李 輝，孫云增，梁康元，王 丹

(國(guó)網(wǎng)中興有限公司，北京 100761)

2020年，我國(guó)正式提出將在2030年前達(dá)到碳排放峰值，于2060年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“碳中和”。為實(shí)現(xiàn)這樣宏偉的藍(lán)圖，“碳吸收”與“碳排放”這2條技術(shù)路線應(yīng)共同發(fā)展[1]。如果能提高如石油、煤炭、化工及建筑等高能耗行業(yè)的能源利用率，那么將會(huì)在降低“碳排放”這條技術(shù)路線上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

從能源需求側(cè)出發(fā)，可針對(duì)不同行業(yè)建立不同類型的能源管理平臺(tái)來(lái)提高能源利用率[2]，基于能源管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與分析，全面反映系統(tǒng)內(nèi)各類用能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為進(jìn)一步優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。例如，劉合山[3]針對(duì)大煤溝煤礦生產(chǎn)過(guò)程中效率低、能耗高等問(wèn)題，采用“互聯(lián)網(wǎng)+”能源管理技術(shù)建成了一套完整的能源管理中心平臺(tái)，提高了能源使用效率。鄭芳雄[4]針對(duì)石油化工企業(yè)能源管理主要依賴電子報(bào)表層級(jí)傳遞能耗數(shù)據(jù)的問(wèn)題，利用信息化技術(shù)搭建了企業(yè)能源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種能耗設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與優(yōu)化調(diào)度。張珣珣等[5]搭建了“源—網(wǎng)—荷”分布式能源系統(tǒng)一體化監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了供給側(cè)與使用側(cè)能源信息的管理，促進(jìn)了能源的有效利用。

不同類型的能源管理平臺(tái)具有相同核心設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與平臺(tái)可視化分析。本研究以某節(jié)能示范園區(qū)為對(duì)象設(shè)計(jì)的智慧能源管理平臺(tái)，不僅具有基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)功能，還設(shè)計(jì)有云端協(xié)同優(yōu)化控制與節(jié)能減排數(shù)據(jù)可視化功能。該平臺(tái)基于IoT監(jiān)控設(shè)備[6]和云計(jì)算對(duì)子系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)實(shí)行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，實(shí)現(xiàn)能源的按需分配與綜合利用，提升能源利用率，降低CO2排放。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

以自動(dòng)控制及信息化技術(shù)為基礎(chǔ)，融合優(yōu)化算法[7]，建立智慧能源管理平臺(tái)。該平臺(tái)將能源管理、樓宇自控、視頻監(jiān)控、防盜報(bào)警、門禁管理、電梯管理等子系統(tǒng)接入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息匯集、資源共享及優(yōu)化管理等綜合功能[8]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of smart management platform

根據(jù)子系統(tǒng)功能，智慧能源管理平臺(tái)主要分為設(shè)備運(yùn)行管理和安防消防管理2類。設(shè)備運(yùn)行管理類子系統(tǒng)包含智慧配電系統(tǒng)[9-10]、智慧制冷系統(tǒng)[11-12]、智慧供暖系統(tǒng)[13-14]和智慧照明系統(tǒng)[15-16]，采用優(yōu)化算法優(yōu)化各子系統(tǒng)間的配合，降低設(shè)備運(yùn)行能耗。安防消防管理類子系統(tǒng)包含安防系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、門禁及訪客系統(tǒng)和停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，采用冗余控制算法、多目標(biāo)跟蹤算法等保障子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文主要討論采用優(yōu)化算法對(duì)能源利用效率的提升。

各類現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控IoT設(shè)備是本平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行的支撐，因而在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)采用各類智能化硬件設(shè)備提高數(shù)據(jù)采集效率，達(dá)到構(gòu)建云端大數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化的目的。如在智慧配電系統(tǒng)中使用帶有FLUKE-435電能質(zhì)量分析器的低壓配線柜，能夠進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。在智慧制冷系統(tǒng)中安裝中央空調(diào)智能運(yùn)維子系統(tǒng)，使用智能傳感器采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)所控設(shè)備的自動(dòng)開啟和變頻運(yùn)行。在智慧供熱系統(tǒng)中安裝FLUKE F430-2型數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，從而穩(wěn)定地展現(xiàn)出供暖設(shè)備的能耗狀態(tài)。在智慧照明系統(tǒng)中，采用SW-1500智能回路控制器，使用該控制器可以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景自動(dòng)控制，并且可以結(jié)合人員檢測(cè)裝置對(duì)接考勤系統(tǒng)。

