高效冷站節(jié)能控制與智慧管理關(guān)鍵技術(shù)研究

謝輝優(yōu)

（深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司,廣東 深圳 518057）

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì),我國95%以上的大中型建筑均為高能耗建筑,已經(jīng)占到整體總能耗的30%左右,在整個建筑能耗中,中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占比40%～50%,空調(diào)冷熱源系統(tǒng)消耗了其中的30%～40%。空調(diào)制冷站作為建筑冷熱源供應(yīng)的核心,其耗電量一般占建筑總用電量的40%以上,目前在大多數(shù)冷站空調(diào)系統(tǒng)中,僅是利用傳統(tǒng)樓控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單的遠(yuǎn)程監(jiān)測及簡單的連鎖啟?？刂?使得其運(yùn)行能效水準(zhǔn)處于一般和需改善區(qū)間（COP 值3.6-4.4）,存在著極大的浪費(fèi)。隨著人工智能及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,中央空調(diào)節(jié)能控制由單獨(dú)設(shè)備自動控制到基于系統(tǒng)尋優(yōu)、人工智能及大數(shù)據(jù)分析等控制功能提高及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效的控制方法已具備技術(shù)研究及應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性。本研究基于組合黑箱模型負(fù)荷預(yù)測及動態(tài)能效模型全局優(yōu)化節(jié)能管控技術(shù)的研究,分析高效冷站在節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究的技術(shù)可行性及應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性。

1 基于組合黑箱模型的精準(zhǔn)負(fù)荷預(yù)測技術(shù)

組合黑箱模型對空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測,通過利用人工智能算法,如長短記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對已有的制冷站歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立黑箱模型,并結(jié)合實(shí)時運(yùn)行參數(shù),采用組合學(xué)習(xí)策略,對各方法預(yù)測結(jié)果進(jìn)行綜合評估。該負(fù)荷預(yù)測方法無需對系統(tǒng)的具體物理意義和運(yùn)作機(jī)理做深入研究,只需提供各類參數(shù)足夠多的有效數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)訓(xùn)練,分析和自學(xué)習(xí),就能提供較高預(yù)測精度。

1.1 負(fù)荷數(shù)據(jù)的處理問題

對采集系統(tǒng)中負(fù)荷數(shù)據(jù)中可能包含的數(shù)據(jù)缺失值、噪音和失真錯誤,采取了以下步驟（見圖1）對負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗,以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量,避免分析失真。

圖1 負(fù)荷數(shù)據(jù)處理步驟

高效冷站節(jié)能控制系統(tǒng)高精度負(fù)荷預(yù)測技術(shù),采用了基于主成分分析法（PCA, Principal Components Analysis）的負(fù)荷預(yù)測關(guān)鍵參數(shù)提取技術(shù),對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后加工,從所處理的數(shù)據(jù)中提取重要且相互之間關(guān)聯(lián)度不重復(fù)的組成成分,有效減少干擾數(shù)據(jù)的影響,從而達(dá)到簡化數(shù)據(jù)冗雜度的目的,對高維度數(shù)據(jù)有著很好的降維效果。

1.2 負(fù)荷預(yù)測算法

利用得出的綜合負(fù)荷主要影響因素,對負(fù)荷需求量進(jìn)行預(yù)測。采用的負(fù)荷預(yù)測算法庫中配備了以下2種方式。

1.2.1 基于求和自回歸移動平均模型（ARIMA）的負(fù)荷預(yù)測[1]

該模型根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間的先后順序進(jìn)行排序,把空調(diào)負(fù)荷隨時間變化而變化的發(fā)展規(guī)律展現(xiàn)在時間軸上,利用空調(diào)負(fù)荷變化趨勢與時間軸的對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)過去時間負(fù)荷變化規(guī)律預(yù)測未來空調(diào)負(fù)荷變化規(guī)律,但時間順序需較高的穩(wěn)定性。一旦空調(diào)負(fù)荷受到極端天氣等不確定性因素的影響,時間序列法將很難達(dá)到預(yù)期效果。但此方式下需要?dú)v史負(fù)荷參數(shù)計(jì)算量小,且對其他因素的依賴性較低,因此可作為輕量化的負(fù)荷預(yù)測模塊,在其他因素失效或難以獲得的情況下發(fā)揮作用。

1.2.2 基于長短時間記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的空調(diào)負(fù)荷預(yù)測技術(shù)[2]

