基于信息物理系統的工業園區用能控制策略研究

張然　李建克　張建洲　桑圣澤

摘?要：構建工業園區用能控制系統，從能源的生產、傳輸、轉換、存儲、消費等環節出發，實現供能側多能互補優化、源網荷儲協調控制，提升工業園區整體用能管理水平，開展能源友好互動，降低工業園區綜合能耗，增加企業經濟效益，并為用戶開展智慧用能建設提供技術支撐。

關鍵詞：工業園區;信息物理系統;綜合能源;用能控制

目前我國的用電構成中，工業用電量的比重占全社會用電量的75%左右，工業企業將產量作為第一要素，多數企業對于用能數據停留在關口數據采集，而忽視電能以外的其他綜合能源的利用?！吨袊圃?025》提出，“基于信息物理系統（CPS）的智能裝備、智能工廠等正在引領制造方式的變革，加強信息物理系統的研發和應用，重塑新時期國家競爭新優勢”。因此在工業企業集中的園區建設用能控制系統，可有效提高能源利用效率。

1 系統定位和建設目標

工業園區用能控制系統，是集成計算、通信與控制技術，使用能設備或系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能，構建協調優化、友好互動、靈活交易的用能管控體系。

通過建設工業園區用能控制系統，可實現工業園區各供用能系統的實時感知、動態控制和信息服務，以及分布式光伏、風電、三聯供、熱電廠、儲能等多能源協調優化控制，優化能源結構配置，提升能源綜合利用水平和負荷平衡能力。

2 用能場景分析

工業園區涉及能源的生產轉化、傳輸、存儲和消費等環節，包含風、光、氣、電、熱、冷、儲等多類型能源形式。在能源生產轉化環節，為滿足不同形式的用能需求，園區通常配置能源站，涵蓋如分布式光伏、風電、三聯供機組、熱電聯產機組及燃氣鍋爐等不同形式供能設備，通過多能互補協調優化實現能效提升。

在傳輸和存儲環節，部分園區還建設有熱、氣管道，同時還會配置儲能裝置，實現不同能源形式的分時利用及園區內部的“削峰填谷”。在消費環節，園區用能負荷較大，企業用戶眾多，分屬不同行業，用能形式及用能習慣存在差異，可為電網互動及園區內部互動提供大量的優質資源。

首先，工業園區各供能系統及儲能均有獨立的能源生產管控系統，但各個系統相互獨立，缺乏實現聯動的方式及策略，在供能側無法實現多能互補協調優化，導致園區整體能效水平不高;其次，部分園區建設了能源管理系統，能夠實現能源生產、傳輸、存儲、消費環節的可視化，具備一定的能效分析能力，但普遍缺乏控制能力，系統分析結果和優化調節策略需要人為執行，無法實現自動調節;再次，園區能源管理系統主要以能源自我管理為目標，缺乏園區內部的互動。

3 系統功能及架構

基于信息物理系統架構的工業園區供用能控制系統由“云管邊端”組成，云通過管與邊和端連接，邊連接各類端，端分為采集和控制，同時為邊和云提供控制的依據和執行，云進行統一調控，平時收集海量用戶信息，邊通過優化調度控制用戶用能設備，提高能效。工業園區用能控制系統通過在端側安裝采集終端、柔性負荷控制終端、柔性負荷調度網關等設備，在邊側安裝用戶智慧能源網關、智慧能源網絡節點信息監測與控制終端等設備，在云側生成優化控制策略，并通過管層下發邊、端執行，實現多能源協調優化控制、提升用能效率、降低工業園區的用能成本，并且實現工業園區與電網之間的友好互動。

4 模型搭建及控制策略研究

工業企業在能源生產、傳輸、存儲、轉換等環節模型和園區的模型基本一致，針對其特有的能源循環利用的特性，建立基于工業企業能源循環梯次利用機制的能效提升模型。此模型主要關注工藝環節的能源轉換（如焦化工藝中的焦爐等）、能源使用（如煉鐵工藝里的高爐等）環節中產生的大量余熱余能，充分協調使用、回收、分配、轉換之間的參數關系，通過構建工業園區用能管理系統可實現優化余熱余能的調度，實現能效的提升。

通過對工業企業能效提升模型的分析利用，對非線性優化模型進行策略設計，在用能控制系統中實現工業企業能源循環梯次利用，降低單位產量能耗，通過循環迭代獲得最優參數配比，并通過邊緣路由器控制相應設備執行。

部分園區存在光伏及熱電聯產等供能設備，光、熱、電等能源形式的協調優化是工業園區用能控制系統需實現的一項重要功能，為此建立光、熱、電多能協調優化模型。該模型以氣象數據和園區歷史光伏負荷數據為輸入，對光伏負荷進行預測;同時以歷史熱電負荷數據及用戶上報用能計劃為輸入，對園區熱、電負荷進行預測。根據負荷預測數據，并結合電網分時電價，以環保、能效、經濟、光伏消納為目標，輸出園區供能側多能互補優化策略及內外部的交易互動策略，發送至相應邊緣路由器執行。

園區用能控制系統通過相關優化策略的設計來實現光熱電多能互補協調優化。多能協調優化策略以每小時熱電廠發電量、供熱量、儲能系統充、放電量為求解目標，以綜合指標作為依據，采用智能算法進行計算求解，得出不同負荷條件下的最佳優化調度方案。實時優化控制基于當前負荷與分布式能源發電系統的預測信息，利用指定的優化算法對未來一個調度周期內園區能源調度計劃制定最優控制策略，并通過邊緣路由器推送至各能源生產控制系統（如熱電廠DCS等）完成調控任務。

5 結論

本文分析工業園區各能源的生產管理，搭建基于信息物理系統用能控制模型，研究多能互補協調優化策略，通過接入工業用戶用能控制系統實現園區內用戶負荷互濟和用能效率提升。

參考文獻：

[1]劉星.區塊鏈技術：助力構建新型能源供用體系[J].電氣技術，2018，19（4）：3-4.

[2]吳福保，劉曉峰，等.基于冷熱電聯供的多園區博弈優化策[J].電力系統自動化，2018，42（13）：68-74.

[3]肖浩，裴瑋，等.基于模型預測控制的微電網多時間尺度協調優化調度[J].電力系統自動化，2016，40（18）：7-14.

[4]姜子卿，郝然，等.基于冷熱電多能互補的工業園區互動機制研究[J].電力自動化設備，2017，37（6）：260-267.

作者簡介：張然（1984-），男，漢族，江蘇南京人，工學學士，本科，工程師，從事電動汽車充放電技術研究;李建克（1984-），男，漢族，江蘇南京人，工學學士，本科，工程師，從事電動汽車充電設施技術研究;張建洲（1988-），男，漢族，江蘇南京人，工學學士，本科，工程師，從事電動汽車充放電技術研究;桑圣澤（1991-），男，漢族，江蘇南京人，工學學士，本科，助理工程師，從事電動汽車充放電技術研究。