1.2 智慧配電系統(tǒng)

為提高配電系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)配電室設(shè)計(jì)了智能運(yùn)維子系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于電能質(zhì)量分析器、電量計(jì)量器等智能監(jiān)控設(shè)備及云端數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了一套智能化、信息化的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[17]。智能運(yùn)維子系統(tǒng)主接線監(jiān)測(cè)如圖2所示。該智能運(yùn)維系統(tǒng)包含高壓回路監(jiān)測(cè)、變壓器綜合工況監(jiān)測(cè)、低壓回路監(jiān)測(cè)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)功能。

圖2 主接線監(jiān)測(cè)Fig.2 Main wiring monitoring

(1)高壓回路監(jiān)測(cè)。在配電室高壓監(jiān)測(cè)中設(shè)計(jì)中置柜，并安裝有ABB_REF615綜合保護(hù)繼電器?？梢詫?shí)現(xiàn)采集高壓系統(tǒng)的電流、電壓、功率、電量等模擬量參數(shù)，此外還可以對(duì)開關(guān)狀態(tài)和事故告警等開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行采集。

(2)變壓器綜合工況。傳統(tǒng)變壓器缺乏對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行溫度和故障信息的采集，本平臺(tái)采用智能溫控器進(jìn)行變壓器綜合工況監(jiān)測(cè)。通過(guò)該溫控器可以對(duì)變壓器三相繞組的運(yùn)行溫度及報(bào)警狀態(tài)等信息進(jìn)行采集。

(3)低壓回路監(jiān)測(cè)。在低壓進(jìn)線柜內(nèi)設(shè)計(jì)安裝具有諧波監(jiān)測(cè)功能的智能電表，可以對(duì)變壓器低壓側(cè)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)及電能質(zhì)量狀況等信息進(jìn)行采集。

(4)環(huán)境監(jiān)測(cè)。為了監(jiān)測(cè)配電室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，在低壓電容柜內(nèi)及室內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)計(jì)安裝智能溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)高低壓配電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 智慧制冷系統(tǒng)

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)移高峰電力需求，“移峰填谷”的能力，對(duì)平衡電力的供應(yīng)，提高電能的有效利用具有卓越表現(xiàn)[18-19]。研究設(shè)計(jì)的中央空調(diào)智能運(yùn)維子系統(tǒng)采用模糊控制算法優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)行低能耗運(yùn)行策略。其子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 中央空調(diào)智能運(yùn)維子系統(tǒng)Fig.3 Central air-conditioning intelligent run subsystem

為實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備的集中管控，采用在系統(tǒng)管道上增加溫度變送器、壓力變送器等IoT設(shè)備。通過(guò)將設(shè)備運(yùn)行工況信號(hào)傳輸至中央空調(diào)智能運(yùn)維子系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的對(duì)比與計(jì)算，完成設(shè)備的自動(dòng)開啟和變頻運(yùn)行，達(dá)到制冷系統(tǒng)恒溫差的供水目的。

1.4 智慧供暖系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)智慧化供暖，設(shè)計(jì)采用智能變頻器、流量計(jì)量器及溫度傳感器等IoT設(shè)備改造傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)[20]。在供暖時(shí)段內(nèi)，可以根據(jù)室外氣候的變化情況，結(jié)合用戶供熱需求，調(diào)節(jié)供水溫度實(shí)現(xiàn)按需供熱。在保證用戶舒適性的前提下，減少了一次熱源不必要的消耗，起到了節(jié)能減排的作用。在設(shè)計(jì)中，還采用氣候補(bǔ)償控制器按照設(shè)定的曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)板換器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，保證板換器二次側(cè)合理的供水溫度。通過(guò)變頻器結(jié)合供回水策略，實(shí)現(xiàn)供暖循環(huán)水泵自動(dòng)調(diào)頻運(yùn)行。根據(jù)水泵的相似定律，變頻調(diào)速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系見式(1)。

