CN113037837A - 一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制方法 - Google Patents

一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制方法 Download PDF

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CN113037837A CN202110247246.9A CN202110247246A CN113037837A CN 113037837 A CN113037837 A CN 113037837A CN 202110247246 A CN202110247246 A CN 202110247246A CN 113037837 A CN113037837 A CN 113037837A
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Abstract

本发明公开一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制方法，所述智能终端能够通过采集综合能源系统能源设备数据和构建协同通信网络，在智能终端在执行考虑时延与动态事件触发分组一致性协议，实现经济最优控制，同时在智能终端执行该协议时，能够有效减少通信资源，并使协同控制策略在有时延的非理想通信条件下仍然可以有效地对综合能源系统多种能能源进行优化控制。

Description

一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制 方法
技术领域
本发明属于综合能源协同优化领域，具体涉及一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制方法。
背景技术
综合能源系统是能源互联网的重要组成部分和社会能源的主要承载形式，是新一轮能源转型和能源变革的一个重要发展方向，其概念的提出为实现能源高效利用和生态环境改善提供了新方向。为了使复杂多样的综合能源系统可以稳定运行，促进能源合理分配，综合能源管理系统是至关重要的部分，开发有效的管理策略是推动综合能源系统发展的关键核心所在。
随着综合能源建设的不断推进，大量的终端设备将会接入到系统中，产生海量异构数据，其采集、计算、传输将会对中心主站产生巨大的压力。边缘计算可以实现实时高效的轻量级数据处理，减少云主站通信和计算的压力，实现区域自治。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制方法。
本发明提供一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端，包括：
数据采集模块，用于采集综合能源系统中电、热、气不同能源设备的实时数据，获取能源设备出力值数据；
数据处理模块，用于对获取的不同协议的数据进行协议解析，对于缺失的数据进行填补，重复的数据进行数据清洗和数据过滤；
存储模块，用于存储各能源设备出力限值、能源设备成本参数、运行约束条件和系统优化目标；
多终端协同模块，用于与邻居智能终端建立数据传输链路，形成协同通信网络，进行数据发送和接收；
本地计算模块，用于根据本地智能终端采集的数据与接收的其他邻居智能终端的数据进行迭代计算，计算全局最优的能源设备出力值与能源增量因子；
全双工信息传输模块，用于接收云平台发送的负荷预测数据，并将计算的最优能源设备出力值上传云平台，同时将对应最优的控制策略下发至能源设备；
显示模块，用于实时显示协同通信网络通信拓扑、能源设备出力值和能源增量因子值。
本发明还提供一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法，包括以下步骤：
步骤1：智能终端通过数据采集模块采集能源设备出力数据，包括产电设备出力数据、产热设备出力数据、产气设备出力数据以及热电联产设备出力数据；
步骤2：智能终端利用数据处理模块，对采集的数据进行预处理：首先对采集的能源设备出力数据进行协议解析，获得初始能源设备出力值，其次利用热卡填补法对确实的数据进行数据填充，利用基于DataCleaner和Jaccard系数的数据清洗方法对重复数据去重，最后通过归一化方法进行数据标准化、正则化得到规范化后的初始能源设备出力值；
步骤3：智能终端通过多终端协同模块向邻居智能终端发送组网信息，构建协同通信网络，并生成通信拓扑矩阵A；
步骤4：智能终端通过系统优化目标和能源设备成本参数，建立优化模型；
步骤5：智能终端通过本地计算模块，计算所述初始能源设备出力值对应的初始能源增量因子λi(0)，并将初始邻居触发能源增量因子
Figure BDA0002964530930000031
设置为0；
步骤6：智能终端通过本地计算模块，计算动态事件触发函数fi(t)，若fi(t)＞0，则智能终端将能源增量因子发送至邻居智能终端然后执行步骤7，若fi(t)＜0则直接执行步骤7；
