CN111724045A - 基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法 - Google Patents

基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法：采集综合能源系统在不同典型日内的温度数据、负荷数据、可再生能源出力数据、购能数据以及能流数据；计算各典型日综合能源系统的各供能子系统能效与各能源转换环节能效，得到综合能效和可再生能源出力占比；各能效结果值与当地能效标准对比评价，得到能效较低的能源转换环节和供能子系统；对综合能源系统进行不同策略下模拟，得到能流数据，计算不同运行策略下的能效值，进行自身评价，得到能效较低的能源转换环节和供能子系统；对能效较低的能源转换环节和供能子系统分析，找出对能效影响较大的因素，进行改进。本发明对节约能源、提升可再生能源利用效率有着重要意义。

Description

基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法
技术领域
本发明属于综合能源系统运行评估领域，更具体的说，是涉及一种基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法。
背景技术
能源是人类赖以生存和发展的基础，是关系到国家安全稳定、国民经济发展的根本战略资源。由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生，终将走向枯竭，提高能源利用效率、加强可再生能源利用，已成为解决社会经济发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。
面对能源发展中的种种问题，能源互联网、综合能源系统等概念被提出。综合能源系统是能源互联网的物理载体，包含了电、气、热、冷等多个能源网络，主要涉及能源的生产、传输、转换、存储等环节，相较于传统能源分供系统，能实现多种能源之间的科学调度和能源的梯级利用。如何量化这种优势、实现对多能源系统低碳高效核心价值的准确评估，已成为当前综合能源系统研究领域普遍关注的重点问题。
现有的能效评估方法主要基于热力学第一定律和热力学第二定律，热力学第一定律侧重于能源‘量’的利用程度，通常用传统热效率评估输入输出能量的转化效率，并未对能源的品位进行区分，而热力学第二定律侧重于能源“质”的利用程度，利用
Figure BDA0002516504090000011
的大小评估能源做功能力的差异，实现了能源品位差异的度量。
此外，能效计算结果对综合能源系统的规划和运行有着指导价值，如何采用能效评估的结果合理调整综合能源系统运行策略从而实现能源利用效率的提升也成为当前能效研究的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是基于数据统计分析与运行模拟，对综合能源系统的综合能效以及各环节的能效进行计算和评价，最终给出能效提升的方法，即提出一种基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，将综合能源系统的能效分析细化分解为供能子系统和能源转换设备，可以实现对综合能源系统整体及各环节的能源利用效率的评估，并在此基础上通过自身评价和对比评价，分析出能源利用效率较低的环节，提出提升能效的方法，从而合理指导综合能源系统合理规划运行，该方法对节约能源、提升可再生能源利用效率有着重要的意义。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，包括以下步骤：
第一步：数据采集
采集综合能源系统在不同典型日内的温度数据、负荷数据、可再生能源出力数据、购能数据以及能流数据；
第二步：计算各典型日综合能源系统的各供能子系统的能效与各能源转换环节的能效，从而得到综合能效和可再生能源出力占比；
第三步：将第二步得到的各能效结果值与当地的能效标准进行对比评价，得到对比评价中能效较低的能源转换环节和供能子系统；
第四步：对综合能源系统进行不同运行策略下的运行模拟，得到能流数据，计算不同运行策略下的能效值，将不同运行策略下的能效值进行自身评价，得到自身评价中能效较低的能源转换环节和供能子系统；
第五步：对第三步和第四步得到的能效较低的能源转换环节和供能子系统进行分析，找出对能效影响较大的因素，并进行改进，从而提升能效。
第一步中数据采集的具体内容：
将综合能源系统分为终端用户层、设备层和传输层，并统计不同典型日各层级的负荷数据以及相关的温度数据，其中，
1)在终端用户层，所需统计的数据包括终端电、热、冷负荷，以及热、冷水负荷的温度；
2)在设备层，需要统计可再生能源出力数据和各设备的输出、输入端口的能流数据，以及各能量的状态及温度；
3)在传输层，需要统计从外部能源系统传输进入的购能数据和传输过程中各传输设备的用电量；
4)此外，还需统计典型日各时段的环境温度。
第二步中供能子系统主要分为供电子系统、供气子系统、供热子系统和供冷子系统，其中，
供电子系统的能效如下：
Figure BDA0002516504090000031
式中，T表示评估周期，
Figure BDA0002516504090000032
表示供电子系统的能量系统的能效；
Figure BDA0002516504090000033
表示评估周期内从外部电网输入的电能；
Figure BDA0002516504090000034
表示评估周期内其他能源转成的电能；
Figure BDA0002516504090000035
表示评估周期内可再生能源产生的电能；
Figure BDA0002516504090000036
表示评估周期内的纯电负荷；
Figure BDA0002516504090000037
表示评估周期内转换成的其他能源的电能；
Figure BDA0002516504090000038
和
Figure BDA0002516504090000039
分别表示评估周期初始和结束时储电装置内部的电能；
供气子系统的动力系统的能效如下：
