基于信息物理系统的工业园区用能控制策略研究
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作者:张然 李建克 张建洲 桑圣泽
摘 要：构建工业园区用能控制系统，从能源的生产、传输、转换、存储、消费等环节出发，实现供能侧多能互补优化、源网荷储协调控制，提升工业园区整体用能管理水平，开展能源友好互动，降低工业园区综合能耗，增加企业经济效益，并为用户开展智慧用能建设提供技术支撑。
关键词：工业园区;信息物理系统;综合能源;用能控制
目前我国的用电构成中，工业用电量的比重占全社会用电量的75%左右，工业企业将产量作为第一要素，多数企业对于用能数据停留在关口数据采集，而忽视电能以外的其他综合能源的利用。《中国制造2025》提出，“基于信息物理系统（CPS）的智能装备、智能工厂等正在引领制造方式的变革，加强信息物理系统的研发和应用，重塑新时期国家竞争新优势”。因此在工业企业集中的园区建设用能控制系统，可有效提高能源利用效率。
1 系统定位和建设目标
工业园区用能控制系统，是集成计算、通信与控制技术，使用能设备或系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能，构建协调优化、友好互动、灵活交易的用能管控体系。
通过建设工业园区用能控制系统，可实现工业园区各供用能系统的实时感知、动态控制和信息服务，以及分布式光伏、风电、三联供、热电厂、储能等多能源协调优化控制，优化能源结构配置，提升能源综合利用水平和负荷平衡能力。
2 用能场景分析
工业园区涉及能源的生产转化、传输、存储和消费等环节，包含风、光、气、电、热、冷、储等多类型能源形式。在能源生产转化环节，为满足不同形式的用能需求，园区通常配置能源站，涵盖如分布式光伏、风电、三联供机组、热电联产机组及燃气锅炉等不同形式供能设备，通过多能互补协调优化实现能效提升。
在传输和存储环节，部分园区还建设有热、气管道，同时还会配置储能装置，实现不同能源形式的分时利用及园区内部的“削峰填谷”。在消费环节，园区用能负荷较大，企业用户众多，分属不同行业，用能形式及用能习惯存在差异，可为电网互动及园区内部互动提供大量的优质资源。
首先，工业园区各供能系统及储能均有独立的能源生产管控系统，但各个系统相互独立，缺乏实现联动的方式及策略，在供能侧无法实现多能互补协调优化，导致园区整体能效水平不高;其次，部分园区建设了能源管理系统，能够实现能源生产、传输、存储、消费环节的可视化，具备一定的能效分析能力，但普遍缺乏控制能力，系统分析结果和优化调节策略需要人为执行，无法实现自动调节;再次，园区能源管理系统主要以能源自我管理为目标，缺乏园区内部的互动。
3 系统功能及架构
基于信息物理系统架构的工业园区供用能控制系统由“云管边端”组成，云通过管与边和端连接，边连接各类端，端分为采集和控制，同时为边和云提供控制的依据和执行，云进行统一调控，平时收集海量用户信息，边通过优化调度控制用户用能设备，提高能效。工业园区用能控制系统通过在端侧安装采集终端、柔性负荷控制终端、柔性负荷调度网关等设备，在边侧安装用户智慧能源网关、智慧能源网络节点信息监测与控制终端等设备，在云侧生成优化控制策略，并通过管层下发边、端执行，实现多能源协调优化控制、提升用能效率、降低工业园区的用能成本，并且实现工业园区与电网之间的友好互动。
4 模型搭建及控制策略研究
工业企业在能源生产、传输、存储、转换等环节模型和园区的模型基本一致，针对其特有的能源循环利用的特性，建立基于工业企业能源循环梯次利用机制的能效提升模型。此模型主要关注工艺环节的能源转换（如焦化工艺中的焦炉等）、能源使用（如煉铁工艺里的高炉等）环节中产生的大量余热余能，充分协调使用、回收、分配、转换之间的参数关系，通过构建工业园区用能管理系统可实现优化余热余能的调度，实现能效的提升。
通过对工业企业能效提升模型的分析利用，对非线性优化模型进行策略设计，在用能控制系统中实现工业企业能源循环梯次利用，降低单位产量能耗，通过循环迭代获得最优参数配比，并通过边缘路由器控制相应设备执行。
部分园区存在光伏及热电联产等供能设备，光、热、电等能源形式的协调优化是工业园区用能控制系统需实现的一项重要功能，为此建立光、热、电多能协调优化模型。该模型以气象数据和园区历史光伏负荷数据为输入，对光伏负荷进行预测;同时以历史热电负荷数据及用户上报用能计划为输入，对园区热、电负荷进行预测。根据负荷预测数据，并结合电网分时电价，以环保、能效、经济、光伏消纳为目标，输出园区供能侧多能互补优化策略及内外部的交易互动策略，发送至相应边缘路由器执行。
园区用能控制系统通过相关优化策略的设计来实现光热电多能互补协调优化。多能协调优化策略以每小时热电厂发电量、供热量、储能系统充、放电量为求解目标，以综合指标作为依据，采用智能算法进行计算求解，得出不同负荷条件下的最佳优化调度方案。实时优化控制基于当前负荷与分布式能源发电系统的预测信息，利用指定的优化算法对未来一个调度周期内园区能源调度计划制定最优控制策略，并通过边缘路由器推送至各能源生产控制系统（如热电厂DCS等）完成调控任务。
5 结论
本文分析工业园区各能源的生产管理，搭建基于信息物理系统用能控制模型，研究多能互补协调优化策略，通过接入工业用户用能控制系统实现园区内用户负荷互济和用能效率提升。
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作者简介：张然（1984-），男，汉族，江苏南京人，工学学士，本科，工程师，从事电动汽车充放电技术研究;李建克（1984-），男，汉族，江苏南京人，工学学士，本科，工程师，从事电动汽车充电设施技术研究;张建洲（1988-），男，汉族，江苏南京人，工学学士，本科，工程师，从事电动汽车充放电技术研究;桑圣泽（1991-），男，汉族，江苏南京人，工学学士，本科，助理工程师，从事电动汽车充放电技术研究。
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