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企业电力管理中信息物理系统的应用

2019/08/21 阅读:

摘要:信息物理系统(CPS)为实现企业电力管理新要求提供了理念、方法论与工程技术实现路径。分析企业电力管理与信息物理系统融合的原则、架构以及应注意的问题。

关键词:企业电力管理;信息物理系统(CPS);融合发展

1引言

电力改革的指导思想是建立“管住中间、放开两头”的体制架构,重点是“四放开、一独立、一加强”(输配以外的经营性电价放开、售电业务放开、增量配电业务放开,公益性和调节性以外的发供电计划放开,交易平台独立,加强规划)。电力改革对用电企业提出的挑战是企业参与电力直接交易的能力和电力管理精益程度等方面的要求大幅度提高[1,2]。企业现有信息系统,如企业资源计划系统ERP、管理信息系统MIS、计算机集成制造系统CIMS、计算机集成过程系统CIPS、数据采集与监视控制系统SCADA等。信息物理系统(Cyber-PhysicalSystems,CPS)包括无处不在的状态与环境感知、嵌入式计算、通信、网络与物理实体控制,使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能,强调计算资源与物理资源的紧密融合,CPS的这些理念、方法论与工程技术特征呼应了企业电力管理新要求,研究企业电力管理与CPS融合有重要的技术意义和应用价值。

2电改、电网演进与企业电力管理的新需求

电改政策导向将推动形成以电力直接交易为主要交易形态的现代电力市场。电力市场可预见的发展方向是强化电力现货市场、扩大电力中长期交易、探索电力期货市场。电网是为人类提供规模利用作为二次能源一种的电力的网络化基础设施,大幅度提升了人类生产与经营活动的规模、速度和效率。电网演进从社会与科技的底层逻辑推动了产业与社会形态的变革以及企业生产经营管理形态的变革。电网作为电力系统的核心不断在发展,科技和产业不同的力量在推动电网同时或分别向着高稳定性、高可靠、高参数、远距离、分布式、多源接入、广义兼容性、自愈和自适应、高效率、智能化、用户友好互动等方向演进[3]。电网的参数主要包括高电压化发展,电压等级分类并没有统一的标准,中国一般分为安全电压(通常36V以下);低压(220~380V);高压(10~220kV);超高压330~750kV;特高压交流1000kV,直流±800kV以上等。电网的未来,有两种完全对立的观点:一种认为电网会朝着“同步电网数量越来越少、电网规模越来越大”的方向发展,最终形成以特高压(主要是交流特高压)为骨干网架、全球互联并统一调度的超级大电网;另一种则认为可再生能源分散化的生产和消费模式,再加上储能技术的突破和广泛应用,将导致电网的消亡。两种观点尽管南辕北辙,但却都认为是建设能源互联网的结果。可再生能源替代化石能源的革命,必将引起传统电网的深刻变革。可信的预期是未来电网两种较极端的情况都不会发生,电网不可能全球联网,也不会在变革中消亡。国家发展改革委等三部委文件认为能源互联网是“互联网+智慧能源”的简称,是互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新业态,具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征,是推动能源革命的重要战略支撑。能源互联网以智能电网(SmartGrid)为基础,是智能电网的拓展和延伸形式。能源互联网中不可能没有智能电网,而智能电网却可以不依赖于能源互联网而独立存在。智能电网是指通过数字化信息网络系统将能源资源开发、输送、存储、转换(发电)、输电、配电、供电、售电、服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其他用能设施连接在一起,通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能,将电网的效率、安全、成本和效益提到高水平。