Figure BDA00025165040900000310
式中，
Figure BDA00025165040900000311
表示供气子系统的能效；
Figure BDA00025165040900000312
表示评估周期内从外部天然气网络输入的天然气；
Figure BDA00025165040900000313
表示评估周期内其他能源转成的天然气；
Figure BDA00025165040900000314
表示评估周期内可再生能源产生的天然气；
Figure BDA00025165040900000315
表示评估周期内的纯气负荷；
Figure BDA00025165040900000316
表示评估周期内转换成的其他能源的天然气；
Figure BDA00025165040900000317
和
Figure BDA00025165040900000318
分别表示评估周期初始和结束时储气装置内部的天然气；
Figure BDA00025165040900000319
表示评估周期内用于天然气传输的电能，λg表示天然气的能质系数，λe表示电能的能质系数；
供热子系统的动力系统的能效如下：
Figure BDA00025165040900000320
式中，
Figure BDA00025165040900000321
表示供热子系统的能效；
Figure BDA00025165040900000322
表示评估周期内从外部热网络输入的热能；
Figure BDA00025165040900000323
表示评估周期内其他能源转成的热能；
Figure BDA00025165040900000324
表示评估周期内可再生能源产生的热能；
Figure BDA00025165040900000325
表示评估周期内的纯热负荷；
Figure BDA00025165040900000326
表示评估周期内转换成的其他能源的热能；
Figure BDA00025165040900000327
和
Figure BDA00025165040900000328
分别表示评估周期初始和结束时储热装置内部的热能；
Figure BDA00025165040900000329
表示评估周期内用于热能传输的电能；λh表示传输过程中热能的能质系数；
供冷子系统的动力系统的能效如下：
Figure BDA00025165040900000330
式中，
Figure BDA0002516504090000041
表示供冷子系统的能效；
Figure BDA0002516504090000042
表示评估周期内其他能源转成的冷能；
Figure BDA0002516504090000043
表示评估周期内可再生能源产生的冷能；
Figure BDA0002516504090000044
表示评估周期内的冷负荷；
Figure BDA0002516504090000045
和
Figure BDA0002516504090000046
分别表示评估周期初始和结束时储冷装置内部的冷能；
Figure BDA0002516504090000047
表示评估周期内用于冷能传输的电能；λc表示传输过程中冷能的能质系数。
第二步中能源转换环节主要分为电转热环节、电转冷环节、气转电和热环节、气转热环节和热转冷环节，其中，
电转热环节的能效为：
Figure BDA0002516504090000048
式中,
Figure BDA0002516504090000049
表示电转热环节的能效；
Figure BDA00025165040900000410
表示评估周期内电转热设备产生的热能；
Figure BDA00025165040900000411
表示评估周期内电转热设备消耗的电能；COPe-h表示电转热设备的能效比；
电转冷环节的能效为：
Figure BDA00025165040900000412
式中，
Figure BDA00025165040900000413
表示电转热环节的能效；
Figure BDA00025165040900000414
表示评估周期内电转热设备产生的热能；
Figure BDA00025165040900000415
表示评估周期内电转热设备消耗的电能；COPe-c表示电转热设备的能效比；
气转电和热环节的能效为：
Figure BDA00025165040900000416
式中，
Figure BDA00025165040900000417
表示气转电和热环节的能效；
Figure BDA00025165040900000418
表示评估周期内气转电和热设备产生的电能；
Figure BDA00025165040900000419
表示评估周期内气转电和热设备产生的热能；
Figure BDA00025165040900000420
表示评估周期内转电和热设备消耗的天然气；
Figure BDA00025165040900000421
表示气转电和热设备产电效率；
Figure BDA00025165040900000422
表示气转电和热设备产热效率；
气转热环节的能效为：
Figure BDA00025165040900000423
式中，
Figure BDA00025165040900000424
表示气转热环节的能效；
Figure BDA00025165040900000425
表示评估周期内气转热设备产生的热能；
Figure BDA00025165040900000426
表示评估周期内气转热设备消耗的天然气；
Figure BDA00025165040900000427
表示气转热设备产热效率；
热转冷环节的能效为：
Figure BDA0002516504090000051
式中,
Figure BDA0002516504090000052
表示热转冷环节的能效；
Figure BDA0002516504090000053
表示评估周期内热转冷设备消耗的热能；
Figure BDA0002516504090000054
表示评估周期内热转冷设备产生的冷能；ηh-c表示热转冷设备产冷效率。
第二步中综合能效为：