步骤7：智能终端通过多终端协同模块接收邻居智能终端发送的能源增量因子
Figure BDA0002964530930000032
更新邻居触发能源增量因子，即
Figure BDA0002964530930000033
步骤8：智能终端通过本地计算模块执行考虑时延与动态事件触发分组一致性协议，利用邻居触发能源增量因子
Figure BDA0002964530930000034
计算优化的本地能源增量因子λi(t)，并计算对应能源设备出力值；
步骤9：判断本地能源增量因子λi(t)与邻居触发能源增量因子
Figure BDA0002964530930000035
误差是否超过阈值ξ，若超过则返回步骤6，否则执行步骤10；
步骤10：智能终端利用全双工信息传输模块将优化计算后的能源设备出力值上传至云计算平台，并将对应控制策略发送至能源设备进行出力调整；
步骤11：智能终端通过显示模块实时显示当前协同通信网络通信拓扑、能源设备出力值和能源增量因子值。
本发明提供一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制方法，本发明定义了边缘计算智能终端的功能以及智能终端之间的广泛互联互通与智能协同，与综合能源云平台相辅相成，实现能量边缘管理，通过在边缘计算智能终端部署考虑时变时延与动态事件触发分组一致性算法，在有效减少终端之间的通信资源的同时，实现系统总体运行成本最优与多种能源协调运行。
附图说明
图1为本发明的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端结构框图；
图2为本发明的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法的流程图。
具体实施
如图1所示为本发明的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端结构框图，如图所示该智能终端包括：
数据采集模块，用于采集综合能源系统中电、热、气不同能源设备的实时数据，获取能源设备出力值数据；
数据处理模块，采集能源设备数据后对不同协议的数据进行协议解析，对于缺失的数据进行填补，重复的数据进行数据清洗和数据过滤；
存储模块，用于存储各能源设备出力限值、能源设备成本参数、运行约束条件和系统优化目标；
多终端协同模块，用于与邻居智能终端建立数据传输链路，形成协同通信网络，进行数据发送和接收；
本地计算模块，根据本地智能终端采集的数据与接收的其他邻居智能终端的数据进行迭代计算，计算全局最优的能源设备出力值与能源增量因子；
全双工信息传输模块，用于接收云平台下传的负荷预测数据，并将计算的最优能源设备出力值上传云平台，同时将对应最优的控制策略下发至能源设备；
显示模块，用于实时显示协同通信网络通信拓扑、能源设备出力值和能源增量因子值。
本实施方式中，能源设备由MATLAB/Simulink仿真软件搭建，包括3个产电设备、3个产热设备、3个产气设备和1个热点联产设备。其中各设备的成本参数和约束限值如表1-表4所示。
表1产电设备的具体参数
Figure BDA0002964530930000051
表2产热设备的具体参数
Figure BDA0002964530930000052
表3产气设备的具体参数
Figure BDA0002964530930000053
表4热电联产设备的具体参数
Figure BDA0002964530930000054
本实施方式中，综合能源系统的电负载、热负载和气负载分别为500kW、700kW、300m3/h；每个能源设备配备一个智能终端，将智能终端之间的信息传输时延都设置为τij(t)＝sin(t)；将阈值ξ设置为0.01；动态事件触发函数中触发系数设置为d1＝0.5,d2＝0.5,d3＝1.5,d4＝95,d5＝100,d6＝2.5,d7＝0.4；通信拓扑为
Figure BDA0002964530930000055
热电联产设备1的可行域约束为
Figure BDA0002964530930000061
Figure BDA0002964530930000062
Figure BDA0002964530930000063
Figure BDA0002964530930000064
采用本发明的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法的具体流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：智能终端通过数据采集模块采集能源设备出力数据，包括产电设备出力数据、产热设备出力数据、产气设备出力数据以及热电联产设备出力数据；
步骤2：智能终端利用数据处理模块，对采集的数据进行预处理：首先对采集的能源设备出力数据进行协议解析，获得初始能源设备出力值，其次利用热卡填补法对确实的数据进行数据填充，利用基于DataCleaner和Jaccard系数的数据清洗方法对重复数据去重，最后通过归一化方法进行数据标准化、正则化得到规范化后的初始能源设备出力值；