3CPS的理念、方法和要素

2006年,美国国家科学基金会NSF首次提出CPS概念。CPS是技术,更是理念和方法论,以CPS为核心思维将改变人与物、物与物,乃至物理世界与数字世界的互动方式。CPS概念的内涵和外延一直都在持续变化,至今尚未形成统一的定义。虽然全球主要经济体均以工业领域作为CPS研发和应用的首选领域,但CPS应用范围绝不仅仅局限于工业领域。CPS的总体定位是支撑两化深度融合的一套综合技术体系。CPS分为四代,第1代能够自调节与自校正,第2代能够自感知与自适应,第3代能够自认知与自进化,第4代能够自我意识和自我复制;目前我们正在从第1代向第2、3代的演进过程中,工业4.0的核心是第2代CPS。CPS形成了两个交织的计算周期:基本周期(传感-监控-决策-推理-计划-执行-效用的闭环)、增强周期(推理-学习-适应-进化的闭环)。2013年,德国《工业4.0实施建议》将CPS作为工业4.0的核心技术,在随后则重点推进以制造为导向的CPS,即CPPS(CyberPhysicalProductionSystem)。CPS四大要素是包括状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系,即“一硬”(感知和自动控制)、“一软”(软件)、“一网”(网络)、“一平台”(云和智能服务平台)。CPS包括单元级、系统级、系统之系统级等三个层次体系。

4与CPS融合的原则、架构和问题

企业电力管理与CPS融合的原则是围绕建设数据驱动决策的智慧企业目标,聚焦企业战略,提升企业管控能力和核心竞争力,降低企业用电成本,提高电力与能源利用效率,建设可持续的绿色节能型企业;电力管理体系应至少包括电力管理的组织设置,电力管理范围、目标与责任制,能源平衡、计量与统计报告,能源利用效率提高方法路径,节能绩效评价与激励制度等;明确电力管理的范围和边界,包括确定的物理界限、场所界限或次级组织界限,边界可以是一个或一组过程,一个场所、一个完整的组织或一个组织所控制的多个场所;划分并设立电力管理网格单元,明确用电单位、次级用电单位和用电设备;编制各层级用电单位能量平衡方程和框图、能源计量器具量值传递或溯源图、各层级用电单位的能源计量网络图;计算综合能耗、单位产值综合能耗、产品单位产量综合能耗、产品单位产量可比综合能耗等能耗指标;积极应用总能系统概念,实现能源梯级利用,当电力需求侧管理、合同能源管理等模式与企业实际权衡能够产生比较优势时,适时选择低成本高增值管理模式。企业电力管理与CPS融合的架构是基于建设数据驱动决策的智慧企业的定位,满足电改、电网演进、电力市场的新形态对企业电力管理提出的新需求,在以CPS理念构筑的企业智慧决策的融合企业人与物的网络系统与基础设施框架下,建成的全面升级迭代的企业电力CPS架构,包括状态感知、实时分析、科学决策、精准执行等四大要素。企业电力CPS架构建立在如下重要的技术基础之上,包括稳健灵活的电力网络拓扑设计、实时开放集成的通信系统、高级计量体系和需求侧管理、泛在感知技术、企业数据架构、知识管理系统、智能分析与决策系统、智能调度与广域防护技术、先进电力电子与执行控制技术等。企业电力CPS架构的实现应注意的问题主要有要做好顶层设计,遵循智慧企业系统目标按照逆工程思想推导设计出电力CPS的具体拓扑、系统形态和功能需求。应建立统一的技术体系、标准架构,形成不同模块之间的共享、通信和协同,提高企业数据互联互通共享共用程度。高度重视电力CPS与企业生产经营计划与调度系统、数据分析与决策系统的算法、模型与战略协同。要把贯彻企业战略逻辑的技术与物理系统的执行逻辑推导清楚,不能将战略和决策信息在信息系统层面空转,未传导到技术与物理系统,从而导致电力CPS系统设计目标难以实现。

5结语

本文分析了电改背景下企业电力管理与CPS融合的原则、架构和应注意的问题。但电力CPS架构所依赖的各类技术、标注和各类应用场景的共性或专用系统等方面分析得还不深入,还需要进一步研究分析。

参考文献

[1]关于印发电力体制改革配套文件的通知[M].国家发展改革委,国家能源局,2015.

[2]陈树勇,宋书芳,李兰欣,沈杰.智能电网技术综述[J].电网技术,2009,33(08):1-7.

[3]杰里米•里夫金,张体伟.第三次工业革命[M].北京:中信出版社,2012.

作者:张孝生 单位:青岛华通国有资本运营集团有限责任公司

企业电力管理中信息物理系统的应用

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