基于CPS架構的商業樓宇負荷參與電網互動的關鍵技術研究

姜明軍，任明遠，周海軍，陳思行

（國網甘肅省電力公司，甘肅蘭州，730030）

近年來，我國商業樓宇的總量和能耗量都在隨著經濟分飛速發展的快速增長。據不完全統計，截止至2018年，我國的建筑總面積就超過了六百億，且年增長率超過4%，其中商業樓宇就占了15%。但僅僅這15%的比例，卻消耗了三分之一的能耗，其單位能耗是其他建筑的兩倍之多。因此，建立一個科學的商業樓宇的智能節能管理系統，將樓宇內的用能設備進行柔性整合，參與電網互動，實現最優的資源配置，在節能的同時還能夠電網的安全運轉。基于數字化的CPS技術，推動商業樓宇用能設備、系統間的潛在聯接，提高商業樓宇的智能用能控制能力，對降低能耗，提高電力綜合效能具有重要的現實意義。

1 系統概念與應用場景

■1.1 系統概念

作為信息物理系統的最小單元，單元級CPS可以通過智能用能終端實現對照明系統、空調系統、通風系統等的動態信息感知，并基于“感知―分析―決策―執行”的數據執行模式，實現信息轉化、指令下達和動作完成的工作。

對于CPS系統來說，可以分為兩個層級，其一是系統級CPS，它是通過工業網絡將智能能源網關和整個能源的管理系統相連接。通過這種連接，就可以實現數據的大范圍、寬領域的自動流動，最終串聯起多個單元級的CPS。通過這種串聯，可以為資源優化配置提供現實的數據，提高了系統最終決策的精度和深度。系統級的CPS更多的應用在樓宇的能效分析、診斷以及控制性方面。其二是平臺級CPS，它是由多個系統級的CPS有機結合而成，其承擔著更高難度的工作，主要包括管理系統的主站以及負荷聚合商子站兩種重要站點，實現商業樓宇用能的系統性協同優化。除此以外，通過大數據平臺還可以實現跨系統甚至跨平臺的互聯，在一個區域范圍內實現信息的“感知―分析―決策―執行”。

■1.2 應用場景

電網在融合CPS技術后，商業樓宇負荷參與電網互動的架構如圖1所示。

圖1 基于CPS的電網供需信息交互架構

整個信息交互架構基于智能服務平臺來運轉，同時監測各個系統級CPS的負荷狀態，并對這些狀態進行分析控制。要實現上述功能，離不開大數據分析技術的支撐，系統需要深度學習后才能夠更快的響應能耗的變化，輸出資源的調度計劃，將能源的利用率最大化。通過整合，省去交接過程的損耗，實現平臺及CPS的自能用能管控。

2 系統架構

基于CPS的商業樓宇電力網的融合系統如圖2所示。對于單元及CPS來說，其本質就是通過一系列的軟件來對監控實體進行狀態感知，并通過數據平臺對該實體的狀態進行調控，構成一個獨立的控制閉環。為了更好的實現與外界的信息交互，單元級CPS往往都具備通信的功能。對于商業樓宇電網來說，每一個智能用電設備就代表一個最小CPS單元，基于智能用能終端就實現對各個設備的控制。

事實上，由于商業樓宇由諸多人員、設備和物體所構成，因此單元級CPS不可能單獨存在的。一個樓宇內的能源管理系統管理一個公司的負載設備的過程，都是多個智能符合設備功能作用的結果，最終通過系統性的網絡連接形成一個系統級的CPS體系架構。

圖2 基于CPS的商業樓宇電力網的融合系統

對于系統級CPS來說，其集成了多個單元級CPS的監測處理循環，在局部區域形成了電力資源的合理再分配。除了具有單元CPS的功能外，還可以通過互聯互通實現樓宇等多設備協調。由于系統級CPS的層級在單元級之上，因此，通過互聯互通，就可以實現對單元級的管理，這個管理主要包括系統的識別、更新以及刪除等。而另一個作用就是實時監視并診斷各個單元級CPS是否運轉正常以及后續的使用能力。

3 系統優化管控策略

系統級的融合模型的參與對象就包括了電網、商業樓宇和供電側的設備這三個方面。對于電網方面，首要的是獲取樓宇和供電側的數據信息，并基于這些信息進行分析，向樓宇的使用端和電廠的供電端分別發布指令，將匹配后的電能輸入系統。商業樓宇的智能控制可以分為兩個階段，其一是日前階段，這一階段需要基于收集的數據信息，根據PSO算法得到最優的調控參數；二是在日內階段，主要內容則是對實際實時的參數進行管控，一旦出現異常，立即反饋，通過系統的補償對參數進行修正。

一般來說，用電設備與電網的互動方式主要是通過調整用電設備的負荷行為習慣。對于單臺設備來說，其負荷的特性僅與該用戶的使用行為密切相關，包括用戶的使用習慣、特殊化需求以及續航能力等方面。而對于設備群來說，其負荷的特性還會收到設備的尺寸、數量、規格等參數的影響，具體表現如下：

