CN112465214B - 一种综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法，该方法包括如下步骤：步骤S1，建立综合能源系统各类典型物理设备与各能流的连接矩阵，计算各能流的能流耦合度并进行归一化；步骤S2，使用熵权法确定每个能流在规划阶段耦合度计算中的权重值，并依据权重值计算综合能源系统规划阶段耦合度；步骤S3，针对综合能源系统调度阶段耦合度的计算，采用单连接聚类方法选取典型评价时段；步骤S4：考虑到典型评价时段内的负荷数据实时变化，计算考虑可用能的用户负荷可迁移量，计算系统的调度阶段耦合度。本发明综合能源系统相对于单能源系统的本质区别出发，提出了可凸显综合能源系统多能耦合、多能互补优越性的耦合度指标。

Description

一种综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法

技术领域

本发明属于综合能源系统领域，涉及一种综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法。

背景技术

能源是人类社会发展的物质基础，在国家安全、国民经济中具有特别重要的战略地位。随着新能源革命的进展，以区域能源为基础的综合能源网络体系成为大规模发展和利用区域资源禀赋与可再生能源，实现能源产业结构转型的必要方式。同时，人们也在不断尝试通过利用现代通信技术、控制技术和计算机技术等手段有效地协调与利用资源，提高能源利用效率并解决现有能源体系的固有难题。

而针对现有能源体系综合能源利用率低、多能协同管理不善等问题，综合能源系统得到越来越多学者的关注。综合能源系统是指在规划、设计、建设和运行等过程中，通过对各类能源的产生、传输与分配(能源供应网络)、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，所形成的社会综合能源产供销一体化系统。其特点在于能源产、输、配、用、储全过程中信息、能源和控制的协同协调与实时互动。

综合能源系统的评价指标体系是其进行规划设计和调度控制寻优的目标导向。通过设定合理、科学的评价指标体系，综合能源系统在多能技术高效协同利用、异质能源梯级利用、高可替代性带来的高经济环保性等方面的系统内在禀赋可以最大程度得到发挥，从而满足决策者对于多能集成的综合能源系统的期望。但现有综合能源系统评价体系难以体现综合能源系统相对于传统能源系统的优势。具体表现为：较多学者构建了高维度评价指标体系，但大量的二级指标导致计算复杂、计算结果可读性不高，同时部分指标计算所需数据难以获取；部分学者从单一角度(如分析、生命周期评估、系统可靠性、系统灵活性、系统经济性等)的指标内涵及其计算方法对综合能源系统评价指标体系展开研究，但少有指标可定性定量描述系统的多能耦合特性。

因此，当前对综合能源系统评价研究的新问题是如何衡量系统的耦合性，即如何从定性评估的角度出发，评估综合能源系统在规划设计阶段的耦合度，定性衡量系统多能互补的潜力；如何从定量评估的角度出发，评估综合能源系统在运行调度阶段的耦合度。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法。该方法考虑了综合能源系统从规划到调度的全生命周期。针对规划阶段耦合度：本发明建立了设备-能流连接矩阵，确定单一能流的能流耦合度，并采用熵权法确定各能流耦合度的权重值，进一步形成可指导规划过程的综合能源系统的规划阶段耦合度指标；针对调度阶段耦合度，本发明应用基于单连接聚类方法的典型评价时段选取及考虑可用能的负荷迁移量计算，提出了定量描述综合能源系统在调度过程中的多能互补及耦合特征的调度阶段耦合度指标。

为解决技术问题，本发明采用以下技术方案实现：

一种综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法，包括如下步骤：

步骤S1，建立综合能源系统各类典型物理设备与各能流的连接矩阵，计算各能流的能流耦合度并进行归一化。综合能源系统的典型物理设备包括但不限于光伏DG、储能电池、充电桩、储热罐、热泵、储气罐、充气站、天然气微燃发电设备、氢燃料电池、电制氢系统、电热锅炉、电采暖、燃气供热锅炉、吸收式制冷机、热电联产机组、冷热电联产机组。综合能源系统的能流包括但不限于冷、热、电、气、氢。

