CN112650162A - 一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法及系统，在分层分布式协调控制的过程中，将用户分为上层和下层，在对下层用户进行控制的过程中，首先需要对用户的用电能力以及下层系统的储能情况进行收集，然后根据采集到的信息进行自趋优控制。在对上层园区进行控制的过程，需要先对上层园区内的设备以及各个设备的关口功率进行收集和处理并对各类能源的历史负荷数据进行分析和预测，最后在此基础上对能源进行调度和分配，提高能源综合控制效率。

Description

一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法及系统

技术领域

本发明属于电网自动化技术领域，具体涉及一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，还涉及一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制系统。

背景技术

能源作为经济发展的重要物质基础之一，对国民经济的发展具有不可估量的影响。但是就我国的能源分配现状可知，存在分配不合理以及能源短缺等问题，以上问题都严重制约着我国经济的发展。鉴于此，有必要对综合能源系统进行分析，并根据该设备的优缺点来分析相应的协调控制方法。

综合能源系统是一个可对多种能源流进行调配和耦合的复杂系统，由于系统内可再生能源和负荷的波动性，导致综合能源的供需平衡调配变得非常复杂，鉴于此，为了实现对综合能源系统的充分有效控制，目前多采用分布自治和集中协调这两种方式来进行协调控制，本发明主要分析综合能源系统分层分布式协调控制方法，进一步提高能源的利用效率，期望通过对能源的有效控制和协调来缓解我国日益严重的资源短缺问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法及系统，实现上下层用户的协同调度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，其特征是，包括以下过程：

将用户分为上层和下层；

对下层用户采用分布自治策略进行能源调度；

对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度。

进一步的，所述将用户分为上层和下层，包括：

依据用户数量将用户分为上层和下层，将用户数量多的用户园区作为上层，用户数量相对少的用户厂区作为下层。

进一步的，所述对下层用户采用分布自治策略进行能源调度，包括：

每个用户厂区以总费用最小为目标对下层用户的冷负荷、热负荷以及电负荷资源进行调配。

进一步的，所述每个用户厂区以总费用最小为目标对下层用户的冷负荷、热负荷以及电负荷资源进行调配，包括：

针对有蓄电池放电的用户厂区，在电力计价为低谷时进行充电操作，在电力计价为高峰时段时，进行蓄电池放电操作；

其次，用户厂区内的冷负荷多由基载主机和冰蓄冷装置供给，在电价为低谷阶段时，厂区内的主机工作模式为制冰模式，冷负荷由基载主机提供，当电价上升至高峰时段内，此时主机的制冷模式为单融冰制冷模式；

最后，用户厂区内的热负荷主要由微燃机设备和燃气锅炉提供，微燃机仅在电价为平时阶段时开启。

进一步的，所述对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度，包括：

对上层园区内的设备以及各个设备的关口功率进行收集，并对各类能源的历史负荷数据进行分析和预测，最后在此基础上对能源进行调度和分配。

进一步的，所述对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度，包括：

当园区的热负荷完全由CHP热电联产机组供应时，此时该机组的工作模式为热定电模式，可以同时为园区提供电能和热能，若电量不足时，园区的综合能源供应商可以从外网获取电量。

相应的，本发明还提供了一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制系统，包括：

分层划分模块，用于将用户分为上层和下层；

下层控制模块，用于对下层用户采用分布自治策略进行能源调度；

上层控制模块，用于对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过分层分布式的协调控制方法，可以实现综合能源系统的协调，有效减弱能源调度的难度，即保障了上层用户的能源需求，同时也可以对下层用户的能源需求进行合理分配。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是针对下层用户进行协调控制拓扑图；

图2是负荷预测图；

图3是用户厂区1的优化结果图；

图4是用户厂区2的优化结果图；

图5是用户厂区3的优化结果图；

图6是区域补偿电价表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明的一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，包含以下步骤：

在分层分布式协调控制的过程中，依据用户数量将用户分为上层和下层，通常数量大的园区内能源数量多，因此将用户园区的用户作为上层，用户数量相对少的用户厂区作为下层，在对下层用户进行控制的过程中，首先需要对用户的用电能力以及下层系统的储能情况进行收集，然后根据采集到的信息进行分布自治。在对上层园区进行控制的过程，需要先对上层园区内的设备以及各个设备的关口功率进行收集和处理，并对各类能源的历史负荷数据进行分析和预测，最后在此基础上对能源进行调度和分配，提高能源综合控制效率。

(1)针对下层进行分布自治的控制方法

针对下层进行控制时，采用分布自治的控制策略，每个区以总费用最小为目标进行调度，通过对能源的有效调配来对下层用户的冷负荷、热负荷以及电负荷资源进行调配和控制，从而实现对能源的有效利用。

