基于邊緣計(jì)算的綜合能源系統(tǒng)能效評(píng)估方法研究

黃斌，閆宏莉，宋寶松，孫寶

（1.哈爾濱普華電力設(shè)計(jì)有限公司，黑龍江哈爾濱 150001；2.北京國(guó)電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 132012）

近年來(lái)，隨著能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，源網(wǎng) 荷儲(chǔ)之間的相互作用越發(fā)密切，以多能量互補(bǔ)為特征的綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）受到了廣泛關(guān)注[1]。作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要載體，提高能源系統(tǒng)的能效對(duì)于探索區(qū)域內(nèi)多能源協(xié)同優(yōu)化、改善系統(tǒng)運(yùn)行模式具有重要的研究意義[2]。如何合理評(píng)價(jià)能源效率是當(dāng)前能源利用領(lǐng)域亟待解決的重要問(wèn)題，是明確能源利用系統(tǒng)發(fā)展方向和挖掘能源利用潛力的關(guān)鍵[3-4]。

目前，IES 的能效評(píng)估方面已取得一定的成果，但大多針對(duì)獨(dú)立能源系統(tǒng)或設(shè)備展開，且過(guò)度依賴于中心處理器完成數(shù)據(jù)分析[5-6]。為此，展開基于邊緣計(jì)算的IES 能效評(píng)估方法研究，將能效評(píng)估任務(wù)卸載至部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的計(jì)算節(jié)點(diǎn)中，并采用改進(jìn)的層次分析法計(jì)算各指標(biāo)的綜合權(quán)重，以快速、準(zhǔn)確地評(píng)估IES 的綜合能效。

1 綜合能源系統(tǒng)的能效評(píng)估體系

1.1 綜合能源系統(tǒng)

在IES 中，能源生產(chǎn)裝置主要包括燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine，GT）、可再生能源（Renewable Energy，RE）等；能量轉(zhuǎn)換裝置由熱泵、電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)組成；儲(chǔ)能裝置由電池和熱箱組成[8]。系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)夤芫W(wǎng)的天然氣產(chǎn)生高熱量，帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電機(jī)發(fā)電，系統(tǒng)主要的電能由大電網(wǎng)提供[9-10]。燃機(jī)鍋爐回收部分熱量，產(chǎn)生熱蒸汽和煙氣，其中熱蒸汽可作為吸收式冷水機(jī)組的熱源，也可供蒸汽負(fù)荷和空調(diào)負(fù)荷（Air Conditioning Load，ACL）使用；鍋爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)轉(zhuǎn)化后可用于熱負(fù)荷(熱水)或制冷。IES 中能源梯級(jí)供應(yīng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 IES能源梯級(jí)供應(yīng)結(jié)構(gòu)

由于IES 中包含多種能源，因此將其細(xì)分成各種供能子系統(tǒng)，具體包括供氣、供電、供熱、供冷子系統(tǒng)[11]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)輸入輸出能量保持平衡，數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

1.2 能效評(píng)估指標(biāo)

為了能夠全面反映IES 的能源使用情況，構(gòu)建了能效評(píng)估指標(biāo)體系。其中，包含經(jīng)濟(jì)性、高效性、安全性和靈活性等四個(gè)方面，具體指標(biāo)如下：

1）經(jīng)濟(jì)性：內(nèi)部收益率，投資回收期，凈現(xiàn)值，節(jié)省燃料成本，節(jié)約排污成本；

2）高效性：能量耦合效率，能量轉(zhuǎn)換效率，能量傳輸效率，能量存儲(chǔ)效率；

3）安全性：?jiǎn)喂收下剩嚓P(guān)故障率，新能源對(duì)故障的貢獻(xiàn)率，新能源產(chǎn)能信譽(yù)度；

4）靈活性：電、氣、熱、冷供應(yīng)能力，綜合新能源產(chǎn)量預(yù)測(cè)能力，系統(tǒng)吸收新能源的能力，調(diào)節(jié)裝置爬升能力。

2 基于邊緣計(jì)算的IES能效評(píng)估方法

2.1 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是將計(jì)算、存儲(chǔ)、帶寬、應(yīng)用等資源和服務(wù)放置于網(wǎng)絡(luò)邊緣端，以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲、提高用戶體驗(yàn)、降低設(shè)備能耗等的新興技術(shù)[12-13]。邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