步骤S110，建立综合能源系统设备-能流连接矩阵A：

其中，m代表综合能源系统内的设备数量；n代表综合能源系统内的能流数量；对于具有可同时输入和输出能流特点的蓄电池等储能设备，为简化计算，规定其在矩阵A中占据两行。

步骤S120，计算综合能源系统内单一能流的能流耦合度Ω_j：

进一步得到能流耦合度向量Ω_vec＝(Ω₁，Ω₂，...，Ω_n)，即能流上设备参与的密度。

步骤S2，使用熵权法确定每个能流在规划阶段耦合度计算中的权重值，并依据权重值计算综合能源系统规划阶段耦合度。

步骤S210，熵权法是一种客观赋权方法，在本发明的应用过程中，熵权法根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，即可得出较为客观的指标权重。具体步骤包括建立原始数据矩阵，求解各指标值权重，确定最终指标权重向量。

步骤S211，建立包含s个评测方案，n个评价指标的原始数据矩阵R＝(r_kj)_s×n。所述的s个评测方案即为在对待评价综合能源系统进行多目标优化规划时产生的位于帕累托边界处的节点方案；所述的n个评价指标即为工程应用中综合能源系统在规划阶段的各类能流，其数值即为节点方案中各类能流的最大可供能量。

其中，r_kj为第j个指标下第k个评测方案的指标值。

步骤S212，求解各指标值权重，具体包括如下步骤：

1)计算第j个指标下第k个评测方案的指标值的比重p_kj：

2)计算第j个指标的熵值e_j：

3)计算第j个指标的熵权w_j：

最终获得包含各个能流权重的权重向量w＝(w₁,w₂,...,w_n)

步骤S220，根据各能流耦合度及其权重计算综合能源系统规划阶段耦合度Ω_st：

步骤S3，针对综合能源系统的调度阶段耦合度计算，采用单连接聚类方法选取典型评价时段。

步骤S310，选取综合能源系统决策者指定的一段调度周期内各负荷数据为聚类分析样本。以下用d_ij表示样本x_i与x_j之间的距离，用D_ij表示类G_i与G_j之间的距离。定义类G_i与G_j之间的距离为两类最近样本的距离，即：

D_ij＝mind_ij x_i∈G_i,y_j∈G_j

步骤S320，计算样本两两距离。由于样本x_i到样本x_j的距离d_ij与样本x_j到样本x_i的距离是相等的，所以只需要计算1个，得到距离矩阵记为D₍₀₎，开始每个样本自成一类，此时D_ij＝d_ij。

步骤S330，找出D₍₀₎的非对角线最小元素，设为D_pq，将G_p与G_q合并为一个新类，记为G_r，即G_r＝{G_p,G_q}。

步骤S340，给出计算新类与其他类的距离公式：

D_kr＝min{G_kp,G_kq}

D₍₀₎中第p、q行及p、q列用上面公式并成一个新行新列，新行新列对应G_r，所得到的矩阵记为D₍₁₎。

步骤S350，对D₍₁₎重复上述对D₍₀₎的步骤S330和步骤S340得到D₍₂₎；如果某一步D_(k)中非对角线最小的元素不止1个，则对应这些最小元素的类可以同时合并，转到步骤S310；反复迭代，直到所有的元素并成一类位置；将类中元素进行时序排列并组成典型评价时段，结束计算。

步骤S4，考虑到典型评价时段内的负荷数据实时变化，计算考虑可用能的用户负荷可迁移量，计算系统的调度阶段耦合度。

步骤S410，对典型评价时段分区，设分区数为DP，要求L_i,t≠L_i,t+1，i＝1,2,…,n。式中i表示第i个能流，t，t+1表示时段分区，L表示负荷值。

