趙宇明，郭佩乾，劉國偉，袁志昌，史梓男

(1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020；2. 清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084；3. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，成都 610200)

0 引言

智能建筑管理系統(tǒng)(intelligent building management system, IBMS)是在建筑管理系統(tǒng) (building management system, BMS)的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代建筑技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交叉管理系統(tǒng)。它將構(gòu)成智能建筑的各類子系統(tǒng)以信息化與智能化為目標(biāo)進(jìn)行集成管理，使建筑內(nèi)資源得到充分信息共享，實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)的智能化、資源配置高效化與綜合利用低耗化[1]。

如圖1所示，目前主流的智能建筑管理系統(tǒng)基本架構(gòu)由3部分組成，包括建筑管理系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(office automation system, OAS)和通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(communications network system, CNS)，其主要功能在于集成化監(jiān)控與全局事件處理和管理，通過建筑自控網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)各子系統(tǒng)間的聯(lián)系和信息共享[2]。

智能建筑內(nèi)各控制子系統(tǒng)之間通常依靠直接數(shù)字控制器(direct digital controllers, DDCs)與BMS主系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑的智能管控，基于網(wǎng)絡(luò)管理信息平臺(tái)通過信息通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換和控制模塊將各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)上傳至服務(wù)器，進(jìn)而在操作站實(shí)現(xiàn)對整棟建筑物的統(tǒng)一監(jiān)控和管理[3]。圖2為目前主流智能建筑管理系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

圖2 智能建筑管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network structure of intelligent building management system

管理層網(wǎng)絡(luò)通常采用以太網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)操作站、IBMS服務(wù)及和便攜式終端之間數(shù)據(jù)信息的快速交換。相反，現(xiàn)場控制層網(wǎng)絡(luò)由于無須大量數(shù)據(jù)交換而采用實(shí)時(shí)性與抗干擾能力較好的LonWorks和BACNet等開放性現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同廠商與不同產(chǎn)品間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)[4]。

1 建筑管理系統(tǒng)的發(fā)展

智能建筑最早由美國在20世紀(jì)80年代提出，90年代以來發(fā)展極為迅速，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到建筑總投資規(guī)模的15%～25%。時(shí)至今日，我國智能建筑管理系統(tǒng)已經(jīng)逐步走向智能化以及自動(dòng)化階段，通過各子系統(tǒng)可為用戶以及管理者提供生產(chǎn)與生活上的便捷，如圖3所示。國內(nèi)比較典型的應(yīng)用包括南京和沈陽的奧林匹克中心、清華大學(xué)節(jié)能樓、上海期貨交易大廈以及長沙國際會(huì)展中心等[1 - 2,5 - 7]，這些工程的建設(shè)為建筑管理系統(tǒng)在自動(dòng)化、集成化與智能化領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3 智能建筑發(fā)展階段Fig.3 Development stages of intelligent building

然而，綜合現(xiàn)階段社會(huì)的發(fā)展、高新技術(shù)領(lǐng)域的開拓和現(xiàn)階段智能建筑管理系統(tǒng)的3個(gè)方面的因素，我國智能建筑管理系統(tǒng)在自動(dòng)化方面、智能化方面與靈活性方面有待提升，智能建筑系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用仍需在以下幾個(gè)方面開展深入研究。

1.1 系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

智能建筑管理系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)控制與信息交換離不開網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，高速網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)建筑系統(tǒng)的信息化交互，使數(shù)據(jù)交換更為高效便捷。信息安全技術(shù)的應(yīng)用，如Ipv4、Ipv6等技術(shù)可有效提高信息交換過程中的安全性與可靠性；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，如WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等技術(shù)在智能建筑管理系統(tǒng)上的工程應(yīng)用則可大幅提高建筑信息傳遞的便捷性和高效性。因此，傳統(tǒng)智能建筑行業(yè)中BMS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及傳輸方式將逐漸向無線互聯(lián)方向發(fā)展[8]。智能建筑管理系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能建筑管理系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[9]Fig.4 Wireless network structure of intelligent building management system