邊緣計(jì)算層處于云計(jì)算中心與終端設(shè)備層之間，其對(duì)下可以接收各種異構(gòu)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，對(duì)上能夠和云中心對(duì)接[14]。且邊緣計(jì)算層由邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣管理器兩部分構(gòu)成，其中邊緣節(jié)點(diǎn)包括邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣控制器等硬件實(shí)體；邊緣管理器以軟件的形式集中管控邊緣節(jié)點(diǎn)。

2.2 邊緣計(jì)算層的能效評(píng)估方法

在IES 能效評(píng)估過(guò)程中，首先各個(gè)子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息上傳至邊緣計(jì)算層，然后邊緣層計(jì)算各個(gè)子系統(tǒng)的能效評(píng)估指標(biāo)[15-16]。其中，從IES 能效評(píng)估體系中選取關(guān)鍵的四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估計(jì)算。具體表述如下：

1）一次能源利用率（高效性）：系統(tǒng)輸出能量與一次能源消耗量的比值，其代表系統(tǒng)對(duì)一次能源的利用率。計(jì)算如下：

式中，κp、κg、κr分別為電能、天然氣、RE 的折算因子；Ep為煤炭的最小熱量值。

2）能源節(jié)約率（經(jīng)濟(jì)性）：相比于經(jīng)典供能系統(tǒng)的一次能源利用率，其節(jié)省的能源比率反映的是系統(tǒng)能源節(jié)約能力。數(shù)學(xué)描述如下：

式中，ηp是由從發(fā)電側(cè)到用戶側(cè)的傳遞效率；ηh是燃?xì)?煤鍋爐到熱能用戶或蒸汽用戶的傳遞效率；C是電制冷機(jī)的傳遞效率。

3）故障率（安全性）：包括單一故障和相關(guān)故障率，其中單一故障是指由外部動(dòng)作或內(nèi)部故障引起的電源中斷或設(shè)備損壞等故障；相關(guān)故障是由于IES中多能量流的轉(zhuǎn)換，傳輸鏈路中一條線路或一個(gè)設(shè)備的故障可能導(dǎo)致其他線路或設(shè)備的相關(guān)故障。計(jì)算如下：

式中，N為單位時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)故障數(shù)；分別是邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)j每單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的單一故障數(shù)和相關(guān)故障數(shù)。

4）電、氣、熱、冷供應(yīng)能力（靈活性）：向負(fù)荷提供電、氣、冷、熱能量流應(yīng)滿足一定的約束條件，即獲得的電、氣、冷、熱能量流Px可以滿足負(fù)荷的最大需求Lx,max：

負(fù)荷供應(yīng)能力可由裕量?定義：

式中，λp、λg、λc和λh分別是電、氣、冷、熱的電能質(zhì)量系數(shù)。

2.3 云計(jì)算中心的綜合能效評(píng)估方法

IES 的能效評(píng)估問(wèn)題涉及多種因素，不能完全使用定量的方式進(jìn)行評(píng)定。因此需要利用層次分析法統(tǒng)一量化指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效的合理評(píng)估。當(dāng)邊緣計(jì)算層將各子系統(tǒng)的能效評(píng)估值上傳至云層后，云計(jì)算中心利用綜合能效評(píng)估方法計(jì)算系統(tǒng)的整體能效。

利用改進(jìn)層次分析法確定主觀權(quán)重，構(gòu)造指標(biāo)判斷矩陣W，其定義如下：

式中，ωα,β為指標(biāo)α與β之間的相對(duì)重要性。然后，計(jì)算獲得W的最大特征值λmax以及對(duì)應(yīng)的特征向量w，并將其歸一化處理獲取各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)值向量。同時(shí)采用德爾菲法對(duì)層次分析法進(jìn)行優(yōu)化，形成最優(yōu)判斷矩陣。

最終，計(jì)算用于判定指標(biāo)是否存在一致性的一致性比CR為：

因此，綜合能效評(píng)估的計(jì)算方法如下：

式中，S、I分別是能效評(píng)估的總分值和各個(gè)指標(biāo)的分值；是各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)以黑龍江某區(qū)域的IES 為例，利用所提方法進(jìn)行能效評(píng)估。系統(tǒng)中，各類負(fù)荷均集中在白天，光伏出力也集中在白天，而風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性較大。雖然能源的供應(yīng)側(cè)與消耗側(cè)存在不匹配的情況，但可以通過(guò)儲(chǔ)能裝置或負(fù)荷調(diào)度等措施進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效的優(yōu)化。

