CN109919401B - 一种多能互补系统的多维能效分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能互补系统的多维能效分析方法，包括：(1)采集多能互补系统中能源管网及关键能耗设备的运行数据；(2)建立基于能源介质平衡分析和能量平衡分析的能源经济指标模型；(3)建立基于重点设备能效和可靠性分析的能源技术指标模型；步骤；(4)建立基于能源质量和对标分析的运行指标模型；(5)结合能源经济指标、能源技术指标以及运行指标，建立多能互补系统的多维度能效分析模型，建立指标体系，最终通过多维能效分析方法指导多能互补系统运行调度，为系统的优化运行提供技术支撑。

Description

一种多能互补系统的多维能效分析方法

技术领域

本发明具体涉及一种多能互补系统的多维能效分析方法。

背景技术

在传统体制上，电、热、水、气等分属不同部门管辖，各能源品种单兵作战既难以满足新时代用户多样化的个性需求，又不利于降本增效。多能互补能源系统是传统能源应用的拓展，是一体化整合理念在能源系统工程领域的具象化，使得分布式能源的应用由点扩展到面，由局部走向系统。具体而言，多能互补系统是指可包容多种能源资源输入，并具有多种产出功能和输运形式的“区域能源互联网”系统。它不是多种能源的简单叠加，而要在系统高度上按照不同能源品味的高低进行综合互补利用，并统筹安排好各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理能源利用效果与效益。

在传统的能源系统中，冷、热、电往往相互独立设计、运行和控制，不同的供能、用能系统主体不能进行整体上的协调、配合和优化，导致能源整体利用率不高。多能互补综合能源系统特指在规划、建设和运行等过程中，通过对冷、热、电、多种能源的生产、传输、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后所形成的能源产供销一体化系统，一方面实现了能源的梯级利用，提高能源的综合利用水平，另一方面利用各个能源系统之间在时空上的耦合机制，实现对多种能源的综合管理与协调互补。此外，传统的能源系统能效分析通常采用单一指标：或以经济效益的好坏来判定、或以运行效果的优劣来判定。然而，这些单一的指标往往彼此排斥：节能效果优异的能源系统可能是以较高的系统成本为代价；而经济收益良好的系统则不能获得理想的节能效果。为此，有必要引入一种全新的方法从多个角度全方位分析影响系统能效的各种因素。

由此可见，多维度的能效分析对指导多能互补系统优化运行意义重大。但目前多能互补系统由于影响因素多，工况变化大且多种能源耦合，缺少一个统一的能效分析指标；且经济、运行及技术指标尚未建立，而三个指标又相互关联，因此需要研究一种综合的能效分析方法，能够兼顾多项指标，且与运行工况相结合。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种多能互补系统的多维能效分析方法，能够给予运行人员简单明了的分析结果，从而为多能互补系统运行调度，能源管理提供指导，为实现多能互补系统能源供应与运营的精益化管控，各能源生产系统间的高效集成与优化调控提供技术支撑。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种多能互补系统的多维能效分析方法，包括以下步骤：

(1)采集多能互补系统中能源管网和选定能耗设备的运行数据；

(2)建立基于能源介质平衡分析和能量平衡分析的能源经济指标模型，并计算多能互补系统的能源介质和能量流的各环节的能源消耗总量、能源转换效率、传输效率、使用效率、整套多能互补系统的能源利用效率；

(3)建立基于选定设备能效和可靠性分析的能源技术指标模型；利用步骤(1)中采集的选定能耗设备的运行数据，建立其能耗模型、根据性能试验的标准，计算相关能耗指标；通过对选定能耗设备的平均无故障时间、关键设备故障次数、关键设备平均修复时间的分析，建立设备可靠性分析模型；

(4)建立基于能源质量和对标分析的运行指标模型；选取系统运行数据为典型状态参量，并根据系统用户侧对供能质量的需求，生成关键能源供应关键节点上能源质量分析和对标分析；

(5)结合能源经济指标、能源技术指标以及运行指标，建立多能互补系统的多维度分析模型，以实现建立完整的指标体系，指导多能互补系统运行调度。

进一步地，所述步骤(1)中的能源管网和选定能耗设备的运行数据包括实时流入管网量、流出管网的量、放散量

进一步地，所述步骤(2)中的建立能源介质平衡分析模型，具体为：根据能源介质守恒定律，实时流入能源管网量、流出能源管网的量和放散量，计算整个能源管网的介质不平衡量：

式中：i＝1,2,3，....N，表示第i股能源介质；in_total表示能源管网介质流入总量；in_q_i表示各节点介质流入能源管网量；fs_total表示能源管网介质放散量或泄露总量；fs_q_i表示各节点介质放散量；xh_total表示能源管网介质消耗总量；xh_q_i表示各节点介质消耗量；error_total表示整个管网的介质不平衡量；

