CN112487625B - 基于信息物理融合的建筑能源系统及其优化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于信息物理融合的建筑能源系统及其优化方法和装置，该系统供能端包括配电网系统、新能源系统、自治发电系统和储电、储冷系统；需求侧包括建筑内房间电需求、冷需求和HVAC用电需求。本发明在信息物理融合的框架下，将数据驱动与机理驱动相结合，把建筑能源系统供需两侧进行了联合调度，消纳了可再生能源和用户电、冷需求的随机性和不确定性，显著提高系统效率的同时达到了节能减排、降低系统运行成本的目的。同时针对大规模复杂问题，首先对其进行解耦拆分后利用迭代算法获得系统可行解，提高了求解效率。

Description

基于信息物理融合的建筑能源系统及其优化方法和装置
技术领域
本发明属于建筑能源系统技术领域，具体涉及基于信息物理融合的建筑能源系统及其优化方法和装置。
背景技术
建筑能源系统是包含能量供给、能量传输、能量存储及能量需求在内的完整能源系统，涉及电能、热能等多种能源形式。建筑能源消耗占据社会总能耗的近三成，因此提高建筑能源系统的整体效率将对节能减排做出重要贡献，也是近年来学术界和工业界重点关注的研究课题之一。
信息物理融合系统(Cyber-Physical-System)由信息网络技术与现实物理系统构成。其中，信息网络技术包括传感器网络搭建、信息读取与传递、数据分析与存储等，在建筑多能源系统中，能够对整体系统进行实时监测，对数据进行实时传输、实时存储；现实物理系统包括建筑结构，设备运行机理、物理连接关系等，在建筑多能源系统中，能够对各部分物理设备进行数学建模，准确表述其运行工作机理。二者的相互结合，能够对建筑多能源系统进行实时监测、统一调度和控制，容纳太阳能等新型可再生能源，提高建筑能源系统的效率。除了传统的配电网电源，建筑多能源系统中供能系统可能包括自治发电机组如热电联产机组、可再生能源如太阳能电池板、电或热储能装置，系统能源需求可能包括空调机组、照明设备、办公设备等。
由于能源在生产和传输过程中存在不同程度的损耗，因此在建筑需求侧进行节能具有一定的放大作用，可以起到更好的减排效果，具有巨大的节能潜力。同时，也面临着可再生能源存在不确定性与人员活动、舒适需求等不确定性的挑战。
发明内容
本发明提供了基于信息物理融合的建筑能源系统及其优化方法和装置，在满足基本能量需要和保证人员舒适的前提下实现节能减排，提高了新能源消纳水平，降低了系统成本。
为达到上述目的，本发明所述基于信息物理融合的建筑能源系统，基于信息物理融合的建筑能源系统，包括配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统和信息处理系统；
配电网系统包括并网方向切换装置，并网方向切换装置用于切换建筑能源系统和配电网之间的电能流动方向；
新能源系统包括光伏发电装置，用于为建筑能源系统提供电能，其输出端连接配电网系统、储电系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统；
自治发电系统包括燃气轮机和余热回收利用装置，其电量输出端连接配电网系统、供热通风与空气调节系统、储电系统和房间群系统，其冷量输出端连接储冷系统和房间群系统；
储电系统包括蓄电池组与电能充放装置，其电量由自治发电系统、配电网系统和新能源系统补充，其电量输出端连接供热通风与空气调节系统和房间群系统；
供热通风与空气调节系统包括制冷装置与制冰装置，其制冷输出端与房间群系统连接，制冰输出端与储冰罐连接；
房间群系统包括各子房间内的用电设备，房间群系统分别与配电网系统、光伏发电系统、自治发电系统、储电系统和储冷系统连接，实现电量与冷量接收；
储冷系统包括储冰罐和温控装置，其冰储量由供热通风与空气调节系统和自治发电系统补充，其冷量输出端连接房间群系统；储冰罐通过温控装置保持低温，以冰或冰水的方式储存冷量，在需要时通过冰融化释放冷量达到对冷需求侧的制冷效果；
信息处理系统包括信息采集模块和中央处理器，信息采集模块用于采集、传输并存储配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统的系统状态数据，并将采集到的系统状态数据传递至中央处理器，中央数据处理器根据系统状态数据计算新能源系统发电量、储能系统充放量、建筑内总电需求、建筑内总冷需求信息，得到配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统的运行策略。