步骤S420，在考虑可用能的基础上，计算各时段分区内用户需求量较少的第i种能流经能源设备转换成需求量较多的第j种能流的负荷迁移量Q_t,t+1：

其中，Q_t,t+1,ij是t到t+1时段分区内第i种能流到第j种能流的迁移量，Ex_i和Ex_j分别是第i种能流和第j种能流的

对于电能流，其值即为其能值。对于热能流，其/>值/>T₀为环境温度，T_h为热工质温度，Q_h为热量。对于冷能流，其/>值/>T_c为冷工质温度，Q_c为冷量。

步骤S430，计算典型评价时段总的负荷迁移量，即为可定量描述一定调度周期内系统耦合性的调度阶段耦合度时域微分Q_t,t+1δt。

步骤S440，通过积分，得到调度阶段耦合度

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明创新性地从综合能源系统全生命周期，即规划和调度场景下分别定性定量地考虑了不同结构、不同能源技术应用下的综合能源系统耦合特性，建立了可分别应用于规划和调度耦合性评价的综合能源系统规划阶段耦合度指标和调度阶段耦合度。此外，在规划阶段耦合度指标构建过程中，本发明考虑了权重法的工程易用性，采用了具有客观性的熵权法确定了各能流权重系数。总体而言，本发明综合能源系统相对于单能源系统的本质区别出发，提出了可凸显综合能源系统多能耦合、多能互补优越性的耦合度指标。

附图说明

图1为单连接聚类方法流程图；

图2为本发明的综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明方法的基本流程。

如图2为本发明的综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法流程图，具体包括如下步骤：

步骤(1)：建立综合能源系统各类典型物理设备与各能流的连接矩阵，计算各能流的能流耦合度并进行归一化；

步骤(2)：使用熵权法确定每个能流在规划阶段耦合度计算中的权重值，并依据权重值计算可指导规划过程的综合能源系统规划阶段耦合度；

步骤(3)：针对综合能源系统的调度阶段耦合度计算，采用单连接聚类方法选取典型评价时段；

步骤(4)：考虑到典型评价时段内的负荷数据实时变化，计算考虑可用能的用户负荷可迁移量，计算系统的调度阶段耦合度。

本发明中，所述步骤(1)是通过下述方式实现的：

综合能源系统的典型物理设备包括但不限于光伏DG、储能电池、充电桩、储热罐、热泵、储气罐、充气站、天然气微燃发电设备、氢燃料电池、电制氢系统、电热锅炉、电采暖、燃气供热锅炉、吸收式制冷机、热电联产机组、冷热电联产机组。综合能源系统的能流包括但不限于冷、热、电、气、氢。以下分步骤介绍连接矩阵和各能流的能流耦合度的构建和计算方法：

a.建立典型物理设备与各能流的连接矩阵A：

其中，m代表综合能源系统内的设备数量；n代表综合能源系统内的能流数量；对于具有可同时输入和输出能流特点的蓄电池等储能设备，为简化计算，本发明规定其在矩阵A中占据两行。

b.计算综合能源系统内单一能流的能流耦合度Ω_j：

进一步得到能流耦合度向量Ω_vec＝(Ω₁，Ω₂，...，Ω_n)。

本发明中，所述步骤(2)是通过下述方式实现的：

熵权法是一种客观赋权方法，在本发明的应用过程中，熵权法根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，即可得出较为客观的指标权重。具体步骤包括建立原始数据矩阵，求解各指标值权重，确定最终指标权重向量。

a.建立包含s个评测方案，n个评价指标的原始数据矩阵R＝(r_kj)_s×n。本发明所提出的s个评测方案即为在对待评价综合能源系统进行多目标优化规划时产生的位于帕累托边界处的节点方案；所提出的n个评价指标即为工程应用中综合能源系统在规划阶段的各类能流，其数值即为节点方案中各类能流的最大可供能量。