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

如引言與1.1節(jié)所述，目前智能建筑管理系統(tǒng)仍采用有線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，但由于無線通信協(xié)議技術(shù)的快速發(fā)展，采用分布式結(jié)構(gòu)、分散式控制、集中管理的組網(wǎng)模式與弱中心化組網(wǎng)模式將逐漸進(jìn)入人們的視野。其中，遠(yuǎn)程無線電(long range radio, LoRa)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things, NB-IoT)等低功率廣域網(wǎng)絡(luò)(low-power wide-area network，LPWAN)由于具備較強(qiáng)抗干擾能力和快速響應(yīng)能力，功耗低，部署靈活，提供全面覆蓋室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接等優(yōu)勢逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)已有設(shè)備廠商實(shí)現(xiàn)商業(yè)上的應(yīng)用，如格力公司基于LoRa的智能建筑管理系統(tǒng)以及下圖5所示鄰元科技公司的Lynkros系統(tǒng)等。

圖5 鄰元科技公司BMS系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)Fig.5 Network configuration structure of LynkrOS BMS system

1.3 物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能技術(shù)的應(yīng)用

建筑中存在大量可控設(shè)備，如空調(diào)、水泵與照明等。這些可控設(shè)備通常根據(jù)各類傳感器實(shí)現(xiàn)信息采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。因此，這些傳感器所產(chǎn)生的信息流成為智能建筑控制系統(tǒng)中重要的信息基礎(chǔ)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些收集到的信息可通過網(wǎng)絡(luò)通信方式與互聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交換，使整個(gè)建筑系統(tǒng)成為全面感知的整體，有效實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)各類可控設(shè)備的信息采集、數(shù)據(jù)管理和控制[10]。

人工智能技術(shù)的應(yīng)用則為智能建筑系統(tǒng)的控制提供了新思路。在智能建筑的控制子系統(tǒng)，如樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(building automation system, BAS)、終端電器、電氣設(shè)備狀態(tài)檢測和智能樓宇管理控制系統(tǒng)中引入包括專家系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聽覺、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多Agent與智能決策等技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)智能建筑系統(tǒng)的最優(yōu)決策與自動(dòng)運(yùn)行控制[11 - 13]。

目前，美國霍尼韋爾(Honeywell)公司建筑控制系統(tǒng)EBI基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備終端和遠(yuǎn)程訪問技術(shù)的發(fā)展，將移動(dòng)終端設(shè)備與建筑監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，通過簡單、無縫式的“物聯(lián)整合”促進(jìn)樓宇智能化，具備經(jīng)濟(jì)、高效、及時(shí)應(yīng)對各種突發(fā)事件的性能，有效提高智能建筑管理系統(tǒng)的運(yùn)行效率[14]。

1.4 建筑能量管理系統(tǒng)應(yīng)用

時(shí)至今日，現(xiàn)代建筑中部分設(shè)備已采用直流供電，直流建筑試點(diǎn)項(xiàng)目也不斷涌現(xiàn)，如哥德堡Akademiska Hus直流供電辦公樓和NZEB的AGU總部等。相比傳統(tǒng)建筑的交流配電系統(tǒng)，新型建筑直流配電系統(tǒng)中新增的交直流變換器、光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能、充電樁、數(shù)據(jù)中心、可控負(fù)荷等直流設(shè)備。這些直流可控設(shè)備的接入使建筑能量系統(tǒng)的負(fù)荷特性發(fā)生了本質(zhì)變化，同時(shí)也為建筑能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控提供了更加靈活的手段。因此，如何協(xié)調(diào)建筑中各類型可控設(shè)備，完成全局用能優(yōu)化是能量管理系統(tǒng)的重要目標(biāo)，建筑直流系統(tǒng)中能量管理系統(tǒng)的研究也成為智能建筑管理系統(tǒng)中的一個(gè)重要方向。

綜上，隨著各種先進(jìn)科技在智能建筑應(yīng)用上的融合和智能建筑管理系統(tǒng)功能不斷完善，智能建筑控系統(tǒng)架構(gòu)逐漸由單一獨(dú)立化自我控制發(fā)展為信息化集成交互控制。目前，隨著直流化設(shè)備和新型交叉技術(shù)的應(yīng)用，智能建筑管理系統(tǒng)的研究重點(diǎn)逐漸朝著無線組網(wǎng)方式、不同類型設(shè)備的優(yōu)化控制與智能化能量管理方面發(fā)展[15 - 16]。因此，以下章節(jié)將圍繞新型建筑直流配電系統(tǒng)的控制架構(gòu)與建筑能量管理系統(tǒng)(building energy management system, BEMS)兩方面進(jìn)行討論。

