CN113467398B - 基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,其特征在于，包括：用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，确定领导智能体和跟随智能体；实时采集燃气发电机电负载率信息和室内温度，确定燃气发电机的电负载率的一致性控制协议和房间温度的一致性控制协议；在一致性控制协议和领导智能体的作用下，使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率和所有房间的温度都趋于一致；本公开的目的在于，构建网络化的综合能源系统，并分析其每个智能体的动态，利用多智能体系统的一致性控制算法，为综合能源系统设计分布式控制系统，使得综合能源系统中所有CCHP机组的燃气发电机的电功率负载率和冷负荷的室内温度的值趋于一致。

Description

基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法及系统

技术领域

本公开属于综合能源系统技术领域，尤其涉及一种基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

综合能源系统(integrated energy system，IES)是指对不同类型能源进行有机协调与优化后所形成的能源网络系统；多能互补供能是IES的关键特征之一，综合能源系统集风力发电系统、光伏发电系统、燃气冷热电联供系统等多种类型能量枢纽于一体，很大程度地促进电力、热力等多种能流的协同，极大提高其应对负荷变化的能力。IES可以实现能源的梯级利用，提高能源的综合利用水平，对提高能源利用效率，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有重要的现实意义。

综合能源系统由多个能源枢纽组成，每个枢纽可以看作一个智能体，能源枢纽之间相互作用，状态变换非常复杂，组成了一个复杂的网络系统，集中式控制需要耗费大量的资源。考虑以上现状，亟需从多智能体系统的角度出发，寻求新的思路和方法予以突破，以期提高供能质量、设备的利用率，为能源网络的高效、经济、环保运行奠定坚实基础；传统集中式的控制方法难以保证综合能源系统中供能质量以及设备的利用率，而目前针对综合能源系统的控制方法比较少且存在缺陷，无法满足目前的实际需求；现有技术中，针对综合能源系统的控制，往往没有考虑复杂网络信息交流的拓扑结构和智能体之间的相互作用，无法解决上述问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法及系统，本公开的目的在于，构建网络化的综合能源系统，并分析其每个智能体的动态，利用多智能体系统的一致性控制算法，为综合能源系统设计分布式控制系统，使得综合能源系统中所有CCHP机组的燃气发电机的电功率负载率和冷负荷的室内温度的值趋于一致。

为了实现上述目的，本公开第一方面提出了一种基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法，采用如下技术方案：

基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,包括：

根据图论，将综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，确定领导智能体和跟随智能体；

实时采集各个CCHP系统中燃气发电机电负载率信息和室内温度，确定燃气发电机的电负载率的一致性控制协议和房间温度的一致性控制协议；

在一致性控制协议和领导智能体的作用下，使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率和所有房间的温度都趋于一致，并且都趋于标准值。

进一步的，所述描述综合能源系统的通信拓扑的过程为：

定义无向图的点集代表智能体，即综合能源系统中所有的CCHP系统，无向图的边集代表智能体之间的信息交互；

定义图的跟随智能体的邻接矩阵、领导智能体与跟随智能体之间的联系矩阵、图的度矩阵和定义图的Laplacian矩阵。

进一步的，所述CCHP系统包括燃气发电机组和吸收式制冷机组成的内燃机系统模块、锅炉模块和电制冷机模块；所述内燃机系统模块为负荷供应电能、热能和冷能。

进一步的，根据电负载率的动态，燃气发电机电负载率信息中的天然气进气量对时间求导做控制量，得到燃气发电机的电负载率的一致性控制协议。

进一步的，所述领导智能体定位为虚拟领导智能体，虚拟领导智能体输出燃气发电机的电负载率的标准值。

进一步的，根据室内温度的动态而言，取房间耗散功率和房间冷能供应功率的差为控制量，确定房间温度的一致性控制协议。

为了实现上述目的，本公开第二方面提出了一种基于一致性算法的综合能源系统分布式控制系统，采用如下技术方案：

基于一致性算法的综合能源系统分布式控制系统,包括：模型建立模块、信息采集模块、和执行模块；

模型建立模块，被配置为：根据图论，将综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，确定领导智能体和跟随智能体；

