建筑直流配电系统的能量管理系统及其应用

赵宇明，郭佩乾，刘国伟，袁志昌，史梓男

(1. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518020；2. 清华大学电机系，北京100084；3. 清华四川能源互联网研究院，成都 610200)

0 引言

智能建筑管理系统(intelligent building management system, IBMS)是在建筑管理系统 (building management system, BMS)的基础上结合现代建筑技术、计算机网络和控制网络技术的交叉管理系统。它将构成智能建筑的各类子系统以信息化与智能化为目标进行集成管理，使建筑内资源得到充分信息共享，实现管理系统的智能化、资源配置高效化与综合利用低耗化[1]。

如图1所示，目前主流的智能建筑管理系统基本架构由3部分组成，包括建筑管理系统、办公自动化系统(office automation system, OAS)和通信与网络系统(communications network system, CNS)，其主要功能在于集成化监控与全局事件处理和管理，通过建筑自控网络加强各子系统间的联系和信息共享[2]。

智能建筑内各控制子系统之间通常依靠直接数字控制器(direct digital controllers, DDCs)与BMS主系统实现整个建筑的智能管控，基于网络管理信息平台通过信息通信、协议转换和控制模块将各个子系统的运行数据通过局域网上传至服务器，进而在操作站实现对整栋建筑物的统一监控和管理[3]。图2为目前主流智能建筑管理系统网架结构。

图2 智能建筑管理系统网络架构Fig.2 Network structure of intelligent building management system

管理层网络通常采用以太网的方式实现操作站、IBMS服务及和便携式终端之间数据信息的快速交换。相反，现场控制层网络由于无须大量数据交换而采用实时性与抗干扰能力较好的LonWorks和BACNet等开放性现场总线技术，实现不同厂商与不同产品间的网络互联[4]。

1 建筑管理系统的发展

智能建筑最早由美国在20世纪80年代提出，90年代以来发展极为迅速，其产业规模达到建筑总投资规模的15%～25%。时至今日，我国智能建筑管理系统已经逐步走向智能化以及自动化阶段，通过各子系统可为用户以及管理者提供生产与生活上的便捷，如图3所示。国内比较典型的应用包括南京和沈阳的奥林匹克中心、清华大学节能楼、上海期货交易大厦以及长沙国际会展中心等[1 - 2,5 - 7]，这些工程的建设为建筑管理系统在自动化、集成化与智能化领域的发展与应用奠定了坚实的技术基础。

图3 智能建筑发展阶段Fig.3 Development stages of intelligent building

然而，综合现阶段社会的发展、高新技术领域的开拓和现阶段智能建筑管理系统的3个方面的因素，我国智能建筑管理系统在自动化方面、智能化方面与灵活性方面有待提升，智能建筑系统技术领域的研发与应用仍需在以下几个方面开展深入研究。

1.1 系统组网架构

智能建筑管理系统所需的实时控制与信息交换离不开网络信息技术的发展，高速网络促进建筑系统的信息化交互，使数据交换更为高效便捷。信息安全技术的应用，如Ipv4、Ipv6等技术可有效提高信息交换过程中的安全性与可靠性；无线网络技术的发展，如WiFi、ZigBee、蓝牙等技术在智能建筑管理系统上的工程应用则可大幅提高建筑信息传递的便捷性和高效性。因此，传统智能建筑行业中BMS网络设备到监控中心的网络架构及传输方式将逐渐向无线互联方向发展[8]。智能建筑管理系统的无线网络架构如图4所示。

图4 智能建筑管理系统的无线网络架构[9]Fig.4 Wireless network structure of intelligent building management system

1.2 网络传输协议

如引言与1.1节所述，目前智能建筑管理系统仍采用有线网络的组网方式，但由于无线通信协议技术的快速发展，采用分布式结构、分散式控制、集中管理的组网模式与弱中心化组网模式将逐渐进入人们的视野。其中，远程无线电(long range radio, LoRa)和窄带物联网(narrow band Internet of Things, NB-IoT)等低功率广域网络(low-power wide-area network，LPWAN)由于具备较强抗干扰能力和快速响应能力，功耗低，部署灵活，提供全面覆盖室内蜂窝数据连接等优势逐渐成为研究热点。目前国内已有设备厂商实现商业上的应用，如格力公司基于LoRa的智能建筑管理系统以及下图5所示邻元科技公司的Lynkros系统等。

