CN104899659A - 一种智能园区多级能耗传递模型 - Google Patents

Abstract

一种智能园区多级能耗传递模型，有能量输入是向智能园区输入的多种类型的能源E_I；能量损耗是输入的能源在梯级利用时的损耗E_L，能量消耗是输入的能源在智能园区中各终端用户的能量流动E_C。能量输入包括有电网供电、分布式电源、化石燃料和水，分布式电源包括有风力发电和光伏发电，能量损耗包括网级损耗、馈线级损耗和配变级损耗。本发明能够涵盖能量输入、能量在不同级别网络流动的消耗和损耗的整个能量流动过程，有助于深入了解智能园区能源的流动特性，从而为智能园区的能源全局优化利用提供支撑，进而提高智能园区的能源利用效率，提升智能园区能源优化管理水平，促进智能园区的节能减排和可持续发展。

Description

一种智能园区多级能耗传递模型

技术领域

本发明涉及一种能源优化管理模型。特别是涉及一种适用于智能园区能源优化管理的智能园区多级能耗传递模型。

背景技术

在面临能源短缺困难及节能减排的压力下，建设清洁、可靠、互动、高效的智能电网成为推动时代经济转型、发展低碳经济的重要手段。智能园区作为现代城市中能源综合应用的典型场所，其能源优化管理得到了国内外的广泛关注。如何有效提升智能园区的能源利用效率，成为备受关注的重要问题和技术难点。

国内外研究和实践证明，实施智能园区的能源优化管理，提高终端用户的能源利用效率，可以有效缓解园区内部电力供需的矛盾，还能最大程度地减少一次能源的消耗。目前我国在智能园区多级能耗传递模型方面的研究尚处于起步阶段。首先，针对园区多级能耗传递模型并没有完全统一的定义与确定的数学模型。其次，关于能量流分析的研究大多集中于国家层面、省市层面和企业层面，鲜有针对园区的能量流分析。因此，有必要按照能量输入、能量在不同级别网络流动及能量消耗和能量损耗的思路，提出一种智能园区的多级能耗传递模型，以便深入分析智能园区的多元能源输入和能量损耗、以及典型终端用户的能量流网络，为智能园区的能源利用效率提升和能源优化管理提供理论基础。

综上所述，构建智能园区多级能耗传递模型，是亟待解决的实际问题，具有良好的理论价值和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高智能园区的能源利用效率的智能园区多级能耗传递模型。

本发明所采用的技术方案是：一种智能园区多级能耗传递模型，包括，能量输入、能量损耗和能量消耗三部分，所述的能量输入是向智能园区输入的多种类型的能源E_I；所述的能量损耗是输入的能源在梯级利用时的损耗E_L，所述的能量消耗是输入的能源在智能园区中各终端用户的能量流动E_C，其中：

E_I＝E_C+E_L    (1)。

所述的能量输入包括有电网供电、分布式电源、化石燃料和水，表示为：

E_I＝E_P+E_D+E_F+E_W    (2)

式中，E_P表示电网输入，E_D表示分布式电源输入，E_F表示化石燃料能源输入,E_W表示水能源输入。

所述的分布式电源包括有风力发电和光伏发电。

所述的能量损耗包括网级损耗、馈线级损耗和配变级损耗，表示为：

$E_L=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j---\left(9\right)$

式中，E_j j＝1,2,…,n，其中，E_j表示能量在不同层级不同元件的损耗，j表示元件编号，n表示元件数量，所述的网级损耗包括有线路损耗，所述的馈线级损耗和配变级损耗均包括线路损耗和变压器损耗。

所述的线路损耗是能量输入流经导线时以热能形式散发的功率损失，包括有：由于电流流经有电阻的导线造成的有功功率损耗，由于线路有电压而线间和线对接之间的绝缘有漏电造成的有功功率损耗，以及电晕损耗，其中，由于电流流经有电阻的导线造成的有功功率损耗是线损的最主要部分，计算公式见式如下，另外两部分的损耗只占极少的比例，不考虑，

$\mathrm{\Δp}=R\frac{P^2+Q^2}{U^2}---\left(10\right)$

式中，△p表示线路损耗，P、Q分别为流经路线的有功功率和无功功率；U为路线上与P、Q同一点测得的电压；R为线路的电阻，与导线的截面、导线的材料和线路的长度有关。

所述的变压器损耗是指电能流经变压器时以热能形式散发的功率损耗，包括铁损和铜损，其中，铁损近似等于变压器的额定电压下的空载损耗，铜损进行近似等于额定负载下的短路损耗与平均负载系数平方的乘积，计算公式如下：