所述信息采集模块，被配置为：实时采集各个CCHP系统中燃气发电机电负载率信息和室内温度，确定燃气发电机的电负载率的一致性控制协议和房间温度的一致性控制协议；

所述执行模块，被配置为：在一致性控制协议和领导智能体的作用下，使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率和所有房间的温度都趋于一致，并且都趋于标准值。

进一步的，所述描述综合能源系统的通信拓扑的过程为：

定义无向图的点集代表智能体，即综合能源系统中所有的CCHP系统，无向图的边集代表智能体之间的信息交互；

定义图的跟随智能体的邻接矩阵、领导智能体与跟随智能体之间的联系矩阵、图的度矩阵和定义图的Laplacian矩阵。

进一步的，根据电负载率的动态，燃气发电机电负载率信息中的天然气进气量对时间求导做控制量，得到燃气发电机的电负载率的一致性控制协议。

进一步的，根据室内温度的动态而言，取房间耗散功率和房间冷能供应功率的差为控制量，确定房间温度的一致性控制协议。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1.本公开构建了网络化的综合能源系统，并分析其每个CCHP系统的动态，利用多智能体系统的一致性控制算法，为综合能源系统设计分布式控制系统，使得综合能源系统中所有CCHP机组的燃气发电机的电功率负载率和冷负荷的室内温度的值趋于一致。

2.本公开根据图论，将综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，考虑了复杂网络信息交流的拓扑结构和智能体之间的相互作用。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本公开实施例1的控制结构图；

图2为本公开实施例1的CCHP系统结构图；

图3为本公开实施例1的控制系统设计过程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,包括：

根据图论，将综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，确定领导智能体和跟随智能体；

实时采集各个CCHP系统中燃气发电机电负载率信息和室内温度，确定燃气发电机的电负载率的一致性控制协议和房间温度的一致性控制协议；

在一致性控制协议和领导智能体的作用下，使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率和所有房间的温度都趋于一致，并且都趋于标准值。

在本实施例中，对综合能源系统进行建模，考虑综合能源系统中含有N个相互作用CCHP系统(智能体)的情况，每个CCHP都具备独立的电能、热能、冷能的供应能力，并通过相互协调共同完成一定区域的供能工作，所以每个CCHP系统可以看作一个智能体，综合能源系统可以看作一个多智能体系统。

具体的，根据图论，综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图

来描述综合能源系统的通信拓扑，图

由点集V和边集E组成，点集V＝{0,1,...,N}代表智能体，即具有自主功能的CCHP机组，智能体0是领导智能体，智能体1,...,N是跟随智能体；边集

代表智能体(CCHP机组)之间的信息交互。

定义图的跟随智能体的邻接矩阵为G＝[g_ij]_n×n，其中g_ii＝0，如果智能体i和j之间存在信息交互，则g_ij>0，否则为0。定义矩阵M＝Diag(m₁,...,m_N)，代表领导智能体与跟随智能体之间的联系，如果智能体i和领导智能体之间存在信息交互，则m_i>0，否则为0。定义D＝d_ij∈R^m×m为图的度矩阵，则D是对角阵，对角上的元素为各个顶点的度，

(邻接矩阵第i行所有元素的和)。定义图的Laplacian矩阵为L，L＝D-G，即L_ii＝∑_j≠ig_ij且L_ij＝-g_ij。根据L的定义可知，其行和为0，意味着0是其特征值，L的特征值被定义为0＝λ₁<λ₂≤...λ_N。定义智能体i的邻居为N_i＝{j∈V(i,j)∈E}，代表所有能和智能体i交换信息的邻居智能体。

如图2所示，为一个简单的CCHP系统；其中，P_grid—电网电功率，kW；P_ecchp—内燃机发电功率，kW；Q_fu—内燃机烟气供热功率，kJ/h；Q_jw—内燃机缸套水供热功率，kJ/h；Q_b—锅炉供热功率，kJ/h。

如图2中是综合能源系统中的一个CCHP系统，每个CCHP系统包含燃气发电机组、吸收式制冷机、锅炉等设备；CCHP系统可以分为三个部分：燃气发电机组和吸收式制冷机组成的内燃机系统模块；锅炉模块；电制冷机模块；内燃机系统模块可为负荷供应电能、热能和冷能，电网和燃气发电机共同供应电能，吸收式制冷机和锅炉共同保证供热季节热能的充足供应，电制冷机和吸收式制冷机共同保证供冷季节冷能的充足供应；网络中的CCHP系统将能量传输到母线上，负荷从母线上接受能量。