进一步的，燃气轮机以天然气为主要燃料，余热回收利用装置包括余热交换装置、吸收式制冷机、热水储箱和冷水储箱；余热交换装置的第一路进水与燃气轮机发电机组进行热交换后与通入余热交换装置的第二路进水再进行热交换，热交换后的第二路进水升温存储在热水储箱中，或者直接供给热需求侧；第一路进水在余热交换装置中热交换后进入吸收式制冷机，进一步降温形成冷水存储在冷水储箱中，或者直接供给冷需求侧或储冷系统中；吸收式制冷机为溴化锂吸收式制冷机。
进一步的，房间群系统包括建筑内各房间的汇总能量接入装置，汇总能量接入装置用于实现对建筑内总电需求和总冷需求的数据汇总。
基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法，包括以下步骤：
S1、根据建筑能源系统中的建筑物理结构和设备间物理连接关系建立电量网络拓扑和冷量网络拓扑，通过分别实现电量网络拓扑和冷量网络拓扑中各节点内的供需平衡和节点间的供需平衡，建立建筑能源系统“节点-流量”模型；
S2、汇集建筑能源系统中泛在感知信息，对各设备运行状态与供需两侧能量信息进行实时感知；
S3、综合节点约束和传输线约束，以S1建立的“节点-流量”模型和S2汇集的泛在感知数据信息建立以最小化系统成本为目标的混合整数规划问题；
S4、对S3建立的混合整数规划问题中的耦合约束进行解耦，得到松弛问题，并对松弛问题迭代求解，得到对偶解，同时在迭代过程中进行系统泛在感知信息和决策信息的存储；耦合约束指节点之间的传输线供需平衡约束；
S5、迭代过程收敛后，基于对偶解构造可行解，获得对各类能源设备的最优调度策略，使得在对应环境价格下建筑能源系统成本最低。
进一步的，S1中，电量网络拓扑由电流管线及其连接的设备节点构成，冷量网络拓扑由水流管线及其连接的设备节点构成，电量网络拓扑和冷量网络拓扑在建筑能源系统内相互耦合；
供需平衡包括电量供需平衡和冷量供需平衡。
进一步的，S2中，泛在感知信息括房间舒适度信息、人员活动信息、储电量信息、储冷量信息、用电设备的实时功率信息以及环境信息；房间舒适度信息包括房间内的温度、湿度和照度；人员活动信息包括人员占用数量、人员分布位置和人员移动轨迹；实时功率信息包括配电网功率信息、光伏板功率、自治发电功率、制冷或制冰功率、电池充放电功率以及房间内设备总功率；环境信息包括室内光照辐射强度和室外温度。
进一步的，S4中，迭代求解包括以下步骤：
S401：初始化拉格朗日乘子；
S402：配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统使用初始乘子求解子问题；
S403：更新拉格朗日乘子；
S404：配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统使用更新后乘子求解子问题；
S405：重复S403和S404，直至前后两次迭代中乘子差值小于阈值，完成迭代过程，得到松弛问题的对偶解。
进一步的，S5中，最优调度策略包括配电网买卖电策略、光伏发电分配策略、自治发电机组运行策略、储电系统充放电策略、储冷系统充放冷策略、供热通风与空气调节运行策略和房间群能量接收策略。
一种上述建筑能源系统的优化装置，包括信息感知模块、信息传输模块、中央处理模块和数据存储模块；
信息感知模块用于实时采集配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统的系统状态数据，并将采集到的系统状态数据通过信息传输模块传递至中央处理模块和存储模块；中央处理模块用于根据接收到的数据进行乘子更新和建筑能源系统最优策略的生成。
进一步的，包括感知单元和处理单元，感知单元用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置执行步骤S1和S2；处理单元用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置执行步骤S3、S4和S5。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明的系统结合信息层面的泛在感知数据与物理层面的设备连接关系，对有配电网、新能源、自治发电、储能装置等多种供能方式和多种能量需求的建筑能源系统供需两侧进行联合调度，在满足基本能量需要和保证人员舒适的前提下实现节能减排，提高了新能源消纳水平，降低了系统成本。
本发明提出的建筑能源系统通过将系统内设备节点按照能量形式进行网络拓扑构建，结合物理连接关系建立“节点-流量”模型，对各类规模的建筑具有良好普适性，且利于把复杂、耦合问题进行简化、解耦，提高求解效率。