△P_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k    (11)

式中，△P_T表示变压器损耗，P_Fe为铁损，P_cu为铜损，P₀为空载损耗，P_K为额定负载损耗，β为平均负载系数。

所述的能量消耗中的各终端用户的能量流动E_C包括有工业用户、公共机构和大型数据中心的能量流动，表示为：

$E_C=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i---\left(8\right)$

式中，E_i i＝1,2,…,m，其中，E_i表示能量在各典型终端用户的消耗，i表示终端用户编号，m表示终端用户数量。

所述的工业用户的能量流动包括有输入端分别连接电网供电、分布式电源、化石燃料的能量转换模块、能量利用模块和能量回收模块，所述的能量转换模块、能量利用模块和能量回收模块的输出均包括有向产品、副产品输出的能量和回收自用能量。

所述的公共机构的能量流动是指冷热电联供系统，所述冷热电联供系统的能量输入端分别连接电网供电、化石燃料和水，所述冷热电联供系统的输出端分别连接电能、热能和冷能。

所述的大型数据中心的能量流动包括有分别连接电网供电的配电系统、制冷系统和IT设备。

本发明的一种智能园区多级能耗传递模型，能够涵盖能量输入、能量在不同级别网络流动的消耗和损耗的整个能量流动过程，有助于深入了解智能园区能源的流动特性，从而为智能园区的能源全局优化利用提供支撑，进而提高智能园区的能源利用效率，提升智能园区能源优化管理水平，促进智能园区的节能减排和可持续发展。

附图说明

图1是智能园区多级能耗传递模型结构；

图2是风电机组的理想功率特性曲线；

图3是太阳能电池的输出特性曲线；

图4是工业用户的能量流网络简图；

图5是公共机构冷热电联供系统能量流网络简图；

图6是大型数据中心能量流网络简图；

图7是供热系统能源消耗流向图；

图8是供热水系统能源消耗流向图；

图9是供蒸汽系统能源消耗流向图；

图10是Z园区多级能耗传递模型

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种智能园区多级能耗传递模型做出详细说明。

本发明的一种智能园区多级能耗传递模型，用以指导智能园区能源利用效率提升，包括园区能量输入和园区能量利用两部分，其中园区能源利用又可分为园区能量消耗和园区能量损耗。

如图1所示，本发明的一种智能园区多级能耗传递模型，包括，能量输入、能量损耗和能量消耗三部分，所述的能量输入是向智能园区输入的多种类型的能源E_I；所述的能量损耗是输入的能源在梯级利用时的损耗E_L，所述的能量消耗是输入的能源在智能园区中各终端用户的能量流动E_C，其中：

E_I＝E_C+E_L    (1)

智能园区能量输入是指园区的能量来源，传统园区的能量来源主要有电网供电和化石燃料，而智能园区引入了分布式电源，因此所述的能量输入包括有电网供电、分布式电源、化石燃料和水，表示为：

E_I＝E_P+E_D+E_F+E_W    (2)

式(2)中，E_P表示电网输入，E_D表示分布式电源输入，E_F表示化石燃料能源输入,E_W表示水能源输入。

所述的分布式电源包括有风力发电和光伏发电。

智能园区的能量来源包括电网供电、分布式能源、化石燃料、水等多元能源，其中，电网供电是指由电网公司提供的能量；化石燃料包括煤炭、石油、天然气等能源；分布式电源是清洁可再生能源，包括太阳能、生物质能、风能等能源。智能园区设置分布式电源接入系统，最大限度的接纳太阳能、风能等清洁可再生能源。分布式电源在智能园区能量来源中占据的比重呈现逐渐递增的趋势。分布式电源有不同的类型，包括风力发电、光伏发电、燃料电池发电等。目前智能园区采用较多的分布式电源技术类型为风力发电技术和光伏发电技术。

1)风力发电

风力机组输出功率的大小受风速、叶片长度、叶片受风面积等因素的影响。当风速在额定值以下时可以通过控制叶片的桨距角来提高机组所捕获的风能，提高机组的输出功率；当风速超过额定风速时，可以利用叶片的失速特性或桨距角调节来控制捕获的风能，使功率输出保持额定值的范围内，不超过机组的容量限制。