步骤3：智能终端通过多终端协同模块向邻居智能终端发送组网信息，构建协同通信网络，并生成通信拓扑矩阵A；生成通信拓扑矩阵A＝[aij]，可以描述为：
Figure BDA0002964530930000065
式中
Figure BDA0002964530930000066
表示综合能源系统中所有能够产电的能源设备通信拓扑矩阵，
Figure BDA0002964530930000067
表示所有能够产热的能源设备通信拓扑矩阵，
Figure BDA0002964530930000068
表示产气能源设备通信拓扑矩阵，
Figure BDA0002964530930000069
表示产电设备通信拓扑矩阵，
Figure BDA00029645309300000610
与
Figure BDA00029645309300000611
表示产电设备与热电联产设备通信拓扑矩阵，
Figure BDA00029645309300000612
与
Figure BDA00029645309300000613
表示热电联产设备通信拓扑矩阵，
Figure BDA00029645309300000614
与
Figure BDA00029645309300000615
表示热电联产设备与产热设备通信拓扑，
Figure BDA00029645309300000616
表示产热设备通信拓扑；对应具体元素定义如下：
Figure BDA0002964530930000071
步骤4：智能终端通过系统优化目标和能源设备成本参数，建立优化模型；其中优化模型包括：
1)能源设备成本模型：
Figure BDA0002964530930000072
Figure BDA0002964530930000073
Figure BDA0002964530930000074
Figure BDA0002964530930000075
式中FP、FH、FG、FC分别表示能源设备中产电设备、产热设备、产气设备、热电联产设备的成本；ΛP、ΛH、ΛG、ΛC分别表示产电设备、产热设备、产气设备、热电联产设备的集合；
Figure BDA0002964530930000076
分别表示第i个产电设备、产热设备、产气设备、热电联产设备的成本函数；
Figure BDA0002964530930000077
分别表示第i个产电设备、产热设备、产气设备在t时刻的出力值，
Figure BDA0002964530930000078
与
Figure BDA0002964530930000079
表示第i个热电联产设备在t时刻的电、热出力；
Figure BDA00029645309300000710
表示第i个产电设备的成本系数，
Figure BDA00029645309300000711
表示第i个产热设备的成本系数，
Figure BDA00029645309300000712
表示第i个产气设备的成本系数，
Figure BDA00029645309300000713
表示第i个热电联产设备的成本系数；
2)能源设备的供需平衡约束和出力约束：
Figure BDA00029645309300000714
Figure BDA00029645309300000715
Figure BDA00029645309300000716
式中PD、HD、GD表示全双工信息传输模块接收云平台发送的电、热、气负荷预测数据；
Figure BDA0002964530930000081
Figure BDA0002964530930000082
Figure BDA0002964530930000083
Figure BDA0002964530930000084
Figure BDA0002964530930000085
式中
Figure BDA0002964530930000086
和
Figure BDA0002964530930000087
分别为第i个产电设备的出力上下限；
Figure BDA0002964530930000088
和
Figure BDA0002964530930000089
分别为第i个产热设备的出力上下限；
Figure BDA00029645309300000810
和
Figure BDA00029645309300000811
分别为第i个产气设备的出力上下限；
Figure BDA00029645309300000812
为第i个热点联产设备可行域线性约束；
3)优化目标：
min F＝FP+FH+FG+FC
其中F表示综合能源系统运行总成本；
步骤5：智能终端通过本地计算模块，计算能源设备初始出力值对应的初始能源增量因子λi(0)，并将初始邻居触发能源增量因子
Figure BDA00029645309300000813
设置为0；其中初始能源增量因子具体为：
Figure BDA00029645309300000814
式中
Figure BDA00029645309300000815