本发明提出的基于信息物理融合的优化方法，通过传感器感知建筑内人员、环境、设备的实时信息，并作为物理模型中的参数进行建模求解，实现数据驱动与机理驱动的良好结合，可以更加准确地描述建筑能源系统中随机性与动态性。
本发明提出的基于信息物理融合的建筑能源系统优化方法，通过对节点耦合约束进行解耦，把复杂问题划分为多个子问题，通过迭代求解的方式获得整体可行解，对大规模问题具有良好的求解性能，大大提高问题求解效率，减少资源占用；
本发明提出的基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置，结构灵活，模块化高，可针对不同建筑功能灵活搭配装置模块，动态调整拓扑结构，可移植性强。
附图说明
图1为本发明基于信息物理融合的建筑能源系统的总体结构图；
图2为本发明基于信息物理融合的建筑能源系统的能量流示意图；
图3为本发明基于信息物理融合的建筑能源系统的信息流示意图；
图4为本发明基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法流程示意图；
图5为本发明第一种基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法装置的结构示意图；
图6为本发明第二种基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法装置的结构示意图；
图7为本发明第三种基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1至图3，一种基于信息物理融合的建筑能源系统，包括配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统(供热通风与空气调节系统)、房间群系统和信息处理系统；
配电网系统包括并网方向切换装置，并网方向切换装置决定建筑能源系统从配电网买电或向配电网卖电。当建筑能源系统内可用能源不能满足需求侧需求时从上游电网系统买电补充，而在满足需求侧需求后仍有富余时向上游电网系统卖电，进一步降低系统成本。
并网方向切换装置包括安装在电路管线上的电磁流量计和并网逆变器，电磁流量计应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量管线中电流大小，并网逆变器将建筑能源系统内产生的直流电(如光伏)逆变为与市电频率及相位同步的交流电，二者结合可实现定额地从电网购电及向电网送电。
新能源系统包括光伏发电装置，根据不同日照辐射强度，为建筑能源系统提供电能，其输出端连接配电网系统、储电系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统；光伏发电装置由光伏板和逆变器组成，能够将太阳能转化为电能，供给电需求侧利用或存储。
自治发电系统包括以天然气为主要燃料的燃气轮机、余热回收利用装置，其电量输出端连接配电网系统、供热通风与空气调节系统、储电系统和房间群系统，其冷量输出端连接储冷系统和房间群系统；
燃气轮机以天然气为主要燃料，通过将其燃烧做功带动燃气轮机发电，产生电能将供给电需求侧利用或存储。余热回收利用装置包括余热交换装置、吸收式制冷机、热水储箱和冷水储箱；余热交换装置的第一路进水与燃气轮机发电机组进行热交换后与通入余热交换装置的第二路进水再进行热交换，热交换后的第二路进水升温存储在热水储箱中，或者直接供给热需求侧；第一路进水在余热交换装置中热交换后进入吸收式制冷机，进一步降温形成冷水存储在冷水储箱中，或者直接供给冷需求侧或储冷系统中。
其中，吸收式制冷机为溴化锂吸收式制冷机，溴化锂吸收式制冷机由依次连接的高压发生器、冷凝器、低压发生器、蒸发器、吸收器、高温热交换器、低温热交换器、凝水回热器、发生器泵、吸收器泵、蒸发器泵和抽真空装置组成，能够以较高热交换效率完成制冷循环。
储电系统包括蓄电池组与电能充放装置，其电量由自治发电系统、配电网系统和新能源系统适时补充，其电量输出端连接供热通风与空气调节系统和房间群系统；蓄电池组由多个蓄电池组成，结合电能充放装置可实现对大容量电能的存储和对大电流的输出。
储冷系统包括储冰罐和温控装置，其冰储量由供热通风与空气调节系统和自治发电系统适时补充，其冷量输出端连接房间群系统；储冰罐通过温控装置保持低温，以冰或冰水的方式储存冷量，在需要时通过冰融化释放冷量达到对冷需求侧的制冷效果。