风电机组是否处于发电状态以及输出功率的大小，取决于风速的状况。标准空气密度条件下，风电机组的输出功率与风速的关系曲线称之为标准功率特性曲线。该曲线关系是基于大量实测数据的一种平均近似，可以由厂家提供。事实上，受控制系统的延时、风速、风向的频繁波动及其它动态过程的影响，风电机组的实际输出功率与风速的关系不一定与该曲线完全吻合，风电机组真实的风速-功率关系应通过对联网运行的机组相关运行数据的分析来获得。因此，在实际安装地点还需对功率特性曲线进行修正，以得到实际功率特性曲线。图2是某机型风电机组标准功率特性曲线。

风电机组的功率特性也可由式(3)表示：

$P=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;V<V_{\mathrm{ci}},V_{\mathrm{co}}<V\\ f\left(V\right)& V_{\mathrm{ci}}\&le;V<V_t\\ P_t& V_t\&le;V<V_{\mathrm{co}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，p是风电机组输出功率，V_ci是风电机组切入风速，V_co是切出风速，V_t是额定风速。f(V)是风速在V_ci和V_t之间时，风电机组输出功率与风速之间的函数关系。

在理想情况下，风电机组的功率特性包括以下运行状态：

(1)当V<V_ci时，风速小于切入风速，风轮处于静止状态，机组的输出功率为0。

(2)当V_ci≤V＜V_t时，风速处于切入风速和额定风速之间，机组运行在部分负荷状态。理想情况下，机组可以实现风功率的最大转换。

(3)当V_t≤V＜V_co时，风速处于额定风速与切出风速之间，考虑到风电机组容量的限制，机组运行在额定负荷状态。

(4)当V≥V_co时，风速超过切出风速值，出于保护机组的目的，将使整个机组停止运行。

风速在切入风速到额定风速之间时，风机的功率特性可以表示为一次函数、二次函数和三次函数，分别对应公式(4)、公式(5)和公式(6)。其中，P_t为风电场装机容量，A、B、C为风机功率特性曲线参数，不同型号风机此参数稍有不同，近似计算时可认为C为零，即认为风速和出力呈线性关系。

f(V)＝P_t(V-V_ct)/(V_t-V_ct)    (4)

f(V)＝A+BV+C²V²    (5)

f(V)＝P_t(V³-V_ct ³)/(V_t ³-V_ct ³)    (6)

2)光伏发电

影响太阳能光伏发电系统出力的因素很多，太阳辐照强度是影响光伏系统出力的最主要因素，太阳能光伏发电装置的实际输出功率随太阳辐照强度的变化而变化，太阳辐照强度的变化存在较大的随机性，它不仅受季节与地理位置的影响，而且与观测时刻的大气状况、太阳时角、观测日期、观测时间及云量等因素密切相关。

光伏电池组件的功率输出模型可表示为：

$P_{\mathrm{PV}}=P_{\mathrm{STC}}\frac{G_{\mathrm{ING}}}{G_{\mathrm{STC}}}(1+k(T_c-T_r))---\left(7\right)$

式(7)中：P_pv表示光伏电池组件的输出功率(kW)，G_ING表示辐照强度(W/m2)；P_PV表示辐照强度为G_ING时，组件的输出功率(kW)；G_STC表示标准测试条件(1000W/m2，25℃)下的辐照强度；P_STC表示标准测试条件下组件的最大输出功率(kW)；k表示功率温度系数；T_c表示光伏电池温度；T_r表示参考温度。

所述的能量损耗包括网级损耗、馈线级损耗和配变级损耗，表示为：

$E_L=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_j---\left(9\right)$

式中，E_j j＝1,2,…,n，其中，E_j表示能量在不同层级不同元件的损耗，j表示元件编号，n表示元件数量，所述的网级损耗包括有线路损耗，所述的馈线级损耗和配变级损耗均包括线路损耗和变压器损耗。

所述的线路损耗是能量输入流经导线时以热能形式散发的功率损失，包括有：由于电流流经有电阻的导线造成的有功功率损耗，由于线路有电压而线间和线对接之间的绝缘有漏电造成的有功功率损耗，以及电晕损耗，其中，由于电流流经有电阻的导线造成的有功功率损耗是线损的最主要部分，计算公式见式如下，另外两部分的损耗只占极少的比例，不考虑，

