洪曄 劉聰

摘要：園區(qū)綜合能源系統(tǒng)（IES）管理需要對(duì)能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸進(jìn)行精確化、動(dòng)態(tài)化的控制。本文以系統(tǒng)科學(xué)中的控制論為理論依據(jù)，提出了基于前饋控制與反饋控制的互補(bǔ)控制模型，以期提高lEs管理的效率。

關(guān)鍵詞：反饋控制 前饋控制 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)

前言：2016年，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》明確了我國(guó)綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的思路。在此背景下，我國(guó)能源服務(wù)系統(tǒng)各部門正處于向以電能為核心、多能源協(xié)同的綜合能源體系轉(zhuǎn)型的時(shí)期。因此，對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的管理規(guī)劃，對(duì)于我國(guó)綜合能源應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義。而園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)管理，恰恰是綜合能源應(yīng)用全面化的縮影，也是近年來(lái)相關(guān)研究的前沿領(lǐng)域。

一、園區(qū)綜合能源系統(tǒng)概況

“園區(qū)”指由政府規(guī)劃建設(shè)的，空間、設(shè)施、能源等均能滿足從事某種特定行業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的標(biāo)準(zhǔn)型建筑物群體，因此，通常所說(shuō)的“園區(qū)”往往指產(chǎn)業(yè)園區(qū)。

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，以下簡(jiǎn)稱“IES”）指在特定園區(qū)內(nèi)，根據(jù)其能源需要和儲(chǔ)備情況，優(yōu)化配置各種傳統(tǒng)與新能源，同時(shí)結(jié)合各種能量產(chǎn)出、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸技術(shù)，為園區(qū)用戶提供冷、熱、電等能源產(chǎn)品的一套綜合系統(tǒng)。

不同類型的產(chǎn)業(yè)園區(qū)對(duì)綜合能源的需求也不盡相同。概括來(lái)說(shuō)，工業(yè)園區(qū)對(duì)冷、熱、電能的需求量大且集中;高新科技園區(qū)的能源負(fù)荷密度高，對(duì)電能的需求最高;其他類型園區(qū)對(duì)能源的需求量相對(duì)較小，沒有特殊的能源類型需求。

IES建設(shè)是一個(gè)全面、復(fù)雜的工作，主要包括三個(gè)子系統(tǒng)，即系統(tǒng)域、能源域和工作域。其中系統(tǒng)域包括IES設(shè)備制造、通訊系統(tǒng)構(gòu)建、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)等物理基礎(chǔ);能源域包括各類型能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存與傳輸技術(shù);工作域包括lES規(guī)劃、多能協(xié)同控制和市場(chǎng)化交易等技術(shù)。其中工作域的核心任務(wù)之一就是要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，通過優(yōu)化策略對(duì)IES的運(yùn)行進(jìn)行精確、動(dòng)態(tài)的管理。要實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，就需要合理應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)的知識(shí)。

二、反饋控制與前饋控制

反饋控制與前饋控制是系統(tǒng)科學(xué)的重要理論。系統(tǒng)科學(xué)始于1945年，由理論生物學(xué)家貝塔朗菲創(chuàng)始，由維納、申農(nóng)等科學(xué)家完善而形成獨(dú)立學(xué)科。系統(tǒng)科學(xué)的主要觀點(diǎn)是：系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的;對(duì)其管理的目的是保證系統(tǒng)能有給定的輸出狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)被控系統(tǒng)的控制，管理者需通過一系列行為使其以給定狀態(tài)、向給定目標(biāo)運(yùn)行，這些行為往往也需要通過一個(gè)系統(tǒng)來(lái)完成，因而形成了施控系統(tǒng)。在本文中，IES是被控系統(tǒng)，對(duì)IES實(shí)施反饋與前饋控制的系統(tǒng)則為施控系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)方式如圖1：

