鞠 晨, 方 文, 趙建立

(1.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063;2.國(guó)家電網(wǎng)上?？头行? 上海 200030)

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新電改環(huán)境下智能建筑能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鞠 晨1, 方 文1, 趙建立2

(1.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063;2.國(guó)家電網(wǎng)上?？头行? 上海 200030)

針對(duì)新電改政策下建筑能源管理面臨能源供需的雙向不確定性和隨機(jī)性等問(wèn)題,基于功能需求分析,提出了智能建筑能源管理系統(tǒng)的解決方案,并對(duì)智能建筑能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中典型的功能模塊提出對(duì)應(yīng)的控制模型,以達(dá)到能源供需平衡的目的。

新電改; 智能建筑能源管理系統(tǒng); 能源互聯(lián)網(wǎng); 供需平衡

鞠 晨(1988—),女,工程師,從事智能電網(wǎng)用戶(hù)端方面的工作。

0 引 言

現(xiàn)有的建筑能源管理系統(tǒng)[1-3]主要關(guān)注點(diǎn)集中在建筑采暖、制冷、通風(fēng)與樓宇照明等方面,并已取得了很好的控制效果。根據(jù)IDeAS的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)暖通空調(diào)(Heating Ventilation Air Conditioning,HVAC)和照明系統(tǒng)有效的能源管理,可使整個(gè)建筑能耗降低50%左右。隨著HVAC的能耗控制技術(shù)與智能照明技術(shù)的不斷成熟,原有建筑能源管理系統(tǒng)的節(jié)能空間已愈發(fā)有限。能源危機(jī)的日益加劇、環(huán)境問(wèn)題的愈發(fā)凸顯,將使得現(xiàn)有的建筑能源管理系統(tǒng)不再適用。因此,廣泛使用以可再生能源為主的清潔能源,替代有限的傳統(tǒng)能源,是未來(lái)智能建筑參與能源互聯(lián)網(wǎng)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

2015年11月,發(fā)改委、能源局印發(fā)新電改的核心配套文件,其中《關(guān)于推進(jìn)電力市場(chǎng)建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》作為一個(gè)整體規(guī)劃文件,將未來(lái)電力市場(chǎng)分為中長(zhǎng)期市場(chǎng)和現(xiàn)貨市場(chǎng),同時(shí)將市場(chǎng)的模式分為分散式和集中式,其中現(xiàn)貨市場(chǎng)的能量交易包括日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)交易,將市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制正式引入售電側(cè)。此輪電改對(duì)于大型智能建筑而言,意味著其可能也作為一個(gè)分布式售電公司[4],服務(wù)于各類(lèi)終端用戶(hù),但現(xiàn)有的建筑能源管理系統(tǒng)與電網(wǎng)、終端用戶(hù)之間的信息采集與電力潮流大多是單向的,無(wú)法滿(mǎn)足其與電力市場(chǎng)間實(shí)時(shí)、雙向的信息交互與能量交換的需求。因此,本文基于新電改推動(dòng)的市場(chǎng)實(shí)際需求,提出了智能建筑能源管理系統(tǒng)架構(gòu),并給出系統(tǒng)能源管理決策的解決方案。

1 功能需求

建筑能源管理系統(tǒng)的主要目的是管理中心在不影響用戶(hù)舒適度的情況下,作出最優(yōu)化的電能購(gòu)買(mǎi)與負(fù)荷控制的決策。在新電改的背景下,研究建筑能源管控存在以下難點(diǎn)。

(1) 能源管理的多時(shí)間尺度特性。由于未來(lái)電力市場(chǎng)中日前與實(shí)時(shí)市場(chǎng)的存在,建筑能源管理系統(tǒng)至少需要在兩個(gè)時(shí)間尺度上從電力市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)電能。因此,管理中心必須綜合考慮能源購(gòu)買(mǎi)與負(fù)荷響應(yīng)的需求,以避免實(shí)時(shí)情況下可能因供需不平衡而造成成本增高。

(2) 負(fù)荷數(shù)據(jù)的異構(gòu)性和隨機(jī)性。大型建筑中除HVAC與照明系統(tǒng)外,還有打印機(jī)、冰箱等純耗能型負(fù)荷,此類(lèi)插入式負(fù)荷數(shù)量大、種類(lèi)多、用電隨機(jī)性大,但基本可控。此外,電動(dòng)汽車(chē)這類(lèi)既可作為負(fù)荷也可作為儲(chǔ)能的用電設(shè)備,在未來(lái)建筑能源管理系統(tǒng)中的作用不容忽視。