Figure BDA0002516504090000055
第二步中可再生能源出力占比为：
Figure BDA0002516504090000056
第三步中对比评价是指综合能源系统的能效与所评价地区的能效指标之间进行对比评价，采用三色灯法，通过当地的能效指标，确定上下阈值、平均值、上下分界线；处于上阈值和上分界线之间的为绿色优秀水平，处于上下分界线之间的为蓝色普通水平，处于下阈值与下分界线之间的为红色较差水平。
第四步中自身评价是指该综合能源系统在某典型日某种运行策略下的能效指标与其在不同典型日或不同运行策略下的能效指标进行对比；其中主要的运行策略有：
策略1：经济最优运行策略，综合能源系统以其购能费用最低为目标进行运行调度；其中，优化目标为：
Figure BDA0002516504090000057
式中，
Figure BDA0002516504090000058
表示评估周期T内综合能源系统的购能费用，fe(t)、fg(t)、fh(t)分别表示t时刻电、气、热的费用；
Figure BDA0002516504090000059
分别表示t时刻的购电、气、热的量；
策略2：综合能效最优运行策略，其中，优化目标为：
Figure BDA00025165040900000510
策略3：固定运行策略，储能装置与可再生能源出力装置按照某种固定策略运行，其中可采用的策略如下
策略3.1当可再生能源发电装置的输出功率大于其平均输出功率时，多余能量进入储电装置；反之，储电装置放电至平均输出功率：
Figure BDA0002516504090000061
式中，
Figure BDA0002516504090000062
表示t时刻储电装置的充放电功率，其中“+”表示充电状态，“－”表示放电状态；
Figure BDA0002516504090000063
表示储电装置的充放电效率；
Figure BDA0002516504090000064
表示可再生能源发电装置的平均出力功率；
Figure BDA0002516504090000065
表示t时刻可再生能源的发电量；
策略3.2：当可再生能源发电装置和CCHP机组的输出功率大于用电负荷需求时，多余的能量进入储电装置；当可再生能源发电装置和CCHP机组的输出功率小于用电负荷需求时，储电装置放电；储电装置的输出和可再生能源发电装置的总和不能超过系统负荷需求的β％：
Figure BDA0002516504090000066
式中，Le(t)表示t时刻的电负荷量；
Figure BDA0002516504090000067
表示t时刻CCHP机组的发电量。
策略3.3：当可再生能源发电装置和CCHP的输出功率大于用电负荷需求时，多余的能量进入储电装置；当可再生能源发电装置和CCHP的输出功率小于用电负荷需求时，储电装置放电以满足用电负荷需求：
Figure BDA0002516504090000068
策略1、2和3中的约束条件相同，包括：
①能量平衡约束：
Figure BDA0002516504090000069
式中，Pi(t)表示t时刻i能源的购入量；Vi(t)表示t时刻其他能源转换成i能源的能源量；Ri(t)表示t时刻i能源的可再生能源出力量；Li(t)表示t时刻i能源的负荷量；Wi(t)表示t时刻i能源转换成其他能源的能源量；Si(t)表示t时刻i能源的储能装置中的容量，
Figure BDA00025165040900000610
分别表示存储、传输和转换环节中的i能源的能量耗散
②设备额定功率约束：
Figure BDA00025165040900000611
式中，Pj(t)表示t时刻设备j的功率，
Figure BDA00025165040900000612
和
Figure BDA00025165040900000613
分别表示设备j的最小、最大功率；
③设备爬坡功率约束：
|Pj(t+1)-Pj(t)|≤δj
式中，δj表示设备j的爬坡速率；
④储能设备容量约束：
Figure BDA0002516504090000071
式中，
Figure BDA0002516504090000072
和
Figure BDA0002516504090000073
分别表示i能源的储能装置的最小和最大容量。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明将综合能源系统拆分成供能子系统和能源转换环节，在各供能子系统中考虑能源传输和存储环节的损耗以及能源传输过程中所需的驱动能量，在能源转换环节中考虑不同设备的能效比、环境可再生源的利用以及不同能源之间的折算系数，分别评估各子系统、各能源转换环节的能源利用效率，并分析其对整体能效的影响。该评估方法反映了综合能源系统对其购入能量与可再生能源的利用效率，并给出了提升能效的具体方法对综合能源系统的合理规划和优化运行有很强的借鉴意义。
附图说明
图1是综合能源系统的能量流图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，包括以下步骤：
(1)数据采集
采集综合能源系统在不同典型日内的温度数据、负荷数据、可再生能源出力数据、购能数据以及能流数据。
图1表示综合能源系统的能量流图，入口能量为园区外部天然气网、电网及热网输入的气、电、热能；出口能量为园区供给的气、电、热、冷负荷。
将综合能源系统分为终端用户层、设备层和传输层，并统计不同典型日各层级的负荷数据以及相关的温度数据，其中，
(1.1)在终端用户层，所需统计的数据包括终端电、热、冷等负荷，以及热、冷水负荷的温度；
(1.2)在设备层，需要统计可再生能源出力数据和各设备的输出、输入端口的能流数据，以及各能量的状态及温度；
(1.3)在传输层，需要统计从外部能源系统传输进入的购能数据和传输过程中各传输设备的用电量；
(1.4)此外，还需统计不同典型日各时段的环境温度。
(2)综合能源系统能效计算