2 能量管理系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用

城市化、園區(qū)化的不斷發(fā)展以及大型建筑的涌現(xiàn)促使建筑能耗的不斷攀升。從建筑使用角度來說，智能建筑系統(tǒng)最初的目的是實(shí)現(xiàn)建筑的高效管理和節(jié)能運(yùn)行，然而美國能源信息署公布數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗所占比重接近該國家總社會(huì)能耗的40%；我國建筑能耗所占社會(huì)能耗比重也不斷增加，逐步向35%逼近。因此，智能建筑的能量管理與高效降耗成為迫切需要解決的問題。

傳統(tǒng)建筑管理系統(tǒng)BMS對建筑內(nèi)耗能設(shè)備的監(jiān)測主要側(cè)重于可控設(shè)備的啟停狀態(tài)、工作溫度、壓力、流量等方面參數(shù)；控制側(cè)重于設(shè)備開啟、關(guān)停、流量控制、閥門開度控制等操作。其主要控制模式是通過自控系統(tǒng)BAS對電梯、照明、空調(diào)等可控負(fù)荷進(jìn)行預(yù)先優(yōu)化和編排，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。然而，國內(nèi)大部分建筑的自動(dòng)控制系統(tǒng)仍處在手動(dòng)切換狀態(tài)，80%以上的BAS系統(tǒng)僅作為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和自動(dòng)控制使用。另外，由于缺乏建筑物的能量使用模型和完善的計(jì)量手段，BAS無法得到比較準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)[17]。通過以上控制管理方式，建筑能耗雖有所降低，但實(shí)際效果并不理想。因此，需對建筑內(nèi)能量管理系統(tǒng)深入研究，以便有效實(shí)現(xiàn)城市、園區(qū)及大型建筑的節(jié)能降耗。

建筑能量管理系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 建筑能量管理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.6 Configuration structure of building energy management system

在能量管理方面，傳統(tǒng)BMS采用分散式的監(jiān)管控制，缺乏對全局的預(yù)測及協(xié)調(diào)，而配電能量管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)更注重配電系統(tǒng)級(jí)能量管理。EMS通過對各類資源與可控單元的信息整合，綜合考慮如電價(jià)、負(fù)荷需求等條件采用協(xié)調(diào)互補(bǔ)方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的供需平衡與優(yōu)化。因此，EMS與BMS對各類可控設(shè)備在功率調(diào)度的控制方式與管理方向上有所區(qū)別，無法直接進(jìn)行EMS與BMS的融合應(yīng)用。

在供電能源方面，隨著新能源政策的推進(jìn)，各類分布式能源，如光伏一體化系統(tǒng)(building integrated photovoltaic，BIPV)在大型建筑供電系統(tǒng)中的比重逐漸增加[18 - 22]，為建筑配電系統(tǒng)供電帶來較大不確定性。從負(fù)荷角度考慮，除了傳統(tǒng)建筑管理系統(tǒng)中照明、電梯等常規(guī)可控負(fù)荷外，近些年來出現(xiàn)以數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能裝置為代表的新型直流負(fù)荷[23 - 25]。另外，多地已開始實(shí)施包括分時(shí)電價(jià)[26]、需求側(cè)響應(yīng)等相關(guān)措施，這也為建筑配電能量管理產(chǎn)生巨大的影響。對于建筑系統(tǒng)這樣一個(gè)包含多種復(fù)雜能量類型的集合，建筑能量管理系統(tǒng)BEMS的功能需綜合考慮各種因素以及不確定條件，對建筑配電系統(tǒng)內(nèi)包含的各類可控負(fù)荷、可出力電源以及儲(chǔ)能進(jìn)行綜合優(yōu)化調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)[27]。