(3) 可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性、間歇性。建筑能源電力供應(yīng)部分由可再生能源提供,如光伏發(fā)電。這類(lèi)可再生能源的出力曲線(xiàn)易受天氣變化影響,預(yù)測(cè)難度較大,具有明顯的波動(dòng)性及不可控性。因此,需最大程度地利用可再生能源發(fā)電設(shè)備,最優(yōu)化配置可控負(fù)載,在盡量不影響用戶(hù)舒適度的前提下減少用戶(hù)用電費(fèi)用。

(4) 海量信息的實(shí)時(shí)處理需求。建筑能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,能源供應(yīng)端、終端耗能設(shè)備、儲(chǔ)能等多類(lèi)型共存的能源數(shù)據(jù)具有多樣性和分散性。此外,建筑能源管理系統(tǒng)電力市場(chǎng)的實(shí)時(shí)交互(實(shí)時(shí)電價(jià)、需求響應(yīng))需求,必須能夠依據(jù)相關(guān)信息做出快速的響應(yīng)控制,隨著環(huán)境的變化改變相關(guān)控制參數(shù),使大型公共建筑能源系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)建筑能源與負(fù)荷的整體有效控制,須構(gòu)建靈活、可擴(kuò)展的信息交互網(wǎng)絡(luò)。

智能建筑能源管理系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。

(1) 分布式能源發(fā)電預(yù)測(cè)。根據(jù)天氣因素,預(yù)測(cè)建筑內(nèi)發(fā)電設(shè)備的發(fā)電能力。

(2) 建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)。綜合環(huán)境信息與工作需求,預(yù)測(cè)各類(lèi)型用戶(hù)的用電情況。

(3) 建筑可控負(fù)荷管理。對(duì)現(xiàn)有的可控負(fù)載進(jìn)行建模,在盡可能不影響用戶(hù)舒適度的前提下,預(yù)測(cè)可參與負(fù)荷控制的能量大小。

(4) 中心管理控制。集成所有相關(guān)信息,對(duì)能源購(gòu)買(mǎi)和負(fù)荷控制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,給出多時(shí)間尺度的能源管理決策。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)建筑系統(tǒng)用能特點(diǎn)和功能需求,給出了新電改環(huán)境下建筑能源管理系統(tǒng)的管理架構(gòu),如圖1所示。

圖1 建筑能源管理系統(tǒng)的管理架構(gòu)

(1) 管理中心?；谔鞖忸A(yù)測(cè)模塊和人流監(jiān)測(cè)模塊預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線(xiàn),進(jìn)行日前能源購(gòu)買(mǎi)量的決策,對(duì)上與電力市場(chǎng)購(gòu)電計(jì)劃、實(shí)時(shí)電價(jià)的信息交換,對(duì)下根據(jù)實(shí)時(shí)采集的發(fā)電、用電信息進(jìn)行可控負(fù)荷的用能控制。

(2) 區(qū)域負(fù)荷管理模塊。采集投影儀、掃描儀、復(fù)印機(jī)等插入式負(fù)荷的需求信息,將所負(fù)責(zé)區(qū)域的需求信息上報(bào)給管理中心,并接收能源信息,控制其區(qū)域的插入式負(fù)荷。

(3) HVAC-L管理模塊。采集 HVAC 和照明系統(tǒng)的需求信息,在不影響用戶(hù)舒適度的前提下,根據(jù)能源分配情況控制 HVAC 和照明系統(tǒng)。

(4) 分布式能源管理模塊。根據(jù)天氣預(yù)測(cè)信息和管理中心的優(yōu)化決策,管理分布式能源的發(fā)電和儲(chǔ)能。

(5) EV充電管理模塊。根據(jù)建筑用能及發(fā)電的情況,對(duì)插入式電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充放電管控。

系統(tǒng)從建筑的分層和多區(qū)域的特點(diǎn)出發(fā),以解決降低能耗與保持用戶(hù)舒適度之間的矛盾,由不同的控制模塊之間的合作完成能源調(diào)度任務(wù)和可控負(fù)荷管理的整體優(yōu)化。

3 能源供需平衡策略

3.1 能源購(gòu)買(mǎi)成本

建筑能源管理系統(tǒng)分別從日前和實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)能源,包括以下幾項(xiàng):

(1)Pg(t)是指以日前零售價(jià)格pg(t)從日前市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)能源,價(jià)格比實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)低。

(2)Pb(t)是指以實(shí)時(shí)電力價(jià)格pb(t)從實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的能源,用于平衡能源供應(yīng)與負(fù)荷需求,pb(t) >pg(t)。