(1)

式中，Q1、Q2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1、n2時(shí)的流量；H1、H2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1、n2時(shí)的揚(yáng)程；P1、P2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1、n2時(shí)的壓力。

根據(jù)式(1)可得出不同運(yùn)行頻率下流量及功率大小。變頻水泵功率與流量關(guān)系如圖4所示。

圖4 變頻水泵功率與流量關(guān)系Fig.4 Relation of variable frequency water pump power and flow

1.5 智慧照明系統(tǒng)

傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)照明強(qiáng)度固定不變，容易產(chǎn)生人員需求與照明供給不匹配，引起能源浪費(fèi)。公共場(chǎng)景的管控?zé)艄庠O(shè)備需耗費(fèi)人工運(yùn)維，還可能因?yàn)槁╆P(guān)導(dǎo)致電能浪費(fèi)[21]。為更加全面地監(jiān)測(cè)園區(qū)內(nèi)照明系統(tǒng)的運(yùn)行工況，不僅需對(duì)設(shè)備的照明狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還需具備用電安全(如漏電保護(hù)、過(guò)載過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù))等特性[22]。研究基于分布式控制設(shè)計(jì)了智慧照明系統(tǒng)(圖5)。分布式控制方式可靠性好，出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響小。該智慧照明系統(tǒng)可以根據(jù)人體及恒照度感應(yīng)探測(cè)器對(duì)于照度進(jìn)行補(bǔ)償。其中，照度探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全天光照進(jìn)行智能管理，自動(dòng)調(diào)整燈具照度。在走廊、衛(wèi)生間及樓梯間，采用人體感應(yīng)系統(tǒng)與照度可調(diào)燈具進(jìn)行配合，如在有人通行的情況下照度100%，無(wú)人情況下功率降至20%以保證基礎(chǔ)照度。

圖5 智慧照明系統(tǒng)Fig.5 Smart lighting system

2 基于云計(jì)算的子系統(tǒng)優(yōu)化控制

研究設(shè)計(jì)的智慧能源管理平臺(tái)具有云計(jì)算協(xié)同優(yōu)化控制的特點(diǎn)，通過(guò)建立的各子系統(tǒng)云端數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，使得智慧配電系統(tǒng)、智慧制冷系統(tǒng)、智慧供暖系統(tǒng)以及智慧照明系統(tǒng)的所有IoT設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)均會(huì)傳輸至云端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并使用優(yōu)化算法自動(dòng)調(diào)整各子系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

2.1 中央空調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)

研究設(shè)計(jì)的中央空調(diào)智能運(yùn)維子系統(tǒng)采用模糊PID控制算法跟蹤設(shè)備的運(yùn)行曲線，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備綜合能耗最低。模糊PID控制是結(jié)合了模糊理論和PID控制算法，利用模糊規(guī)則在線整定PID參數(shù)，適用于一些大時(shí)滯、非線性系統(tǒng)，而中央變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)典型的大時(shí)滯、非線性系統(tǒng)[23]。因此設(shè)計(jì)采用模糊PID控制算法優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與抗干擾特性，其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 基于模糊PID控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)溫度控制回路Fig.6 Temperature control loop of variable air volume air conditioning system based on fuzzy PID control

此外，該運(yùn)維子系統(tǒng)也是基于云計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化控制的，其決策參數(shù)不僅來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)層的IoT監(jiān)控設(shè)備還來(lái)自其他子系統(tǒng)的運(yùn)行工況，如智慧照明系統(tǒng)中檢測(cè)到的房間人員數(shù)量。當(dāng)房間處于無(wú)人狀態(tài)時(shí)，那么該運(yùn)維子系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低設(shè)備運(yùn)行功率，以達(dá)到低能耗運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)房間內(nèi)人數(shù)較多時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的室內(nèi)外溫差調(diào)節(jié)房間內(nèi)的設(shè)定溫度。