图5 邻元科技公司BMS系统组网架构Fig.5 Network configuration structure of LynkrOS BMS system

1.3 物联网以及人工智能技术的应用

建筑中存在大量可控设备，如空调、水泵与照明等。这些可控设备通常根据各类传感器实现信息采集，进而实现调节控制。因此，这些传感器所产生的信息流成为智能建筑控制系统中重要的信息基础。采用物联网技术，这些收集到的信息可通过网络通信方式与互联网完成数据交换，使整个建筑系统成为全面感知的整体，有效实现建筑内各类可控设备的信息采集、数据管理和控制[10]。

人工智能技术的应用则为智能建筑系统的控制提供了新思路。在智能建筑的控制子系统，如楼宇自动化系统(building automation system, BAS)、终端电器、电气设备状态检测和智能楼宇管理控制系统中引入包括专家系统、计算机听觉、人工神经网络、多Agent与智能决策等技术可有效实现智能建筑系统的最优决策与自动运行控制[11 - 13]。

目前，美国霍尼韦尔(Honeywell)公司建筑控制系统EBI基于云计算、物联网、移动设备终端和远程访问技术的发展，将移动终端设备与建筑监控管理系统进行远程连接，通过简单、无缝式的“物联整合”促进楼宇智能化，具备经济、高效、及时应对各种突发事件的性能，有效提高智能建筑管理系统的运行效率[14]。

1.4 建筑能量管理系统应用

时至今日，现代建筑中部分设备已采用直流供电，直流建筑试点项目也不断涌现，如哥德堡Akademiska Hus直流供电办公楼和NZEB的AGU总部等。相比传统建筑的交流配电系统，新型建筑直流配电系统中新增的交直流变换器、光伏发电、电池储能、充电桩、数据中心、可控负荷等直流设备。这些直流可控设备的接入使建筑能量系统的负荷特性发生了本质变化，同时也为建筑能量管理系统的优化调控提供了更加灵活的手段。因此，如何协调建筑中各类型可控设备，完成全局用能优化是能量管理系统的重要目标，建筑直流系统中能量管理系统的研究也成为智能建筑管理系统中的一个重要方向。

综上，随着各种先进科技在智能建筑应用上的融合和智能建筑管理系统功能不断完善，智能建筑控系统架构逐渐由单一独立化自我控制发展为信息化集成交互控制。目前，随着直流化设备和新型交叉技术的应用，智能建筑管理系统的研究重点逐渐朝着无线组网方式、不同类型设备的优化控制与智能化能量管理方面发展[15 - 16]。因此，以下章节将围绕新型建筑直流配电系统的控制架构与建筑能量管理系统(building energy management system, BEMS)两方面进行讨论。

2 能量管理系统在智能建筑中的应用

城市化、园区化的不断发展以及大型建筑的涌现促使建筑能耗的不断攀升。从建筑使用角度来说，智能建筑系统最初的目的是实现建筑的高效管理和节能运行，然而美国能源信息署公布数据显示，建筑能耗所占比重接近该国家总社会能耗的40%；我国建筑能耗所占社会能耗比重也不断增加，逐步向35%逼近。因此，智能建筑的能量管理与高效降耗成为迫切需要解决的问题。

传统建筑管理系统BMS对建筑内耗能设备的监测主要侧重于可控设备的启停状态、工作温度、压力、流量等方面参数；控制侧重于设备开启、关停、流量控制、阀门开度控制等操作。其主要控制模式是通过自控系统BAS对电梯、照明、空调等可控负荷进行预先优化和编排，达到节能降耗的目的。然而，国内大部分建筑的自动控制系统仍处在手动切换状态，80%以上的BAS系统仅作为设备状态监视和自动控制使用。另外，由于缺乏建筑物的能量使用模型和完善的计量手段，BAS无法得到比较准确的能耗数据[17]。通过以上控制管理方式，建筑能耗虽有所降低，但实际效果并不理想。因此，需对建筑内能量管理系统深入研究，以便有效实现城市、园区及大型建筑的节能降耗。

建筑能量管理系统的组成结构如图6所示。

图6 建筑能量管理系统组成结构Fig.6 Configuration structure of building energy management system

在能量管理方面，传统BMS采用分散式的监管控制，缺乏对全局的预测及协调，而配电能量管理系统(energy management system, EMS)更注重配电系统级能量管理。EMS通过对各类资源与可控单元的信息整合，综合考虑如电价、负荷需求等条件采用协调互补方式实现系统能量的供需平衡与优化。因此，EMS与BMS对各类可控设备在功率调度的控制方式与管理方向上有所区别，无法直接进行EMS与BMS的融合应用。