因此，智能建筑中新能源部分的不確定性與波動(dòng)性，傳統(tǒng)可控負(fù)荷與新興直流負(fù)荷的相互作用，分時(shí)電價(jià)等各類措施的綜合影響成為目前智能建筑直流配電系統(tǒng)能量協(xié)調(diào)管理與優(yōu)化運(yùn)行必須解決的問題[17,28]。當(dāng)前能量管理系統(tǒng)EMS和建筑管理系統(tǒng)BMS仍分屬不同智能化領(lǐng)域，應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的能量管理系統(tǒng)EMS與傳統(tǒng)的建筑系統(tǒng)BMS存在部分功能復(fù)用，但也存在較大功能差異，需對智能建筑系統(tǒng)中能量管理部分深入研究，穩(wěn)定且高效的完成BMS與EMS智能化融合，真正意義上實(shí)現(xiàn)在滿足室內(nèi)環(huán)境舒適度的前提下精確的對建筑系統(tǒng)內(nèi)的能量進(jìn)行管理，保證建筑系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，進(jìn)而將該系統(tǒng)變?yōu)檎嬲饬x上創(chuàng)造效益的平臺(tái)。

3 建筑直流配電系統(tǒng)的控制架構(gòu)

BMS對用能設(shè)備的能量管理通常僅基于本地的環(huán)境及工況變化，缺乏對全局的預(yù)測及協(xié)調(diào)。而采用直流方式配電的建筑系統(tǒng)新增了交直流變換器、光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能、充電樁、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心、可控負(fù)荷等新直流設(shè)備，如何協(xié)調(diào)控制這些設(shè)備達(dá)到用能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是建筑直流配電控制系統(tǒng)的重要目標(biāo)。

圖7 直流配電系統(tǒng)控制架構(gòu)圖Fig.7 Control architecture of DC distribution system

中壓直流配電控制系統(tǒng)的基本要求是保持交直流配電系統(tǒng)中重要負(fù)荷的供電可靠性和電能質(zhì)量需求，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)分布式電源的充分利用。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，中壓直流配電控制系統(tǒng)采用“關(guān)鍵設(shè)備統(tǒng)一控制、用電負(fù)荷分布自治”的設(shè)計(jì)原則。通常，中壓直流配電控制系統(tǒng)可分為三級(jí)控制，具體控制架構(gòu)如圖7所示。

相比目前已采用的中壓直流配電系統(tǒng)，建筑直流配電網(wǎng)具有以下特點(diǎn)。

1)建筑直流配電電壓等級(jí)通常低于中壓直流配電網(wǎng)。中壓直流配電網(wǎng)需要承擔(dān)類似傳統(tǒng)10 kV交流配電網(wǎng)的角色，供電容量在數(shù)十兆瓦量級(jí)，供電范圍也較大，通常選取±10 kV電壓等級(jí)。而建筑系統(tǒng)直流配電供電容量較低，通常在數(shù)百千瓦量級(jí)，因此直流電壓通常選取為±375 V等級(jí)。

2)建筑直流配電系統(tǒng)的供電范圍局限在一棟或若干棟建筑內(nèi)，而中壓直流配電網(wǎng)通常需要覆蓋數(shù)平方千米的供電范圍。

3)建筑直流配電系統(tǒng)的設(shè)備類型比中壓直流配電網(wǎng)更少，以終端用電設(shè)備為主，包含部分光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)。而中壓直流配電系統(tǒng)可能需要接入分布式發(fā)電機(jī)組、風(fēng)電、大容量儲(chǔ)能的更多類型的設(shè)備。

4)建筑直流配電系統(tǒng)的連接方式更簡單，通常采用放射性接線。

5)建筑直流配電系統(tǒng)面向終端用戶，其運(yùn)行與管理系統(tǒng)應(yīng)該朝著分布自治與免運(yùn)行維護(hù)的方向設(shè)計(jì)，減少需要用戶干預(yù)的控制與操作。這與直流配電系統(tǒng)也存在較大差異。

可見，建筑直流配電系統(tǒng)在規(guī)模上更加類似微電網(wǎng)，其運(yùn)行與管理系統(tǒng)應(yīng)盡量簡化，減少控制層級(jí)，盡量實(shí)現(xiàn)分布自治。因此，建筑直流配電系統(tǒng)的運(yùn)行控制架構(gòu)宜采用如圖8所示兩層式結(jié)構(gòu)。

圖8 建筑直流配電系統(tǒng)控制架構(gòu)圖Fig.8 Control architecture for DC distribution system of building

