李 兵，趙 陽(yáng)，石祥建，楊 玉，劉 文

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

機(jī)場(chǎng)、園區(qū)等區(qū)域一般同時(shí)具備冷熱電等多種用能需求，是多能互補(bǔ)綜合能源站建設(shè)的重要場(chǎng)景。綜合能源涉及冷熱電等多種能源形式及發(fā)電、供熱、制冷、蓄能等多種設(shè)備，關(guān)于其智能化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。部分項(xiàng)目嘗試在統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控[1]，但缺乏優(yōu)化調(diào)控及智能運(yùn)維等高級(jí)應(yīng)用功能。相關(guān)學(xué)者針對(duì)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化開(kāi)展了大量研究，但主要集中在模擬仿真階段。

本文結(jié)合某大型機(jī)場(chǎng)綜合能源站的深化設(shè)計(jì)及建設(shè)實(shí)踐，提出系統(tǒng)智能化管控架構(gòu)及優(yōu)化調(diào)度、智能運(yùn)維等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，可為其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)提供借鑒。

1 智慧能源站總體架構(gòu)

一般而言，能源站涉及的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下幾類。

①能源生產(chǎn)工藝過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，如制冷監(jiān)控系統(tǒng)、供熱監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)等。

②能源站建筑管理相關(guān)的系統(tǒng)，包括建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、照明監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。

③按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的能源計(jì)量管理系統(tǒng)，以滿足能源分項(xiàng)計(jì)量要求。

目前，大部分能源站的上述系統(tǒng)均為獨(dú)立設(shè)計(jì)，各系統(tǒng)之間存在信息孤島，未能實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)以及能源站的智能化運(yùn)行。因此，本文從能源站智能化運(yùn)行需求出發(fā)，對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行合理優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度與智能運(yùn)維的目標(biāo)。

在集中監(jiān)控層面，將制冷監(jiān)控、供熱監(jiān)控、電力監(jiān)控、建筑設(shè)備監(jiān)控及能源計(jì)量管理系統(tǒng)深度集成于能源站綜合監(jiān)控系統(tǒng)。此類系統(tǒng)所有的功能由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其他專業(yè)系統(tǒng)，如安全防范、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警等以互聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)信息交互。此類系統(tǒng)具有完整的系統(tǒng)架構(gòu)，保持系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)外部接口進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)信息互通、共享和聯(lián)動(dòng)。能源站綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源站綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)圖1系統(tǒng)的整合，可在綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能。

①對(duì)能源生產(chǎn)工藝過(guò)程、能源站內(nèi)建筑設(shè)備的集中監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制功能。

②視頻、安防與生產(chǎn)監(jiān)控的智能聯(lián)動(dòng)功能。

③結(jié)合能源計(jì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備能效的在線分析功能。

④在常規(guī)控制基礎(chǔ)上，形成對(duì)能源站能源生產(chǎn)運(yùn)行的智能調(diào)度決策功能。

部分能源站制冷、供熱監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用與建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(building automation system，BAS)類似的、以直接數(shù)字控制器(direct digital controller，DDC)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的方式。運(yùn)行實(shí)踐表明，該方式存在以下問(wèn)題。

①BAS以空調(diào)為主。此類設(shè)備控制要求明確，設(shè)備之間一般沒(méi)有聯(lián)系，采用1個(gè)DDC可實(shí)現(xiàn)對(duì)附近幾臺(tái)設(shè)備的控制。但大型能源站涉及的設(shè)備形式較多、工藝流程復(fù)雜，并且上下游存在關(guān)聯(lián)。DDC中一般為固化的控制邏輯，難以實(shí)現(xiàn)能源站復(fù)雜的控制邏輯。

②為節(jié)約建設(shè)成本，各DDC與網(wǎng)絡(luò)控制器之間一般采用RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器匯集該總線鏈路上的所有DDC中的數(shù)據(jù)，并上傳到監(jiān)控后臺(tái)。在網(wǎng)絡(luò)控制器連接的DDC數(shù)量較多時(shí)，通信性能較慢，部分情況下監(jiān)控后臺(tái)延時(shí)達(dá)5～10 s。由于空調(diào)控制過(guò)程緩慢，上述延時(shí)沒(méi)有影響。但能源站控制過(guò)程較快，上述延時(shí)對(duì)用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)控會(huì)造成影響。

