能源柔性制造系统：能源柔性管理的架构与运行范式

《ROBOTICS AND COMPUTER-INTEGRATED MANUFACTURING》：Energy-flexible manufacturing systems: An architecture and operation paradigm for energy flexibility management

　　•提出了一种新颖的能源柔性管理系统（EFMS）概念，用于能源柔性管理以及能源-碳-成本的协同调控。
•开发了一种集群级EFMS架构，用于制造企业间多系统能源柔性互动。
•定义了一个独立的能源柔性调节（EFR）系统，通过明确的输入-输出机制协调供应侧和需求侧柔性。
•建立了一个EFMS工作流程，用于多时间尺度、多层次的能源柔性协调。
•一个面向原型案例的工业园区案例展示了所提框架的应用逻辑和EFR接口。

引言

随着全球“双碳”目标的推进和能源结构的加速转型，制造业正面临能源成本上升和碳监管日益严格的挑战。根据波士顿咨询集团（BCG）的统计数据，实现《巴黎协定》设定的温控目标，到2050年工业和能源部门的碳排放量需要减少70%–85% [1]。作为工业中主要的能源消耗领域，制造业迫切需要产业升级和技术改造以实现高强度碳减排 [2]。

目前，提高可再生能源供应占比和提升可再生能源利用效率是高效减少碳排放的关键路径 [3,4]。然而，可再生能源的分散性和天气依赖性加剧了维持制造业稳定能源供应的挑战 [5,6]。同时，即使在传统供电模式下，全球制造业仍频繁遭遇电力中断和供应短缺 [[7], [8], [9]]。随着能源供应结构向更高比例可再生能源转型，制造企业越来越需要采用更具韧性的运营模式。此类策略对于缓解因能源不稳定而导致的强制错峰限电甚至全面停产等风险至关重要。传统制造系统的运营模式主要优先考虑生产过程的优化，以追求效率和成本效益。其固有的刚性能源需求特性难以适应可再生能源发电的实时波动，导致系统内可再生能源利用率偏低 [10]。这种不匹配对低碳制造所需的高效可再生能源利用构成了重大障碍 [11]。在此背景下，EFMS已成为关键研究焦点，旨在增强制造系统对不断演变能源结构的适应性。

EFMS为制造企业克服传统运营模式固有的能效局限、适应可再生能源的大规模并网提供了一条有前景的路径。通过动态调整生产相关的能源需求并调节内部能源自给能力 [12]，EFMS已引起学术界和工业界的广泛研究兴趣。例如，Fortum [13]、西门子 [14]和施耐德电气 [15]等领先工业企业率先在制造环境中部署了面向分布式能源的综合能源服务系统和管理平台。这些举措旨在提升可再生能源利用率，并实现对能耗的能源柔性调节。此外，正如文献 [12] 所强调的，EFMS是制造系统迈向能源自给的重要演进阶段。学术界也对此领域做出了显著贡献，近期的研究由Reinhart等人 [[16], [17], [18]]、Schulze等人 [12] 以及Li等人 [19] 探索了EFMS的各个方面。他们的研究结果一致表明，EFMS显著提高了制造环境中的可再生能源利用率。工业实践和学术研究均强调了EFMS在支持低碳制造方面的核心价值。通过提高生产过程中可再生能源的稳定性和消耗效率，EFMS为制造业向低碳排放转型提供了关键支撑。

尽管能源柔性制造系统（EFMS）在适应可再生能源波动方面相较于传统制造系统具有显著优势，但现有的制造运营模式仍主要局限于单个流程或决策环节内的生产计划与控制（PPC）协调，难以满足EFMS更广泛的协调需求。实践中，关键问题并非任意降低总生产能源需求，而是在交货期、工艺和生产约束下重新组织时间上的能源使用，使可调负荷尽可能与电价较低、碳排放因子较低或可再生能源可用性较高的时段相匹配。然而，现有关于能源和碳导向控制的研究往往局限于特定阶段或局部决策环节，而非贯穿产品全生命周期和企业实际运营过程。因此，EFMS在可再生能源利用和碳减排方面的潜力无法得到充分发挥。这一局限性在涉及多个系统和企业的集群层面尤为突出。在这种情况下，企业往往不愿或无法直接共享生产计划、产能安排和PPC相关数据等敏感信息，这使得直接跨企业进行能源柔性互动变得困难。同时，EFMS的运营需要跨多个时间尺度和层级协调管理措施，包括计划、调度、执行和反馈。