内燃机系统模块主要包含有燃气内燃机、发电机、吸收式制冷机组等；根据能量守恒定律，可得内燃机系统模块供应的热功率模型和电功率模型：

其中，q_gas—天然气低位热值，kJ/Nm³；G_gas—天然气进气量，m³/h；η_ex—烟气热量占比系数；η_jw—烟气热量占比系数；Q_pgu—内燃机供热功率，kJ/h；Q_hcchp—制冷机供热/冷功率，kW；cop_ahp—制冷机能效比；η_e—电功率系数。

采用下标i＝1,...,N表示综合能源系统中不同的CCHP系统，在综合能源网络中，每个本地CCHP机组的燃气发电机的电功率可表示为P_i,ecchp＝η_eq_gasG_i,gas，i＝1,...,N。定义燃气发电机的最大电功率为P_i,max，则电功率负载率为P_i,ecchp/P_i,max＝η_eq_gasG_i,gas/P_i,max。取电负载率为L_i,e＝P_i,ecchp/P_i,max，参数h_i＝η_eq_gas/P_i,max，可得电负载率的动态为：

每个CCHP机组的容量可能不相同，故对其电负载率进行控制更加有实际意义。

室内温度是影响用户舒适程度的关键因素；室内温度的控制通过调节冷能/热能的供应量来实现，忽略供暖/冷房间之间通过墙壁的热传递，其变化过程主要包括室内温度与室外温度的温差下自然产生的热交换，和供热/冷量对房间进行作用两个环节。

制冷工况下，室内温度主要与冷能的供应量以及自然耗散的能量有关，在制冷工况下，其关系如下：

Q_loss＝K_loss(T_out-T_h) (4)

其中，Q_loss—房间耗散功率，kJ/h；K_loss—房屋参数，kJ/(h*K)；T_out—外界温度，K；T_h—室内温度，K；Q_nc—房间冷能供应功率，kJ/h；M_air—室内空气质量，Kg；c—空气比热容，是kJ/(Kg*K)。

经整理可得综合能源系统中不同冷负荷的室内温度动态为标准线性系统：

其中下标i＝1,...,N代表网络中不同的冷负荷。其中耗散功率Q_loss是实时变化的已知量。

如图2所示，综合能源系统控制过程为：

虚拟领导智能体输出燃气发电机的电负载率的标准值L_0,e＝L_ref和室内温度的标准值T_0,h(t)＝T_ref；定义综合能源网络中的CCHP系统为跟随智能体，通过与领导智能体连接的跟随者将标准值提供给综合能源系统；标准值是优化所得的发电机组的最优负载率，这样系统的燃气发电机在一致性协议的作用下将运行在最优状态。

根据电负载率的动态，取dG_i,gas/dt做控制量，可得燃气发电机的电负载率的一致性控制协议：

且综合能源系统的电功率满足约束：

其中，P_i,L是不同CCHP系统对应的负载的电功率。

在控制协议(7)和领导者L_0,e＝L^ref的作用下使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率都趋于一致，并且都趋于标准值L_ref，即

对于室内温度的动态而言，取Q_loss-Q_i,nc为控制量。则对于房间室内温度而言，其基于本地信息的分布式一致性控制协议为：

在控制协议(9)和领导者设定值T_0,h(t)＝T^ref的作用下使得所有的房间的温度都趋于一致，并且都趋于标准值T_ref，即

通过领导智能体所设定的基准值和一致性控制协议的作用，实现综合能源系统的所有燃气发电机的电负载率达到一致合理的分配了机组所供应的能源，使发电机组运行在最优状态；室内温度趋同至标准值提高了用户的舒适度。

实施2：

本实施例提供了一种基于一致性算法的综合能源系统分布式控制系统,包括：模型建立模块、信息采集模块、和执行模块；

模型建立模块，被配置为：根据图论，将综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，确定领导智能体和跟随智能体；