在供电能源方面，随着新能源政策的推进，各类分布式能源，如光伏一体化系统(building integrated photovoltaic，BIPV)在大型建筑供电系统中的比重逐渐增加[18 - 22]，为建筑配电系统供电带来较大不确定性。从负荷角度考虑，除了传统建筑管理系统中照明、电梯等常规可控负荷外，近些年来出现以数据中心、电动汽车与储能装置为代表的新型直流负荷[23 - 25]。另外，多地已开始实施包括分时电价[26]、需求侧响应等相关措施，这也为建筑配电能量管理产生巨大的影响。对于建筑系统这样一个包含多种复杂能量类型的集合，建筑能量管理系统BEMS的功能需综合考虑各种因素以及不确定条件，对建筑配电系统内包含的各类可控负荷、可出力电源以及储能进行综合优化调节才能实现[27]。

因此，智能建筑中新能源部分的不确定性与波动性，传统可控负荷与新兴直流负荷的相互作用，分时电价等各类措施的综合影响成为目前智能建筑直流配电系统能量协调管理与优化运行必须解决的问题[17,28]。当前能量管理系统EMS和建筑管理系统BMS仍分属不同智能化领域，应用于建筑领域的能量管理系统EMS与传统的建筑系统BMS存在部分功能复用，但也存在较大功能差异，需对智能建筑系统中能量管理部分深入研究，稳定且高效的完成BMS与EMS智能化融合，真正意义上实现在满足室内环境舒适度的前提下精确的对建筑系统内的能量进行管理，保证建筑系统经济运行，进而将该系统变为真正意义上创造效益的平台。

3 建筑直流配电系统的控制架构

BMS对用能设备的能量管理通常仅基于本地的环境及工况变化，缺乏对全局的预测及协调。而采用直流方式配电的建筑系统新增了交直流变换器、光伏发电、电池储能、充电桩、电动汽车、数据中心、可控负荷等新直流设备，如何协调控制这些设备达到用能优化，实现节能减排是建筑直流配电控制系统的重要目标。

图7 直流配电系统控制架构图Fig.7 Control architecture of DC distribution system

中压直流配电控制系统的基本要求是保持交直流配电系统中重要负荷的供电可靠性和电能质量需求，在此基础上实现分布式电源的充分利用。为实现上述目标，中压直流配电控制系统采用“关键设备统一控制、用电负荷分布自治”的设计原则。通常，中压直流配电控制系统可分为三级控制，具体控制架构如图7所示。

相比目前已采用的中压直流配电系统，建筑直流配电网具有以下特点。

1)建筑直流配电电压等级通常低于中压直流配电网。中压直流配电网需要承担类似传统10 kV交流配电网的角色，供电容量在数十兆瓦量级，供电范围也较大，通常选取±10 kV电压等级。而建筑系统直流配电供电容量较低，通常在数百千瓦量级，因此直流电压通常选取为±375 V等级。

2)建筑直流配电系统的供电范围局限在一栋或若干栋建筑内，而中压直流配电网通常需要覆盖数平方千米的供电范围。

3)建筑直流配电系统的设备类型比中压直流配电网更少，以终端用电设备为主，包含部分光伏发电和储能系统。而中压直流配电系统可能需要接入分布式发电机组、风电、大容量储能的更多类型的设备。

4)建筑直流配电系统的连接方式更简单，通常采用放射性接线。

5)建筑直流配电系统面向终端用户，其运行与管理系统应该朝着分布自治与免运行维护的方向设计，减少需要用户干预的控制与操作。这与直流配电系统也存在较大差异。

可见，建筑直流配电系统在规模上更加类似微电网，其运行与管理系统应尽量简化，减少控制层级，尽量实现分布自治。因此，建筑直流配电系统的运行控制架构宜采用如图8所示两层式结构。

图8 建筑直流配电系统控制架构图Fig.8 Control architecture for DC distribution system of building

按控制功能的时间尺度可以将建筑直流配电系统的控制分为长期能量优化管理和短期功率平衡。

长期能量优化管理主要实现建筑直流配电系统的最优控制，对可再生能源发电及负荷进行功率预测，在了解实时市场信息、分布式电源特性及发电成本的基础上，以网损、电费、电压质量、经济性等指标为优化目标，调整光伏、储能、交直流变换器等设备的电压、功率等运行状态，优化直流配电系统运行。提供需求侧管理和适当备用容量；满足系统供电可靠性。能量管理系统可作为监控系统的一个应用工作站，其所需的数据可以通过监控网络收集获取，控制指令也由监控网络下发至设备层。

