基于CPS的樓宇能源系統(tǒng)的供需互動(dòng)協(xié)調(diào)控制方法研究

朱國梁 王瑞琪 王 碩

（國網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

該文針對(duì)商業(yè)建筑自動(dòng)化水平低導(dǎo)致的普遍能效低的問題，從商業(yè)建筑能耗控制系統(tǒng)建設(shè)入手，提出基于CPS的樓宇能源系統(tǒng)的供需互動(dòng)協(xié)調(diào)控制方法，為客戶提供全面的能耗解決方案，促進(jìn)商業(yè)建筑能耗設(shè)備與系統(tǒng)的對(duì)接，提高節(jié)能水平[1]。建筑能源系統(tǒng)供需互動(dòng)協(xié)調(diào)控制的研究主要集中在終端設(shè)備或“源”設(shè)備的局部?jī)?yōu)化上，違背了全球感知的協(xié)作，系統(tǒng)整體能耗優(yōu)化將無法完成；該文探究了樓宇用能的物理場(chǎng)景、空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)節(jié)能控制和參與需求響應(yīng)系統(tǒng)，建立了空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化決策模式。

1 CPS樓宇能源系統(tǒng)物理感知體系構(gòu)建

1.1 基于CPS的樓宇能源供需互動(dòng)友好平臺(tái)架構(gòu)

CPS作為基于物理事件和計(jì)算的交互系統(tǒng)的基本單元，通過計(jì)算時(shí)間的相互作用，提供了多種互操作性和智能化解決方案，可運(yùn)行于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。在能源運(yùn)行信息處理過程中，可細(xì)分為能源管理系統(tǒng)的門級(jí)、站級(jí)、域級(jí)和過程級(jí)。在能源供應(yīng)管理環(huán)節(jié)，平臺(tái)主要負(fù)責(zé)集中協(xié)調(diào)用戶與統(tǒng)一電網(wǎng)的供應(yīng)關(guān)系?？芍苯优c電網(wǎng)管理平臺(tái)用戶連接，無須設(shè)置操作系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)的接口。能源移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的技術(shù)支持。平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)CPS平臺(tái)是多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS的有機(jī)功能組合[2]。其主要包括建筑智能工程管理信息平臺(tái)主站和超負(fù)荷數(shù)據(jù)聚合供應(yīng)商子系統(tǒng)站。SOS企業(yè)級(jí)CPS通過構(gòu)建大數(shù)據(jù)聚合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨平臺(tái)系統(tǒng)和跨企業(yè)平臺(tái)的信息互聯(lián)和交互操作，實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同，商業(yè)節(jié)點(diǎn)建筑的高效聚合和應(yīng)用優(yōu)化。CPS平臺(tái)電網(wǎng)信息系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CPS的電網(wǎng)供需信息交互架構(gòu)

負(fù)荷動(dòng)態(tài)聚合供應(yīng)商利用智能數(shù)據(jù)服務(wù)器和云計(jì)算平臺(tái)，對(duì)多能源系統(tǒng)集成聯(lián)合平臺(tái)模型和CPS的系統(tǒng)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一分析監(jiān)控、實(shí)時(shí)綜合分析和集中控制。同時(shí)，利用智能數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)，制定多個(gè)CPS融合系統(tǒng)模型的能源調(diào)度管理計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)多個(gè)新能源系統(tǒng)資源的優(yōu)化綜合配置，提高能源綜合利用率，實(shí)現(xiàn)CPS平臺(tái)智能化綜合用電功能管控[3]。該文構(gòu)建了支持傳統(tǒng)電力信息網(wǎng)格內(nèi)部業(yè)務(wù)的智能云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)信息感知、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、科學(xué)決策、精確自動(dòng)控制和智能執(zhí)行的閉環(huán)分配系統(tǒng)。完成了快速更換、系統(tǒng)性能優(yōu)化和電源資源的協(xié)同控制。CPS的分配交互是通過分配智能單元軟件的最終信息感知、計(jì)算數(shù)據(jù)分析等功能，自動(dòng)控制整個(gè)傳統(tǒng)物理信息實(shí)體及其周圍環(huán)境的最終智能狀態(tài)。

1.2 樓宇能源供需互動(dòng)CPS服務(wù)節(jié)點(diǎn)功能優(yōu)化

電力能源服務(wù)平臺(tái)需要CPS的技術(shù)，要考慮到服務(wù)系統(tǒng)的擴(kuò)展，需要重新設(shè)計(jì)針對(duì)用戶需求側(cè)多元化的互動(dòng)信息平臺(tái)融合及融合策略。互動(dòng)信息平臺(tái)是銜接用戶服務(wù)系統(tǒng)與服務(wù)終端的重要橋梁，支持采用 openadr服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，目前已具備海量用戶數(shù)據(jù)處理分析能力，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展提供高級(jí)服務(wù)應(yīng)用，包括用戶需求評(píng)估與分析、應(yīng)急資源管理與調(diào)度、可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。