供热通风与空气调节系统包括制冷装置与制冰装置，其制冷输出端与房间群系统连接，制冰输出端与储冰罐连接；供热通风与空气调节系统中制冷装置与制冰装置为HVAC空调设备的不同工作模式，在有制冷需求时进行制冷工作模式，在有储冷需求时进行制冰工作模式。
房间群系统包括各子房间内的用电设备以及人员活动需求，人员活动需求包括用电需求、照度需求和温度需求。其中，用电需求通过房间内运行设备的功率累加计算得到；照度需求根据房间朝向、室外天气加权计算得到，以满足房间内工种需要；温度需求根据房间内人员喜好设定温度区间。各房间温度需求的不同决定了各房间不同的冷需求，照度需求和冷需求的差异将一并导致用电需求的不同，所有房间的用电需求累加得到房间群系统的总电需求，所有房间的冷需求累加得到房间群系统的总冷需求。房间群系统分别与配电网系统、光伏发电系统、自治发电系统、储电系统和储冷系统连接，实现电量与冷量接收；房间群系统包括建筑内各房间的汇总能量接入装置，可实现对建筑内总电需求和总冷需求的数据汇总，正确接入满足需求的各类能源。
信息处理系统包括布置于每个房间内的用于采集房间内温度的温度传感器、采集房间内湿度的湿度传感器、采集房间内照度的照度传感器、储能装置内安装的液位传感器、能量管线上安装的流量计、走廊区域内安装的网络路由器、数据中心配置的数据库以及中央处理器，能量管线包括电流管线和水流管线，信息处理系统用于采集、传输、存储并处理配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统的系统状态数据，系统状态数据包括房间实时温湿度、照度，储冷装置实时液位，电流管线内实时电流、电压，水流管线内实时水压、水流量，路由数据吞吐量、延时、丢包率，数据库数据接收速率、丢包率、网络连接状态和中央处理器的运行状态、内存占用及温度信息。以上数据用于计算新能源系统发电量、储能系统充放量、建筑内总电需求、建筑内总冷需求信息，交由中央处理器进行分析决策，保证系统高效率低耗能运行。
一种基于信息物理融合的建筑能源系统工作时，太阳能光伏发电装置将太阳能转化为电能，在电需求侧，即房间群系统和供热通风与空气调节系统有电能需求时进行电能供给，暂无需求但储电系统有存储余量时对电能在储电系统内进行存储，否则，向电网以一定价格出售；自治发电系统中的燃气轮机通过燃烧天然气产生电能和冷量，在需求侧有电需求和冷需求时进行及时供给，在储电或储冷系统中进行能量存储，亦或在卖电价格高于天然气成本时向电网出售，降低系统成本。
一种基于信息物理融合的建筑能源系统工作时，当太阳能光伏发电装置发出的电量与自治发电系统中的发电机组电量不足以满足需求侧电量需求时，优先使用储电系统储存的电量进行供给；在电量产出高于当前电量需求时及时将多余电量进行存储；当供热通风与空气调节系统的制冷量与自治发电机组产冷量不足以满足需求侧冷量需求时，优先使用储电系统储存的冷量进行供给；在供热通风与空气调节系统的冷量产出高于当前冷量需求时及时用储电系统将多余冷量进行存储；以最大程度降低系统成本。
一种基于信息物理融合的建筑能源系统工作时，房间群系统和供热通风与空气调节系统主要电能需求优先使用储电系统的和光伏发电装置发出的电量，其次根据分时电价和天然气价格使用配电网系统和自治发电系统中较低价格的电量来源；房间群系统的主要冷需求优先使用储冷系统储冷量进行供给，其次根据分时电价和天然气价格使用较低价格的冷量来源。
所述一种基于信息物理融合的建筑能源系统工作时，配电网系统仅在系统无法实现电量自给自足时从电网按照分时电价进行买电，在系统电量冗余时向电网按照卖电价格卖电。
本发明一种基于信息物理融合的建筑能源系统，通过配电网、自治发电机组、光伏发电、蓄电池多种能量供应端对房间内电需求进行联合调度，通过热电联产系统、供热通风与空气调节系统和储冷系统多种冷量供应端对房间内冷需求进行联合调度，在保证房间正常需求和人员舒适的前提下，显著提高了系统效率，同时达到了节能减排的目的。
请参考图4，一种基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法，包括如下步骤：
S1、根据建筑能源系统中的建筑物理结构和设备间物理连接关系建立电量网络拓扑和冷量网络拓扑，通过分别实现各设备节点内的供需平衡和设备节点间的供需平衡，建立建筑能源系统“节点-流量”模型；
其中，电量网络拓扑由电流管线及连接的设备节点构成，冷量网络拓扑由水流管线及连接的设备节点构成，两种拓扑在建筑能源系统内相互耦合，其中所述建筑物理结构包括建筑面积、建筑体积、房间用途和房间布局；
其中，供需平衡包括电量供需平衡和冷量供需平衡。