3.1 能效評(píng)估結(jié)果分析

以2015 年、2017年和2020年的IES 數(shù)據(jù)進(jìn)行能效評(píng)估，結(jié)果如表1 所示。

表1 IES綜合能效評(píng)估結(jié)果

從表1 中可以看出，2015 年、2017 年、2020 年綜合能效評(píng)估得分分別為43.85、45.29 和48.88，呈現(xiàn)出了一個(gè)不斷上升的趨勢(shì)，說(shuō)明該系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿Α乃膫€(gè)因素的得分可以發(fā)現(xiàn)，靈活性的比重較大，均超過(guò)了13，反映出其對(duì)系統(tǒng)整體水平的影響較大，是投資的重點(diǎn)。由于多能源之間的耦合仍處于起步階段，因此利用能源互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的技術(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整。

3.2 與其他方法的對(duì)比分析

由于所提方法采用邊緣計(jì)算，將各個(gè)子系統(tǒng)的能效評(píng)估計(jì)算任務(wù)卸載至邊緣層，其在一定程度上提高了評(píng)估效率且減少了系統(tǒng)能耗。其中，不同方法的能效評(píng)估時(shí)間對(duì)比如圖3 所示。

圖3 能效評(píng)估的時(shí)間對(duì)比

從圖3 中可以看出，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，終端設(shè)備不斷增多，則能效評(píng)估的時(shí)間也在不斷增長(zhǎng)。由于所提方法采用邊緣計(jì)算，將計(jì)算分析任務(wù)卸載至網(wǎng)絡(luò)邊緣，能夠有效縮短時(shí)延，因此其評(píng)估時(shí)間較其他對(duì)比方法均有所縮短。尤其是終端設(shè)備數(shù)量越多，所提方法的優(yōu)勢(shì)越明顯。當(dāng)終端數(shù)量為1 200 個(gè)時(shí)，評(píng)估時(shí)間僅為35 ms。此外，不同評(píng)估方法的能耗如圖4 所示。

圖4 能效評(píng)估的能耗對(duì)比

從圖中可以看出，相比于其他方法，所提方法的評(píng)估能耗最小。當(dāng)終端設(shè)備數(shù)量為1 200 個(gè)時(shí)，能耗大約為300 J。文獻(xiàn)[4]采用層次分析法進(jìn)行能效評(píng)估，大量的數(shù)據(jù)分析依靠核心處理器，耗時(shí)長(zhǎng)且能耗大。同樣，文獻(xiàn)[8]從多個(gè)方面分析IES，且由一個(gè)服務(wù)器完成分析，能耗較大。文獻(xiàn)[6]主要考慮了清潔能源的能效，不適用于處理IES 數(shù)據(jù)，因此能耗情況并不理想。

4 結(jié)束語(yǔ)

提升能源的利用率是IES 建設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，為了全面反映IES 的能源利用效率，提出了基于邊緣計(jì)算的IES 能效評(píng)估方法。在邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，IES 各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備作為其終端設(shè)備。在每個(gè)供能子系統(tǒng)中均配置邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，分析處理各個(gè)子系統(tǒng)的能效，并將子系統(tǒng)的能效值上傳至云中心服務(wù)器，利用改進(jìn)層次分析法完成IES 的綜合能效評(píng)估。通過(guò)某區(qū)域IES 三年的數(shù)據(jù)分析，其綜合能效評(píng)估得分分別是43.85、45.29 和48.88，呈現(xiàn)向上發(fā)展的趨勢(shì)。且評(píng)價(jià)時(shí)間與能耗隨著終端設(shè)備的增多而不斷上升，但所提方法的上升幅度最小，優(yōu)于其他對(duì)比方法。然而該文方法在云計(jì)算中心僅采用改進(jìn)層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)估，其評(píng)估性能有待提升。在接下來(lái)的研究中，將融入尋優(yōu)效果更優(yōu)的算法進(jìn)行綜合能效評(píng)估。