进一步地，所述建立能源折标计算模型，具体为：

E_i＝e_i×p_i

式中：E_i表示能源折标量；e_i表示生产中消耗的第i种能源实物量；p_i表示第i种能源的折算系数，按能量的当量值或能源的等价值折算。

进一步地，所述建立能源经济指标计算模型，计算系统能源利用率，具体为：

η_e＝(E₂/E₁)×100％

式中：η_e表示能源利用率；E₁表示输入能量；E₃表示有效能量。

进一步地，所述步骤(5)为：建立多能互补系统的多维度分析模型，通过对样本集采用模糊聚类分析，以聚类类心来确定优、中、差分类准则，结合能源经济指标、能源技术指标以及运行指标三个维度的分析指标，获得三个维度表征热风炉能耗状态的优、中和差分类的症状集矩阵，进而建立完整的指标体系，指导多能互补系统运行调度；具体包括以下步骤：

(5.1)对指标样本数据采用聚类方法进行聚类，将指标样本数据聚类成优、中、差三类s₁、s₂、s₃典型状态；

S＝{s₁，s₂，s₃}

(5.2)结合三个维度的能耗分析指标类心，得到3行3列的症状集矩阵：

0≤λ_ij≤1表示优、中、差能耗分析指标聚类类心；

(5.3)采集多能互补系统实时运行的数据，采用模式识别方法将能耗分析指标特征向量与症状集进行匹配，从而得到多能互补系统运行的最终分析结果。

本发明的有益效果：

(1)本发明首次提出了多能互补系统的多维能效分析的概念，对提高系统的能源利用效率，能耗设备优化运行都具有积极作用。

(2)本发明首次建立了多能互补系统的经济、技术、运行及综合指标，有促进能源系统实现在线的对标分析、调度建议及运行指导。

(3)本发明提出的多维能效分析方法，为多能互补系统的实时优化调度和评估考核提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明一种实施例的多能互补系统的多维能效分析方法的逻辑示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明提供一种多能互补系统的多维能效分析方法，通过采集多能互补系统中能源管网及关键能耗设备的运行数据，建立基于能源介质平衡分析和能量平衡分析的能源经济指标模型、基于重点设备能效和可靠性分析的能源技术指标模型以及基于能源质量和对标分析的运行指标模型，结合以上三个指标，建立多能互补系统的多维度分析模型，建立指标体系，最终通过多维能效分析方法指导多能互补系统运行调度，为系统的优化运行提供技术支撑。分析方法算法模型如图1所示：

步骤1：通过多能互补综合管理平台采集系统中能源管网和关键能耗设备的运行数据。

步骤2：建立基于能源介质平衡分析和能量平衡分析的能源经济指标模型，计算多能互补系统的能源介质和能量流各环节的能源消耗总量、能源转换效率、传输效率、使用效率等经济指标，以及整套多能互补系统的能源利用效率。具体如下：

(1)建立能源介质平衡模型，根据能源介质守恒定律，实时流入管网量、流出管网的量和放散量，计算整个管网的介质不平衡量。

式中：i＝1,2,3，....N，表示第i股能源介质；in_total，管网介质流入总量；fs_total，管网介质放散量或泄露总量；xh_total，管网介质消耗总量；in_q，各节点介质流入量；fs_q，各节点介质放散量；xh_q，各节点介质消耗量；error_total,能量平衡。

(2)建立能源折标计算模型，实现能源在生产、消耗、转换、传输等环节的指标计算.

E_i＝e_i×p_i

式中：E_i，能源折标量；e_i，生产中消耗的第i种能源实物量；p_i，第i种能源的折算系数，按能量的当量值或能源的等价值折算。

(3)建立能源经济指标计算模型，计算系统能源利用率。

η_e＝(E₂/E₁)×100％

式中：η_e，能源利用率；E₁，输入能量；E₃，有效能量。

步骤3：建立基于重点设备能效和可靠性分析的能源技术指标模型。选取多能互补系统关键能耗设备的运行数据，建立其能耗模型、根据性能试验的标准，计算相关能耗指标；通过对关键能耗设备的平均无故障时间、关键设备故障次数、关键设备平均修复时间的分析，建立设备可靠性分析模型。

步骤4：建立基于能源质量和对标分析的运行指标模型。选取系统运行数据为典型状态参量，并根据系统用户侧对供能质量的需求，生成关键能源供应关键节点上能源质量分析和对标分析。