其中，设备包括配电网设备、光伏板、蓄电池、供热通风与空气调节系统、储冷罐、自治发电机组以及房间内用电设备；其中所述电量网络拓扑指不同设备节点和节点之间的电量流动，可以是单向流动或双向流动；其中所述冷量网络拓扑指不同设备节点和节点之间的单向冷量流动。
S2、汇集建筑能源系统中泛在感知信息，对各设备运行状态与供需两侧能量信息进行实时感知；其中泛在感知信息包括房间舒适度信息、人员活动信息、储电量信息、储冷量信息、用电设备的实时功率信息以及环境信息；
房间舒适度信息包括房间内的温度、湿度和照度；
人员活动信息包括人员占用数量、人员分布位置和人员移动轨迹；
实时功率信息包括配电网功率信息、光伏板功率、自治发电功率、制冷或制冰功率、电池充放电功率以及房间内设备总功率；
环境信息包括室内光照辐射强度和室外温度；
S3、综合节点约束和传输线约束，以S2中泛在感知信息作为部分模型参数建立以最小化系统成本为目标的混合整数规划问题；
节点模型包括以下节点中的节点约束：
表1索引变量表
表2参数变量表
表格3连续决策变量表
表格4离散决策变量表
/>
1、配电网节点：
1)电量交易约束
2)供需平衡约束
3)与储电节点单向传输约束
statetsto_e+statefsto_e<＝1
2、新能源节点
1)供需平衡约束
3、自治发电节点
1)运行约束
2)电力输出
/>
3)冷量输出
4)天然气消耗量
5)供需平衡
4、储电节点1)电池充放电约束
2)电池成本
3)储量约束
4)供需平衡
/>
5)与配电网节点单向传输约束
statetpg+statefpg<＝1
5、储冷节点
1)储冷约束
2)储量约束
6、HVAC节点
1)制冷、制冰量约束
2)供需平衡
7、房间群节点
1)供需平衡
/>
2)房间热过程
3)房间冷需求
4)风机耗电
5)灯耗电
6)设备耗电
/>
7)房间电需求
8)供需平衡
流量模型中包含电量传输线约束、冷量传输线约束和信息传输线约束，具体如下：
1、电量传输线
1)传输线容量约束
x、y代表网络结构中具备电量耦合关系的各个设备节点对。
2)传输线平衡约束
x、y代表网络结构中具备电量耦合关系的各个设备节点对，wx→y为电量传输效率。
2、冷量传输线
1)传输线容量约束
x、y代表网络结构中具备冷量耦合关系的各个设备节点对。
2)传输线平衡约束
x、y代表网络结构中具备冷量耦合关系的各个设备节点对，fx→y为冷量传输效率。
3、信息传输线
Pr(Qk＝1)＝q,Pr(Qk＝0)＝1-q
其中，代表k时段x节点接收到来自y节点的信息，Qk＝0代表k时段信息成功接收，Qk＝1则代表k时段信息丢失，延迟矩阵D中仅有一个元素是1，其余元素为0，q则为信息丢包概率
S4、对混合整数规划问题中的耦合约束使用拉格朗日松弛法进行解耦，得到松弛问题，并迭代求解松弛问题，得到松弛问题的对偶解，同时在迭代过程中进行系统感知信息和迭代求解获得的决策信息存储；
耦合约束指节点之间的传输线供需平衡约束；
其中，迭代求解分为以下步骤：
S401：初始化拉格朗日乘子；
S402：配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统使用初始乘子求解子问题；
S403：中央处理器更新拉格朗日乘子；
S404：各子系统使用更新后乘子求解子问题；
S405：在S403,S404之间重复迭代，直至前后两次迭代中乘子差值小于固定阈值，完成迭代过程，得到松弛问题的对偶解；
S5、根据S4得到的对偶解利用启发式算法或再次建立混合整数规划问题构造可行解，即最优调度策略，使得在对应环境价格下建筑能源系统成本最低。
在步骤S5中，所述最优调度策略包括配电网买卖电策略、光伏发电分配策略、自治发电机组运行策略、储电系统充放电策略、储冷系统充放冷策略、HVAC运行策略和房间群能量接收策略。其中，配电网买卖电策略包括24小时内每小时的买电量与卖电量，光伏发电分配策略包括24小时内每小时的光伏发电量使用分配情况，自治发电机组运行策略包括24小时内每小时的发电机组运行工况，储电系统充放电策略包括24小时内每小时的充电量与放电量，储冷系统充放冷策略包括24小时内每小时的充冷量与释冷量，HVAC运行策略包括24小时内每小时的设备开关机状态，房间群能量接收策略包括24小时内每小时使用的电量与冷量的能量来源分配情况。
在步骤S5中，所述环境价格为分时电价和天然气价格；