综合能源系统主要分为供能子系统和能源转换环节，供能子系统主要分为供电子系统、供气子系统、供热子系统和供冷子系统等，能源转换环节主要分为电转热环节、电转冷环节、气转电和热环节、气转热环节和热转冷环节等。综合能源系统的能源利用效率评估指标包括该系统的综合能效和可再生能源出力占比。计算各典型日综合能源系统的各供能子系统的能效与各能源转换环节的能效，从而得到综合能效和可再生能源出力占比。其中，
(2.1)供电子系统的能量入口为从外部电网购入的电能、由能源转换装置产生的电能，能量出口为纯电负荷和用以转换成气、热、冷等其他能源的电能，并考虑储电装置内的电能。所述的供电子系统的能效如下：
Figure BDA00025165040900000814
式中，T表示评估周期，
Figure BDA0002516504090000081
表示供电子系统的能量系统的能效；
Figure BDA0002516504090000082
表示评估周期内从外部电网输入的电能；
Figure BDA0002516504090000083
表示评估周期内其他能源转成的电能；
Figure BDA0002516504090000084
表示评估周期内可再生能源产生的电能；
Figure BDA0002516504090000085
表示评估周期内的纯电负荷；
Figure BDA0002516504090000086
表示评估周期内转换成的其他能源的电能；
Figure BDA0002516504090000087
和
Figure BDA0002516504090000088
分别表示评估周期初始和结束时储电装置内部的电能。
(2.2)供气子系统的能量入口为从外部气网购入的天然气和由能源转换装置产生的天然气，出口为纯天然气负荷和用以转换成电、热、冷的天然气，并考虑储气装置内的天然气。所述的供气子系统的动力系统的能效如下：
Figure BDA0002516504090000089
式中，
Figure BDA00025165040900000810
表示供气子系统的能效；
Figure BDA00025165040900000811
表示评估周期内从外部天然气网络输入的天然气；
Figure BDA00025165040900000812
表示评估周期内其他能源转成的天然气；
Figure BDA00025165040900000813
表示评估周期内可再生能源产生的天然气；
Figure BDA0002516504090000091
表示评估周期内的纯气负荷；
Figure BDA0002516504090000092
表示评估周期内转换成的其他能源的天然气；
Figure BDA0002516504090000093
和
Figure BDA0002516504090000094
分别表示评估周期初始和结束时储气装置内部的天然气；
Figure BDA0002516504090000095
表示评估周期内用于天然气传输的电能，λg表示天然气的能质系数，λe表示电能的能质系数。
(2.3)供热子系统的能量入口为从外部热网购入的热能和由能源转换装置产生的热能，出口为纯热负荷和用以转换成冷能的热能，并考虑储热装置内的热能。所述的供热子系统的动力系统的能效如下：
Figure BDA0002516504090000096
式中，
Figure BDA0002516504090000097
表示供热子系统的能效；
Figure BDA0002516504090000098
表示评估周期内从外部热网络输入的热能；
Figure BDA0002516504090000099
表示评估周期内其他能源转成的热能；
Figure BDA00025165040900000910
表示评估周期内可再生能源产生的热能；
Figure BDA00025165040900000911
表示评估周期内的纯热负荷；
Figure BDA00025165040900000912
表示评估周期内转换成的其他能源的热能；
Figure BDA00025165040900000913
和
Figure BDA00025165040900000914
分别表示评估周期初始和结束时储热装置内部的热能；
Figure BDA00025165040900000915
表示评估周期内用于热能传输的电能；λh表示传输过程中热能的能质系数。
(2.4)供冷子系统的能量入口为由能源转换装置产生的热能，出口为冷负荷，并考虑储冷装置内的冷能。所述的供冷子系统的动力系统的能效如下：
Figure BDA00025165040900000916
式中，
Figure BDA00025165040900000917
表示供冷子系统的能效；
Figure BDA00025165040900000918
表示评估周期内其他能源转成的冷能；
Figure BDA00025165040900000919
表示评估周期内可再生能源产生的冷能；
Figure BDA00025165040900000920
表示评估周期内的冷负荷；
Figure BDA00025165040900000921
和
Figure BDA00025165040900000922
分别表示评估周期初始和结束时储冷装置内部的冷能；
Figure BDA00025165040900000923
表示评估周期内用于冷能传输的电能；λc表示传输过程中冷能的能质系数。
(2.5)电转热环节的入口能量为电能，出口能量为热能。转换设备按照是否利用可再生能源分成两类，一类为不利用可再生能源的电锅炉设备，另一类为利用可再生能源通过热泵消耗电能以此制热的设备，如空气源、地源热泵。所述的电转热环节的能效为：
Figure BDA00025165040900000924
式中，
Figure BDA00025165040900000925
表示电转热环节的能效；
Figure BDA00025165040900000926
表示评估周期内电转热设备产生的热能；
Figure BDA00025165040900000927
表示评估周期内电转热设备消耗的电能；COPe-h表示电转热设备的能效比。
(2.6)电转冷环节的入口能量为电能，出口能量为冷能。转换设备按照是否利用可再生能源分成两类，一类为不利用可再生能源的电空调设备，另一类为利用可再生能源通过热泵消耗电能以此制冷的设备，如空气源、地源热泵。所述的电转冷环节的能效为：