空調(diào)負(fù)荷的預(yù)測受較多因素的影響,很難建立起線性負(fù)荷預(yù)測模塊,且由于空調(diào)負(fù)荷具有較強(qiáng)的季節(jié)時序性,如自回歸積分滑動平均模型（ARMA）、多元線性回歸模型（MLR）,在統(tǒng)計(jì)時雖考慮了時序性,便卻對非線性數(shù)據(jù)的預(yù)測精度不佳。通過某大廈高效冷站的實(shí)際負(fù)荷預(yù)測,采用向量機(jī)（SVM）的負(fù)荷預(yù)測較采用多元線性回歸（MLR）方法的誤差值大（見圖2）。

圖2 LSTM 預(yù)測結(jié)果

2 基于設(shè)備動態(tài)能耗模型的全局優(yōu)化控制技術(shù)

高效冷站節(jié)能控制系統(tǒng)的自尋優(yōu)技術(shù),利用人工智能算法,對空調(diào)制冷站相關(guān)設(shè)備進(jìn)行動態(tài)建模,根據(jù)負(fù)荷與環(huán)境變化,動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),保持系統(tǒng)的運(yùn)行及調(diào)節(jié)與系統(tǒng)負(fù)荷變化相一致,確保系統(tǒng)運(yùn)行在最佳或接近最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)空調(diào)冷站運(yùn)行效率最佳[3]。

2.1 系統(tǒng)尋優(yōu)流程

根據(jù)模型實(shí)時監(jiān)控的結(jié)果系統(tǒng)尋優(yōu)流程主要包括數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析建模和優(yōu)化及反饋等流程(見圖3)。

圖3 系統(tǒng)尋優(yōu)流程

2.2 系統(tǒng)尋優(yōu)控制對象

基于系統(tǒng)能效的自主尋優(yōu)控制,其特征包括了基于空調(diào)全系統(tǒng)的全局優(yōu)化、冷水機(jī)組、空調(diào)末端設(shè)備、冷凍泵、冷卻泵及冷卻等設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及能效模型的實(shí)時追蹤分析及模型優(yōu)化,并應(yīng)用模型結(jié)果,對實(shí)時監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行全局尋優(yōu),優(yōu)化的控制參數(shù)直接輸出系統(tǒng)控制策略、故障診斷、維護(hù)保養(yǎng)預(yù)警及能源管理等信息[4]。

2.3 系統(tǒng)尋優(yōu)控制原理

高效冷站的空調(diào)系統(tǒng)在各負(fù)荷工況下,均存在系統(tǒng)最優(yōu)的運(yùn)行工況,即能耗最小點(diǎn),但運(yùn)行在最小能耗點(diǎn)時并不能保證系統(tǒng)能夠處于一個穩(wěn)定狀態(tài),為了在最大程度上節(jié)約系統(tǒng)能耗同時降低系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險,節(jié)能尋優(yōu)系統(tǒng)采用兩個層級的優(yōu)化來解決此問題。

2.3.1 基于能耗模型的多設(shè)備全局能效優(yōu)化控制（第一層級）

基于系統(tǒng)改進(jìn)后的遺傳算法（GA）、粒子群算法(PSO)、模擬退火算法(SA)建立全局最優(yōu)化算法庫,利用獲得的空調(diào)設(shè)備能耗模型,實(shí)時調(diào)節(jié)空調(diào)制冷站系統(tǒng)運(yùn)行最佳效率點(diǎn),實(shí)現(xiàn)全局主動式控制配置的PSO算法改進(jìn)了PSO 的粒子更新策略,動態(tài)調(diào)整其慣性權(quán)值,更新維護(hù)其外部檔案以及改進(jìn)了其算法流程,提升算法的計(jì)算效率以及適用性。

2.3.2 基于深度信念網(wǎng)絡(luò)（Deep-Belief-Nets,DBN）的系統(tǒng)穩(wěn)定性區(qū)域判定（第二層次優(yōu)化）

利用DBN 模型,實(shí)時推理系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)的概率,和指定的概率閾值進(jìn)行對比,若未超過該閾值,繼續(xù)執(zhí)行第一層級全局優(yōu)化參數(shù)的設(shè)定值；若否,則采用相應(yīng)的對比算法,以權(quán)衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能性。

3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧管理技術(shù)

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧能源管理技術(shù),從數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、健康診斷、故障處理等各個環(huán)節(jié)分析了制冷站智慧管理系統(tǒng)所包含的內(nèi)容,并提出如何將深度學(xué)習(xí)方法運(yùn)用于能源的智慧運(yùn)維管理,從而實(shí)現(xiàn)對制冷站設(shè)備的更科學(xué)、更高效的運(yùn)維管理。

