一种区域能源系统设备状态优化控制方法与流程
1.本发明涉及能源系统优化技术领域，具体涉及一种区域能源系统设备状态优化控制方法。
背景技术：
2.当区域综合能源系统中可再生能源占比很高时，各类发电单元与负荷单元的运行状态的动态观测与跟踪调控技术显得极为重要。传统上基于可再生能源预测数据与负荷预测数据制定计划的调控方式难以适应区域综合能源系统中高比例可再生能源的接入。
3.目前，国内外学者针对区域综合能源系统优化调控问题展开了许多研究，主要集中于以经济运行和新能源消纳为目标的系统规划、系统建模和优化求解算法改进上。目前针对模型的改进方法很多，既有上层网损最小，下层全寿命周期内经济性最优的双层选址定容规划模型，也有考虑区域综合能源系统中的储能、可再生能源出力和p2g，构建tes经济效益模型。还有学者考虑了考虑储电、储气、电网络拓扑、气网络拓扑和p2g，建立协同规划模型。部分学者从另一方面着手，考虑电-气、电-热、电-热-气多种能源类型的耦合，以经济最优为目标，对系统优化调控进行建模研究。大家进一步分析了各能源子系统的互补特性及协同优化潜力，建立能量流综合求解模型。也有学者建立含新能源、储能、cchp系统的联合调控模型，有效反映新能源出力随机性对系统的影响，或者利用信息熵衡量粒子丰富度，结合贪心变异策略提出基于粒子维度熵的改进粒子优化算法。
4.在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现存在以下不足：
①
能源系统管理人员无法实时监控并判断能源系统内受控对象的启停状态及系统的运行状态，不利于实时对能源系统进行精准调控；
②
在调控过程中，缺乏考虑机组实时的可调节容量是否能够满足实时调控的需求，无法做到实时的有效调控。
技术实现要素：
5.本发明提供一种区域能源系统设备状态优化控制方法，能够全过程监测区域发电设备和负荷设备的启停状态，其调控策略能实现对各单元运行状态全过程的牵引控制，完成系统秒级的优化平衡控制；且该方法可以充分考虑实际调控过程中，受控对象的可调节容量是否能够满足实时调控的需求，从而实现合理且精准有效的实时优化调控。本发明针对发电单元与负荷单元的监测指的是运行状态观测与状态调控过程跟踪控制，有利于考虑区域内设备的启停变化状态、实时有功功率及容量信息维持区域综合能源系统实时功率平衡，完成能源系统受控对象全运行过程的最优状态精准且有效的牵引。
6.本发明提供了一种区域能源系统设备状态优化控制方法，包括：步骤一：到达指定调控时刻，获取区域综合能源系统的各物理节点的输出功率、设备容量信息、是否可调状态变量及相关约束条件。
7.各单元输出功率具体表示为：1.冷热电三联供机组输出电功率、热功率、冷功率的表达式如下：
其中，为冷热电三联供机组输出的电功率，为冷热电三联供机组输出的热功率，为冷热电三联供机组输出的冷功率，为燃气轮机的气电转换效率，为经过余热锅炉和热交换器后的热电转换效率，为经过余热锅炉和热交换器后的热电转换效率，为经过余热锅炉和吸收型制冷机组后的冷功率转换效率，为天然气输入到燃气轮机的体积占天然气总体积的百分比，表示输入三联供系统的天然气燃烧转化燃烧的热量，v为天然气体积，为天然气热值（用天然气低热值37.62mj/m3来近似计算）。
8.2.风机的输出功率为：其中，表示风机输出的电功率；为风量（单位：）；为风机的全风压（单位：）；为风机的内效率系数，一般取0.75-0.85，为机械效率系数，叶片与电机不同的联接方式取值不同，一般取0.85-1；计算得到的单位是kw。
9.3.光伏阵列的输出功率为：其中，为光伏阵列输出的电功率，n为光伏板数量；为光伏板的表面积；为标准光强；为光电转化效率；为填充因子，一般取80%作估算用。
10.4.热负荷模型：其中表示时刻，表示用户供热/供冷功率需求，表示热负荷运行状态。
11.5.电负荷模型：
其中表示时刻，表示负荷的有功需求，表示负荷的运行状态。
