企業(yè)電力管理中信息物理系統(tǒng)的應用范文

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摘要：信息物理系統(tǒng)（CPS）為實現(xiàn)企業(yè)電力管理新要求提供了理念、方法論與工程技術(shù)實現(xiàn)路徑。分析企業(yè)電力管理與信息物理系統(tǒng)融合的原則、架構(gòu)以及應注意的問題。

關(guān)鍵詞：企業(yè)電力管理；信息物理系統(tǒng)（CPS）；融合發(fā)展

1引言

電力改革的指導思想是建立“管住中間、放開兩頭”的體制架構(gòu)，重點是“四放開、一獨立、一加強”（輸配以外的經(jīng)營性電價放開、售電業(yè)務放開、增量配電業(yè)務放開，公益性和調(diào)節(jié)性以外的發(fā)供電計劃放開，交易平臺獨立，加強規(guī)劃）。電力改革對用電企業(yè)提出的挑戰(zhàn)是企業(yè)參與電力直接交易的能力和電力管理精益程度等方面的要求大幅度提高[1,2]。企業(yè)現(xiàn)有信息系統(tǒng)，如企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP、管理信息系統(tǒng)MIS、計算機集成制造系統(tǒng)CIMS、計算機集成過程系統(tǒng)CIPS、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)SCADA等。信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystems，CPS）包括無處不在的狀態(tài)與環(huán)境感知、嵌入式計算、通信、網(wǎng)絡與物理實體控制，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能，強調(diào)計算資源與物理資源的緊密融合，CPS的這些理念、方法論與工程技術(shù)特征呼應了企業(yè)電力管理新要求，研究企業(yè)電力管理與CPS融合有重要的技術(shù)意義和應用價值。

2電改、電網(wǎng)演進與企業(yè)電力管理的新需求

電改政策導向?qū)⑼苿有纬梢噪娏χ苯咏灰诪橹饕灰仔螒B(tài)的現(xiàn)代電力市場。電力市場可預見的發(fā)展方向是強化電力現(xiàn)貨市場、擴大電力中長期交易、探索電力期貨市場。電網(wǎng)是為人類提供規(guī)模利用作為二次能源一種的電力的網(wǎng)絡化基礎(chǔ)設(shè)施，大幅度提升了人類生產(chǎn)與經(jīng)營活動的規(guī)模、速度和效率。電網(wǎng)演進從社會與科技的底層邏輯推動了產(chǎn)業(yè)與社會形態(tài)的變革以及企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理形態(tài)的變革。電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的核心不斷在發(fā)展，科技和產(chǎn)業(yè)不同的力量在推動電網(wǎng)同時或分別向著高穩(wěn)定性、高可靠、高參數(shù)、遠距離、分布式、多源接入、廣義兼容性、自愈和自適應、高效率、智能化、用戶友好互動等方向演進[3]。電網(wǎng)的參數(shù)主要包括高電壓化發(fā)展，電壓等級分類并沒有統(tǒng)一的標準，中國一般分為安全電壓（通常36V以下）；低壓（220～380V）；高壓（10～220kV）；超高壓330～750kV；特高壓交流1000kV，直流±800kV以上等。電網(wǎng)的未來，有兩種完全對立的觀點：一種認為電網(wǎng)會朝著“同步電網(wǎng)數(shù)量越來越少、電網(wǎng)規(guī)模越來越大”的方向發(fā)展，最終形成以特高壓（主要是交流特高壓）為骨干網(wǎng)架、全球互聯(lián)并統(tǒng)一調(diào)度的超級大電網(wǎng)；另一種則認為可再生能源分散化的生產(chǎn)和消費模式，再加上儲能技術(shù)的突破和廣泛應用，將導致電網(wǎng)的消亡。兩種觀點盡管南轅北轍，但卻都認為是建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)果。可再生能源替代化石能源的革命，必將引起傳統(tǒng)電網(wǎng)的深刻變革。可信的預期是未來電網(wǎng)兩種較極端的情況都不會發(fā)生，電網(wǎng)不可能全球聯(lián)網(wǎng)，也不會在變革中消亡。國家發(fā)展改革委等三部委文件認為能源互聯(lián)網(wǎng)是“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的簡稱，是互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新業(yè)態(tài)，具有設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等主要特征，是推動能源革命的重要戰(zhàn)略支撐。能源互聯(lián)網(wǎng)以智能電網(wǎng)（SmartGrid）為基礎(chǔ)，是智能電網(wǎng)的拓展和延伸形式。能源互聯(lián)網(wǎng)中不可能沒有智能電網(wǎng)，而智能電網(wǎng)卻可以不依賴于能源互聯(lián)網(wǎng)而獨立存在。智能電網(wǎng)是指通過數(shù)字化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)將能源資源開發(fā)、輸送、存儲、轉(zhuǎn)換(發(fā)電)、輸電、配電、供電、售電、服務以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備和其他用能設(shè)施連接在一起，通過智能化控制實現(xiàn)精確供能、對應供能、互助供能和互補供能，將電網(wǎng)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，美國國家科學基金會NSF首次提出CPS概念。CPS是技術(shù)，更是理念和方法論，以CPS為核心思維將改變?nèi)伺c物、物與物，乃至物理世界與數(shù)字世界的互動方式。CPS概念的內(nèi)涵和外延一直都在持續(xù)變化，至今尚未形成統(tǒng)一的定義。雖然全球主要經(jīng)濟體均以工業(yè)領(lǐng)域作為CPS研發(fā)和應用的首選領(lǐng)域，但CPS應用范圍絕不僅僅局限于工業(yè)領(lǐng)域。CPS的總體定位是支撐兩化深度融合的一套綜合技術(shù)體系。CPS分為四代，第1代能夠自調(diào)節(jié)與自校正，第2代能夠自感知與自適應，第3代能夠自認知與自進化，第4代能夠自我意識和自我復制；目前我們正在從第1代向第2、3代的演進過程中，工業(yè)4.0的核心是第2代CPS。CPS形成了兩個交織的計算周期：基本周期（傳感-監(jiān)控-決策-推理-計劃-執(zhí)行-效用的閉環(huán)）、增強周期（推理-學習-適應-進化的閉環(huán)）。2013年，德國《工業(yè)4.0實施建議》將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，在隨后則重點推進以制造為導向的CPS，即CPPS（CyberPhysicalProductionSystem）。CPS四大要素是包括狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，即“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（軟件）、“一網(wǎng)”（網(wǎng)絡）、“一平臺”（云和智能服務平臺）。CPS包括單元級、系統(tǒng)級、系統(tǒng)之系統(tǒng)級等三個層次體系。