按控制功能的時(shí)間尺度可以將建筑直流配電系統(tǒng)的控制分為長期能量優(yōu)化管理和短期功率平衡。

長期能量優(yōu)化管理主要實(shí)現(xiàn)建筑直流配電系統(tǒng)的最優(yōu)控制，對可再生能源發(fā)電及負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測，在了解實(shí)時(shí)市場信息、分布式電源特性及發(fā)電成本的基礎(chǔ)上，以網(wǎng)損、電費(fèi)、電壓質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)整光伏、儲(chǔ)能、交直流變換器等設(shè)備的電壓、功率等運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化直流配電系統(tǒng)運(yùn)行。提供需求側(cè)管理和適當(dāng)備用容量；滿足系統(tǒng)供電可靠性。能量管理系統(tǒng)可作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用工作站，其所需的數(shù)據(jù)可以通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)收集獲取，控制指令也由監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至設(shè)備層。

短期功率平衡在交直流變換器、光伏、儲(chǔ)能、直流負(fù)載等設(shè)備層實(shí)現(xiàn)，宜采用分布自治的控制方式。實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，依據(jù)分布式電源容量、技術(shù)條件和儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能狀態(tài)，調(diào)整分布式電源、儲(chǔ)能的出力或?qū)煽刎?fù)荷進(jìn)行相關(guān)控制，滿足系統(tǒng)功率平衡和維持直流電壓穩(wěn)定。在配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)提供快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，滿足用戶電能質(zhì)量要求。各個(gè)設(shè)備通過自帶的控制器實(shí)現(xiàn)電流控制、并網(wǎng)控制、模式自動(dòng)切換等短期功率平衡控制功能，多個(gè)電力電子設(shè)備之間的協(xié)調(diào)可以采用下垂式控制或者電壓裕度控制，實(shí)現(xiàn)分布自治，滿足系統(tǒng)靈活擴(kuò)展的需求。

最優(yōu)控制層的目標(biāo)是獲取系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能增效，其控制時(shí)間尺度通常為5～10 min更新一次控制指令。分布自治層的控制目標(biāo)是維持建筑配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、提供優(yōu)質(zhì)的供電電壓，其控制時(shí)間尺度通常在毫秒級(jí)別。兩者在控制時(shí)間尺度上具有良好的區(qū)分度。另外，分布自治層的控制優(yōu)先級(jí)更高，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的指令時(shí)，可以暫時(shí)屏蔽優(yōu)化控制指令，而以保證系統(tǒng)穩(wěn)定和完整性為優(yōu)先目標(biāo)。從控制功能設(shè)計(jì)原則上，應(yīng)該滿足當(dāng)能量優(yōu)化管理系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)，整個(gè)建筑直流配電系統(tǒng)仍然能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 建筑直流EMS與BMS融合

目前能量管理系統(tǒng)EMS和建筑管理系統(tǒng)BMS仍分屬不同智能化系統(tǒng)，如何以最低成本改動(dòng)將EMS系統(tǒng)有機(jī)地融合到建筑BMS系統(tǒng)中是建筑直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的重要內(nèi)容。

4.1 建筑直流EMS與集中式BMS融合

目前主流智能建筑管理系統(tǒng)均采用集中式管理模式，不同公司所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式和軟硬件形式各有不同，但基本上都是遵循分層分布式結(jié)構(gòu)：設(shè)備本體采用分散控制，就地實(shí)施，控制邏輯簡單；設(shè)備信息收集到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心以監(jiān)測為主，輔以部分遠(yuǎn)動(dòng)控制和人機(jī)交互，實(shí)時(shí)性要求不高，數(shù)據(jù)采集及刷新周期通常在10 s級(jí)別。其中，系統(tǒng)組網(wǎng)方式以有線為主，輔助以局部區(qū)域采用LoRa或者NB-loT無線組網(wǎng)，層級(jí)明確。

對于集中式智能建筑管理，EMS與BMS之間具有高度的復(fù)用性。

1)BMS收集建筑系統(tǒng)內(nèi)的電、熱、冷、安防等各個(gè)子系統(tǒng)的信息，其中變配電系統(tǒng)的監(jiān)測信息可以供EMS系統(tǒng)作為優(yōu)化計(jì)算的基礎(chǔ)。

2)現(xiàn)有BMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新周期通常在10 s級(jí)別，也可以滿足建筑系統(tǒng)能量優(yōu)化的時(shí)間尺度要求。

3)BMS系統(tǒng)具備對一些關(guān)鍵設(shè)備的就地控制能力，如果增設(shè)相應(yīng)的遙控功能，則這些關(guān)鍵設(shè)備可以執(zhí)行EMS系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)度指令。