分别表示产电设备、产热设备、产气设备初始出力值；
能源设备为热电联产设备时，初始能源增量因子为
Figure BDA00029645309300000816
式中
Figure BDA00029645309300000817
表示热电联产设备初始出力值；
步骤6：智能终端通过本地计算模块，计算动态事件触发函数fi(t)，若fi(t)＞0，则智能终端将能源增量因子发送至邻居智能终端然后执行步骤7，若fi(t)＜0则直接执行步骤7；其中动态事件触发函数为：
Figure BDA0002964530930000091
式中fi(t)表示第i个智能终端中的事件触发函数；τij(t)是第i个智能终端与第j个智能终端之间在t时刻的通信时延；
Figure BDA0002964530930000092
表示邻居触发能源增量因子，且
Figure BDA0002964530930000093
Figure BDA0002964530930000094
为动态事件触发时刻，k＝0,1,2…为fi(t)＞0对应的时刻；zi(t)为辅助变量；d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7为触发系数；
步骤7：智能终端通过多终端协同模块接收邻居智能终端发送的能源增量因子
Figure BDA0002964530930000095
更新邻居触发能源增量因子，即
Figure BDA0002964530930000096
步骤8：智能终端通过本地计算模块执行考虑时延与动态事件触发分组一致性协议，利用邻居触发能源增量因子
Figure BDA0002964530930000097
计算优化的本地能源增量因子λi(t)，并计算对应能源设备出力值；其中包括以下步骤：
步骤8.1：智能终端利用接收的邻居触发能源增量因子，通过执行考虑时延与事件触发分组一致性协议计算优化的本地能源增量因子，协议具体为：
Figure BDA0002964530930000098
式中Si(t)表示第i个能源设备出力估计值；κ为增益系数；Xi(t)表示第i个能源设备出力值，具体为
Figure BDA0002964530930000099
步骤8.2：根据本地能源增量因子，计算能源设备出力值，具体为：
Figure BDA0002964530930000101
Figure BDA0002964530930000102
Figure BDA0002964530930000103
Figure BDA0002964530930000104
Figure BDA0002964530930000105
步骤8.3：判断计算的能源设备出力值是否超出出力约束，若在约束范围内，则计算值作为出力值，若超出则限值作为出力值，并返回步骤9；
步骤9：判断本地能源增量因子λi(t)与邻居触发能源增量因子
Figure BDA0002964530930000106
误差是否超过阈值ξ，若超过则返回步骤6，否则执行步骤10；
步骤10：智能终端利用全双工信息传输模块将优化计算后的能源设备出力值上传至云计算平台，并将对应控制策略发送至能源设备进行出力调整；
步骤11：智能终端通过显示模块实时显示当前协同通信网络通信拓扑、能源设备出力值和能源增量因子值。
本实施方案中，控制前后的综合能源系统参数及调控结果如表5-6所示。
本发明公开一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端及其控制方法，所述智能终端能够通过采集综合能源系统能源设备数据和构建协同通信网络，在智能终端在执行考虑时延与动态事件触发分组一致性协议，实现经济最优控制，同时在智能终端执行该协议时，能够有效减少通信资源，并使协同控制策略在有时延的非理想通信条件下仍然可以有效地对综合能源系统多种能能源进行优化控制。
表5能源设备的能源增量因数变化(单位:￠/kWh或￠/m3)
Figure BDA0002964530930000111
表6能源设备的出力变化单位：kW或m3/h)
Figure BDA0002964530930000112
Figure BDA0002964530930000121

Claims (7)

1.一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集综合能源系统中电、热、气不同能源设备的实时数据，获取能源设备出力值数据；
数据处理模块，用于对获取的不同协议的数据进行协议解析，对于缺失的数据进行填补，重复的数据进行数据清洗和数据过滤；
存储模块，用于存储各能源设备出力限值、能源设备成本参数、运行约束条件和系统优化目标；
多终端协同模块，用于与邻居智能终端建立数据传输链路，形成协同通信网络，进行数据发送和接收；
本地计算模块，用于根据本地智能终端采集的数据与接收的其他邻居智能终端的数据进行迭代计算，计算全局最优的能源设备出力值与能源增量因子；
全双工信息传输模块，用于接收云平台发送的负荷预测数据，并将计算的最优能源设备出力值上传云平台，同时将对应最优的控制策略下发至能源设备；