请参考图5，本发明的实施例提供一种基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置，用于执行上述优化方法。本发明实施例可以根据上述方法示例对一种基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
在采用对应各个功能划分各个功能模块的情况下，图5示出了上述实施例中所涉及的基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置10的一种可能的结构示意图，基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置10包括：信息感知模块101、信息传输模块102、中央处理模块103和数据存储模块104。
信息感知模块101实时采集多类型数据，并将数据打包发送至中央处理模块103；信息传输模块102通过局部路由之间传递，将各传感器数据汇集发送至中央处理模块和存储模块；中央处理模块103用于进行乘子更新和最优化策略生成；数据存储模块104用于对状态数据进行存储，保证系统顺畅运行。
所述多类型数据包括数值信息、图像信息；信息传递包括无线传输与有线传输；信息感知模块包括信息采集模块与信息处理模块；信息采集模块负责采集原始数据格式的信息，信息处理模块负责将不同格式数据进行格式统一化，并打包至信息传输模块。
信息感知模块101用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置执行步骤S2；信息传输模块102用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置执行步骤S402、S404和S405；中央处理模块103用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置执行步骤S3、S401、S403和S5；数据存储模块104用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置执行步骤S4中各步骤的数据存储。其中，上述方法实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到对应功能模块的功能描述，在此不再赘述。
信息在发生丢包等情况时，将使用数据存储模块104中对应上一历史数据代替当前时刻数据，保证系统平稳运行。
请参考图6，在采用集成的单元的情况下，图6示出了上述实施例中所涉及的基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置11的一种可能的结构示意图。基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置11包括：感知单元111和处理单元112。感知单元111支持基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置执行所述步骤S1和S2；处理单元112，用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置执行所述步骤S3、S4和S5。
其中，感知单元111可以是流量计、传感器、视频摄像头、红外摄像头、门限开关或者其他可感知器件及其任意组合，其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的模块和电路。处理单元112可以是处理器或控制器，例如可以是中央处理器(centralprocessing unit，CPU)，通用处理器，数字信号处理器(digital signal processor，DSP)，专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)，现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。
请参考图7，另一种可能的结构示意图是基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置12，包括感知器121、处理器122和总线123，感知器121通过总线123连接处理器122；感知器121负责对系统的状态信息与物理拓扑进行感知；感知信息经总线123传输至处理器122进行优化调度。