4)從拓?fù)浼軜?gòu)上看，BMS系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)與電力EMS系統(tǒng)非常相似，都包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等主要層級(jí)，其中感知層和網(wǎng)絡(luò)層可以復(fù)用。

然而，現(xiàn)有的建筑BMS系統(tǒng)在應(yīng)用層功能上與EMS存在較大區(qū)別，主要體現(xiàn)在：

1)現(xiàn)有BMS以監(jiān)測功能為主，只設(shè)置了很少一部分設(shè)備的遠(yuǎn)動(dòng)控制，絕大多數(shù)設(shè)備以就地控制為主；

2)各個(gè)設(shè)備的控制目標(biāo)主要基于本地的環(huán)境變化或工況變化，沒有基于全局的用能設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行控制，設(shè)備之間缺少配合與協(xié)調(diào)。

因此，在集中式智能建筑管理系統(tǒng)中，建筑直流配電系統(tǒng)EMS可以按照“補(bǔ)全測點(diǎn)、復(fù)用網(wǎng)絡(luò)，增加應(yīng)用”的方式融合進(jìn)原有BMS系統(tǒng)中，其示意圖如圖9所示。

圖9 集中式BEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of centralized BEMS system

基于建筑智能建筑管理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，變配電系統(tǒng)收集空調(diào)、照明、水泵、電梯等用電設(shè)備的工作狀態(tài)，同時(shí)也具備下發(fā)控制指令的能力。對于新增的交/直流換流器、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁、可控負(fù)荷等設(shè)備，絕大多數(shù)自身安裝有控制器，可以將狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給應(yīng)用層，同時(shí)也具備接收控制指令的能力，少部分設(shè)備如可控負(fù)荷、數(shù)據(jù)中心等，需要額外配置傳感/執(zhí)行裝置，以收集上傳狀態(tài)信息，接收控制指令。

在智能建筑管理系統(tǒng)的應(yīng)用層，可以有兩種方式布置EMS服務(wù)。一種是單獨(dú)配置，根據(jù)日前負(fù)荷預(yù)測、光伏出力預(yù)測、電費(fèi)等信息對建筑內(nèi)電氣設(shè)備做能量優(yōu)化計(jì)算，得出對光伏、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等設(shè)備的調(diào)控指令。另外一種是將EMS應(yīng)用功能配置在原有的能量管理服務(wù)器中，完善原有的能量管理基礎(chǔ)功能，同時(shí)對建筑系統(tǒng)的熱、冷、電等能源利用系統(tǒng)做全面優(yōu)化和管控。從實(shí)施角度看，兩種方案都最大程度利用了原有BMS系統(tǒng)，新增建設(shè)成本大大降低，相關(guān)的調(diào)試維護(hù)環(huán)節(jié)得到高度的簡化。

4.2 建筑直流EMS與分布式BMS系統(tǒng)融合

針對智能建筑整體網(wǎng)絡(luò)大而復(fù)雜，調(diào)試維護(hù)難度高的問題，分布式智能建筑管理系統(tǒng)將智能測控設(shè)備(也稱為多代理系統(tǒng)的一個(gè)智能代理單元)安裝在設(shè)備本地，實(shí)現(xiàn)對局部若干設(shè)備的智能管控。代理之間通過鏈?zhǔn)酵ㄐ沤Y(jié)構(gòu)，形成對等式、弱中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過智能設(shè)備群落的自組織、自協(xié)調(diào)、自管理，最終實(shí)現(xiàn)群落的分布式控制功能。

對于分布式BMS系統(tǒng)，建筑直流EMS系統(tǒng)的融合可以采用半融合和全融合2種方式。

4.2.1 半融合BEMS系統(tǒng)方案

半融合方式示意圖如圖10所示，增設(shè)一個(gè)獨(dú)立的EMS服務(wù)器，與組網(wǎng)的多代理系統(tǒng)中的一個(gè)代理連接，EMS通過這個(gè)通信通道獲取所需的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，與EMS沒有直接通信聯(lián)系的設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)經(jīng)由鏈?zhǔn)酵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)至EMS。EMS完成能量優(yōu)化計(jì)算后，將調(diào)控指令發(fā)給所連的代理，由其通過鏈?zhǔn)酵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給受調(diào)控的設(shè)備。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是層次界面清晰，優(yōu)化調(diào)度程序成熟，可基于全局?jǐn)?shù)據(jù)開展優(yōu)化計(jì)算，其功能完整性與集中式EMS相同。如果單個(gè)代理的運(yùn)算處理能力足夠強(qiáng)，也可以將EMS功能配置于代理智能單元內(nèi)，從而進(jìn)一步降低組網(wǎng)和硬件配置費(fèi)用。