显示模块，用于实时显示协同通信网络通信拓扑、能源设备出力值和能源增量因子值。
2.一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：智能终端通过数据采集模块采集能源设备出力数据，包括产电设备出力数据、产热设备出力数据、产气设备出力数据以及热电联产设备出力数据；
步骤2：智能终端利用数据处理模块，对采集的数据进行预处理：首先对采集的能源设备出力数据进行协议解析，获得初始能源设备出力值，其次利用热卡填补法对确实的数据进行数据填充，利用基于DataCleaner和Jaccard系数的数据清洗方法对重复数据去重，最后通过归一化方法进行数据标准化、正则化得到规范化后的初始能源设备出力值；
步骤3：智能终端通过多终端协同模块向邻居智能终端发送组网信息，构建协同通信网络，并生成通信拓扑矩阵A；
步骤4：智能终端通过系统优化目标和能源设备成本参数，建立优化模型；
步骤5：智能终端通过本地计算模块，计算所述初始能源设备出力值对应的初始能源增量因子λi(0)，并将初始邻居触发能源增量因子
Figure FDA0002964530920000021
设置为0；
步骤6：智能终端通过本地计算模块，计算动态事件触发函数fi(t)，若fi(t)＞0，则智能终端将能源增量因子发送至邻居智能终端然后执行步骤7，若fi(t)＜0则直接执行步骤7；
步骤7：智能终端通过多终端协同模块接收邻居智能终端发送的能源增量因子
Figure FDA0002964530920000022
更新邻居触发能源增量因子，即
Figure FDA0002964530920000023
其中，
Figure FDA0002964530920000024
为动态事件触发时刻，k＝0,1,2…为fi(t)＞0对应的时刻；
步骤8：智能终端通过本地计算模块执行考虑时延与动态事件触发分组一致性协议，利用邻居触发能源增量因子
Figure FDA0002964530920000025
计算优化的本地能源增量因子λi(t)，并计算对应能源设备出力值；
步骤9：判断本地能源增量因子λi(t)与邻居触发能源增量因子
Figure FDA0002964530920000026
误差是否超过阈值ξ，若超过则返回步骤6，否则执行步骤10；
步骤10：智能终端利用全双工信息传输模块将优化计算后的能源设备出力值上传至云计算平台，并将对应控制策略发送至能源设备进行出力调整；
步骤11：智能终端通过显示模块实时显示当前协同通信网络通信拓扑、能源设备出力值和能源增量因子值。
3.根据权利要求2所述的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法，其特征在于，步骤3中通信拓扑矩阵为：
根据步骤3的协同通信网络，生成通信拓扑矩阵A＝[aij]，描述为：
Figure FDA0002964530920000031
式中
Figure FDA0002964530920000032
表示综合能源系统中所有能够产电的能源设备通信拓扑矩阵，
Figure FDA0002964530920000033
表示所有能够产热的能源设备通信拓扑矩阵，
Figure FDA0002964530920000034
表示产气能源设备通信拓扑矩阵，
Figure FDA0002964530920000035
表示产电设备通信拓扑矩阵，
Figure FDA0002964530920000036
与
Figure FDA0002964530920000037
表示产电设备与热电联产设备通信拓扑矩阵，
Figure FDA0002964530920000038
与
Figure FDA0002964530920000039
表示热电联产设备通信拓扑矩阵，
Figure FDA00029645309200000310
与
Figure FDA00029645309200000311
表示热电联产设备与产热设备通信拓扑，
Figure FDA00029645309200000312
表示产热设备通信拓扑；对应具体元素定义如下：
Figure FDA00029645309200000313
式中Ni表示第i个智能终端的邻居智能终端集合，aij＝1表示第i个智能终端与第j个智能终端之间有通信连接。
4.根据权利要求2所述的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法，其特征在于，步骤4中优化模型包括：
1)能源设备成本模型：
Figure FDA00029645309200000314
Figure FDA00029645309200000315
Figure FDA00029645309200000316
Figure FDA00029645309200000317
式中FP、FH、FG、FC分别表示能源设备中产电设备、产热设备、产气设备、热电联产设备的成本；ΛP、ΛH、ΛG、ΛC分别表示产电设备、产热设备、产气设备、热电联产设备的集合；