③市場(chǎng)主流的DDC產(chǎn)品一般沒(méi)有串口通信模塊，在接入能源站冷水機(jī)組、燃?xì)忮仩t等設(shè)備時(shí)，需要額外增加通信設(shè)備。這增加了中間環(huán)節(jié)。

綜合上述對(duì)比，在進(jìn)行能源站供冷、供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，宜直接采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)型式。以制冷系統(tǒng)為例，采用PLC方式的能源站控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 能源站控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖2中，輸入/輸出(input/output，I/O)擴(kuò)展柜主要用于接入離主機(jī)房較遠(yuǎn)的冷卻水等系統(tǒng)。I/O與控制器、控制器與后臺(tái)之間均采用以太網(wǎng)通信方式，實(shí)時(shí)性能較高，并可實(shí)現(xiàn)控制邏輯的在線修改與更新。

2 運(yùn)行監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)控制功能

能源站涉及的主要設(shè)備控制邏輯如下。

①冷水機(jī)組。

根據(jù)冷凍水進(jìn)出水溫度及流量計(jì)算系統(tǒng)總供冷量。根據(jù)每臺(tái)冷水機(jī)組的效率曲線計(jì)算系統(tǒng)的總效率，進(jìn)而以總體效率最高為原則決定單機(jī)負(fù)荷率及開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。一次冷凍水泵和冷卻水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)與冷水機(jī)組保持一致。

②冷卻水系統(tǒng)。

冷卻水泵配有變頻器，平時(shí)可根據(jù)管路特性曲線調(diào)至40～50 Hz之間的某固定頻率定頻運(yùn)行。當(dāng)夜間室外氣候條件較好、冷卻水溫降低、冷水機(jī)組供冷能力增加時(shí)，可調(diào)高水泵頻率，以增加機(jī)組的供冷量。

冷卻塔組與冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)運(yùn)行。當(dāng)冷卻塔出水溫度高于某一溫度時(shí)，與冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)的冷卻塔風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟。當(dāng)冷卻塔出水溫度低于該溫度時(shí)，則逐步減少對(duì)應(yīng)冷卻塔風(fēng)機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉，但冷卻塔出水溫度低于該溫度且冷水機(jī)組仍在運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟冷卻水供回水之間的混水閥。

③冷凍水系統(tǒng)。

根據(jù)每臺(tái)水泵的效率曲線計(jì)算水泵組的等效效率曲線，以總體效率最高為原則決定單臺(tái)水泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。單臺(tái)水泵變頻運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)選定的壓力點(diǎn)(系統(tǒng)壓力最不利點(diǎn))進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

④冷水機(jī)組與水/冰蓄冷裝置的聯(lián)合運(yùn)行。

為利用峰谷電價(jià)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，冷水機(jī)組與蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式一般可包括以下5種：冷水機(jī)組單獨(dú)供冷；冷水機(jī)組單獨(dú)蓄冷；蓄冷裝置單獨(dú)供冷；冷水機(jī)組供冷、蓄冷裝置蓄冷；冷水機(jī)組與蓄冷裝置聯(lián)合供冷。運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷情況進(jìn)行閥門及機(jī)組的切換控制。

2.2 優(yōu)化調(diào)度決策

目前，大部分能源站運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)模式切換主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，缺乏自動(dòng)調(diào)度決策。為實(shí)現(xiàn)能源站的智能運(yùn)行，首先通過(guò)人工智能算法建立了短期與超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。其中，短期負(fù)荷預(yù)測(cè)主要對(duì)未來(lái)1～2 d的冷負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，而超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)主要對(duì)未來(lái)若干小時(shí)內(nèi)的冷負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，本文建立制冷系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型[2-4]。

與常規(guī)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型[5-6]不同的是，對(duì)于供電設(shè)備如發(fā)電機(jī)組等，可以直接采用發(fā)電功率作為自控系統(tǒng)的控制變量，而供冷系統(tǒng)的冷負(fù)荷無(wú)法作為控制系統(tǒng)可執(zhí)行的變量。因此，優(yōu)化建模時(shí)，應(yīng)采用供水溫度、冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)、主機(jī)與蓄冷運(yùn)行模式等控制系統(tǒng)可直接執(zhí)行的參數(shù)作為優(yōu)化決策變量。