Figure BDA0002516504090000101
式中，
Figure BDA0002516504090000102
表示电转热环节的能效；
Figure BDA0002516504090000103
表示评估周期内电转热设备产生的热能；
Figure BDA0002516504090000104
表示评估周期内电转热设备消耗的电能；COPe-c表示电转热设备的能效比。
(2.7)气转电和热环节的入口能量为天然气，出口能量为电能和热能。主要涉及的设备为CHP机组。所述的气转电和热环节的能效为：
Figure BDA0002516504090000105
式中，
Figure BDA0002516504090000106
表示气转电和热环节的能效；
Figure BDA0002516504090000107
表示评估周期内气转电和热设备产生的电能；
Figure BDA0002516504090000108
表示评估周期内气转电和热设备产生的热能；
Figure BDA0002516504090000109
表示评估周期内转电和热设备消耗的天然气；
Figure BDA00025165040900001010
表示气转电和热设备产电效率；
Figure BDA00025165040900001011
表示气转电和热设备产热效率。
(2.8)气转热环节的入口能量为天然气，出口能量为热能。主要涉及的设备为燃气锅炉。所述的气转热环节的能效为：
Figure BDA00025165040900001012
式中，
Figure BDA00025165040900001013
表示气转热环节的能效；
Figure BDA00025165040900001014
表示评估周期内气转热设备产生的热能；
Figure BDA00025165040900001015
表示评估周期内气转热设备消耗的天然气；
Figure BDA00025165040900001016
表示气转热设备产热效率。
(2.9)热转冷环节的入口能量为热能，出口能量为冷能。主要涉及的设备为溴化锂制冷机。所述的热转冷环节的能效为：
Figure BDA00025165040900001017
式中，
Figure BDA00025165040900001018
表示热转冷环节的能效；
Figure BDA00025165040900001019
表示评估周期内热转冷设备消耗的热能；
Figure BDA00025165040900001020
表示评估周期内热转冷设备产生的冷能；ηh-c表示热转冷设备产冷效率。
(2.10)综合能源系统的综合能效是指该系统中对于由外部能源网络输入的天然气、电能、热能等需要购买的能源的利用效率。所述的综合能效为：
Figure BDA0002516504090000111
式中，
Figure BDA0002516504090000112
表示综合能效。
(2.11)综合能源系统可再生能源出力占比是评估综合能源系统对于可计量的可再生能源(如风机、光伏发电产生的电能，地热能产生的热能)的利用程度，而风机所运用的风能以及光伏发电装置所利用的光能由于因计量困难，故不予计入，所述的可再生能源出力占比
Figure BDA0002516504090000113
为：
Figure BDA0002516504090000114
(2.12)综合能源系统中涉及多种能源如天然气、电、热、冷等，而不同能源的存在品位差异，因此可利用热力学第二定律中
Figure BDA00025165040900001111
的概念进行能效评估。
Figure BDA00025165040900001112
描述了系统达到热力学寂态所能做出的最大有效功，是一种可以同时衡量能量数量和质量的物理量，其值与能源的形态、温度以及环境温度有关，能质系数的定义为：不同能源对外所能够做的功和其总能量的比值，表示每单位能量中所含
Figure BDA00025165040900001113
值的大小。其中，
(2.12.1)所述的天然气的能质系数λg为：
Figure BDA0002516504090000115
式中，T0表示环境温度，单位为K；Tg表示天然气的完全燃烧温度，通常取1300℃，即为1573.15K。
(2.12.2)所述的电能的能质系数λe为1。
(2.12.3)热能的能质系数λh分为三种，分别为蒸汽、热水、终端热负荷的能质系数，所述的能质系数如下：
Figure BDA0002516504090000116
Figure BDA0002516504090000117
Figure BDA0002516504090000118
式中，
Figure BDA0002516504090000119
和
Figure BDA00025165040900001110
分别表示蒸汽、热水、终端热负荷的能质系数；Tin和Tout分别表示热水供、回水温度；Tsteam表示蒸汽压力所对应的饱和温度，Th表示热负荷的温度，单位均为K。
(2.12.4)所述的冷能的能质系数λc为：
Figure BDA0002516504090000121
式中，Tc表示冷负荷的温度，单位为K。
第三步：将第二步得到的各能效结果值与当地的能效标准进行对比评价，得到对比评价中能效较低的能源转换环节和供能子系统。
对比评价是指综合能源系统的能效与所评价地区的能效指标之间进行对比评价，采用三色灯法，通过当地的能效指标，确定上下阈值、平均值、上下分界线。处于上阈值和上分界线之间的为绿色优秀水平，处于上下分界线之间的为蓝色普通水平，处于下阈值与下分界线之间的为红色较差水平。
第四步：对综合能源系统进行不同运行策略下的运行模拟，得到能流数据，计算不同运行策略下的能效值，将不同运行策略下的能效值进行自身评价，得到自身评价中能效较低的能源转换环节和供能子系统。
自身评价是指该综合能源系统在某典型日某种运行策略下的能效指标与其在不同典型日或不同运行策略下的能效指标进行对比。其中主要的运行策略有：
策略1：经济最优运行策略，综合能源系统以其购能费用最低为目标进行运行调度；其中，优化目标为：