所述描述综合能源系统的通信拓扑的过程为：

定义无向图的点集代表智能体，即综合能源系统中所有的CCHP系统，无向图的边集代表智能体之间的信息交互；

定义图的跟随智能体的邻接矩阵、领导智能体与跟随智能体之间的联系矩阵、图的度矩阵和定义图的Laplacian矩阵。

所述信息采集模块，被配置为：实时采集各个CCHP系统中燃气发电机电负载率信息和室内温度，确定燃气发电机的电负载率的一致性控制协议和房间温度的一致性控制协议；

根据电负载率的动态，燃气发电机电负载率信息中的天然气进气量对时间求导做控制量，得到燃气发电机的电负载率的一致性控制协议；进一步的，根据室内温度的动态而言，取房间耗散功率和房间冷能供应功率的差为控制量，确定房间温度的一致性控制协议。

所述执行模块，被配置为：在一致性控制协议和领导智能体的作用下，使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率和所有房间的温度都趋于一致，并且都趋于标准值。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,其特征在于，包括：

根据图论，将综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，确定领导智能体和跟随智能体；

实时采集各个CCHP系统中燃气发电机电负载率信息和室内温度，确定燃气发电机的电负载率的一致性控制协议和房间温度的一致性控制协议；

根据电负载率的动态，燃气发电机电负载率信息中的天然气进气量对时间求导做控制量，得到燃气发电机的电负载率的一致性控制协议；

在一致性控制协议和领导智能体的作用下，使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率和所有房间的温度都趋于一致，并且都趋于标准值。

2.如权利要求1所述的基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,其特征在于，所述描述综合能源系统的通信拓扑的过程为：

定义无向图的点集代表智能体，即综合能源系统中所有的CCHP系统，无向图的边集代表智能体之间的信息交互；

定义图的跟随智能体的邻接矩阵、领导智能体与跟随智能体之间的联系矩阵、图的度矩阵和定义图的Laplacian矩阵。

3.如权利要求1所述的基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,其特征在于，所述CCHP系统包括燃气发电机组和吸收式制冷机组成的内燃机系统模块、锅炉模块和电制冷机模块；所述内燃机系统模块为负荷供应电能、热能和冷能。

4.如权利要求1所述的基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,其特征在于，所述领导智能体定位为虚拟领导智能体，虚拟领导智能体输出燃气发电机的电负载率的标准值。

5.如权利要求1所述的基于一致性算法的综合能源系统分布式控制方法,其特征在于，根据室内温度的动态而言，取房间耗散功率和房间冷能供应功率的差为控制量，确定房间温度的一致性控制协议。

6.基于一致性算法的综合能源系统分布式控制系统,其特征在于，包括：模型建立模块、信息采集模块、和执行模块；

模型建立模块，被配置为：根据图论，将综合能源系统中CCHP系统之间的通信拓扑用包含一个领导节点的无向图来描述综合能源系统的通信拓扑，确定领导智能体和跟随智能体；

所述信息采集模块，被配置为：实时采集各个CCHP系统中燃气发电机电负载率信息和室内温度，确定燃气发电机的电负载率的一致性控制协议和房间温度的一致性控制协议；

根据电负载率的动态，燃气发电机电负载率信息中的天然气进气量对时间求导做控制量，得到燃气发电机的电负载率的一致性控制协议；

所述执行模块，被配置为：在一致性控制协议和领导智能体的作用下，使得所有CCHP机组的燃气发电机的电负载率和所有房间的温度都趋于一致，并且都趋于标准值。

7.如权利要求6所述的基于一致性算法的综合能源系统分布式控制系统,其特征在于，所述描述综合能源系统的通信拓扑的过程为：

定义无向图的点集代表智能体，即综合能源系统中所有的CCHP系统，无向图的边集代表智能体之间的信息交互；

定义图的跟随智能体的邻接矩阵、领导智能体与跟随智能体之间的联系矩阵、图的度矩阵和定义图的Laplacian矩阵。

8.如权利要求6所述的基于一致性算法的综合能源系统分布式控制系统,其特征在于，根据室内温度的动态而言，取房间耗散功率和房间冷能供应功率的差为控制量，确定房间温度的一致性控制协议。

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