以冷水機(jī)組為例，根據(jù)運(yùn)行原理對(duì)其I/O關(guān)系進(jìn)行建模，可得：

(1)

其對(duì)應(yīng)運(yùn)行限制為：

(2)

(3)

則冷水機(jī)組溫度流量模型可以表示為：

(4)

3 系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)與智能運(yùn)維

目前，能源站的運(yùn)行主要以關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行安全狀態(tài)為主，對(duì)設(shè)備的能效缺乏在線監(jiān)測(cè)，并且無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)及設(shè)備能效的異常。因此，本文以暖通空調(diào)系統(tǒng)為例[7-8]，建立了如圖3所示的暖通系統(tǒng)診斷體系。

圖3 暖通系統(tǒng)診斷體系

對(duì)于系統(tǒng)能效的評(píng)價(jià)主要通過(guò)與國(guó)家或行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的約束值、引導(dǎo)值[9]作比較的方式進(jìn)行。如民航行業(yè)MH/T 5112—2016 《民用機(jī)場(chǎng)航站樓能效評(píng)價(jià)指南》中對(duì)相關(guān)指標(biāo)的描述。暖通系統(tǒng)指標(biāo)參考值如表1所示。

表1 暖通系統(tǒng)指標(biāo)參考值

對(duì)于設(shè)備能效的評(píng)價(jià)，為使相關(guān)指標(biāo)更具針對(duì)性，采用建立設(shè)備動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值的方式進(jìn)行。以冷水機(jī)組為例，影響冷水機(jī)組能效比(coefficient of performance,COP)的因素較多，包括冷水機(jī)組類型、制造水平、壓縮機(jī)和制冷劑種類、充裝量等內(nèi)部因素，以及外部冷凍水溫度和流量、冷卻水溫度和流量、負(fù)荷率等外部因素。考慮制造水平、制冷劑種類等因素運(yùn)行時(shí)不可調(diào)整，因此建模輸入?yún)?shù)變量主要包括冷水機(jī)組制冷量、冷凝器進(jìn)水溫度、蒸發(fā)器出水溫度等。利用剛投運(yùn)時(shí)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)或廠家性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，采用支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)建立正常工況下機(jī)組COP基準(zhǔn)值模型。

SVM回歸表達(dá)式如下[10]。

(5)

采用高斯徑向基核函數(shù)(radial basis function,RBF)，其計(jì)算式如下。

(6)

將原始數(shù)據(jù)歸一化處理之后，構(gòu)成訓(xùn)練樣本。通過(guò)SVM算法進(jìn)行訓(xùn)練后獲得模型，將測(cè)試數(shù)據(jù)集經(jīng)歸一化處理后構(gòu)成輸入向量并代入所建模型，得到COP基準(zhǔn)值。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，大部分工況下的模型預(yù)測(cè)相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)，最大相對(duì)誤差小于±7.5%。該結(jié)果表明，本文所建冷水機(jī)組COP基準(zhǔn)值模型能很好地表征冷機(jī)不同工況下的COP，可用于冷水機(jī)組能效比基準(zhǔn)值的確定。

在診斷與評(píng)價(jià)水泵時(shí)，可根據(jù)廠家提供的性能曲線進(jìn)行診斷[11]。具體實(shí)現(xiàn)方式為：將水泵流量與頻率的實(shí)時(shí)值代入廠家給定的性能曲線，確定當(dāng)前實(shí)時(shí)工況對(duì)應(yīng)的名義揚(yáng)程與名義效率。若實(shí)際揚(yáng)程與名義揚(yáng)程的偏差超過(guò)5%或?qū)嶋H效率與名義效率的偏差超過(guò)5%，則表明設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行性能與理論性能存在偏差。

4 結(jié)論

本文根據(jù)大型能源站智能化運(yùn)行、管控與運(yùn)維需要，提出了1種智能化管控架構(gòu)；結(jié)合系統(tǒng)工藝流程控制與智能化運(yùn)行需要，設(shè)計(jì)了主要設(shè)備的控制邏輯；提出了基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化決策模型，所產(chǎn)生的決策可直接作用于控制系統(tǒng)。

此外，針對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備能效性能在線監(jiān)測(cè)的需要，本文建立了相應(yīng)的能效應(yīng)達(dá)值模型。該模型可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及設(shè)備能效異常的在線預(yù)警，并在某機(jī)場(chǎng)大型能源站得到應(yīng)用。