構(gòu)建供需服務(wù)平臺(tái)與其他交互服務(wù)終端之間雙向細(xì)化的CPS交互調(diào)度控制模型，分析參與供需交互的多個(gè)用戶的各種觸發(fā)點(diǎn)和事件、感知、決策和控制，并建立支持供需信息交互的閉環(huán)控制系統(tǒng)[4]。構(gòu)建CPS服務(wù)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的核心功能體系。它包括傳感器、執(zhí)行器和計(jì)算控制器。為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)各設(shè)備之間能夠無時(shí)差進(jìn)行信息通信，在每個(gè)CPS核心節(jié)點(diǎn)設(shè)置事件同步時(shí)鐘，以保證每個(gè)事件的同步定時(shí)。CPS系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施連接，通過節(jié)點(diǎn)感知控制單元實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并利用系統(tǒng)處理能力對(duì)實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行反向分析和控制。對(duì)用戶運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、采集和報(bào)告、協(xié)同計(jì)算機(jī)等處理，幫助所有用戶分析、研究和判斷供電系統(tǒng)未來的變化趨勢(shì)。傳統(tǒng)的大型電力系統(tǒng)在后期進(jìn)行移峰調(diào)度管理時(shí)，由于缺乏有效的系統(tǒng)用戶信息數(shù)據(jù)，只能在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)橫斷面進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行分析，而新的CPS能夠準(zhǔn)確地給出系統(tǒng)在連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的具體運(yùn)行狀態(tài)特征，解決了系統(tǒng)終端用戶信息缺乏的問題。

2 樓宇能源系統(tǒng)的供需互動(dòng)協(xié)調(diào)控制管理算法

基于CPS的供需雙向融合互動(dòng)平臺(tái)在高效融合控制系統(tǒng)，可有效感知管理設(shè)備的實(shí)際工作管理狀態(tài)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)周邊環(huán)境的不斷變化，為資源調(diào)度以及電網(wǎng)緊急事件處理、信息采集發(fā)布等管理工作提供更為準(zhǔn)確的信息。主要采用的模型是融合系統(tǒng)自動(dòng)管理模型，構(gòu)建了融合傳感、通信、計(jì)算三個(gè)系統(tǒng)一體化的高效融合自動(dòng)控制系統(tǒng)模型，更好地幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)需求側(cè)自動(dòng)化的可視化人力調(diào)度，使人力資源的融合管理更加高效。然而在售后服務(wù)市場(chǎng)逐步完全放開后，系統(tǒng)電源、用戶、負(fù)荷的互動(dòng)協(xié)調(diào)控制管理和功能更為優(yōu)化。通過預(yù)先自動(dòng)設(shè)定系統(tǒng)配置的控制策略和系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行控制管理邏輯，使用戶端能夠自動(dòng)控制整個(gè)電網(wǎng) CPS 服務(wù)功能。系統(tǒng)管理服務(wù)終端能夠按照每個(gè)服務(wù)用戶預(yù)先自動(dòng)設(shè)定的負(fù)荷電網(wǎng)功能優(yōu)化系統(tǒng)功能，控制目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，例如此時(shí)的用戶可以根據(jù)整個(gè)負(fù)荷電網(wǎng)側(cè)面的實(shí)時(shí)網(wǎng)站發(fā)布的能源價(jià)格變動(dòng)相關(guān)信息，調(diào)節(jié)整個(gè)電網(wǎng)承載負(fù)荷的能源變化，P為電荷密度。V為負(fù)荷值，CP為電力消耗值,用戶需要從整個(gè)電網(wǎng)CPS服務(wù)終端中獲取與整個(gè)負(fù)荷電網(wǎng)、用戶以及電網(wǎng)負(fù)荷相關(guān)的電網(wǎng)服務(wù)產(chǎn)品信息。能源調(diào)控的最大功率是（λ，β），手動(dòng)控制在能源調(diào)控機(jī)組的額定風(fēng)速為ω，能源調(diào)控機(jī)的速度為R，使其隨風(fēng)速的變化而變化。為了獲得最大功率，能源調(diào)控系統(tǒng)必須保持最佳葉尖速比，風(fēng)能利用率保持在最大值，如公式（1）~公式（3）所示。