尽管近期研究通过博弈论 [20]、分布式调度方法 [21,22] 和多代理方法 [23,24] 探索了分布式协调和分散控制，但这些研究主要针对特定协调或控制问题提供解决方案，而直接面向制造能源管理的显式分层多代理研究仍相对有限。因此，缺乏一个能够与现有生产信息系统交互、并组织此类多时间尺度、跨层级措施的中间协调系统，相关方法难以嵌入实际制造环境。为此，从全生命周期视角建立EFMS的运营框架，以及一个独立的能源柔性管理协调系统，对于推动EFMS从理论研究走向实际制造部署、充分实现其在可再生能源利用和碳减排方面的价值至关重要。

为此，本文从全生命周期能源供需协调的角度，研究了EFMS的定义、架构框架、运营范式、应用场景和关键技术，重点关注如何在企业运营过程中组织能源柔性、跨多个时间尺度和层级进行协调，并进一步扩展到集群级互动场景。第一部分概述了研究背景和意义；第二部分阐述了EFMS的定义，并对比了其与传统制造系统的区别；第三部分分析了区域能源柔性制造系统的架构；第四部分分析了EFMS的运营范式；第五部分提出了未来能源柔性制造系统所需的关键技术；第六部分进行了案例研究分析；第七部分总结了研究发现并给出了结论性意见。

章节摘录

能源柔性制造系统的定义

关于EFMS的研究仍处于起步阶段，尚未建立普遍接受的定义。现有文献中的定义汇总于表1。例如，Schulze等人 [12] 将能源柔性制造系统描述为“一种制造系统，能够灵活调整生产机器和工艺的能源需求，以适应电网当前发电量和可用性。”类似地，德国工程师协会（VDI）[25]

能源柔性制造系统的架构

EFMS代表一种新兴的制造系统形式，能够动态调整能源需求、主动适应能源供应变化，并满足能源-碳管理要求。目前对此类系统架构结构的理解仍不明确，相关研究仍处于起步阶段。虽然工厂级EFMS被视为基本分析单元，但所提架构和案例研究进一步扩展至

能源柔性制造系统的运营范式

从上述章节可以看出，EFMS在传统制造系统的基础上，将生产过程中的能源成本、碳排放和可再生能源利用率纳入生产绩效目标，从而构建了综合能效的新核心目标。然而，目前大多数制造企业尚未考虑通过调整生产能源需求来实现成本与碳排放的双重优化。

关键技术与讨论

前一部分探讨了EFMS的运营过程，这也引发了一系列关键支撑技术。EFMS向碳中和制造转型不仅仅是单一制造系统的自我优化，而是需要多系统之间的协作。未来，EFMS的关键技术将需要面向产业集群、能源链的成本与碳排放优化，以及

问题描述

基于上述章节的内容，本部分将以一家能源设备制造企业为例，分析EFMS在该场景中的应用方式。由于能源设备零部件数量众多且加工工艺相对复杂，能源设备制造企业通常以工业园区形式运营。其中，由于各工厂特性和地理位置不同，能源供应方式

结论与展望

增强制造系统对可再生能源供应波动的适应性是降低工业部门碳排放的关键措施。在此背景下，能源柔性制造系统（EFMS）提供了一种创新方法，以促进可再生能源的大规模并网。然而，现有研究仍主要关注局部运营问题，对系统性地组织能源柔性相关功能支持有限。

CRediT作者贡献声明

Longyao Xu：写作——审阅与编辑，写作——原稿，项目管理，方法学，调查，概念化。Peiji Liu：写作——审阅与编辑，写作——原稿，监督，调查，资金获取，概念化。Xu Wang：写作——审阅与编辑，监督，资源，调查，资金获取。Yifei Lin：写作——原稿，方法学。Yuwen Chen：写作——原稿，调查。Xi Huang：软件，Longyao Xu|Peiji Liu|Xu Wang|Yifei Lin|Yuwen Chen|Xi Huang|Xi Vincent Wang