短期功率平衡在交直流变换器、光伏、储能、直流负载等设备层实现，宜采用分布自治的控制方式。实时跟踪负荷变化，依据分布式电源容量、技术条件和储能装置的储能状态，调整分布式电源、储能的出力或对可控负荷进行相关控制，满足系统功率平衡和维持直流电压稳定。在配网发生故障时提供快速的动态响应，协助系统进入稳定工作状态，满足用户电能质量要求。各个设备通过自带的控制器实现电流控制、并网控制、模式自动切换等短期功率平衡控制功能，多个电力电子设备之间的协调可以采用下垂式控制或者电压裕度控制，实现分布自治，满足系统灵活扩展的需求。

最优控制层的目标是获取系统的最优运行状态，节能增效，其控制时间尺度通常为5～10 min更新一次控制指令。分布自治层的控制目标是维持建筑配电系统的稳定运行、提供优质的供电电压，其控制时间尺度通常在毫秒级别。两者在控制时间尺度上具有良好的区分度。另外，分布自治层的控制优先级更高，当设备状态无法实现最优控制的指令时，可以暂时屏蔽优化控制指令，而以保证系统稳定和完整性为优先目标。从控制功能设计原则上，应该满足当能量优化管理系统退出运行时，整个建筑直流配电系统仍然能够持续稳定运行。

4 建筑直流EMS与BMS融合

目前能量管理系统EMS和建筑管理系统BMS仍分属不同智能化系统，如何以最低成本改动将EMS系统有机地融合到建筑BMS系统中是建筑直流配电网设计和建设的重要内容。

4.1 建筑直流EMS与集中式BMS融合

目前主流智能建筑管理系统均采用集中式管理模式，不同公司所开发的网络架构形式和软硬件形式各有不同，但基本上都是遵循分层分布式结构：设备本体采用分散控制，就地实施，控制逻辑简单；设备信息收集到监控中心，监控中心以监测为主，辅以部分远动控制和人机交互，实时性要求不高，数据采集及刷新周期通常在10 s级别。其中，系统组网方式以有线为主，辅助以局部区域采用LoRa或者NB-loT无线组网，层级明确。

对于集中式智能建筑管理，EMS与BMS之间具有高度的复用性。

1)BMS收集建筑系统内的电、热、冷、安防等各个子系统的信息，其中变配电系统的监测信息可以供EMS系统作为优化计算的基础。

2)现有BMS系统的数据更新周期通常在10 s级别，也可以满足建筑系统能量优化的时间尺度要求。

3)BMS系统具备对一些关键设备的就地控制能力，如果增设相应的遥控功能，则这些关键设备可以执行EMS系统发出的调度指令。

4)从拓扑架构上看，BMS系统的组网结构与电力EMS系统非常相似，都包括感知层、网络层和应用层等主要层级，其中感知层和网络层可以复用。

然而，现有的建筑BMS系统在应用层功能上与EMS存在较大区别，主要体现在：

1)现有BMS以监测功能为主，只设置了很少一部分设备的远动控制，绝大多数设备以就地控制为主；

2)各个设备的控制目标主要基于本地的环境变化或工况变化，没有基于全局的用能设备优化运行控制，设备之间缺少配合与协调。

因此，在集中式智能建筑管理系统中，建筑直流配电系统EMS可以按照“补全测点、复用网络，增加应用”的方式融合进原有BMS系统中，其示意图如图9所示。

图9 集中式BEMS系统结构示意图Fig.9 Schematic diagram of centralized BEMS system

基于建筑智能建筑管理的网络架构，变配电系统收集空调、照明、水泵、电梯等用电设备的工作状态，同时也具备下发控制指令的能力。对于新增的交/直流换流器、光伏发电、储能系统、充电桩、可控负荷等设备，绝大多数自身安装有控制器，可以将状态信息通过以太网发送给应用层，同时也具备接收控制指令的能力，少部分设备如可控负荷、数据中心等，需要额外配置传感/执行装置，以收集上传状态信息，接收控制指令。

