鄭承新

（武漢光谷綠動(dòng)能源有限公司，湖北 武漢 430073）

分布式能源系統(tǒng)是綜合智慧能源主要載體，它是近年興起的利用小型分散設(shè)備建設(shè)在靠近用戶端提供能源的新型能源利用方式，由于其具有負(fù)荷微量化和碎片化的優(yōu)勢，在工業(yè)園區(qū)、商業(yè)樓宇、交通等一些特定領(lǐng)域一直穩(wěn)健發(fā)展。

在運(yùn)行模式方面，能源站通常以人員經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性依賴于運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)工況的熟悉程度。目前投運(yùn)的優(yōu)化系統(tǒng)大多使用開環(huán)策略，即通過給出運(yùn)行建議，由操作員調(diào)整機(jī)組狀態(tài)，達(dá)到提高機(jī)組能效、降低成本的目的，在一定程度上緩解了經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行的弊端。

在自動(dòng)運(yùn)行和無人值守策略方面，出于系統(tǒng)安全考慮，少有尋優(yōu)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。常見的自動(dòng)運(yùn)行方案為僅依托DCS系統(tǒng)，用以熱定電的模式運(yùn)行，但該策略僅能滿足電熱自動(dòng)平衡，不考慮經(jīng)濟(jì)性且無法處理極端工況。

本文通過開發(fā)工況尋優(yōu)系統(tǒng)，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能尋優(yōu)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)工況智能調(diào)優(yōu)。同時(shí)解決了生產(chǎn)區(qū)系統(tǒng)與DCS 的融合問題，實(shí)現(xiàn)指令自動(dòng)下控、無人執(zhí)守，體現(xiàn)智能化水平。系統(tǒng)通過在湖北省某醫(yī)院分布式能源站部署上線，完成系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化提升的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的任務(wù)目標(biāo)。

1 項(xiàng)目概況

湖北省某醫(yī)院分布式能源站項(xiàng)目包含800kw燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)2臺(tái)、煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組2 臺(tái)、900RT 電制冷機(jī)4 臺(tái)、3.5mw燃?xì)庹婵展徨仩t2 臺(tái)、2.8mw燃?xì)庹婵諢崴仩t1 臺(tái)、2t/h 燃?xì)庹羝仩t2 臺(tái)、156kwp 屋頂光伏，能夠?yàn)橛脩籼峁╇姟?、冷、熱水、蒸汽等多類型能源。能源站供熱設(shè)備于2020 年11 月投運(yùn)供暖，內(nèi)燃機(jī)及發(fā)電機(jī)組于2020 年12 月正式供電。

在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，不論是傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行模式還是“以熱定電”模式，均難以挖掘系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，亦無法體現(xiàn)項(xiàng)目先進(jìn)性的特點(diǎn)。同時(shí)，能源站每日需上報(bào)天然氣購氣計(jì)劃，需要尋優(yōu)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測以及生產(chǎn)計(jì)劃的計(jì)算。如何在保證安全和可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)無人值守、解放人力，以及的軟硬件通訊方案符合數(shù)據(jù)隔離政策及數(shù)據(jù)安全的要求，是尋優(yōu)系統(tǒng)要求解決的問題。

2 尋優(yōu)系統(tǒng)解決方案

2.1 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

尋優(yōu)系統(tǒng)平臺(tái)使用Orleans 微服務(wù)架構(gòu)、底層Linux 系統(tǒng)、應(yīng)用Docker 容器化部署，與DCS 系統(tǒng)的通訊接口采用Modbus實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和下控，在硬件方面關(guān)鍵設(shè)備的熱備、物理隔離等，共同保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可用、可拓展。

2.2 工藝流程

系統(tǒng)主要分為5 個(gè)應(yīng)用模塊：按照運(yùn)行的時(shí)間順序，分別為：日前的負(fù)荷預(yù)測和生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)時(shí)的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，利用歷史數(shù)據(jù)的模型訓(xùn)練。

5 個(gè)模塊組成了一個(gè)閉環(huán)，預(yù)測結(jié)果是生產(chǎn)計(jì)劃的條件、生產(chǎn)計(jì)劃作為調(diào)度指令的參考，實(shí)時(shí)尋優(yōu)的結(jié)果作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的標(biāo)桿工況，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性結(jié)果是模型訓(xùn)練迭代的目標(biāo)，模型自演進(jìn)為后續(xù)的模塊提供更準(zhǔn)確的模型，最終形成一個(gè)循環(huán)上升的效果。

圖1 尋優(yōu)軟件應(yīng)用及架構(gòu)

3 尋優(yōu)系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)集成方案

工況尋優(yōu)系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)的集成融合，能夠達(dá)到工況的自動(dòng)、安全、經(jīng)濟(jì)調(diào)優(yōu)以及無人值守的目標(biāo)，是體現(xiàn)綜合智慧能源智能化和互動(dòng)性的重要解決方案。

3.1 通訊接口方案

與DCS 系統(tǒng)常見的協(xié)議通訊有OPC 和Modbus，其中OPC協(xié)議常用于數(shù)據(jù)采集（如SIS 系統(tǒng)采集DCS 的數(shù)據(jù)），由于系統(tǒng)涉及尋優(yōu)結(jié)果寫入DCS，從安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度考慮選擇后者。

尋優(yōu)平臺(tái)通過MODBUS 通訊模件，并通過Modbus 規(guī)約實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集/下控，同時(shí)，尋優(yōu)結(jié)果通過控制器下發(fā)后，利用DCS 系統(tǒng)的邏輯組態(tài)實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的連鎖控制。