圖10 半融合式BEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of semi-integrated BEMS system

某公司提出的EMS與BMS系統(tǒng)融合方案就采用半融合方式進(jìn)行組網(wǎng)，形成扁平化結(jié)構(gòu)的最簡EMS系統(tǒng)，如圖5中所示。相關(guān)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系對等、相互通信，相關(guān)數(shù)據(jù)以最優(yōu)的路徑進(jìn)行傳輸，最終形成以EMS能源管理系統(tǒng)為弱中心的管控一體化的管理系統(tǒng)。由于整個(gè)BMS系統(tǒng)沒有明確的集控中心站，降低了網(wǎng)絡(luò)樞紐故障或者集控中心站故障導(dǎo)致系統(tǒng)功能缺失的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了調(diào)試維護(hù)難度。

4.2.2 全融合BEMS系統(tǒng)方案

全融合方式指的是將EMS全局優(yōu)化功能拆分成多個(gè)子系統(tǒng)，并分散布置于各個(gè)智能代理單元中，每個(gè)智能代理單元分別計(jì)算與其相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)的優(yōu)化問題，另一方面相鄰的各個(gè)智能單元間進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的迭代修正，這樣，經(jīng)過全體智能單元間多次迭代后，獲得全局優(yōu)化問題的最優(yōu)解，產(chǎn)生調(diào)度指令下發(fā)到設(shè)備層。這種融合方式不需要增加新的硬件，EMS的功能完全融合到分布式BMS系統(tǒng)既有硬件內(nèi)，在成本上具有顯著優(yōu)勢。

然而，其缺點(diǎn)是優(yōu)化功能受限，部分需要基于日前預(yù)測與全局信息的全局優(yōu)化功能(如電池儲(chǔ)能出力曲線日前優(yōu)化)無法實(shí)現(xiàn)。

圖11 全融合式BEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of full-integrated BEMS system

綜上，半融合方式的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取全局信息、實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化功能，缺點(diǎn)是需要新增硬件服務(wù)器。全融合方式的優(yōu)點(diǎn)是完全利用原有的分布式BMS硬件資源，無需新增設(shè)備，缺點(diǎn)是優(yōu)化功能受限，部分全局優(yōu)化功能無法實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有國內(nèi)外智能建筑管理系統(tǒng)BMS通常采用集中式解決直流建筑中的管控問題，同時(shí)分布式BMS在系統(tǒng)能量全局優(yōu)化方面存在的不足也限制BMS向分布式發(fā)展，因此，目前EMS與BMS的融合仍以集中式方案為主。

5 結(jié)語

隨著智能建筑的不斷發(fā)展，建筑能耗占比不斷增長，無線傳輸、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)以及建筑配電系統(tǒng)中新型直流設(shè)備的應(yīng)用，智能建筑系統(tǒng)功能和本質(zhì)特性不斷改變，智能建筑中的能量管理成為了建筑節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用直流方式配電的建筑系統(tǒng)新增了交直流變換器、光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能、充電樁、數(shù)據(jù)中心、可控負(fù)荷等新設(shè)備，如何協(xié)調(diào)這些設(shè)備完成全局用能優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是建筑直流配電EMS系統(tǒng)的重要目標(biāo)。

本文通過對適用于建筑直流配電系統(tǒng)的控制架構(gòu)進(jìn)行研究與探討，基于所提控制架構(gòu)對集中式BMS系統(tǒng)提出了簡單且快捷的“補(bǔ)全測點(diǎn)、復(fù)用網(wǎng)絡(luò)，增加應(yīng)用”的有機(jī)融合方案；針對分布式BMS系統(tǒng)分別提出了半融合和全融合2種方式，通過全局優(yōu)化有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的相互協(xié)調(diào)以及優(yōu)化節(jié)能的目的。