12.步骤二：根据获取的数据信息评价区域能源系统内判断内部各设备的运行状态以及系统是否达到功率平衡；若是，则下达调控指令，维持各物理节点当前的运行状态；若否，则根据计算所得的不平衡功率对各设备的输出功率进行优化计算，并对各设备下发调控指令。各单元运行状态判断及不平衡功率计算具体表示如下：a.风力发电机组：定义风力发电机组的运行状态为，表示风力发电机时刻的驱动风速。
13.b.光伏发电板：定义光伏发电板的运行状态为，表示光伏发电板时刻接收的光照强度，度，为启动光伏发电板的最小光照强度。
14.c.冷热电三联供机组：式中，表示冷热电三联供机组的运行状态，表示受控对象机组的实时有功功率；表示系统中的额定电负荷；d.电负荷：定义电负荷的运行状态为，并根据电负荷能否进行需求响应可以划分为：可调负荷、不可调负荷。
15.e.热负荷：
定义热负荷的运行状态为，根据热负荷是否能够进行需求响应将其分为可调和不可调负荷。
16.f.分别计算供电系统以及供热/冷系统的不平衡功率，进而判断能源系统运行状态，具体表示为：
①
计算不平衡功率采样时刻下系统的不平衡功率为，表示受控对象机组的实时有功功率，为数据存储单元中受控对象关联节点在该采样时刻的有功功率组合成的行向量；若节点类型为发电机，则功率值为正；若节点类型为负荷，则功率值为负。
17.②
供电系统其中，表示受控对象所在调控区域内总负荷量。
18.③
供热/冷系统其中，表示受控对象所在调控区域内总负荷量。
19.步骤三：控制执行设备接收调控指令后，判断是否调节容量是否充足；若是，进入下一步；若否，则使该设备维持当前状态，重新进行优化计算后再次下发调控指令。
20.容量是否充足判断具体表示如下：式中，表示受控对象的实时有功功率；表示决策单元的优化计算调节功率；表示受控对象的容量上限。
21.调控指令生成所需的约束条件及目标函数具体表示如下：（1）目标函数其中，为加权矩阵，表示不同量测节点对区域综合能源系统的能源供给份额；为各节点的实时输出功率，即采样值；表示各节点的理想计划输出
功率。优化目标函数为实时输出功率与理想计划输出功率的残差的加权最小二乘。
22.（2）约束条件包含机组运行状态的不等式约束以及信息系统设备的容量不等式约束，具体如下所示：1)能量产生单元i.风力发电机组风力发电机组的出力受到限制：式中，、分别表示风力发电机组的最小和最大输出功率；表示风电机组该时刻向电力系统注入的有功功率。
23.ii.光伏发电板光伏发电板的出力受到限制：式中，、分别表示光伏发电板的最小和最大输出功率；表示光伏发电板该时刻向电力系统注入的有功功率。
24.iii.热电联产机组热电联产机组收到出力和爬坡限制：热电联产机组收到出力和爬坡限制：热电联产机组收到出力和爬坡限制：式中，、分别表示热电联产机组输出电能的最小和最大功率，、分别表示热电联产机组输出热能的最小和最大功率，表示热电联产机组的最大爬坡速度。
25.2)能量传输网络2a.电网模型考虑线路传输能量极限：其中，表示节点i和节点j之间的线路在t时刻的传输容量，表示两节点间线路传输容量极限。
26.2b.热网模型考虑热网传输能量极限：
其中，其中，表示节点i和节点j之间的线路在t时刻的传输热能，表示两节点间线路传输热能极限。
27.2c.冷网模型考虑冷网络传输能量极限：其中，表示节点i和节点j之间的线路在t时刻的传输冷功率，表示两节点间线路传输制冷量极限。
28.步骤四：控制执行设备接收并完成可实现的调控指令后，等待进入下一个调控时刻。
29.有益效果：上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用一种区域能源系统设备状态优化控制方法，因此能够实现对区域内能源设备实时状态监控，完成对各单元秒级的调控，做到全时段全过程对设备的牵引控制，提高区域能源设备对负荷段的供应能力和对新能源的消纳能力。