Figure BDA0002516504090000122
式中，
Figure BDA0002516504090000123
表示评估周期T内综合能源系统的购能费用，fe(t)、fg(t)、fh(t)分别表示t时刻电、气、热的费用；
Figure BDA0002516504090000124
分别表示t时刻的购电、气、热的量。
策略2：综合能效最优运行策略，其中，优化目标为：
Figure BDA0002516504090000125
策略3：固定运行策略，储能装置与可再生能源出力装置按照某种固定策略运行，其中可采用的策略如下
策略3.1当可再生能源发电装置的输出功率大于其平均输出功率时，多余能量进入储电装置；反之，储电装置放电至平均输出功率：
Figure BDA0002516504090000126
式中，
Figure BDA0002516504090000131
表示t时刻储电装置的充放电功率，其中“+”表示充电状态，“－”表示放电状态；
Figure BDA0002516504090000132
表示储电装置的充放电效率；
Figure BDA0002516504090000133
表示可再生能源发电装置的平均出力功率；
Figure BDA0002516504090000134
表示t时刻可再生能源的发电量。
策略3.2：当可再生能源发电装置和CCHP机组的输出功率大于用电负荷需求时，多余的能量进入储电装置；当可再生能源发电装置和CCHP机组的输出功率小于用电负荷需求时，储电装置放电；储电装置的输出和可再生能源发电装置的总和不能超过系统负荷需求的β％：
Figure BDA0002516504090000135
式中，Le(t)表示t时刻的电负荷量；
Figure BDA0002516504090000136
表示t时刻CCHP机组的发电量。
策略3.3：当可再生能源发电装置和CCHP的输出功率大于用电负荷需求时，多余的能量进入储电装置；当可再生能源发电装置和CCHP的输出功率小于用电负荷需求时，储电装置放电以满足用电负荷需求：
Figure BDA0002516504090000137
策略1、2和3中的约束条件相同，包括：
①能量平衡约束：
Figure BDA0002516504090000138
式中，Pi(t)表示t时刻i能源的购入量；Vi(t)表示t时刻其他能源转换成i能源的能源量；Ri(t)表示t时刻i能源的可再生能源出力量；Li(t)表示t时刻i能源的负荷量；Wi(t)表示t时刻i能源转换成其他能源的能源量；Si(t)表示t时刻i能源的储能装置中的容量，
Figure BDA0002516504090000139
分别表示存储、传输和转换环节中的i能源的能量耗散。
②设备额定功率约束：
Figure BDA00025165040900001310
式中，Pj(t)表示t时刻设备j的功率，
Figure BDA00025165040900001311
和
Figure BDA00025165040900001312
分别表示设备j的最小、最大功率。
③设备爬坡功率约束：
|Pj(t+1)-Pj(t)|≤δj (24)
式中，δj表示设备j的爬坡速率。
④储能设备容量约束：
Figure BDA0002516504090000141
式中，
Figure BDA0002516504090000142
和
Figure BDA0002516504090000143
分别表示i能源的储能装置的最小和最大容量。
第五步：针对第三步和第四步得到的能效较低的能源转换环节和供能子系统，对其中的不同变量求偏导进行分析，找出对能效影响较大的因素，并进行调节改进，则可快速高效地提提升能效。
以气转电和热环节为例：
Figure BDA0002516504090000144
Figure BDA0002516504090000145
由上式可知，气转电和热环节的能效与热的能质系数正相关，与天然气的能质系数负相关。
若继续深入分析，代入能质系数的公式，则式(7)可表示为：
Figure BDA0002516504090000146
在此情况下，若想得知环境温度T0对能效的影响，可对其求一阶偏导
Figure BDA0002516504090000147
从而获知该能源转换效率公式(28)的单调性和极值。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：数据采集
采集综合能源系统在不同典型日内的温度数据、负荷数据、可再生能源出力数据、购能数据以及能流数据；
第二步：计算各典型日综合能源系统的各供能子系统的能效与各能源转换环节的能效，从而得到综合能效和可再生能源出力占比；
第三步：将第二步得到的各能效结果值与当地的能效标准进行对比评价，得到对比评价中能效较低的能源转换环节和供能子系统；
第四步：对综合能源系统进行不同运行策略下的运行模拟，得到能流数据，计算不同运行策略下的能效值，将不同运行策略下的能效值进行自身评价，得到自身评价中能效较低的能源转换环节和供能子系统；
第五步：对第三步和第四步得到的能效较低的能源转换环节和供能子系统进行分析，找出对能效影响较大的因素，并进行改进，从而提升能效。
2.根据权利要求1所述的基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，第一步中数据采集的具体内容：
将综合能源系统分为终端用户层、设备层和传输层，并统计不同典型日各层级的负荷数据以及相关的温度数据，其中，
1)在终端用户层，所需统计的数据包括终端电、热、冷负荷，以及热、冷水负荷的温度；
2)在设备层，需要统计可再生能源出力数据和各设备的输出、输入端口的能流数据，以及各能量的状态及温度；
3)在传输层，需要统计从外部能源系统传输进入的购能数据和传输过程中各传输设备的用电量；
4)此外，还需统计典型日各时段的环境温度。
3.根据权利要求1所述的基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，第二步中供能子系统主要分为供电子系统、供气子系统、供热子系统和供冷子系统，其中，
供电子系统的能效如下：