由于本发明实施例提供的基于信息物理融合的建筑能源系统的优化装置可用于执行上述基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法，因此其所能获得的技术效果可参考上述方法实施例，本发明实施例在此不再赘述。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式来实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可以用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)，光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
一种基于信息物理融合的建筑能源系统及其优化方法和装置，该系统供能端包括配电网系统、新能源系统、自治发电系统和储电、储冷系统；需求侧包括建筑内房间电需求、冷需求和HVAC用电需求。本发明在信息物理融合的框架下，将数据驱动与机理驱动相结合，把建筑能源系统供需两侧进行了联合调度，消纳了可再生能源和用户电、冷需求的随机性和不确定性，显著提高系统效率的同时达到了节能减排、降低系统运行成本的目的。同时针对大规模复杂问题，本发明首先对其进行解耦拆分后利用迭代算法获得系统可行解，实现了求解效率的提高。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.基于信息物理融合的建筑能源系统，其特征在于，包括配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统和信息处理系统；
配电网系统包括并网方向切换装置，并网方向切换装置用于切换建筑能源系统和配电网之间的电能流动方向；
新能源系统包括光伏发电装置，用于为建筑能源系统提供电能，其输出端连接配电网系统、储电系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统；
自治发电系统包括燃气轮机和余热回收利用装置，其电量输出端连接配电网系统、供热通风与空气调节系统、储电系统和房间群系统，其冷量输出端连接储冷系统和房间群系统；
储电系统包括蓄电池组与电能充放装置，其电量由自治发电系统、配电网系统和新能源系统补充，其电量输出端连接供热通风与空气调节系统和房间群系统；
供热通风与空气调节系统包括制冷装置与制冰装置，其制冷输出端与房间群系统连接，制冰输出端与储冰罐连接；
房间群系统包括各子房间内的用电设备，房间群系统分别与配电网系统、光伏发电系统、自治发电系统、储电系统和储冷系统连接，实现电量与冷量接收；
储冷系统包括储冰罐和温控装置，其冰储量由供热通风与空气调节系统和自治发电系统补充，其冷量输出端连接房间群系统；储冰罐通过温控装置保持低温，以冰或冰水的方式储存冷量，在需要时通过冰融化释放冷量达到对冷需求侧的制冷效果；
信息处理系统包括信息采集模块和中央处理器，所述信息采集模块用于采集、传输并存储配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统的系统状态数据，并将采集到的系统状态数据传递至中央处理器，所述中央数据处理器根据系统状态数据计算新能源系统发电量、储能系统充放量、建筑内总电需求、建筑内总冷需求信息，得到配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统的运行策略；
所述燃气轮机以天然气为主要燃料，余热回收利用装置包括余热交换装置、吸收式制冷机、热水储箱和冷水储箱；余热交换装置的第一路进水与燃气轮机发电机组进行热交换后与通入余热交换装置的第二路进水再进行热交换，热交换后的第二路进水升温存储在热水储箱中，或者直接供给热需求侧；第一路进水在余热交换装置中热交换后进入吸收式制冷机，进一步降温形成冷水存储在冷水储箱中，或者直接供给冷需求侧或储冷系统中；所述吸收式制冷机为溴化锂吸收式制冷机。
2.根据权利要求1所述的基于信息物理融合的建筑能源系统，其特征在于，房间群系统包括建筑内各房间的汇总能量接入装置，所述汇总能量接入装置用于实现对建筑内总电需求和总冷需求的数据汇总。
3.权利要求1所述的基于信息物理融合的建筑能源系统的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据建筑能源系统中的建筑物理结构和设备间物理连接关系建立电量网络拓扑和冷量网络拓扑，通过分别实现电量网络拓扑和冷量网络拓扑中各节点内的供需平衡和节点间的供需平衡，建立建筑能源系统“节点-流量”模型；
S2、汇集建筑能源系统中泛在感知信息，对各设备运行状态与供需两侧能量信息进行实时感知；