30.其中，步骤一可实现对区域综合能源系统运行的实时监控，并获得能源系统内受控对象的启停状态、调节状态；步骤二通过对区域能源系统内所有设备及全系统运行状态的判定，决定是否需要优化计算并下发优化调控指令；步骤三可保证所有实时优化计算所得的调控指令均在机组运行的调节容量范围内，进而实现有效的功率调节控制；步骤四完成了该时段内的实时调节后，继续进入下一时段的区域能源系统设备状态的优化控制，保证设备在全运行域的状态始终处于最佳状态。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
32.图1是本发明一种区域能源系统设备状态优化控制方法的流程图；图2是电网结构图；图3是热网络结构图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图例1所示，本发明提供一种区域能源系统设备状态优化控制方法，能够实现对区域内能源设备的实时监测和调控。本发明的实施例还提供相应的算例分析，以下分别进行详细说明。
35.考虑区域综合能源系统中，发电单元以清洁能源为主，公共电网为辅，天然气输入
为公共气网接入，收集电网、冷/热网络中各单元物理信息并构建相应的节点拓扑图。电负荷参数为基于园区夏季日用电量的典型柱状图，采用了夏季负荷典型的“三峰三谷”特征，为简化考虑，认为每小时内电负荷不变，且每个负荷节点的日负荷曲线相同。
36.本发明公开了一种区域能源系统设备状态优化控制方法，具体包括以下步骤：步骤一：到达指定调控时刻，获取区域综合能源系统的各物理节点的输出功率、设备容量信息、是否可调状态变量及相关约束条件。
37.各单元输出功率具体表示为：1.冷热电三联供机组输出电功率、热功率、冷功率的表达式如下：冷功率的表达式如下：冷功率的表达式如下：冷功率的表达式如下：其中，为冷热电三联供机组输出的电功率，为冷热电三联供机组输出的热功率，为冷热电三联供机组输出的冷功率，为燃气轮机的气电转换效率，为经过余热锅炉和热交换器后的热电转换效率，为经过余热锅炉和吸收型制冷机组后的冷功率转换效率，为天然气输入到燃气轮机的体积占天然气总体积的百分比，表示输入三联供系统的天然气燃烧转化燃烧的热量，v为天然气体积，为天然气热值（用天然气低热值37.62mj/m3来近似计算）。
38.2. 风机的输出功率为：其中，表示风机输出的电功率；为风量（单位：）；为风机的全风压（单位：）；为风机的内效率系数，一般取0.75-0.85，为机械效率系数，叶片与电机不同的联接方式取值不同，一般取0.85-1；计算得到的单位是kw。
39.3. 光伏阵列的输出功率为：其中，为光伏阵列输出的电功率，为光伏板数量；为光伏板的表面积；为标准光强；为光电转化效率；为填充因子，一般取80%作估算用。
40.4. 热负荷模型：
其中表示时刻，表示用户供热/供冷功率需求，表示热负荷运行状态。
41.5.电负荷模型：其中表示时刻，表示负荷的有功需求，表示负荷的运行状态。
42.以电网络为例，基于园区夏季日用电量的典型柱状图并运用上述信息物理融合的区域综合能源状态优化控制模型得到电源节点状态信息如下表：由此能够清晰得到区域内各输出单位的运行状态物理信息。
43.步骤二：根据获取的数据信息评价区域能源系统内判断内部各设备的运行状态以及系统是否达到功率平衡；若是，则下达调控指令，维持各物理节点当前的运行状态；若否，则根据计算所得的不平衡功率对各设备的输出功率进行优化计算，并对各设备下发调控指令。各单元运行状态判断及不平衡功率计算具体表示如下：a.风力发电机组：定义风力发电机组的运行状态为，表示风力发电机时刻的驱动风速。
44.b.光伏发电板：
定义光伏发电板的运行状态为，表示光伏发电板时刻接收的光照强度，为启动光伏发电板的最小光照强度。
45.c.冷热电三联供机组：式中，表示冷热电三联供机组的运行状态，表示受控对象机组的实时有功功率，表示系统中的额定电负荷；d.电负荷定义电负荷的运行状态为，并根据电负荷能否进行需求响应可以划分为：可调负荷、不可调负荷。
46.e.热负荷e.热负荷表示热负荷的运行状态，根据热负荷是否能够进行需求响应将其分为可调和不可调负荷。
47.基于园区夏季日用电量的典型柱状图并运用上述信息物理融合的区域综合能源状态优化控制模型得到负荷节点状态信息如下表：