Figure FDA0002516504080000021
式中，T表示评估周期，
Figure FDA0002516504080000022
表示供电子系统的能量系统的能效；
Figure FDA0002516504080000023
表示评估周期内从外部电网输入的电能；
Figure FDA0002516504080000024
表示评估周期内其他能源转成的电能；
Figure FDA0002516504080000025
表示评估周期内可再生能源产生的电能；
Figure FDA0002516504080000026
表示评估周期内的纯电负荷；
Figure FDA0002516504080000027
表示评估周期内转换成的其他能源的电能；
Figure FDA0002516504080000028
和
Figure FDA0002516504080000029
分别表示评估周期初始和结束时储电装置内部的电能；
供气子系统的动力系统的能效如下：
Figure FDA00025165040800000210
式中，
Figure FDA00025165040800000211
表示供气子系统的能效；
Figure FDA00025165040800000212
表示评估周期内从外部天然气网络输入的天然气；
Figure FDA00025165040800000213
表示评估周期内其他能源转成的天然气；
Figure FDA00025165040800000214
表示评估周期内可再生能源产生的天然气；
Figure FDA00025165040800000215
表示评估周期内的纯气负荷；
Figure FDA00025165040800000216
表示评估周期内转换成的其他能源的天然气；
Figure FDA00025165040800000217
和
Figure FDA00025165040800000218
分别表示评估周期初始和结束时储气装置内部的天然气；
Figure FDA00025165040800000219
表示评估周期内用于天然气传输的电能，λg表示天然气的能质系数，λe表示电能的能质系数；
供热子系统的动力系统的能效如下：
Figure FDA00025165040800000220
式中，
Figure FDA00025165040800000221
表示供热子系统的能效；
Figure FDA00025165040800000222
表示评估周期内从外部热网络输入的热能；
Figure FDA00025165040800000223
表示评估周期内其他能源转成的热能；
Figure FDA00025165040800000224
表示评估周期内可再生能源产生的热能；
Figure FDA00025165040800000225
表示评估周期内的纯热负荷；
Figure FDA00025165040800000226
表示评估周期内转换成的其他能源的热能；
Figure FDA00025165040800000227
和
Figure FDA00025165040800000228
分别表示评估周期初始和结束时储热装置内部的热能；
Figure FDA00025165040800000229
表示评估周期内用于热能传输的电能；λh表示传输过程中热能的能质系数；
供冷子系统的动力系统的能效如下：
Figure FDA00025165040800000230
式中，
Figure FDA00025165040800000231
表示供冷子系统的能效；
Figure FDA00025165040800000232
表示评估周期内其他能源转成的冷能；
Figure FDA00025165040800000233
表示评估周期内可再生能源产生的冷能；
Figure FDA00025165040800000234
表示评估周期内的冷负荷；
Figure FDA00025165040800000235
和
Figure FDA00025165040800000236
分别表示评估周期初始和结束时储冷装置内部的冷能；
Figure FDA0002516504080000031
表示评估周期内用于冷能传输的电能；λc表示传输过程中冷能的能质系数。
4.根据权利要求1所述的基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，第二步中能源转换环节主要分为电转热环节、电转冷环节、气转电和热环节、气转热环节和热转冷环节，其中，
电转热环节的能效为：
Figure FDA0002516504080000032
式中,
Figure FDA0002516504080000033
表示电转热环节的能效；
Figure FDA0002516504080000034
表示评估周期内电转热设备产生的热能；
Figure FDA0002516504080000035
表示评估周期内电转热设备消耗的电能；COPe-h表示电转热设备的能效比；
电转冷环节的能效为：
Figure FDA0002516504080000036
式中,
Figure FDA0002516504080000037
表示电转热环节的能效；
Figure FDA0002516504080000038
表示评估周期内电转热设备产生的热能；
Figure FDA0002516504080000039
表示评估周期内电转热设备消耗的电能；COPe-c表示电转热设备的能效比；
气转电和热环节的能效为：
Figure FDA00025165040800000310
式中,
Figure FDA00025165040800000311
表示气转电和热环节的能效；
Figure FDA00025165040800000312
表示评估周期内气转电和热设备产生的电能；
Figure FDA00025165040800000313
表示评估周期内气转电和热设备产生的热能；
Figure FDA00025165040800000314
表示评估周期内转电和热设备消耗的天然气；
Figure FDA00025165040800000315