其中，r_kj为第j个指标下第k个评测方案的指标值。

b.求解各指标值权重，具体包括：

1)计算第j个指标下第k个评测方案的指标值的比重p_kj：

2)计算第j个指标的熵值e_j：

3)计算第j个指标的熵权w_j：

最终获得包含各个能流权重的权重向量w＝(w₁,w₂,...,w_n)

c.根据各能流耦合度及其权重计算综合能源系统规划阶段耦合度Ω_st：

如图1，本发明中，所述步骤(3)是通过下述方式实现的：

a.选取综合能源系统决策者指定的一段调度周期内各负荷数据为聚类分析样本。以下用d_ij表示样本x_i与x_j之间的距离，用D_ij表示类G_i与G_j之间的距离。定义类G_i与G_j之间的距离为两类最近样本的距离，即：

D_ij＝mind_ij x_i∈G_i,y_j∈G_j

b.计算样本两两距离。由于样本x_i到样本x_j的距离d_ij与样本x_j到样本x_i的距离是相等的，所以只需要计算1个。得到距离矩阵记为D₍₀₎，开始每个样本自成一类，此时D_ij＝d_ij。

c.找出D₍₀₎的非对角线最小元素，设为D_pq，则将G_p与G_q合并为一个新类，记为G_r，即G_r＝{G_p,G_q}。

d.给出计算新类与其他类的距离公式：

D_kr＝min{G_kp,G_kq}

D₍₀₎中第p、q行及p、q列用上面公式并成一个新行新列，新行新列对应G_r，所得到的矩阵记为D₍₁₎。

e.对D₍₁₎重复上述对D₍₀₎的步骤c和步骤d得到D₍₂₎；如果某一步D_(k)中非对角线最小的元素不止1个，则对应这些最小元素的类可以同时合并，转到步骤a)；反复迭代，直到所有的元素并成一类位置，将类中元素进行时序排列并组成典型评价时段。

本发明中，所述步骤(4)是通过下述方式实现的：

a.对典型评价时段分区，设分区数为DP，要求L_i,t≠L_i,t+1，i＝1,2,…,n。式中i表示第i个能流，t，t+1表示时段分区，L表示负荷值。

b.在考虑可用能的基础上，计算各时段分区内用户需求量较少的第i种能流经能源设备转换成需求量较多的第j种能流的负荷迁移量Q_t,t+1：

其中，Q_t,t+1,ij是t到t+1时段分区内第i种能流到第j种能流的迁移量，Ex_i和Ex_j分别是第i种能流和第j种能流的

对于电能流，其值即为其能值。对于热能流，其/>值/>T₀为环境温度，T_h为热工质温度，Q_h为热量。对于冷能流，其/>值/>T_c为冷工质温度，Q_c为冷量。

c.计算典型评价时段总的负荷迁移量，即为可定量描述一定调度周期内系统耦合性的调度阶段耦合度时域微分Q_t,t+1δt。

d.通过积分，得到调度阶段耦合度

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种综合能源系统全生命周期的耦合度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，建立综合能源系统各类典型物理设备与各能流的连接矩阵，计算各能流的能流耦合度并进行归一化；

步骤S2，使用熵权法确定每个能流在规划阶段耦合度计算中的权重值，并依据权重值计算综合能源系统规划阶段耦合度；

步骤S3，针对综合能源系统调度阶段耦合度的计算，采用单连接聚类方法选取典型评价时段；

步骤S4：考虑到典型评价时段内的负荷数据实时变化，计算考虑可用能的用户负荷可迁移量，计算系统的调度阶段耦合度；

所述的步骤S1中，所述的典型物理设备包括光伏DG、储能电池、充电桩、储热罐、热泵、储气罐、充气站、天然气微燃发电设备、氢燃料电池、电制氢系统、电热锅炉、电采暖、燃气供热锅炉、吸收式制冷机、热电联产机组、冷热电联产机组；所述的能流包括冷、热、电、气、氢；