在针对下层用户进行协调控制的过程中，其协调主体为厂区内的各个用户，如图1所示，其协调过程如下：

步骤1设置目标函数

以用户总购能费用最小为目标：minf₁＝C_grid+C_gas，其中的f₁代表用户的能耗总花费，C_grid表示用户的用电耗费，而C_gas则表示用户的用气耗费。

为了更加真实有效地对综合能源综合分布式系统进行协调控制，以某个工业园区的为实际案例进行分析。

园区的综合能源分布结构如下：该园区内共分布有12个下层用户厂区，1个上层用户厂区。为了方便获取信息，本文选取园区内的三个重点部分进行分析，各用户厂区的情况如下，其中的用户厂区①内的光伏峰值为500千瓦，电储能容量为6兆瓦，通过用户厂区①光伏和储能可知，该厂区内仅存在电负荷需求；用户厂区②内的光伏峰值容量约为500千瓦，冰蓄冷容量为20MW·h，该厂区内除了存在电负荷需求之外，同时也存在热负荷需求。用户厂区③内，微燃机的功率为100千瓦，蒸汽换水装置的最大功率为120千瓦，余热锅炉的最大功率为120千瓦。该厂区内存在电负荷需求和热负荷需求。

步骤2负荷预测

通过平均增长率算法可以得出该用户厂区①-③总的日负荷和光伏预测曲线图，厂区①的曲线如图2所示。

按照当地的工业用电和用气价格进行估算得出如下参数：

其中厂区2中的微燃机效率为η_MT＝0.3,用户侧余热锅炉效率为η_GFB＝0.75,燃气轮机的效率为0.348。其中蓄电池的最大放电率为0.4，最大充电效率为0.95，冰蓄冷设备的最大储能量为0.5W/M².K，冰储冷设备的最大自然放热量为0.03m³。

假设调度周期为一天，阶段性调度时间为60min，三个厂区各自的调度结果如图3、图4、图5所示：

为了实现各个厂区最佳的调度目标，通过平均增长率算法分析可知，其中厂区①的运行总成本为13884.72元，而厂区②的运行总成本为22985.9元，厂区③的运行总成本为3791元。

由此可以获取如下调控措施：

首先，针对有蓄电池放电的厂区，可以在电力计价为低谷时进行充电操作，在电力计价为高峰时段时，进行蓄电池放电操作。和原来的协调控制方式相比，这样操作具有两方面的优势：第一，可以为园区节约大力的运行电费，从而降低运行成本。第二，可以起到电网峰值削减作用，降低用电负载。

其次，厂区内的冷负荷多由基载主机和冰蓄冷装置供给，和蓄电池相比，冰蓄冷系统的削峰填谷效能更高，在电价为低谷阶段时，厂区内的主机工作模式为制冰模式，冷负荷由基载主机提供，当电价上升至高峰时段内，此时主机的制冷模式为单融冰制冷模式，在该模式下，可以为企业节约大量的电费。

最后，厂区内的热负荷主要由微燃机设备和燃气锅炉提供，一般情况下，微燃机仅会在电价为平时阶段时开启。针对电量不足的部分，则有园区内的综合能源供应商进行补充。和传统的单向供能相比，该模式不仅可以帮助园区节约大量的电能，同时还可以实现气、电、气、热的补充和转化。

(2)针对上层的集中协调调度方法

在针对上层进行控制时，采用集中协调的控制方法，借助这种控制方法可以实现对园区的有效削峰，从而大幅提高工业园区能源运行安全性。

在不改变上层控制系统的正常运转情况下，如果想要实现上层园区内的冷、热、电供需平衡，工业园区需要对园区内的直调设备以及下层需求进行削峰操作，并对参与响应互动的用户进行价格补贴，为了实现经济效益最大化，要求对要尽可能将用户的补偿成本降到最低。

结合前文可知，在本园区内仅仅存在一个上层用户厂区。由于厂区内使用燃气的数量整体较大，所以企业在购买燃气时会获得少量的优化，以折扣过的购气价格2.66元为例，换算成单位热值为0.269元/(kW·h)。

此外，在计算过程中，应考虑到国家给予工业园区的红利措施，园区的综合能源供应商在提供能源的过程中，还会给予部分与用户适当的补偿价格。如图6所示为区域补偿电价表。

鉴于此，在针对上层厂区进行协调调度的过程中，需要根据多种情况进行调节：

情况①：实现综合能源提供商设备的经济运行。结合实际案例可知，如果想要实现设备的经济运行，综合能源供应商需要同时对CHP热电联产机组和电储能进行协调控制。同时，能源供应商不需二次同下层用户厂区进行协调，也可以实现园区内各类功率的有效平衡。能源耗费计算结果如下所示：其中综合能源供应商的总运行成本为452474.8元，可赚取的净利润180848.7元。