4與CPS融合的原則、架構(gòu)和問題

企業(yè)電力管理與CPS融合的原則是圍繞建設(shè)數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的智慧企業(yè)目標，聚焦企業(yè)戰(zhàn)略，提升企業(yè)管控能力和核心競爭力，降低企業(yè)用電成本，提高電力與能源利用效率，建設(shè)可持續(xù)的綠色節(jié)能型企業(yè)；電力管理體系應至少包括電力管理的組織設(shè)置，電力管理范圍、目標與責任制，能源平衡、計量與統(tǒng)計報告，能源利用效率提高方法路徑，節(jié)能績效評價與激勵制度等；明確電力管理的范圍和邊界，包括確定的物理界限、場所界限或次級組織界限，邊界可以是一個或一組過程，一個場所、一個完整的組織或一個組織所控制的多個場所；劃分并設(shè)立電力管理網(wǎng)格單元，明確用電單位、次級用電單位和用電設(shè)備；編制各層級用電單位能量平衡方程和框圖、能源計量器具量值傳遞或溯源圖、各層級用電單位的能源計量網(wǎng)絡圖；計算綜合能耗、單位產(chǎn)值綜合能耗、產(chǎn)品單位產(chǎn)量綜合能耗、產(chǎn)品單位產(chǎn)量可比綜合能耗等能耗指標；積極應用總能系統(tǒng)概念，實現(xiàn)能源梯級利用，當電力需求側(cè)管理、合同能源管理等模式與企業(yè)實際權(quán)衡能夠產(chǎn)生比較優(yōu)勢時，適時選擇低成本高增值管理模式。企業(yè)電力管理與CPS融合的架構(gòu)是基于建設(shè)數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的智慧企業(yè)的定位，滿足電改、電網(wǎng)演進、電力市場的新形態(tài)對企業(yè)電力管理提出的新需求，在以CPS理念構(gòu)筑的企業(yè)智慧決策的融合企業(yè)人與物的網(wǎng)絡系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施框架下，建成的全面升級迭代的企業(yè)電力CPS架構(gòu)，包括狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行等四大要素。企業(yè)電力CPS架構(gòu)建立在如下重要的技術(shù)基礎(chǔ)之上，包括穩(wěn)健靈活的電力網(wǎng)絡拓撲設(shè)計、實時開放集成的通信系統(tǒng)、高級計量體系和需求側(cè)管理、泛在感知技術(shù)、企業(yè)數(shù)據(jù)架構(gòu)、知識管理系統(tǒng)、智能分析與決策系統(tǒng)、智能調(diào)度與廣域防護技術(shù)、先進電力電子與執(zhí)行控制技術(shù)等。企業(yè)電力CPS架構(gòu)的實現(xiàn)應注意的問題主要有要做好頂層設(shè)計，遵循智慧企業(yè)系統(tǒng)目標按照逆工程思想推導設(shè)計出電力CPS的具體拓撲、系統(tǒng)形態(tài)和功能需求。應建立統(tǒng)一的技術(shù)體系、標準架構(gòu)，形成不同模塊之間的共享、通信和協(xié)同，提高企業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通共享共用程度。高度重視電力CPS與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營計劃與調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)的算法、模型與戰(zhàn)略協(xié)同。要把貫徹企業(yè)戰(zhàn)略邏輯的技術(shù)與物理系統(tǒng)的執(zhí)行邏輯推導清楚，不能將戰(zhàn)略和決策信息在信息系統(tǒng)層面空轉(zhuǎn)，未傳導到技術(shù)與物理系統(tǒng)，從而導致電力CPS系統(tǒng)設(shè)計目標難以實現(xiàn)。

5結(jié)語

本文分析了電改背景下企業(yè)電力管理與CPS融合的原則、架構(gòu)和應注意的問題。但電力CPS架構(gòu)所依賴的各類技術(shù)、標注和各類應用場景的共性或?qū)Ｓ孟到y(tǒng)等方面分析得還不深入，還需要進一步研究分析。

參考文獻

[1]關(guān)于印發(fā)電力體制改革配套文件的通知[M].國家發(fā)展改革委,國家能源局，2015.

[2]陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,沈杰.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(08):1-7.

[3]杰里米•里夫金，張體偉.第三次工業(yè)革命[M].北京:中信出版社,2012.

作者：張孝生 單位：青島華通國有資本運營集團有限責任公司