Figure FDA00029645309200000318
分别表示第i个产电设备、产热设备、产气设备、热电联产设备的成本函数；
Figure FDA0002964530920000041
分别表示第i个产电设备、产热设备、产气设备在t时刻的出力值，
Figure FDA0002964530920000042
与
Figure FDA0002964530920000043
表示第i个热电联产设备在t时刻的电、热出力；
Figure FDA0002964530920000044
表示第i个产电设备的成本系数，
Figure FDA0002964530920000045
表示第i个产热设备的成本系数，
Figure FDA0002964530920000046
表示第i个产气设备的成本系数，
Figure FDA0002964530920000047
表示第i个热电联产设备的成本系数；
2)能源设备的供需平衡约束和出力约束：
Figure FDA0002964530920000048
Figure FDA0002964530920000049
Figure FDA00029645309200000410
式中PD、HD、GD表示全双工信息传输模块接收云平台发送的电、热、气负荷预测数据；
Figure FDA00029645309200000411
Figure FDA00029645309200000412
Figure FDA00029645309200000413
Figure FDA00029645309200000414
Figure FDA00029645309200000415
式中
Figure FDA00029645309200000416
和
Figure FDA00029645309200000417
分别为第i个产电设备的出力上下限；
Figure FDA00029645309200000418
和
Figure FDA00029645309200000419
分别为第i个产热设备的出力上下限；
Figure FDA00029645309200000420
和
Figure FDA00029645309200000421
分别为第i个产气设备的出力上下限；
Figure FDA00029645309200000422
为第i个热点联产设备可行域线性约束；
3)优化目标：
min F＝FP+FH+FG+FC
其中F表示综合能源系统运行总成本。
5.根据权利要求4所述的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法，其特征在于，步骤5中初始能源增量因子具体为：
Figure FDA00029645309200000423
式中
Figure FDA0002964530920000051
分别表示产电设备、产热设备、产气设备初始出力值；
能源设备为热电联产设备时，初始能源增量因子为
Figure FDA0002964530920000052
式中
Figure FDA0002964530920000053
表示热电联产设备初始出力值。
6.根据权利要求3所述的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法，其特征在于，步骤6中动态事件触发函数为：
Figure DEST_PATH_BDA0002964530930000091
式中fi(t)表示第i个智能终端中的事件触发函数；τij(t)是第i个智能终端与第j个智能终端之间在t时刻的通信时延；zi(t)为辅助变量；d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7为触发系数。
7.根据权利要求4所述的一种面向综合能源系统基于边缘计算的智能终端控制方法，其特征在于，步骤8中执行考虑时延与动态事件触发分组一致性协议包括：
步骤8.1：智能终端利用接收的邻居触发能源增量因子，通过执行考虑时延与事件触发分组一致性协议计算优化的本地能源增量因子，协议具体为：
Figure FDA0002964530920000055
式中Si(t)表示第i个能源设备出力估计值；κ为增益系数；Xi(t)表示第i个能源设备出力值，具体为
Figure FDA0002964530920000056
步骤8.2：根据本地能源增量因子，计算能源设备出力值，具体为：
Figure FDA0002964530920000061
Figure FDA0002964530920000062
Figure FDA0002964530920000063
Figure FDA0002964530920000064
Figure FDA0002964530920000065
步骤8.3：判断计算的能源设备出力值是否超出出力约束，若在约束范围内，则计算值作为出力值，若超出则限值作为出力值，进入步骤9。
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