步骤5：结合能源经济指标、能源技术指标以及运行指标，建立多能互补系统的多维度分析模型，通过对样本集采用模糊聚类分析，以聚类类心来确定优、中、差分类准则。结合经济、运行、技术三个维度的分析指标，获得三个维度表征热风炉能耗状态的优、中和差分类的症状集矩阵，进而建立完整的指标体系，指导多能互补系统运行调度。具体步骤包括：

(1)对指标样本数据采用聚类方法进行聚类，将样本聚类成优、中、差三类s₁、s₂、s₃典型状态；

S＝{s₁，s₂，s₃}

(2)结合三个维度的能耗分析指标类心，得到3行3列的症状集矩阵；

0≤λ_ij≤1表示优、中、差能耗分析指标聚类类心。

(3)采集多能互补系统实时运行的数据，采用模式识别方法将能耗分析指标特征向量与症状集进行匹配，要得到综合的分析结果，需要确定各维度分析指标的权重值。考虑到多能互补系统中三个分析指标的重要性不同，因此各指标的权重分配如下：能源经济指标权重为0.4，能源技术指标权重为0.3，能源运行指标权重为0.3，根据最大隶属度原则，可得到综合分析结果。

运行人员根据综合分析结果，可以实时指导多能互补系统进行对标分析、调整建议及运行指导，为总体能源调度和优化控制提供依据，同时也可以根据分析结果对多能互补系统进行评估和考核。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种多能互补系统的多维能效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集多能互补系统中能源管网和选定能耗设备的运行数据；

(2)建立基于能源介质平衡分析和能量平衡分析的能源经济指标模型，并计算多能互补系统的能源介质和能量流的各环节的能源消耗总量、能源转换效率、传输效率、使用效率、整套多能互补系统的能源利用效率；

(3)建立基于选定设备能效和可靠性分析的能源技术指标模型；利用步骤(1)中采集的选定能耗设备的运行数据，建立其能耗模型、根据性能试验的标准，计算相关能耗指标；通过对选定能耗设备的平均无故障时间、关键设备故障次数、关键设备平均修复时间的分析，建立设备可靠性分析模型；

(4)建立基于能源质量和对标分析的运行指标模型；选取系统运行数据为典型状态参量，并根据系统用户侧对供能质量的需求，生成关键能源供应关键节点上能源质量分析和对标分析；

(5)结合能源经济指标、能源技术指标以及运行指标，建立多能互补系统的多维度分析模型，以实现建立完整的指标体系，指导多能互补系统运行调度；

所述步骤(2)中的建立能源介质平衡分析模型，具体为：根据能源介质守恒定律，实时流入能源管网量、流出能源管网的量和放散量，计算整个能源管网的介质不平衡量：

式中：i＝1,2,3，....N，表示第i股能源介质；in_total表示能源管网介质流入总量；in_q_i表示各节点介质流入能源管网量；fs_total表示能源管网介质放散量或泄露总量；fs_q_i表示各节点介质放散量；xh_total表示能源管网介质消耗总量；xh_q_i表示各节点介质消耗量；error_total表示整个管网的介质不平衡量；

所述建立能源折标计算模型，具体为：

E_i＝e_i×p_i

式中：E_i表示能源折标量；e_i表示生产中消耗的第i种能源实物量；p_i表示第i种能源的折算系数，按能量的当量值或能源的等价值折算；

所述建立能源经济指标计算模型，计算系统能源利用率，具体为：

η_e＝(E₂/E₁)×100％

式中：η_e表示能源利用率；E₁表示输入能量；E₃表示有效能量。

2.根据权利要求1所述的一种多能互补系统的多维能效分析方法，其特征在于：所述步骤(1)中的能源管网和选定能耗设备的运行数据包括实时流入管网量、流出管网的量、放散量。

3.根据权利要求1所述的一种多能互补系统的多维能效分析方法，其特征在于：所述步骤(5)为：建立多能互补系统的多维度分析模型，通过对样本集采用模糊聚类分析，以聚类类心来确定优、中、差分类准则，结合能源经济指标、能源技术指标以及运行指标三个维度的分析指标，获得三个维度表征热风炉能耗状态的优、中和差分类的症状集矩阵，进而建立完整的指标体系，指导多能互补系统运行调度；具体包括以下步骤：

(5.1)对指标样本数据采用聚类方法进行聚类，将指标样本数据聚类成优、中、差三类s₁、s₂、s₃典型状态；

S＝{s₁，s₂，s₃}

(5.2)结合三个维度的能耗分析指标类心，得到3行3列的症状集矩阵：

0≤λ_ij≤1表示优、中、差能耗分析指标聚类类心；

(5.3)采集多能互补系统实时运行的数据，采用模式识别方法将能耗分析指标特征向量与症状集进行匹配，从而得到多能互补系统运行的最终分析结果。

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