Words： Comprehensive energy; Miniaturized DCS; Edge computing; Multienergy coupling; Digital twin

隨著“碳達峰、碳中和”國家能源戰(zhàn)略發(fā)展目標的提出，未來能源將會朝著清潔化、智慧化、去中心化、綜合化方向發(fā)展，能源利用形式將會呈現(xiàn)冷、熱、電、氣能源在供應、傳輸、消費和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)化利用趨勢。當前能源生產(chǎn)和消費方式在發(fā)生革命性變化，傳統(tǒng)能源發(fā)展受到環(huán)境嚴重制約，清潔能源替代加速，能源利用向綠色低碳轉(zhuǎn)型。發(fā)展綜合智慧能源是推動能源轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新發(fā)展模式的重要方向之一。

當前綜合能源的建設與運行仍以多種能源簡單集成為主，多能源耦合轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢并未發(fā)揮，導致能源利用造價高、效率低，阻礙了綜合能源的發(fā)展。綜合能源控制系統(tǒng)作為能效提升的關鍵技術設備，在多能耦合、轉(zhuǎn)換，儲能經(jīng)濟運行，綜合能源供需平衡，并網(wǎng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)等方面均具有重要作用[1]。但由于可再生能源的隨機波動性、綜合能源控制的復雜性，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以發(fā)揮綜合能源的潛力及優(yōu)勢，需進一步增強異質(zhì)能源的互補性和可替代性。綜合能源面臨著亟待解決的多能源耦合轉(zhuǎn)化效率低、造價高的難題。

本文提出一種基于邊緣計算的小型DCS系統(tǒng)，采用小型化、可插拔的模塊化設計，具備傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)全部功能的同時，增加了人工智能邊緣計算模塊功能，在傳統(tǒng)工業(yè)設備的協(xié)調(diào)控制功能的基礎上，利用邊緣智能，提升綜合能源智能化水平，大幅提高了能源利用效率，具有較大研發(fā)價值及市場潛力。

1? 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構

基于邊緣計算的小型化綜合能源智能控制系統(tǒng)包含小型化DCS系統(tǒng)及邊緣計算站兩部分。小型DCS系統(tǒng)硬件包括包括基于ARM的過程控制站DPU模塊、電源模塊、各種I/O模塊。邊緣計算站包括基于ARM架構的神經(jīng)網(wǎng)絡芯片接口板載模塊，可用于高性能推理，具有精準的多模式AI推理功能，實現(xiàn)各種深度學習模型和機器學習及智能控制算法的邊緣化部署。小型化DCS系統(tǒng)與邊緣計算站深度融合，邊緣計算智能站通過OPC及內(nèi)部通訊協(xié)議與小型化DCS系統(tǒng)進行雙向通信，邊緣計算智能算法運算結果可以通過小型化DCS系統(tǒng)作用到現(xiàn)場設備上，發(fā)揮人工智能算法作用，兩者間可以實現(xiàn)智能算法與邏輯控制之間的無擾切換、互為冗余配置或其他自定義功能，如智能算法通過更改DCS控制邏輯參數(shù)實現(xiàn)優(yōu)化提升等，提升綜合能源智能化水平[2]。

系統(tǒng)軟件部分除了傳統(tǒng)DCS各種組態(tài)、運行分析監(jiān)控軟件外，還開發(fā)了人工智能算法模塊組態(tài)工具，ARM架構神經(jīng)網(wǎng)絡芯片算法部署工具，算法編譯加速工具，智能算法加密工具，各種智能算法API、SDK工具，Linux顯示界面GUI，智能算法與DCS邏輯交互工具及聯(lián)合組態(tài)工具，邊緣計算與DCS通信接口，冗余無擾切換配置工具等[3]。

1.2 系統(tǒng)布置

基于邊緣計算的綜合能源智能控制系統(tǒng)包括一個人工智能邊緣計算站、一堆冗余配置的過程控制站（可選）和若干個I/O模塊組成，功能模塊布置由上到下依次為：邊緣計算站（EC）、過程控制站（PU）、I/O模塊組成。

系統(tǒng)基于人工智能邊緣系統(tǒng)開發(fā)技術、小型化現(xiàn)場總線技術主控制器及分布式I/O系統(tǒng)組成。內(nèi)部功能模塊邊緣計算模塊（EC）與過程控制站（PU）為必選模塊，其中PU模塊集成電源模塊，節(jié)省內(nèi)部空間，EC及PU模塊均可插拔，方便調(diào)試及更換。其他智能I/O模塊為非固定模塊，采用內(nèi)部級聯(lián)方式，根據(jù)具體綜合能源項目自由組建。不同綜合智慧能源控制裝置也可級聯(lián)使用，適用于大型綜合能源項目。

1.2.1 邊緣計算站

綜合能源智能控制系統(tǒng)的邊緣計算模塊（EC）采用功能強大緊湊型Jetson Xavie Nx模塊進行開發(fā)，具有精準的多模式AI推理功能，可將面向綜合能源的AI應用部署到此邊緣設備。邊緣計算模塊通過網(wǎng)絡或CAN接口與過程控制器DPU通信，并行運行多個AI應用，將時間序列預測、綜合能源調(diào)度優(yōu)化、綜合能源智能控制等運算結果交付DPU執(zhí)行。此外，邊緣計算模塊也處理來自多個傳感器，包括視頻設備高分辨率設備，實現(xiàn)機器視覺、自然語音處理等傳統(tǒng)工控系統(tǒng)不具備的功能實現(xiàn)[4]。