（1）用戶的需求。以洗衣機為例子，具體表現在用戶的用水量、洗滌數量以及使用頻率等；

（2）使用習慣。部分用戶在購置設備時，會有一些型號、大小等偏好。正是由于有一大堆不同客戶的使用習慣將會直接影響到用電負荷分布的多樣性；

（3）設備的規模：是指一個商業樓宇內部用電設備的總數，會受到到電器的購置成本、使用編輯寫以及壽命等因素的影響。

（4）壽命方面。以一款電熱水器為例，其使用壽命往往受到電熱水器的內膽材料、水箱的容量、自來水的檢測等因素。

經過多次的研討發現，大部分的用電設備的操作只有開啟和關閉兩種狀態。因此對于該系統直接采用相對簡單的BPSO算法，其中0代表設備關閉，1則代表開，通過監測環境進行調節。基于此，可以降低業主以及用戶的用電成本，也能夠提高人們的舒適度和參與度。設備群的運作過程設備群的開關往往是不斷調整的，以15min為一個區段進行離散型搜索，及時調整用能情況。

4 電力CPS的研究挑戰

（1）系統仿真算法。這種算法是分析系統的狀態特征，進行監控調節，實現系統的最優配置的重要工具。針對不同的商業樓宇系統，就必須對應的去研究一個能夠與之相匹配的仿真算法來滿足節能用能的需求。仿真算法的分類也多種多樣，其中，最適用于商業樓宇的為分布式算法，這種算法可以與云計算平臺相匹配，相適應。

（2）安全性。從廣義上說，電網的CPS是我國的一大關鍵性基礎設施，直接關系到諸多群眾的用電安全和穩定，因此，安全是不可忽略的一大問題。安全性包括設備自身的影響以及信息系統的影響，前者主要如電壓穩定性、擾動穩定性等，而后者則更為關鍵，除了要關注隨時隨地可能會出現系統的隨機性故障，也要識別到人為攻擊的預防維護。人為攻擊的手段主要兩種，一種是線下的物理攻擊，直接將電力系統的設備破壞掉，另一種防范難度更大，為利用黑客技術的虛擬攻擊。需要明確的是，信息系統與物理系統的安全性之間是相互影響的，必須進行融合研究，構筑統一的電力CPS安全理論。

（3）系統規劃與調度。在系統的設計過程中，必須將如何更好的通過嵌入傳感設備來提高系統的規劃和調度能力作為重點工作來突破，并配合相適配的操作系統以及程序。未來的電力系統必然是朝向信息化方向發展，電力CPS的調度問題需要考慮的更多的平衡點，對于智能負荷的要求更高。分布式的電源、電動汽車等設備的接入會給系統的穩定運行帶來新的挑戰，而提高隨即優化性則是解決這一問題的關鍵點。

5 應用實例

■5.1 實例背景

將商業樓宇用能智能管理系統用于A城市某建筑大樓，該樓宇供冷采用中央空調，空調的總功率為580KW。根據用戶反饋，每年的4～10月份為中央空調開啟時間，年運行約6個月。冷水機組的工況為冷凍水進水溫度12℃，出水溫度為7℃。A城市各月平均溫度如圖3所示。可以發現，在4～10月間，平均溫度在22～29℃波動，在溫度最高的七月，逐日的溫度波動為23～35℃，總體上，溫度波動較大。但是冷水機組卻一致維持進水12℃，出水7℃的工作條件，在溫度較低之時，就容易造成不必要的能耗浪費。

圖3 A城市各月平均溫度

■5.2 實例效果

在2019年6月22日正式引入該系統，引入之后的能耗明顯降低，達到較好的節能效果。分別選取系統安裝前的6月18日和安裝后的6月23日的中央空調負荷以及能耗進行對比，兩日的平均溫度均在28℃附近，其中25日溫度波動區間為23.4～31.3℃，29日為24.1～31.5℃，可以認為兩天的天氣條件相當，具體對比如下所示：

（1）中央空調日負荷對比如圖4所示。中央空調從十點上班開始運轉，至晚上十點停止運行，在安裝系統前，空調機組在11：00～20：00區間內都呈現滿負荷運轉的狀態，安裝系統后，在12：00～17：00之間出現負荷下降的情況，此為空調機組間歇性運行的結果。在滿足室內人員溫度需求時，系統會對調節空調的負荷，從而提高節能效果。

圖4 中央空調日負荷曲線圖

（2）樓宇耗能對比如圖5所示。可以發現，通過引入系統，由于自動調節功能的生效，樓宇的總耗能出現了階段性的下降，樓宇的耗能減少，節能效果提升。

圖5 樓宇耗能對比

6 結語

本文提出了基于CPS架構的商業樓宇負荷參與電網互動的智能用能控制管理系統，并對其概念、架構進行分析，并對電力CPS的未來研究方向作出探討，以期能促進該領域的發展。