S3、综合节点约束和传输线约束，以S1建立的“节点-流量”模型和S2汇集的泛在感知数据信息建立以最小化系统成本为目标的混合整数规划问题；
S4、对S3建立的混合整数规划问题中的耦合约束进行解耦，得到松弛问题，并对松弛问题迭代求解，得到对偶解，同时在迭代过程中进行系统泛在感知信息和决策信息的存储；所述耦合约束指节点之间的传输线供需平衡约束；
S5、迭代过程收敛后，基于对偶解构造可行解，获得对各类能源设备的最优调度策略，使得在对应环境价格下建筑能源系统成本最低。
4.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述S1中，电量网络拓扑由电流管线及其连接的设备节点构成，冷量网络拓扑由水流管线及其连接的设备节点构成，电量网络拓扑和冷量网络拓扑在建筑能源系统内相互耦合；
所述供需平衡包括电量供需平衡和冷量供需平衡。
5.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述S2中，泛在感知信息括房间舒适度信息、人员活动信息、储电量信息、储冷量信息、用电设备的实时功率信息以及环境信息；
所述房间舒适度信息包括房间内的温度、湿度和照度；
所述人员活动信息包括人员占用数量、人员分布位置和人员移动轨迹；
所述实时功率信息包括配电网功率信息、光伏板功率、自治发电功率、制冷或制冰功率、电池充放电功率以及房间内设备总功率；
所述环境信息包括室内光照辐射强度和室外温度。
6.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述S4中，所述迭代求解包括以下步骤：
S401：初始化拉格朗日乘子；
S402：配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统使用初始乘子求解子问题；
S403：更新拉格朗日乘子；
S404：配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统和房间群系统使用更新后乘子求解子问题；
S405：重复S403和S404，直至前后两次迭代中乘子差值小于阈值，完成迭代过程，得到松弛问题的对偶解。
7.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述S5中，最优调度策略包括配电网买卖电策略、光伏发电分配策略、自治发电机组运行策略、储电系统充放电策略、储冷系统充放冷策略、供热通风与空气调节运行策略和房间群能量接收策略。
8.一种权利要求1所述的建筑能源系统的优化装置，其特征在于，包括信息感知模块(101)、信息传输模块(102)、中央处理模块(103)和数据存储模块(104)；
所述信息感知模块(101)用于实时采集配电网系统、新能源系统、自治发电系统、储电系统、储冷系统、供热通风与空气调节系统、房间群系统的系统状态数据，并将采集到的系统状态数据通过信息传输模块(102)传递至中央处理模块(103)和存储模块(104)；所述中央处理模块(103)用于根据接收到的数据进行乘子更新和建筑能源系统最优策略的生成。
9.根据权利要求8所述的优化装置，其特征在于，包括感知单元(111)和处理单元(112)，所述感知单元(111)用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置执行步骤S1和S2；所述处理单元(112)用于支持基于信息物理融合的建筑能源系统优化装置执行步骤S3、S4和S5；
所述步骤S1、S2、S3、S4和S5如下：
S1、根据建筑能源系统中的建筑物理结构和设备间物理连接关系建立电量网络拓扑和冷量网络拓扑，通过分别实现电量网络拓扑和冷量网络拓扑中各节点内的供需平衡和节点间的供需平衡，建立建筑能源系统“节点-流量”模型；
S2、汇集建筑能源系统中泛在感知信息，对各设备运行状态与供需两侧能量信息进行实时感知；
S3、综合节点约束和传输线约束，以S1建立的“节点-流量”模型和S2汇集的泛在感知数据信息建立以最小化系统成本为目标的混合整数规划问题；
S4、对S3建立的混合整数规划问题中的耦合约束进行解耦，得到松弛问题，并对松弛问题迭代求解，得到对偶解，同时在迭代过程中进行系统泛在感知信息和决策信息的存储；所述耦合约束指节点之间的传输线供需平衡约束；
S5、迭代过程收敛后，基于对偶解构造可行解，获得对各类能源设备的最优调度策略，使得在对应环境价格下建筑能源系统成本最低。
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