邊緣計算站的應用軟件及下裝的算法模型保存在電子盤中，在失電的狀態(tài)下不會丟失算法模型。邊緣計算模塊（EC）中的功能與過程控制站（DPU）往往是冗余配置的，過程控制站中的控制邏輯提供傳統(tǒng)穩(wěn)定的綜合能源調(diào)度及控制方案，邊緣計算模塊實現(xiàn)是綜合能源調(diào)度及控制的優(yōu)化方案，通過其內(nèi)置的兩個互為冗余的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信和模塊間的冗余。處于備用狀態(tài)的DPU能夠自動跟蹤運行的EC，一旦主控狀態(tài)的邊緣計算模塊（EC）出現(xiàn)故障，備用DPU將立即承擔過程控制任務，實現(xiàn)優(yōu)化算法與保守策略間的無擾切換。

1.2.2 過程控制站

綜合智慧能源控制裝置的過程控制器（DPU）是整個綜合智慧能源控制裝置硬件體系結構的主控制單元，可采用雙冗余配置，是體系網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡之間的樞紐。過程控制站為ARM架構，大小形狀與普通I/O模塊完全相同，可與I/O模塊級聯(lián)使用，具體使用型號可根據(jù)實際需要進行選擇。過程控制站內(nèi)部運行實時多任務操作系統(tǒng)，執(zhí)行實時的任務調(diào)度和運算，將I/O模塊和上位機進行連接，使整個體系結構成為一個完整的整體。過程控制站由下列部分組成：總線底座底板、CPU主板、雙CAN接口卡、電源、外殼及指示燈等[5]。

1.2.3 電源模塊

電源模塊采用開關電源AC/DC轉(zhuǎn)換設備，實現(xiàn)220VAC到24VDC的轉(zhuǎn)換，為過程控制站和I/O模塊、邊緣控制站進行供電。電源模塊分為A、B、C、D這4種模塊，電源模塊A和B是一對，接線端子相同;C和D為一對，接線端子相同。一種模塊只提供一路220VAC到24VDC電源轉(zhuǎn)換，一對模塊配合使用實現(xiàn)電源的雙冗余結構。

1.2.4 I/O模塊

系統(tǒng)的智能I/O模塊采用可插拔結構，由模塊部分和底座兩部分組成，通過底座端子與現(xiàn)場信號線相連。模塊采用級聯(lián)方式，電源和信號線通過底座部分相連。模塊采用CAN總線方式與過程控制站建立通訊。

1.3 控制網(wǎng)絡

控制網(wǎng)是過程控制站的內(nèi)部網(wǎng)絡，采用CAN總線將DPU與邊緣計算站EC和I/O模塊進行連接。CAN總線在I/O模塊列內(nèi)部通過模塊底座部分進行級聯(lián)，在列與列之間采用環(huán)形結構。每一列模塊的底部均有一個終端模塊，終端模塊上設有CAN總線匹配電阻的撥碼開關，需要接匹配電阻時將撥碼撥至ON端，不需要時撥到OFF端。在電源模塊上也設有CAN總線接線端子和匹配電阻的撥碼開關。通訊運行時，需要將第1列模塊的電源模塊上的CAN匹配撥碼開關撥至ON端，將最后1列I/O模塊底部的終端模塊的CAN匹配撥碼開關撥至ON端，其余的開關全部撥至OFF端[6]。

1.4 能源預測與優(yōu)化功能

根據(jù)綜合能源不同場景梳理，含有邊緣計算站和傳統(tǒng)DCS控制功能的綜合能源智能控制系統(tǒng)能實現(xiàn)的能源預測與優(yōu)化功能包括能源供應預測、用戶負荷預測、儲能優(yōu)化、電、熱、冷負荷控制優(yōu)化、峰谷電價并網(wǎng)優(yōu)化、用戶用能優(yōu)化等。

2? 結語

隨著構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的提出，未來能源利用的低碳化、智慧化、綜合化是必然發(fā)展趨勢。本文提出一種基于邊緣計算的小型DCS系統(tǒng)，采用小型化、可插拔的模塊化設計，具備傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)全部功能時，增加了人工智能邊緣計算模塊功能，具備傳統(tǒng)工業(yè)設備的協(xié)調(diào)控制功能的基礎上，利用邊緣智能，提升綜合能源智能化水平，大幅提高了能源利用效率，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1] 艾芊，郝然.多能互補、集成優(yōu)化能源系統(tǒng)關鍵技術及挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（4）：2-10，46.

[2] 宋晨輝，馮健，楊東升，等.考慮系統(tǒng)耦合性的綜合能源協(xié)同優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（10）：38-45，86.

[3] 李爭，張蕊，孫鶴旭，等.可再生能源多能互補制-儲-運氫關鍵技術綜述[J].電工技術學報，2021，36（3）：446-462.

[4] 朱兵.地源熱泵機房的設計及節(jié)能智能控制系統(tǒng)EICS的研究[D].合肥：安徽建筑大學，2018.

[5] 張麗虹，常成，熊煒，等.基于智能控制終端的主動配電網(wǎng)故障處理方法[J].電力科學與技術學報，2020，35（2）：22-29.

[6] 程庭莉.含分布式儲能的主動配電網(wǎng)多目標優(yōu)化調(diào)度方法研究[D].重慶：重慶大學，2018.