其中H指系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的變異度，即在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中各種影響因素造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，其中H（Y）=H（x）+H（F）+H（z）。系統(tǒng)管理的核心問題即是施控系統(tǒng)如何根據(jù)被控系統(tǒng)運(yùn)行中的偏差去調(diào)整系統(tǒng)行為，從而盡量將H（Y）降到最低。

反饋控制與前饋控制是兩種最基本控制方法。其中，反饋控制是施控系統(tǒng)根據(jù)被控系統(tǒng)輸出狀態(tài)的變化去調(diào)整被控系統(tǒng)的輸入，以調(diào)整和改變被控系統(tǒng)的輸出的過程：前饋控制是施控系統(tǒng)根據(jù)被控系統(tǒng)在未來(lái)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的偏差，提前調(diào)整被控系統(tǒng)的輸入，以避免被控系統(tǒng)在未來(lái)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的偏差的過程。

在實(shí)際應(yīng)用中，反饋和前饋控制均存在一定局限性。其中反饋控制由于其延遲、滯后性質(zhì)可能出現(xiàn)消極正、負(fù)反饋現(xiàn)象，前饋控制則可能由于預(yù)測(cè)不準(zhǔn)導(dǎo)致調(diào)整不準(zhǔn)的現(xiàn)象。因此，在系統(tǒng)控制的實(shí)際運(yùn)用中，將反饋與前饋控制結(jié)合起來(lái)，形成互補(bǔ)的控制方法，可以盡量克服二者的缺陷，將系統(tǒng)偏差降到最低。對(duì)IES的控制管理也可以采用反饋與前饋控制結(jié)合的方式。

三、基于反饋控制與前饋控制的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)管理

基于反饋控制與前饋控制對(duì)IES進(jìn)行管理，主要思路是以基于能源生產(chǎn)和耗散預(yù)測(cè)的前饋控制為主，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)際需求與能源生產(chǎn)、分配不匹配時(shí)，再通過反饋控制進(jìn)行調(diào)整。

如圖2所示，基于反饋與前饋控制的IES管理過程主要包括以下環(huán)節(jié)：

1.根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)值，在時(shí)間點(diǎn)t1對(duì)系統(tǒng)輸入進(jìn)行調(diào)整，在系統(tǒng)開始輸出的時(shí)間點(diǎn)t2使系統(tǒng)實(shí)際輸出為目標(biāo)值y1：

2.系統(tǒng)保持輸出值y1.至?xí)r間點(diǎn)t3.系統(tǒng)需求變?yōu)閥2（或發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)際需求應(yīng)為y2）;

3.控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要，在時(shí)間點(diǎn)t4調(diào)整系統(tǒng)輸入，至?xí)r間點(diǎn)t5將系統(tǒng)輸出值調(diào)整為y：。

t1至t3屬前饋控制階段，該階段的施控系統(tǒng)指令依據(jù)對(duì)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)制定，其信息來(lái)源為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析、運(yùn)算與預(yù)測(cè)模型的建立;t4至t5屬反饋控制階段，其信息來(lái)源為對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。以上控制過程在多能協(xié)同的lEs中需通過建立多個(gè)施控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將y1調(diào)整至y2的過程可通過系統(tǒng)產(chǎn)能、調(diào)用儲(chǔ)能或能源傳輸實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)論與展望

本文以系統(tǒng)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，對(duì)反饋控制與前饋控制進(jìn)行了互補(bǔ)式結(jié)合，提出了IES管理的一般控制模型。整個(gè)控制過程的目標(biāo)應(yīng)為在前饋控制階段盡可能減小預(yù)測(cè)誤差△Y，在反饋控制階段盡可能縮短時(shí)間延遲△t。

在未來(lái)的應(yīng)用中，可結(jié)合大數(shù)據(jù)運(yùn)算、智能能量管理等技術(shù)，通過一體化能源供應(yīng)、能源衍生品交易等服務(wù)進(jìn)一步提升園區(qū)能源的動(dòng)態(tài)化靈活配置。