(3) 建筑在t時(shí)刻可以獲得的可再生能源價(jià)格Pr(t),來(lái)自于分布式發(fā)電裝置或分布式儲(chǔ)能。

設(shè)建筑可以獲得的可再生能源Pr(t)成本為0,則建筑能源管理的目標(biāo)函數(shù)為

Js=min∑{[pg(t)Pg(t)+pb(t)Pb(t)]Δt}

(1)

Pb(t)=[dt-Pg(t)-Pr(t)]+

3.2 分布式能源發(fā)電預(yù)測(cè)

由于日前能源計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)的需要,管理中心必須對(duì)分布式能源發(fā)電情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。分布式發(fā)電主要指太陽(yáng)能電池板,其發(fā)電出力的預(yù)測(cè)[5]為

(2)

其中,ε(t)～N(0,δ2),即用一個(gè)隨機(jī)變量來(lái)描述太陽(yáng)能發(fā)電的波動(dòng);Pr(t)以正弦的形式變化,分布式發(fā)電的能量產(chǎn)出受天氣影響較大。

3.3 建筑可控負(fù)載建模

建筑內(nèi)部主要的可控負(fù)載包括中央空調(diào)、照明系統(tǒng)、用水控制設(shè)備以及電動(dòng)汽車(chē)等。在決策能源控制策略時(shí),需要考慮其功率變化范圍和用戶(hù)舒適度范圍。以空調(diào)系統(tǒng)(常規(guī)負(fù)荷)和電動(dòng)汽車(chē)充放電系統(tǒng)(分布式儲(chǔ)能)為不同典型案例,進(jìn)行了具體分析。

(1) 空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷分布需考慮功率需求限制和功率變化率的范圍,可通過(guò)以下約束條件來(lái)描述[4]:

Pmin(t,x)≤P(t,x)≤Pmax(t,x)

(3)

(4)

式中:x——影響負(fù)載功率限制的外部變量,如環(huán)境、溫度等。

空調(diào)的舒適度約束條件為

(5)

以P(t)和Q(t)分別表示制冷功率和實(shí)際需求,則穩(wěn)態(tài)時(shí)空調(diào)的制冷功率為

P(t)=Q(t)=Q0(t)+k[Ten(t)-T(t)]

(6)

式中:Ten(t)——環(huán)境溫度;T(t)——溫度設(shè)定點(diǎn);k——常量系數(shù),取決于建筑物本身。

根據(jù)不同類(lèi)型的控制策略,空調(diào)的熱動(dòng)力微分方程為

P(t)dt=Q(t)dt+Cdt

(7)

式中:C——室內(nèi)溫度變化率的熱常數(shù)。

一般情況下,空調(diào)有恒定功率與恒定速率兩種運(yùn)行過(guò)程。對(duì)于恒定功率,有

T=T′-(T′-T0)ek(t-t0)/c

(8)

此過(guò)程中,功率被調(diào)整至Pcon,室內(nèi)溫度會(huì)向著平衡以指數(shù)衰減而變化。

對(duì)于恒定速率制冷(制熱),有

(9)

式中:T0——環(huán)境原始溫度;k′——常數(shù)。

(2) 電動(dòng)汽車(chē)。某建筑停車(chē)場(chǎng)內(nèi)布置有多個(gè)充電樁設(shè)備,PEV可以通過(guò)這些充電樁向建筑能源管理系統(tǒng)充放電。在實(shí)際情況中,部分PEV是因?yàn)檐?chē)主行車(chē)需要而通過(guò)充電樁充電,從建筑能源管理系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)電能;另一部分PEV因?yàn)殡姵厮鶅?chǔ)存電能能夠滿(mǎn)足自身需求,而不需要從建筑能源系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)電能。第n輛PEV(n∈N)具有以下參數(shù)[6]:

① 電池額定可用能量Cn。

② 雙程效率η。假設(shè)x單位電能用來(lái)給PEV充電,經(jīng)過(guò)充放電流程,實(shí)際PEV可以提供給建筑的電能是ηx(0<η<1)。

假設(shè)在時(shí)刻t,建筑能源管理系統(tǒng)日前購(gòu)買(mǎi)電能與實(shí)時(shí)獲得的可再生能源發(fā)電之和與實(shí)時(shí)的總負(fù)荷之間存在偏差Q(t),即

Q(t)=Qtotal(t)-Pg(t)-Pr(t)

(10)

當(dāng)購(gòu)買(mǎi)的Pg(t)與實(shí)時(shí)獲得的Pr(t)不能滿(mǎn)足需求時(shí),建筑能源管理系統(tǒng)除了從實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)電能Pr(t)外,還可從PEV處獲得存儲(chǔ)的電能。令充電功率q={qn,n∈N},則EV充電管理模塊的目標(biāo)函數(shù)為