3.1 智慧管理平臺

智慧管理平臺是為實(shí)現(xiàn)高效冷站的運(yùn)營及管理目標(biāo),基于統(tǒng)一的信息平臺,以多種類智能化信息集成方式,形成的具有信息匯聚、資源共享、協(xié)同運(yùn)行、優(yōu)化管理等綜合應(yīng)用功能的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)IBMS（集成管理）、EMS（能源管理）、FMS（運(yùn)維管理）、BIM（三維可視化）、APP（移動運(yùn)維）等物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用服務(wù)。系統(tǒng)基于一個智慧管理平臺下,通過對不同類型子系統(tǒng)、設(shè)備、傳感器的物聯(lián)接入,可自由擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.2 平臺計(jì)算框架

智慧管理平臺采用的計(jì)算框架需要進(jìn)行云、邊、端三層算力的實(shí)時評估、計(jì)算任務(wù)的劃分和分配、實(shí)時調(diào)整調(diào)度計(jì)算需求與算力之間的供需矛盾,進(jìn)而形成高效的軟硬件銜接體系。

3.2.1 計(jì)算架構(gòu)的主要組成

協(xié)同計(jì)算架構(gòu)的主要組成部分包括：信息隊(duì)列、監(jiān)控器、API 庫、任務(wù)分配器、應(yīng)用層、以及最核心的全局狀態(tài)控制器。

3.2.2 計(jì)算架構(gòu)的特點(diǎn)

對于高效冷站當(dāng)中的智能傳感器、探測器等設(shè)備來說,實(shí)時處理非常必要。云- 邊- 端的計(jì)算架構(gòu),能夠?qū)π盘柼幚淼臅r間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性,保障最需要實(shí)時的應(yīng)用最先響應(yīng)。并且,計(jì)算任務(wù)執(zhí)行時間直接決定計(jì)算能量消耗,并極大地影響應(yīng)用程序的實(shí)時性能。

3.3 平臺功能框架

智慧管理平臺所采用的功能框架其指導(dǎo)設(shè)計(jì)思想是復(fù)雜的,計(jì)算量大的模型訓(xùn)練等放入云端,優(yōu)化后的最佳模型部署于邊緣側(cè),并與端側(cè)進(jìn)行實(shí)時交互,進(jìn)行推理計(jì)算,見圖4。

圖4 云邊端協(xié)同原理

在云平臺中部署了設(shè)備、預(yù)警、維護(hù)及負(fù)荷預(yù)測等模型訓(xùn)練模塊,在云平臺進(jìn)行這些模型的訓(xùn)練,訓(xùn)練后的模型采用基于事件驅(qū)動的方式下發(fā)部署到各個AI 節(jié)點(diǎn)。同時在云平臺可對各冷站系統(tǒng)進(jìn)行智能聯(lián)合群控,并針對采用了多種制冷系統(tǒng)的高效冷站設(shè)置了多制冷系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行模塊,可對不同的制冷系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行節(jié)能分配,達(dá)到整體高效運(yùn)行。

4 結(jié)論

高效冷站節(jié)能控制與智慧能源管理關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用,其中實(shí)時數(shù)據(jù)庫的大并發(fā)數(shù)據(jù)連接管理、組合黑箱模型的精準(zhǔn)負(fù)荷預(yù)測技術(shù)、設(shè)備動態(tài)能耗模型的全局優(yōu)化控制技術(shù)及人工智能能源大數(shù)據(jù)分析挖掘等技術(shù)的研究及應(yīng)用,有效的解決了現(xiàn)冷站系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的精確處理、控制響應(yīng)滯后、能源數(shù)據(jù)分析及挖掘和故障預(yù)警及遠(yuǎn)程運(yùn)維等問題,大幅提升了冷站的能效,取得顯著的節(jié)能效果。

在保證冷站全生命周期高效穩(wěn)定運(yùn)行的同時,實(shí)現(xiàn)冷站年平均綜合制冷效率5.0 以上,達(dá)到國際認(rèn)可的冷站全年運(yùn)行能效“卓越”水平,與能效4.0 左右的常規(guī)冷站系統(tǒng)相比較,實(shí)現(xiàn)25%及以上的節(jié)能效果,能減少耗電量和碳排放,促進(jìn)環(huán)境持續(xù)改善,助力我國“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。