所述的综合能源系统设备-能流连接矩阵A的建立方法如下：

其中，m代表综合能源系统内的设备数量；n代表综合能源系统内的能流数量；对于具有可同时输入和输出能流特点的设备，为简化计算，规定其在矩阵A中占据两行；

综合能源系统内单一能流的能流耦合度Ω_j的计算方法如下：

进一步得到能流耦合度向量Ω_vec＝(Ω₁，Ω₂，...，Ω_n)；

所述的步骤S2中，熵权法的具体步骤包括建立原始数据矩阵，求解各指标值权重，确定最终指标权重向量：

建立包含s个评测方案，n个评价指标的原始数据矩阵R＝(r_kj)_s×n；所述的s个评测方案即为在对待评价综合能源系统进行多目标优化规划时产生的位于帕累托边界处的节点方案；所述的n个评价指标即为工程应用中综合能源系统在规划阶段的各类能流，其数值即为节点方案中各类能流的最大可供能量；

其中，r_kj为第j个指标下第k个评测方案的指标值；

求解各指标值权重，具体步骤如下：

1)计算第j个指标下第k个评测方案的指标值的比重p_kj：

2)计算第j个指标的熵值e_j：

3)计算第j个指标的熵权w_j：

最终获得反应各能流重要性的权重向量w＝(w₁,w₂,...,w_n)；

所述的步骤S3具体为：

a)选取综合能源系统决策者指定的一段调度周期内各负荷数据为聚类分析样本；以下用d_ij表示样本x_i与x_j之间的距离，用D_ij表示类G_i与G_j之间的距离；定义类G_i与G_j之间的距离为两类最近样本的距离，即：

D_ij＝mind_ij x_i∈G_i,y_j∈G_j

b)计算样本两两距离；由于样本x_i到样本x_j的距离d_ij与样本x_j到样本x_i的距离是相等的，所以只需要计算1个，得到距离矩阵记为D₍₀₎，开始每个样本自成一类，此时D_ij＝d_ij；

c)找出D₍₀₎的非对角线最小元素，设为D_pq，则将G_p与G_q合并为一个新类，记为G_r，即G_r＝{G_p,G_q}；

d)给出计算新类与其他类的距离公式：

D_kr＝min{G_kp,G_kq}

D₍₀₎中第p、q行及p、q列用上面公式并成一个新行新列，新行新列对应G_r，所得到的矩阵记为D₍₁₎；

e)对D₍₁₎重复上述对D₍₀₎的步骤c)和步骤d)得到D₍₂₎；如果某一步D_(k)中非对角线最小的元素不止1个，则对应这些最小元素的类可以同时合并，转到步骤a)；反复迭代，直到所有的元素并成一类位置，转到步骤f)；

f)将类中元素进行时序排列并组成典型评价时段，结束计算；

所述步骤S4具体包括：

a)对典型评价时段分区，设分区数为DP，要求L_i,t≠L_i,t+1，i＝1,2,…,n；式中i表示第i个能流，t，t+1表示时段分区，L表示负荷值；

b)在考虑可用能的基础上，计算各时段分区内用户需求量较少的第i种能流经能源设备转换成需求量较多的第j种能流的负荷可迁移量Q_t,t+1：

其中，Q_t,t+1,ij是t到t+1时段分区内第i种能流到第j种能流的迁移量，Ex_i和Ex_j分别是第i种能流和第j种能流的

对于电能流，其值即为其能值；对于热能流，其/>值/>T₀为环境温度，T_h为热工质温度，Q_h为热量；对于冷能流，其/>值/>T_c为冷工质温度，Q_c为冷量；

c)计算典型评价时段总的负荷迁移量，即为可定量描述一定调度周期内系统耦合性的调度阶段耦合度时域微分Q_t,t+1δt；

d)通过积分，得到调度阶段耦合度