(12)

4 案例分析

(1) 可再生能源發(fā)電。某大型建筑樓宇安裝了1 600 m2的太陽(yáng)能板,產(chǎn)生的最大功率約為480 kW。日前天氣與分布式發(fā)電預(yù)測(cè)如圖2所示。

圖2 日前天氣與分布式發(fā)電預(yù)測(cè)

圖2中,根據(jù)每個(gè)時(shí)段的日照情況,以式(2)和隨機(jī)變量ε(t)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能板的出力曲線(xiàn)。

(2) 基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的建筑能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。為分析該建筑負(fù)荷節(jié)能情況,作以下假設(shè):

② 建筑有5臺(tái)空調(diào),單個(gè)商業(yè)用空調(diào)的最大使用功率為15 kW,最低使用功率為3 kW。為簡(jiǎn)化問(wèn)題,空調(diào)均工作在同樣的環(huán)境中,取穩(wěn)態(tài)制冷時(shí)Q0=3 kW,恒定速率制冷時(shí)室內(nèi)熱常數(shù)C=-500 W/(℃/min),k=1.5 kW/℃。

對(duì)比優(yōu)化前和優(yōu)化后的結(jié)果,建筑負(fù)荷日前預(yù)測(cè)與實(shí)際優(yōu)化后的消耗情況如圖3所示。在溫度達(dá)到高峰前的12:00～14:00時(shí)間段,空調(diào)調(diào)整到最大功率運(yùn)行,降低室內(nèi)溫度至23 ℃,以保證在13:00～17:00的用電高峰,18:00～19:00時(shí)間段能減小運(yùn)行功率;電動(dòng)汽車(chē)將分散在9:00～13:00時(shí)間段充電,而13:00～17:00時(shí)間段放電。該控制方式有效地將相對(duì)剩余的建筑分布式發(fā)電電量轉(zhuǎn)移至環(huán)境溫度較高、建筑負(fù)荷較大的時(shí)間段,提高了太陽(yáng)能的使用效率,同時(shí)避開(kāi)了實(shí)時(shí)電價(jià)較高的時(shí)段。

圖3 建筑負(fù)荷日前預(yù)測(cè)與實(shí)際優(yōu)化后的消耗情況

系統(tǒng)建筑能源使用結(jié)構(gòu)如圖4所示,包含日前Pg(t)和實(shí)時(shí)Pb(t)的購(gòu)買(mǎi)情況和可再生能源Pr(t)的使用情況。

圖4 系統(tǒng)能源使用結(jié)構(gòu)

由圖4可知,使用能源管理系統(tǒng)后,可根據(jù)日前預(yù)測(cè)情況合理判斷能源日前購(gòu)買(mǎi)量,減少日中的高價(jià)實(shí)時(shí)購(gòu)買(mǎi),提高太陽(yáng)能的使用效率,在達(dá)到系統(tǒng)供需平衡的同時(shí),降低建筑能源的使用費(fèi)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于新電改推動(dòng)的市場(chǎng)實(shí)際需求,提出了智能建筑能源管理系統(tǒng)解決方案,能夠滿(mǎn)足建筑與電網(wǎng)、終端用戶(hù)之間雙向的信息交互和能量交換需求,達(dá)到能源供需平衡,降低能源使用費(fèi)用。智能建筑能源管理系統(tǒng)架構(gòu)下層的控制管理模塊可根據(jù)實(shí)際需要靈活選擇,使得其不僅適用于商業(yè)建筑和大型公共建筑,還可用于工業(yè)園區(qū)或居住建筑群。

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Energy Management System Design for Intelligent Building Under Circumstance of Power Market Reformation

JU Chen1, FANG Wen1, ZHAO Jianli2

(1.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China;2.Shanghai Customer Service Center, State Grid, Shanghai 200063, China)

Under the impetus of the new power market reformation,the future building energy management would be faced with a series of challenges,such as bilateral uncertainty and randomness of energy supply and demand.Based on the analysis of functional requirements,this paper proposed a solution of intelligent building energy management system.The control models were put forward for typical function modules in the network architecture of the system,in order to achieve the balance of energy supply and demand.

power market reformation; energy management system for intelligent building; energy Internet; balance between supply and demand

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0023-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.006

2016-07-11

方 文(1983—),男,工程師,從事數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在能源管理領(lǐng)域的應(yīng)用工作。

趙建立(1983—),男,工程師,從事需求響應(yīng)與負(fù)荷管理方面的工作。