表示气转电和热设备产电效率；
Figure FDA00025165040800000316
表示气转电和热设备产热效率；
气转热环节的能效为：
Figure FDA00025165040800000317
式中,
Figure FDA00025165040800000318
表示气转热环节的能效；
Figure FDA00025165040800000319
表示评估周期内气转热设备产生的热能；
Figure FDA00025165040800000320
表示评估周期内气转热设备消耗的天然气；
Figure FDA00025165040800000321
表示气转热设备产热效率；
热转冷环节的能效为：
Figure FDA00025165040800000322
式中,
Figure FDA0002516504080000041
表示热转冷环节的能效；
Figure FDA0002516504080000042
表示评估周期内热转冷设备消耗的热能；
Figure FDA0002516504080000043
表示评估周期内热转冷设备产生的冷能；ηh-c表示热转冷设备产冷效率。
5.根据权利要求1所述的基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，第二步中综合能效为：
Figure FDA0002516504080000044
6.根据权利要求1所述的基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，第二步中可再生能源出力占比为：
Figure FDA0002516504080000045
7.根据权利要求1所述的基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，第三步中对比评价是指综合能源系统的能效与所评价地区的能效指标之间进行对比评价，采用三色灯法，通过当地的能效指标，确定上下阈值、平均值、上下分界线；处于上阈值和上分界线之间的为绿色优秀水平，处于上下分界线之间的为蓝色普通水平，处于下阈值与下分界线之间的为红色较差水平。
8.根据权利要求1所述的基于数据驱动的综合能源系统能效评价与提升方法，其特征在于，第四步中自身评价是指该综合能源系统在某典型日某种运行策略下的能效指标与其在不同典型日或不同运行策略下的能效指标进行对比；其中主要的运行策略有：
策略1：经济最优运行策略，综合能源系统以其购能费用最低为目标进行运行调度；其中，优化目标为：
Figure FDA0002516504080000046
式中，
Figure FDA0002516504080000047
表示评估周期T内综合能源系统的购能费用，fe(t)、fg(t)、fh(t)分别表示t时刻电、气、热的费用；
Figure FDA0002516504080000048
分别表示t时刻的购电、气、热的量；
策略2：综合能效最优运行策略，其中，优化目标为：
Figure FDA0002516504080000049
策略3：固定运行策略，储能装置与可再生能源出力装置按照某种固定策略运行，其中可采用的策略如下
策略3.1当可再生能源发电装置的输出功率大于其平均输出功率时，多余能量进入储电装置；反之，储电装置放电至平均输出功率：
Figure FDA0002516504080000051
式中，
Figure FDA0002516504080000052
表示t时刻储电装置的充放电功率，其中“+”表示充电状态，“－”表示放电状态；
Figure FDA0002516504080000053
表示储电装置的充放电效率；
Figure FDA0002516504080000054
表示可再生能源发电装置的平均出力功率；
Figure FDA0002516504080000055
表示t时刻可再生能源的发电量；
策略3.2：当可再生能源发电装置和CCHP机组的输出功率大于用电负荷需求时，多余的能量进入储电装置；当可再生能源发电装置和CCHP机组的输出功率小于用电负荷需求时，储电装置放电；储电装置的输出和可再生能源发电装置的总和不能超过系统负荷需求的β％：
Figure FDA0002516504080000056
式中，Le(t)表示t时刻的电负荷量；
Figure FDA0002516504080000057
表示t时刻CCHP机组的发电量。
策略3.3：当可再生能源发电装置和CCHP的输出功率大于用电负荷需求时，多余的能量进入储电装置；当可再生能源发电装置和CCHP的输出功率小于用电负荷需求时，储电装置放电以满足用电负荷需求：
Figure FDA0002516504080000058
策略1、2和3中的约束条件相同，包括：
①能量平衡约束：
Figure FDA0002516504080000059
式中，Pi(t)表示t时刻i能源的购入量；Vi(t)表示t时刻其他能源转换成i能源的能源量；Ri(t)表示t时刻i能源的可再生能源出力量；Li(t)表示t时刻i能源的负荷量；Wi(t)表示t时刻i能源转换成其他能源的能源量；Si(t)表示t时刻i能源的储能装置中的容量，
Figure FDA00025165040800000510
分别表示存储、传输和转换环节中的i能源的能量耗散
②设备额定功率约束：
Figure FDA0002516504080000061
式中，Pj(t)表示t时刻设备j的功率，
Figure FDA0002516504080000062
和
Figure FDA0002516504080000063
分别表示设备j的最小、最大功率；
③设备爬坡功率约束：
|Pj(t+1)-Pj(t)|≤δj
式中，δj表示设备j的爬坡速率；
④储能设备容量约束：
Figure FDA0002516504080000064
式中，
Figure FDA0002516504080000065
和
Figure FDA0002516504080000066
分别表示i能源的储能装置的最小和最大容量。
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