情况②：调节用户参与响应。结合前文中的预测图可知，在用电高峰时段内，厂区用户的用电负荷会攀升至350千瓦，假设此时其余时段的用电量以及用热量负荷基本保持不变，通过分析得知，如果此时全部可调节用户都参与响应，为了实现储能平衡，需要同时对CHP热电联产机组、电储能、用户的可调节负荷进行协同控制。在这种情况下，综合能源供应商的运行成本为453107元，对用户的补偿成本为338.53366元，此时净利润为180529.9996元。

情况③：中断用户参与响应。假设预测时段用户的用电负荷攀升至700千瓦，此时其余时段的用电量和用热量基本保持不变。通过计算得出，为了实现园区内的功率平衡，需要对要CHP机组、电储能、用户的可调节负荷和可中断负荷进行协同控制。此时可知综合能源提供商的总运行费用为4794916元，对参与调节用户的补偿成本为720元，中断用户补偿成本为21425元，净利润为159036元。

根据不同情况下的计算数值可以得出如下结论：

第一，当厂区的热负荷完全由CHP热电联产机组供应时，此时该机组的工作模式为热定电模式，可以同时为园区提供电能和热能，若电量不足时，园区的综合能源供应商可以从外网获取电量。

第二，由于受到园区关口负荷量的影响，在工业园区内进行电能调配时，并不能完全遵守“谷储峰发”的原则。园区内的电储能会在超过园区关口最大值时被削弱，只有这样才能满足对联络线功率的有效约束。

结合上表可知，由于补偿电价相对较高，在对上层控制系统进行有效调配的过程中，如果用户的用电负荷量长期处于攀升状态，此时必须能源供应商需要通过和用户的有效互动来对用电负荷进行调整，并对上下行用电进行有效地限制。

本发明，通过分层分布式的协调控制方法，可以实现综合能源系统的协调，有效减弱能源调度的难度，即保障了上层用户的能源需求，同时也可以对下层用户的能源需求进行合理分配。

实施例2

本发明的一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制系统，包括：

分层划分模块，用于将用户分为上层和下层；

下层控制模块，用于对下层用户采用分布自治策略进行能源调度；

上层控制模块，用于对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度。

本发明系统的各个模块的具体实现方案参见上述实施例1中方法的具体实现过程。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，其特征是，包括以下过程：

将用户分为上层和下层；

对下层用户采用分布自治策略进行能源调度；

对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度。

2.根据权利要求1所述的一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，其特征是，所述将用户分为上层和下层，包括：

依据用户数量将用户分为上层和下层，将用户数量多的用户园区作为上层，用户数量相对少的用户厂区作为下层。

3.根据权利要求1所述的一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，其特征是，所述对下层用户采用分布自治策略进行能源调度，包括：

每个用户厂区以总费用最小为目标对下层用户的冷负荷、热负荷以及电负荷资源进行调配。

4.根据权利要求3所述的一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，其特征是，所述每个用户厂区以总费用最小为目标对下层用户的冷负荷、热负荷以及电负荷资源进行调配，包括：

针对有蓄电池放电的用户厂区，在电力计价为低谷时进行充电操作，在电力计价为高峰时段时，进行蓄电池放电操作；

其次，用户厂区内的冷负荷多由基载主机和冰蓄冷装置供给，在电价为低谷阶段时，厂区内的主机工作模式为制冰模式，冷负荷由基载主机提供，当电价上升至高峰时段内，此时主机的制冷模式为单融冰制冷模式；

最后，用户厂区内的热负荷主要由微燃机设备和燃气锅炉提供，微燃机仅在电价为平时阶段时开启。

5.根据权利要求1所述的一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，其特征是，所述对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度，包括：

对上层园区内的设备以及各个设备的关口功率进行收集，并对各类能源的历史负荷数据进行分析和预测，最后在此基础上对能源进行调度和分配。

6.根据权利要求5所述的一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制方法，其特征是，所述对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度，包括：

当园区的热负荷完全由CHP热电联产机组供应时，此时该机组的工作模式为热定电模式，可以同时为园区提供电能和热能，若电量不足时，园区的综合能源供应商可以从外网获取电量。

7.一种智慧能源柔性负荷分层分布式协同控制系统，其特征是，包括：

分层划分模块，用于将用户分为上层和下层；

下层控制模块，用于对下层用户采用分布自治策略进行能源调度；

上层控制模块，用于对于上层用户采用集中协调策略进行能源调度。

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