在智能建筑管理系统的应用层，可以有两种方式布置EMS服务。一种是单独配置，根据日前负荷预测、光伏出力预测、电费等信息对建筑内电气设备做能量优化计算，得出对光伏、储能、可控负荷等设备的调控指令。另外一种是将EMS应用功能配置在原有的能量管理服务器中，完善原有的能量管理基础功能，同时对建筑系统的热、冷、电等能源利用系统做全面优化和管控。从实施角度看，两种方案都最大程度利用了原有BMS系统，新增建设成本大大降低，相关的调试维护环节得到高度的简化。

4.2 建筑直流EMS与分布式BMS系统融合

针对智能建筑整体网络大而复杂，调试维护难度高的问题，分布式智能建筑管理系统将智能测控设备(也称为多代理系统的一个智能代理单元)安装在设备本地，实现对局部若干设备的智能管控。代理之间通过链式通信结构，形成对等式、弱中心网络结构，通过智能设备群落的自组织、自协调、自管理，最终实现群落的分布式控制功能。

对于分布式BMS系统，建筑直流EMS系统的融合可以采用半融合和全融合2种方式。

4.2.1 半融合BEMS系统方案

半融合方式示意图如图10所示，增设一个独立的EMS服务器，与组网的多代理系统中的一个代理连接，EMS通过这个通信通道获取所需的电气设备运行状态和参数，与EMS没有直接通信联系的设备状态和参数经由链式通信网络逐级转发至EMS。EMS完成能量优化计算后，将调控指令发给所连的代理，由其通过链式通信网络转发给受调控的设备。这种方案的优点是层次界面清晰，优化调度程序成熟，可基于全局数据开展优化计算，其功能完整性与集中式EMS相同。如果单个代理的运算处理能力足够强，也可以将EMS功能配置于代理智能单元内，从而进一步降低组网和硬件配置费用。

图10 半融合式BEMS系统结构示意图Fig.10 Schematic diagram of semi-integrated BEMS system

某公司提出的EMS与BMS系统融合方案就采用半融合方式进行组网，形成扁平化结构的最简EMS系统，如图5中所示。相关各个节点之间关系对等、相互通信，相关数据以最优的路径进行传输，最终形成以EMS能源管理系统为弱中心的管控一体化的管理系统。由于整个BMS系统没有明确的集控中心站，降低了网络枢纽故障或者集控中心站故障导致系统功能缺失的风险，提高了系统可靠性，降低了调试维护难度。

4.2.2 全融合BEMS系统方案

全融合方式指的是将EMS全局优化功能拆分成多个子系统，并分散布置于各个智能代理单元中，每个智能代理单元分别计算与其相关联的子系统的优化问题，另一方面相邻的各个智能单元间进行优化计算结果的迭代修正，这样，经过全体智能单元间多次迭代后，获得全局优化问题的最优解，产生调度指令下发到设备层。这种融合方式不需要增加新的硬件，EMS的功能完全融合到分布式BMS系统既有硬件内，在成本上具有显著优势。

然而，其缺点是优化功能受限，部分需要基于日前预测与全局信息的全局优化功能(如电池储能出力曲线日前优化)无法实现。

图11 全融合式BEMS系统结构示意图Fig.11 Schematic diagram of full-integrated BEMS system

综上，半融合方式的优点是可以获取全局信息、实现全局优化功能，缺点是需要新增硬件服务器。全融合方式的优点是完全利用原有的分布式BMS硬件资源，无需新增设备，缺点是优化功能受限，部分全局优化功能无法实现。

现有国内外智能建筑管理系统BMS通常采用集中式解决直流建筑中的管控问题，同时分布式BMS在系统能量全局优化方面存在的不足也限制BMS向分布式发展，因此，目前EMS与BMS的融合仍以集中式方案为主。

5 结语

随着智能建筑的不断发展，建筑能耗占比不断增长，无线传输、物联网等高新技术以及建筑配电系统中新型直流设备的应用，智能建筑系统功能和本质特性不断改变，智能建筑中的能量管理成为了建筑节能的关键环节。采用直流方式配电的建筑系统新增了交直流变换器、光伏发电、电池储能、充电桩、数据中心、可控负荷等新设备，如何协调这些设备完成全局用能优化、实现节能减排是建筑直流配电EMS系统的重要目标。

本文通过对适用于建筑直流配电系统的控制架构进行研究与探讨，基于所提控制架构对集中式BMS系统提出了简单且快捷的“补全测点、复用网络，增加应用”的有机融合方案；针对分布式BMS系统分别提出了半融合和全融合2种方式，通过全局优化有效地实现了设备间的相互协调以及优化节能的目的。