$\mathrm{\&Delta;p}=R\frac{P^2+Q^2}{U^2}---\left(10\right)$

式中，△p表示线路损耗，P、Q分别为流经路线的有功功率和无功功率；U为路线上与P、Q同一点测得的电压；R为线路的电阻，与导线的截面、导线的材料和线路的长度有关。

所述的变压器损耗是指电能流经变压器时以热能形式散发的功率损耗，包括铁损和铜损，其中，铁损近似等于变压器的额定电压下的空载损耗，铜损进行近似等于额定负载下的短路损耗与平均负载系数平方的乘积，计算公式如下：

△P_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k    (11)

式(11)中，△P_T表示变压器损耗，P_Fe为铁损，P_cu为铜损，P₀为空载损耗，P_K为额定负载损耗，β为平均负载系数。

所述的能量消耗中的各终端用户的能量流动E_C包括有工业用户、公共机构和大型数据中心的能量流动，表示为：

$E_C=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i---\left(8\right)$

式中，E_i i＝1,2,…,m，其中，E_i表示能量在各典型终端用户的消耗，i表示终端用户编号，m表示终端用户数量。

所述的工业用户的能量流动包括有输入端分别连接电网供电、分布式电源、化石燃料的能量转换模块、能量利用模块和能量回收模块，所述的能量转换模块、能量利用模块和能量回收模块的输出均包括有向产品、副产品输出的能量和回收自用能量。工业用户的能量流动过程是一个复杂的网络，见图4所示。工业用户能量流网络涉及的能源介质众多，各种能源介质的转换方式多样，每种转换方式又需要经过多次传输、多个转换设备才能完成，而且各转换方式之间还相互交叉。

所述的公共机构的能量流动是指冷热电联供系统，所述冷热电联供系统的能量输入端分别连接电网供电、化石燃料和水，所述冷热电联供系统的输出端分别连接电能、热能和冷能。公共机构的能量流动过程见图5所示。冷热电联供系统可用于一栋或者多栋建筑的冷、热、电能供应，系统的发电供用户自用，不仅减少了碳化物和有害气体的排放，而且提高了能源的利用效率。公共机构中的冷热电联供系统多采用“冗余”设计，它是在系统或设备完成任务起关键作用的地方，增加一套通道、单元或设备。当该部分出现故障时，系统仍能正常工作，从而减少系统或设备的故障率，提高其可靠性。

所述的大型数据中心的能量流动包括有分别连接电网供电的配电系统、制冷系统和IT设备。大型数据中心的能量流动过程见图6所示。能量来源为电网供电，能量消耗由配电系统耗电量、制冷系统耗电量和IT设备耗电量三部分组成。

下面给出具体实例：

选取智能园区Z为典型园区，将园区Z的能量传递系统分为供热系统和供电系统，分别分析园区Z供热系统和供电系统的能量来源和能量利用，并构建园区Z的多级能耗传递模型。

1)能量来源

园区Z的能量传递主要包括热能传递和电能传递。

(1)供热系统

Z园区采用以燃煤锅炉为热源的集中供热系统。供热中心锅炉房设有装机容量为2×20t/h蒸汽锅炉和1×29MW热水锅炉，1座汽水换首站；拥有热水管网111km，蒸汽管网17.8km，供热面积为224.2万m2，供热能力为每小时80t蒸汽(采暖折合成蒸汽)。

2014年，Z园区集中供热系统所消耗的能源种类包括煤炭、电力和水。其中，煤炭实物用量为27392t；电力为172.05万kWh，；自来水用量为256196t。按当量值计算，能源消耗总量为19814.19tce。

(2)供电系统

Z园区目前由1座110kV变电站T供电，主变容量为2×50MVA，电压等级为110/10kV。由15回10kV中压电缆线路供电，其中公用线路9回，公用线路总长度为72.5km；专用线路6回，专用线路总长度为14.6km；10kV线路总长度为87.1km。共有10kV配变105台，总容量为756MVA。