從表達(dá)式可以看出，能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出功率d（UPVIPV）與許多因素有關(guān)，包括物理因素和氣象因素。對(duì)固定能源調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能源調(diào)節(jié)系統(tǒng)只有一個(gè)可變因素，即系數(shù)DUPV，其余因素DIPV不變。建筑電能在最大功率點(diǎn)的輸出功率dPPV和輸出電壓滿足以下條件，如公式（3）所示。

傳統(tǒng)的電導(dǎo)率增量的方法和自動(dòng)干涉電壓觀測(cè)增量法，可以采用設(shè)置和自動(dòng)改變工作電壓增量參考值的測(cè)量原理方法來準(zhǔn)確控制，但在準(zhǔn)確判斷不同工作點(diǎn)的測(cè)量過程中，采用的是傳統(tǒng)的測(cè)量方法。不同干涉點(diǎn)的測(cè)量準(zhǔn)則是不同的。由于最大運(yùn)動(dòng)功率工作點(diǎn)的電導(dǎo)率的測(cè)量準(zhǔn)則數(shù)值趨于零，電導(dǎo)率和電導(dǎo)率干涉增量的方法同樣可以有效地避免左右軸向振蕩，控制其更接近最大工作功率值，提高系統(tǒng)的軸向穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能。但是該方法存在大量的重復(fù)微分計(jì)算，計(jì)算過程對(duì)運(yùn)算控制的精確度要求增大，容易造成錯(cuò)誤判斷。因此，改進(jìn)后的方法使用成本高且方法中的模型也相對(duì)復(fù)雜[5]。根據(jù)國際清潔能源標(biāo)準(zhǔn)用電頻率調(diào)控系統(tǒng)使用時(shí)的頻率，將危險(xiǎn)信號(hào)射頻小波信號(hào)計(jì)算處理系數(shù)劃分為三個(gè)層次，有效避免部分射頻信號(hào)處理誤差。由此數(shù)據(jù)分析后所獲取的危險(xiǎn)信號(hào)誤差平均值、信號(hào)方差和經(jīng)過等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)期望值分別換算，如公式（4）~公式（6）所示。

式中：X為平均值；σ為方差；Si為標(biāo)準(zhǔn)化期望值；N為標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)總數(shù)，其中i為序列號(hào)。

在獲取低于標(biāo)準(zhǔn)化過程期望值后，根據(jù)計(jì)算自適應(yīng)過程定理對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行數(shù)值調(diào)整，可直接獲取高于標(biāo)準(zhǔn)化過程期望值的負(fù)荷數(shù)值。具體計(jì)算自適應(yīng)定理調(diào)控計(jì)算步驟方法如下所示：1）臨界法用于設(shè)定控制器參數(shù)，以設(shè)定調(diào)節(jié)器的初始值。2）靜態(tài)參數(shù)用于調(diào)節(jié)。為了使參數(shù)收斂到實(shí)際值，需要使用輸入信號(hào)作為激勵(lì)來獲得初始參數(shù)數(shù)據(jù)。3）在硬件閉環(huán)參數(shù)調(diào)控和預(yù)處理控制模塊中，對(duì)上述方法獲取的真實(shí)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行閉環(huán)預(yù)處理，確定硬件參數(shù)輸入極值控制范圍。4）辨識(shí)模型參數(shù)周期計(jì)數(shù)器模型是否存在大于現(xiàn)有參數(shù)值的設(shè)定時(shí)間周期，如果確定是，則須在設(shè)定時(shí)間為短的t+1時(shí)刻重新計(jì)算參數(shù)控制器變量和參數(shù)輸出值；如果不是，則需要跳轉(zhuǎn)到其他步驟重新對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析處理。

經(jīng)過自定義適應(yīng)負(fù)載調(diào)控后，可自動(dòng)剔除負(fù)載數(shù)值中的錯(cuò)誤設(shè)置數(shù)據(jù)，將該錯(cuò)誤數(shù)據(jù)全部錯(cuò)誤設(shè)置為一個(gè)空值，可對(duì)危險(xiǎn)小波信號(hào)的值進(jìn)行準(zhǔn)確定位。此時(shí)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化小波期望值Sr的計(jì)算結(jié)果。

式中：dri表示整個(gè)能源危險(xiǎn)供電信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生的特定頻率；ω表示能源頻率窗口圖中的某一段頻率序列。