由此能够清晰得到当前时刻区域内各设备的实时运行状态。
48.f.分别计算供电系统以及供热/冷系统的不平衡功率，进而判断能源系统运行状态，具体表示为：
①
计算不平衡功率采样时刻下系统的不平衡功率为，表示受控对象机组的实时有功功率；为数据存储单元中受控对象关联节点在该采样时刻的有功功率组合成的行向量。若节点类型为发电机，则功率值为正；若节点类型为负荷，则功率值为负
②
供电系统其中，表示受控对象所在调控区域内总负荷量。
49.③
供热/冷系统其中，表示受控对象所在调控区域内总负荷量。
50.步骤三：控制执行设备接收调控指令后，判断是否调节容量是否充足；若是，进入下一步；若否，则使该设备维持当前状态，重新进行优化计算后再次下发调控指令。
51.基于园区夏季日用电量的典型柱状图并运用上述信息物理融合的区域综合能源状态优化控制模型根据发电侧与负荷实时信息，分析网络功率平衡情况，计算并发送调节指令如下：计算所得到的调节指令可实现实时对能源系统的精准调控。若容量充足，则发送“完成调节”信号，响应机组完成出力调节。若容量不足，则发送“调节容量不足”信号，相应机组维持当前状态，决策单元重新计算调控方案。容量是否充足判断具体表示如下：式中，表示受控对象机组的实时有功功率；表示决策单元的优化计算调节功率；表示受控对象的容量上限。
52.调控指令生成所需的约束条件及目标函数具体表示如下：（1）目标函数其中，为加权矩阵，表示不同量测节点对区域综合能源系统的能源供给份额；为各节点的实时输出功率，即采样值；表示各节点的理想计划输出功率。优化目标函数为实时输出功率与理想计划输出功率的残差的加权最小二乘。
53.（2）约束条件包含机组运行状态的不等式约束以及信息系统设备的容量不等式约束，具体如下所示：1)能量产生单元i.风力发电机组风力发电机组的出力受到限制：式中，、分别表示风力发电机组的最小和最大输出功率；表示风电机组该时刻向电力系统注入的有功功率。
54.ii.光伏发电板光伏发电板的出力受到限制：
式中，、分别表示光伏发电板的最小和最大输出功率；表示光伏发电板该时刻向电力系统注入的有功功率。
55.iii.热电联产机组热电联产机组收到出力和爬坡限制：热电联产机组收到出力和爬坡限制：热电联产机组收到出力和爬坡限制：式中，、分别表示热电联产机组输出电能的最小和最大功率，、分别表示热电联产机组输出热能的最小和最大功率，表示热电联产机组的最大爬坡速度。
56.2)能量传输网络2a.电网模型考虑线路传输能量极限：其中，表示节点i和节点j之间的线路在t时刻的传输容量，表示两节点间线路传输容量极限。
57.2b.热网模型考虑热网传输能量极限：其中，表示节点i和节点j之间的线路在t时刻的传输热能，表示两节点间线路传输热能极限。
58.2c.冷网模型考虑冷网络传输能量极限：其中，表示节点i和节点j之间的线路在t时刻的传输冷功率，表示两节点间线路传输制冷量极限。
59.基于上述约束条件及容量限制得到当前时刻的调节结果如下，且电网络完成以上调控过程的时间为1508.21毫秒：从此表可看出，本发明方法可考虑机组实时的可调节容量是否能够满足实时调控的需求，进而做到实时的有效调控。
60.步骤四：控制执行设备接收并完成可实现的调控指令后，等待进入下一个调控时刻。
61.需要说明的是，上述装置和系统内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
62.本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（rom，read only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁盘或光盘等。
63.以上对本发明实施例所提供的一种区域能源系统设备状态优化控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