2014年，Z园区供电系统所消耗的能源为电能，共消耗7.2亿kWh。

2)能量利用

(1)供热系统

Z园区集中供热系统的能量利用可分为加工转换(锅炉)、输送分配(热能和电能输送和分配损失等)、终端使用(蒸汽和热水用户)三个环节。能源消耗流向如图7所示。

从图8和图9可以看出，供热水系统的总能源效率是50.72％，供蒸汽系统的总能源效率是42.45％，而且热损失均集中在热源厂、热力管网。

(2)供电系统

Z园区2014年全社会用电量为7.2亿kWh，年人均用电量指标6000kWh/人，最大负荷为14.4万kW。

2014年Z园区的综合网损率为7.9％，电量损耗共计0.57亿kWh。可见，Z园区的电量损耗较高。

3)Z园区多级能耗传递模型

根据上述分析，构建Z园区多级能耗传递模型，见图10。

Claims (10)

1.一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，包括，能量输入、能量损耗和能量消耗三部分，所述的能量输入是向智能园区输入的多种类型的能源E_I；所述的能量损耗是输入的能源在梯级利用时的损耗E_L，所述的能量消耗是输入的能源在智能园区中各终端用户的能量流动E_C，其中：

E_I＝E_C+E_L     (1)。

2.根据权利要求1所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的能量输入包括有电网供电、分布式电源、化石燃料和水，表示为：

E_I＝E_P+E_D+E_F+E_W     (2)

式中，E_P表示电网输入，E_D表示分布式电源输入，E_F表示化石燃料能源输入,E_W表示水能源输入。

3.根据权利要求2所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的分布式电源包括有风力发电和光伏发电。

4.根据权利要求1所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的能量损耗包括网级损耗、馈线级损耗和配变级损耗，表示为：

$E_L=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_j---\left(9\right)$

式中，E_j j＝1,2,…,n，其中，E_j表示能量在不同层级不同元件的损耗，j表示元件编号，n表示元件数量，所述的网级损耗包括有线路损耗，所述的馈线级损耗和配变级损耗均包括线路损耗和变压器损耗。

5.根据权利要求4所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的线路损耗是能量输入流经导线时以热能形式散发的功率损失，包括有：由于电流流经有电阻的导线造成的有功功率损耗，由于线路有电压而线间和线对接之间的绝缘有漏电造成的有功功率损耗，以及电晕损耗，其中，由于电流流经有电阻的导线造成的有功功率损耗是线损的最主要部分，计算公式见式如下，另外两部分的损耗只占极少的比例，不考虑，

$\mathrm{\&Delta;p}=R\frac{P^2+Q^2}{U^2}---\left(10\right)$

式中，△p表示线路损耗，P、Q分别为流经路线的有功功率和无功功率；U为路线上与P、Q同一点测得的电压；R为线路的电阻，与导线的截面、导线的材料和线路的长度有关。

6.根据权利要求4所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的变压器损耗是指电能流经变压器时以热能形式散发的功率损耗，包括铁损和铜损，其中，铁损近似等于变压器的额定电压下的空载损耗，铜损进行近似等于额定负载下的短路损耗与平均负载系数平方的乘积，计算公式如下：

△P_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k     (11)

式中，△P_T表示变压器损耗，P_Fe为铁损，P_cu为铜损，P₀为空载损耗，P_K为额定负载损耗，β为平均负载系数。

7.根据权利要求1所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的能量消耗中的各终端用户的能量流动E_C包括有工业用户、公共机构和大型数据中心的能量流动，表示为：

$E_C=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i---\left(8\right)$

式中，E_i i＝1,2,…,m，其中，E_i表示能量在各典型终端用户的消耗，i表示终端用户编号，m表示终端用户数量。

8.根据权利要求7所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的工业用户的能量流动包括有输入端分别连接电网供电、分布式电源、化石燃料的能量转换模块、能量利用模块和能量回收模块，所述的能量转换模块、能量利用模块和能量回收模块的输出均包括有向产品、副产品输出的能量和回收自用能量。

9.根据权利要求7所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的公共机构的能量流动是指冷热电联供系统，所述冷热电联供系统的能量输入端分别连接电网供电、化石燃料和水，所述冷热电联供系统的输出端分别连接电能、热能和冷能。

10.根据权利要求7所述的一种智能园区多级能耗传递模型，其特征在于，所述的大型数据中心的能量流动包括有分别连接电网供电的配电系统、制冷系统和IT设备。