3.2 交互邏輯

在尋優(yōu)系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)的分工上，DCS 負(fù)責(zé)：設(shè)備聯(lián)鎖、指令執(zhí)行、故障反饋、異常工況處理、狀態(tài)統(tǒng)計(jì)；尋優(yōu)平臺(tái)負(fù)責(zé)：熱負(fù)荷平衡、溫度尋優(yōu)、響應(yīng)機(jī)組狀態(tài)信息等。具體而言：

3.2.1 DCS 系統(tǒng)負(fù)責(zé)以各主機(jī)為單元的主/輔機(jī)連鎖控制，并提供開、關(guān)、狀態(tài)、執(zhí)行錯(cuò)誤、故障中、恢復(fù) 接口及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。

圖2 尋優(yōu)系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

圖3 8 月7 日負(fù)荷曲線

3.2.2 DCS 系統(tǒng)記錄所有的設(shè)備的累計(jì)時(shí)間、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間、故障/維修狀態(tài)（包括：自動(dòng)、手動(dòng)、就地、故障、維修這些狀態(tài)下的時(shí)間累計(jì)），并提供采集接口。

3.2.3 DCS 系統(tǒng)中增加尋優(yōu)頁面：①尋優(yōu)系統(tǒng)心跳信號(hào)顯示；②設(shè)備可用性配置；③系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)；④尋優(yōu)結(jié)果展示；⑤“執(zhí)行”開關(guān)以及執(zhí)行反饋。

3.3 指令結(jié)果保護(hù)邏輯

為保證尋優(yōu)結(jié)果的可靠性，使結(jié)果滿足現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行、投切特性，尋優(yōu)算法中加入多種參數(shù)約束，分別為：可用性、優(yōu)先級(jí)、可投切狀態(tài)、加減機(jī)策略，其中：

3.3.1 可用性：通過獲取設(shè)備的故障狀態(tài)與人員設(shè)備配置結(jié)果進(jìn)行邏輯“或”的判斷，“不可用”的設(shè)備將不會(huì)得到開啟指令。

3.3.2 優(yōu)先級(jí)：判斷設(shè)備的效率和歷史運(yùn)行時(shí)間，保證效率較高且運(yùn)行時(shí)間較短的設(shè)備優(yōu)先啟動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)設(shè)備輪班的功能。

3.3.3 可投切狀態(tài)：為防止設(shè)備連續(xù)啟停造成的設(shè)備損耗，通過累計(jì)設(shè)備的單次運(yùn)行/停止時(shí)間并進(jìn)行判斷，只有維持狀態(tài)40min 以上的設(shè)備才可切換開/關(guān)狀態(tài)。

圖4 8 月7 日運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性曲線

3.3.4 加減機(jī)策略：為防止需求突變導(dǎo)致的頻繁加減機(jī)，通過將需求加入閾值判斷，當(dāng)需求連續(xù)超出能力20min后，才可觸發(fā)“可加減機(jī)”的邏輯。

在工藝流程中，首先利用當(dāng)前工況進(jìn)行加減機(jī)策略的識(shí)別，然后在指令轉(zhuǎn)換中，依次考慮可用性、可投切和優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)將功率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)備可以接受的指令。4 個(gè)指標(biāo)協(xié)同判斷，共同保證了下控指令的可靠性。

4 尋優(yōu)效果分析

4.1 尋優(yōu)條件

從系統(tǒng)日志文件中選取2021 年8 月7 日的算法記錄，從中解析出所需的負(fù)荷、天氣、運(yùn)行工況以及尋優(yōu)結(jié)果等數(shù)據(jù)。測試智能尋優(yōu)算法和以熱定電算法的計(jì)算結(jié)果，包括燃機(jī)出力、經(jīng)濟(jì)性以及冷凍水出口溫度，并在經(jīng)濟(jì)性曲線中加入分工模式一同對(duì)比?；A(chǔ)條件：①季節(jié)-＞夏季、②溫度-＞34.0° C、③濕度-＞85.0%。

4.2 尋優(yōu)結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 智能尋優(yōu)結(jié)果顯示，能源站的理想工況是關(guān)閉燃機(jī)，這說明燃機(jī)三聯(lián)供此時(shí)在經(jīng)濟(jì)性上沒有優(yōu)勢，究其原因：①燃?xì)鈨r(jià)格偏高，導(dǎo)致相同的燃?xì)獬杀緦?duì)比用直接購電制冷，成本收益在伯仲之間，②內(nèi)燃機(jī)組的廠用電和運(yùn)維成本，使最終的成本升高。

4.3.2“以熱定電”模式的燃機(jī)功率保持在較高水平，在經(jīng)濟(jì)性曲線上，使其甚至低于分供模式，但是由于算法中，分供模式的機(jī)組效率沿用了電制冷機(jī)組的效率，導(dǎo)致能效成本偏低，但是這仍然能說明趨勢。

4.3.3 由于環(huán)境溫度大于35° C（相對(duì)濕度大于80%），冷凍水出口溫度設(shè)定值為7° C。

5 結(jié)論

本文通過開發(fā)、部署能源站工況尋優(yōu)系統(tǒng)，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能尋優(yōu)等技術(shù)，支撐能源站負(fù)荷預(yù)測與工況尋優(yōu)等智能應(yīng)用場景，體現(xiàn)項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)性。重點(diǎn)解決了生產(chǎn)控制區(qū)尋優(yōu)系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合問題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)數(shù)據(jù)安全及調(diào)優(yōu)指令自動(dòng)下控，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理無人執(zhí)守，體現(xiàn)項(xiàng)目智能化水平，是先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)與綜合智慧能源產(chǎn)業(yè)融合的亮點(diǎn)項(xiàng)目。