對(duì)根據(jù)所求定位結(jié)果系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)加權(quán)定位處理，根據(jù)加權(quán)結(jié)果將整個(gè)能源危險(xiǎn)供電信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行非關(guān)閉值定位處理，通過系統(tǒng)引入自動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)定位，定位后的能源信號(hào)系統(tǒng)具有較強(qiáng)大的抵御干擾能力，為危險(xiǎn)能源信號(hào)自動(dòng)適應(yīng)控制系統(tǒng)工作提供便利。自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為不可阻擋的趨勢(shì)，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)都致力于這方面的研究。自動(dòng)控制技術(shù)是現(xiàn)階段比較成熟的技術(shù)。暖通空調(diào)系統(tǒng)有其獨(dú)特的特點(diǎn)。因此，暖通空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要由專業(yè)人員設(shè)置自動(dòng)控制，才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。它既能滿足建筑環(huán)境的需要，又能最大限度地提高能源效率。實(shí)時(shí)采集空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定值和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)獲得的舒適性控制目標(biāo)，將傳感器計(jì)算出的溫度作為空調(diào)模糊控制器輸入值，通過空調(diào)CPS控制器的計(jì)算，輸出值為空調(diào)系統(tǒng)溫度T的設(shè)定值。空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行后，作用于室內(nèi)環(huán)境，達(dá)到舒適狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)模糊控制器的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到舒適度的動(dòng)態(tài)控制效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、光照強(qiáng)度和相應(yīng)的溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)由電子風(fēng)速計(jì)、太陽輻射記錄儀和溫度傳感器采集。物理模型為金豐S50/750kW能量調(diào)節(jié)器和sfm10036建筑能源。計(jì)算表明，在特定溫度和風(fēng)速下，風(fēng)能處理系統(tǒng)采用特定溫度時(shí)間內(nèi)的能量電壓溫度極值和特定電壓凈化極值。兩棟建筑主要采用室外中央空調(diào)配風(fēng)進(jìn)行凈化和制冷。變壓器空調(diào)配電及冷卻處理系統(tǒng)采用室外直流空調(diào)變壓器配電。具體的極端電壓水平為10kV?？照{(diào)冷卻系統(tǒng)采暖設(shè)備總功耗580kW，室外空調(diào)采暖系統(tǒng)容量580kW。根據(jù)所有室外用戶空調(diào)系統(tǒng)綜合運(yùn)行及凈化情況的處理記錄，制冷處理系統(tǒng)將于每年4月至10月初重新啟動(dòng)或恢復(fù)試運(yùn)行，每年第一次啟動(dòng)或試運(yùn)行的處理時(shí)間約為6個(gè)月。室外中央空調(diào)冷水機(jī)組綜合利用凈化工況的處理溫度標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)各種最不利的氣候工況的溫度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的，并以國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度為準(zhǔn)，即冷卻口進(jìn)、出水凈化處理溫度分別為12℃和7℃。冷卻水進(jìn)口和出口溫度分別為37℃和32℃。圖2顯示了在控制對(duì)象傳遞函數(shù)參數(shù)不變的情況下，傳統(tǒng)PID控制器和該文控制方法的響應(yīng)曲線。

圖2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2中可以看出，傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)存在較為明顯的振蕩超調(diào)現(xiàn)象。雖然該文的方法也存在輕微的震蕩現(xiàn)象，但是調(diào)整時(shí)間比傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)短得多，調(diào)整響應(yīng)快。因此，該文提出的控制效果更好，調(diào)節(jié)快速穩(wěn)定，超調(diào)量小，無振蕩。由于自然光照受天氣因素的影響較大，時(shí)變性、不可預(yù)測(cè)的當(dāng)?shù)貧庀笠蛩貙?duì)局部光照計(jì)算效果的波動(dòng)影響是非線性的，利用了Matlab /Simulink等工具軟件技術(shù)進(jìn)行光照模擬控制仿真，通過對(duì)比整體光照管理計(jì)算系統(tǒng)方法的模擬仿真結(jié)果，可看出該文控制方法中的輸入值在調(diào)節(jié)控制數(shù)據(jù)中的速度快，輸出調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中的占空比準(zhǔn)確，能有效保證用戶得到更好的整體光照控制計(jì)算效果。

4 結(jié)語

該文介紹了一種基于CPS體系結(jié)構(gòu)的建筑智能節(jié)能控制與管理應(yīng)用系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了建筑智能節(jié)能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。結(jié)合建筑用能的實(shí)際物理應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)和分析了優(yōu)化響應(yīng)控制和控制策略，并建立了決策系統(tǒng)模型和管理流程。通過自動(dòng)協(xié)調(diào)能耗優(yōu)化和需求響應(yīng)的分析，驗(yàn)證了CPS體系結(jié)構(gòu)下基于樓宇管理應(yīng)用系統(tǒng)的能耗控制和能源負(fù)荷控制需求優(yōu)化響應(yīng)管理的有效性。未來將結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程智能通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)建筑能耗數(shù)據(jù)的智能通信，實(shí)現(xiàn)商業(yè)建筑所有用電和耗能設(shè)備信息的智能互聯(lián)，建立商業(yè)建筑能源智能控制和管理的應(yīng)用模式。