2.2 智慧供暖優(yōu)化控制系統(tǒng)

研究設(shè)計(jì)的智慧供暖系統(tǒng)通過(guò)流經(jīng)閥門的供回水流量控制室內(nèi)溫度。使用現(xiàn)場(chǎng)層的IoT監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與閥門控制，通過(guò)云端計(jì)算自動(dòng)實(shí)現(xiàn)二級(jí)管網(wǎng)的智能平衡調(diào)節(jié)。云端計(jì)算的決策參數(shù)不僅來(lái)自監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，還來(lái)自室外環(huán)境。使用氣候補(bǔ)償器可以在保證用戶舒適性的前提下，減少不必要的能量消耗，起到了節(jié)能減排的作用。其結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

圖7 氣候補(bǔ)償工作原理Fig.7 Working principle of climate compensation

在供熱系統(tǒng)中使用氣候補(bǔ)償器，可對(duì)室外溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將室外溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳到控制中心進(jìn)行熱量調(diào)整。例如當(dāng)早晚溫差較大時(shí)，在中午可適當(dāng)減少供熱量，早晨和夜晚溫度相對(duì)較低則增加供熱量，從而形成動(dòng)態(tài)調(diào)整的供熱系統(tǒng)。

3 智慧能源管理平臺(tái)效果

智慧能源管理平臺(tái)以提高管理效率、降低設(shè)備運(yùn)行能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。智慧能源管理平臺(tái)主界面如圖8所示。我國(guó)是以火力發(fā)電為主的國(guó)家，以燃燒煤炭的火力發(fā)電為參考，計(jì)算節(jié)約電能所帶來(lái)減碳效果。據(jù)估計(jì)，每節(jié)約1 kWh電相當(dāng)于節(jié)約了0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少排放0.997 kg的CO2。

圖8 智慧能源管理平臺(tái)主界面Fig.8 Main interface of the smart energy management platform

該園區(qū)耗能設(shè)備主要為空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備、供暖設(shè)備以及特殊用電設(shè)備等。2018年，園區(qū)內(nèi)智慧制冷、供暖及照明系統(tǒng)耗電量分別為2694654.9、1 976 080.5、988 039.3 kWh。

在經(jīng)過(guò)智慧能源管理平臺(tái)對(duì)各子系統(tǒng)運(yùn)行工況優(yōu)化后，2019年與2020年園區(qū)內(nèi)各子系統(tǒng)的耗電量見表1，該園區(qū)綜合節(jié)能率約8.6%。按照減碳效果計(jì)算，該園區(qū)每年制冷、供暖與照明子系統(tǒng)可降低碳排放分別為220 298.8、128 059.9、133 970.2 kg。此外，采用智慧配電子系統(tǒng)后可以有效降低運(yùn)維成本，如通過(guò)在線可視化的配電自動(dòng)管理降低人工成本；通過(guò)高壓回路監(jiān)測(cè)、變壓器綜合工況監(jiān)測(cè)、低壓回路監(jiān)測(cè)等做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)報(bào)警，提高配電系統(tǒng)故障的響應(yīng)與處理速度。

表1 智慧能源管理平臺(tái)節(jié)能效果Tab.1 Energy-saving effects of smart energy management platform

4 結(jié)語(yǔ)

研究設(shè)計(jì)的智慧能源管理平臺(tái)不僅是為監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行，更是為了優(yōu)化各子系統(tǒng)的運(yùn)行工況，降低運(yùn)行能耗，并以直觀的數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)對(duì)降低碳排放所做出的貢獻(xiàn)。通過(guò)云端大數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)協(xié)調(diào)智慧配電系統(tǒng)、智慧制冷系統(tǒng)、智慧供暖系統(tǒng)和智慧照明系統(tǒng)的運(yùn)行，提高能源利用效率。研究為不同行業(yè)、不同機(jī)電系統(tǒng)的能源管理平臺(tái)提供了新的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)引入節(jié)能減排數(shù)據(jù)，直觀體現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)時(shí)能源消耗情況，為實(shí)現(xiàn)“碳中和”的偉大目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐。