CN113469487B - 一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方法及系统。本发明方法包括：步骤S1，根据系统实际电、热、冷、气等多种能流情况，抽象得节点的多能流模型；步骤S2，围绕节点多能产耗特性构建衡量产能评估的模型并划定其离散状态；步骤S3，通用生成函数法构建节点多能状态分布方程；步骤S4，求解节点本身可靠性并在此基础上求解节点间及子系统的可靠性。在上述方法基础上可模块化搭建一种综合能源系统节点可靠性量化系统。本发明为综合能源系统的可靠性分析提供求解方法，实现系统内节点本身以及子系统的可靠性计算，将系统维持供需安全的能力进行量化，从而实现综合能源系统生产生活统筹下的高效安全调度。

Description

一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方 法及系统

技术领域

本发明属于综合能源系统领域，具体涉及一种基于通用生成函数法的综合能 源系统节点可靠性量化方法及系统。

背景技术

得益于不同能源网络的耦合带来的互补效应，综合能源系统为能源供需提供 了更多能源梯级利用形式和可再生能源接入方案。但效率的提高必须建立在安全 稳定的基础之上，多种能量交汇的节点与子系统的可靠性面临着更大挑战，建立 涵盖“园区-子系统-节点”、围绕“效率-可靠性”的评估方法对综合能源系统优化调 度有重要意义。而对于节点-子系统可靠性的求解是其中最重要的基础工作。

本发明提出了一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方 法及系统，首先根据园区实际电、热、冷、气等多种能流情况，抽象得节点的多 能流模型；其次围绕节点多能产耗特性构建衡量产能评估的模型并划定其离散状 态；再通过通用生成函数法构建节点多能状态分布方程；最后借助公式求解节点 本身可靠性并在此基础上求解节点间及子系统的可靠性。本发明能为园区综合能 源系统的可靠性分析提供求解方法，实现系统内节点本身以及子系统的可靠性计 算，将系统维持供需安全的能力进行量化，从而实现工业园区综合能源系统生产 生活统筹下的高效安全调度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于通用生成函数法的综合能 源系统节点可靠性量化方法及系统，该方法首先借助节点产能评估模型和通用生 成函数法求解单一节点可靠性，再进一步实现子系统的可靠性求解。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明公开了一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方 法及系统，包括以下步骤：

步骤S1，根据系统实际能流情况，抽象得节点的多能流模型；

步骤S2，围绕节点多能产耗特性构建衡量产能评估的模型并划定其离散状态；

步骤S3，利用通用生成函数法构建节点多能状态分布方程；

步骤S4，求解节点本身可靠性并在此基础上求解节点间及子系统的可靠性。

具体的，在步骤S1中：

步骤S11，根据实际系统用能情况等特征，划分子系统与节点；节点可以是 但不限于冷热电多联产机组、热泵、储能设备、电锅炉、蒸汽管网等能源系统产 能及负荷设备。

步骤S12，抽象得节点的多能流模型；节点能流包括但不限于电、热水、冷 水、蒸汽和压缩空气中的一个或多个。

在步骤S2中：

步骤S21，围绕历史数据构建节点典型的二十四小时内的逐时逐分的用能曲 线，这一曲线可以根据案例系统的历史数据与系统综合能源仿真数据结合的方式 进行提取；

步骤S22，在构建了节点用能曲线后，针对各种能流的用能曲线建立节点能 量流产能评估方程；产能评估方程的建立过程可表达为：将节点用能的历史数据 得到功率曲线转化为该能流的产能曲线，再转化为改能流的产能能力评估曲线。

在此过程中，针对不同的能流，需确定与之对应的控制方程和控制参数。其 中，能量流的产能效果评估能力应当考虑热量产耗过程在节点中存在累计效应效 果；电的产能评估方程依托电功率，蒸汽与压缩空气则考虑能量介质参与工业园 区生产生活过程的特性，即蒸汽以温度与压力参与末端生产、压缩空气本身参与 生产，制冷过程与制热过程类似，将节点用热曲线换成节点用冷负荷，而把给定 的节点制热量换为制冷量。

步骤S23，根据节点实际的能量流状态数，对节点各个能量流产能评估量度 进行离散化处理，获得其最终分类状态；能流r的分类状态数为C，则其最终分 类状态可表达为：

X_r＝{x_r,1,x_r,2…,x_r,i…,x_r,C}

其对应的概率分布为：

p_r＝{p_r,1,p_r,2…,p_r,i…,p_r,C}

在步骤S3中：

步骤S31，为避免节点各分类状态联合概率计算的复杂性，考虑在复数域进 行求解，对多能节点开展Z变换，构建其各能量载体通用生成函数。对于分类 状态数为C的能流，其变换可如公式；

其中，j为节点的产能离散状态序号，X_j为对应的热产能状态，p_j为对应的热 产能概率，Z为复数。这一变换同时适用于所有不同的能量载体。

步骤S32，根据Z变换计算法则，对多能耦合节点构建整体通用函数如下：

其中，下标e,h,c,s,a分别表示能流：电，热(热水)，冷(冷水)，蒸汽， 压缩空气；

步骤S33，分析节点多能耦合过程中的多能产能能力，结合不同能流的权重 及其对节点可靠性的影响，得到能流状态归并向量W_r：

r∈N,N＝[h,e,c,s,a]

W_r＝[W_h,W_e,W_c,W_s,W_a]

其中，W_h,W_e,W_c,W_s,W_a分别为不同能量流的波动对节点可靠性的影响；可 以采用层次分析法、专家打分法、主成分分析法等方法进行分析获得；

步骤S34，得到节点的多能流整体通用函数如下：

其中，为考虑多能耦合过程的生成函数的运算法则，此处引入并联算符用 来表征节点多能产能能力。通过r下标将在N集合中进行遍历和能流状态进行归 并，归并向量W_r与产能状态X_r乘积相同项视作多能流耦合下状态相同，上述方 程最终可归并整理为：

即获得节点多能状态分布方程，其中，C为节点的状态总数，y_k为节点综合的产 能状态，p_k为y_k产能状态对应的概率分布。

在步骤S4中：

步骤S41，按照步骤S34所得分布，节点在给定产能能力目标下的可靠性 />可按如下公式计算：

步骤S42，考虑子系统内部存在M个节点，其本身可靠性均可由步骤S41 求得，分别记做R₁，R₂…R_i…R_j…R_M。物理上，节点在子系统中为离散状态， 节点间的相互关系已在能流耦合中考虑在节点本身可靠性内。故节点i，j间可靠 性R_i,j可由下式求得：

R_i,j＝min{R_i,R_j}

同理可求得多个节点间可靠性及该子系统可靠性R_sys如下：

R_sys＝min{R₁，R₂…R_i…R_j…R_M}

在以上求解步骤的基础上，为提高本发明的实用性，可搭建一种综合能源系 统节点可靠性量化系统，包括节点多能流产耗特性数据采集模块、节点多能产能 评估模块、能量载体通用生成函数构建模块、基于可靠性评价指标的能流状态归 并向量计算模块、节点可靠性量化计算模块、综合能源系统可靠性计算及决策模 块。

其中节点多能流产耗特性数据采集模块包括但不限于电、热水、冷水、蒸汽 和压缩空气等多能流产能及负荷设备数据检测设备，以及综合能源系统多能流产 能用能历史数据采集器。节点多能产能评估模块包括但不限于根据节点能流的多 进多出现状构建节点多能状态模型，根据能量载体确定评估方程及控制参数，最 终得到分类状态。基于可靠性评价指标的能流状态归并向量计算模块将以园区可 靠性为目标，通过运用包括但不限于层次分析法、专家打分法、主成分分析法以 及量化计算、仿真模拟的方法对不同能量流的波动对节点可靠性的影响做出分析， 最终得到不同能流在多能耦合整体通用方程下的权重。综合能源系统可靠性计算 及决策模块作为终端成果，可突破单一能流的能量节点可靠性量化方法，发展多 种能量载体交汇的能量节点与子系统的可靠性量化理论模型，可为综合能源系统 和生产生活负荷统筹场景的高效安全调度提供量化分析方法与调度理论依据。

将上述模块分别进行模块封装，建立数据传输通道，以便基于节点多能产能 评估模块即使提取节点多能流产耗特性数据采集模块的数据，并且可以通过数据 更新及时更新基于可靠性评价指标的能流状态归并向量计算模块，从而使得综合 能源系统可靠性计算及决策模块能得到最可靠的结果。

附图说明

图1为本发明的一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方法示意图；

图2为以热能量流为例，建立节点热能量流产能评估方程的方法示意图；

图3为本发明的通用生成函数法构建节点多能状态分布方程方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明 的解释而不是限定：

本发明公开了一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方 法及系统，包括以下步骤：

步骤S1，根据园区实际电、热、冷、气等多种能流情况，抽象得节点的多能 流模型；

步骤S2，围绕节点多能产耗特性构建衡量产能评估的模型并划定其离散状态；

步骤S3，通用生成函数法构建节点多能状态分布方程；

步骤S4，求解节点本身可靠性并在此基础上求解节点间及子系统的可靠性。

在步骤S1中：

步骤S11，根据实际工业园区用能情况等特征，划分园区子系统与节点；节 点可以是但不限于冷热电多联产机组、热泵、储能设备、电锅炉、蒸汽管网等能 源系统产能及负荷设备。

步骤S12，抽象得节点的多能流模型；节点能流包括但不限于电、热水、冷 水、蒸汽和压缩空气中的一个或多个。

在步骤S2中：

步骤S21，围绕历史数据构建节点典型的二十四小时内的逐时逐分的用能曲 线，这一曲线可以根据案例园区的历史数据与工业园区综合能源仿真数据结合的 方式进行提取；

步骤S22，在构建了节点用能曲线后，针对各种能流的用能曲线建立节点能 量流产能评估方程；在此过程中，针对不同的能流，需确定与之对应的控制方程 和控制参数。以热能量流为例，引入热量的时间积分，即热能量流的产能效果评 估能力应当考虑热量产耗过程在节点中存在累计效应效果，建立节点热能量流产 能评估方程如下：

其中，B代表节点热能量流产能评估量度；为节点用热曲线；τ_l，h为节点 固有的热延迟时间；D_h为给定的参考供热量，其作用在于使产能评估值无量纲化， 可通过对节点热负荷、节点温度进行数据辨识得到。

这一处理过程可表达如图2。

步骤S23，根据节点实际的能量流状态数，对节点各个能量流产能评估量度 进行离散化处理，获得其最终分类状态；以热能量流为例，在给定的热能量流状 态数C_h后，对节点热能量流产能评估量度B进行离散化处理，获得其最终分类状 态：

其对应的概率分布为：

对热能量流的一处理方式可以类比推演到电、蒸汽、压缩空气，其控制方程 可综合列举如下表。其中，电的产能评估方程依托电功率，蒸汽与压缩空气则考 虑能量介质参与工业园区生产生活过程的特性，即蒸汽以温度与压力参与末端生 产、压缩空气本身参与生产，制冷过程与制热过程类似，将节点用热曲线换成节 点用冷负荷，而把给定的节点制热量换为制冷量。

在步骤S3中：

步骤S31，为避免节点各分类状态联合概率计算的复杂性，考虑在复数域进 行求解，对多能节点开展Z变换，构建其各能量载体通用生成函数。以热能量 流为例，其变换可如公式；

其中，j为节点的热产能离散状态序号，X_h，j为对应的热产能状态，p_h，f为对 应的热产能概率，Z为复数。这一变换同时适用于其余能量载体。

步骤S32，根据Z变换计算法则，对多能耦合节点构建整体通用函数如下：

其中，下标e，h，c，s，a分别表示能流：电，热(热水)，冷(冷水)，蒸汽， 压缩空气；

步骤S33，分析节点多能耦合过程中的多能产能能力，结合不同能流的权重 及其对节点可靠性的影响，运用包括但不限于层次分析法、专家打分法、主成分 分析法的方法对不同能量流的波动对节点可靠性的影响做出分析，得到能流状态 归并向量W_r：

r∈N，N＝[h，e，c，s，a]

W_r＝[W_h，W_e，W_c，W_s，W_a]

其中N是表征能流的符号集合。

步骤S34，得到节点的多能流整体通用函数如下：

其中，为考虑多能耦合过程的生成函数的运算法则，此处引入并联算符用 来表征节点多能产能能力。通过r下标将在N集合中进行遍历和能流状态进行归 并，归并向量W_r与产能状态X_r乘积相同项视作多能流耦合下状态相同，上述方 程最终可归并整理为：

即获得节点多能状态分布方程，其中，C为节点的状态总数，y_k为节点综合的产 能状态，p_k为y_k产能状态对应的概率分布。

在步骤S4中：

步骤S41，按照步骤S34所得分布，节点在给定产能能力目标下的可靠性 />可按如下公式计算：

步骤S42，考虑子系统内部存在M个节点，其本身可靠性均可由步骤S41 求得，分别记做R₁，R₂…R_i…R_j…R_M。物理上，节点在子系统中为离散状态， 节点间的相互关系已在能流耦合中考虑在节点本身可靠性内。故节点i，j间可靠 性R_i,j可由下式求得：

R_i，j＝min{R_i,R_j}

同理可求得多个节点间可靠性及该子系统可靠性R_sys如下：

R_sys＝min{R₁，R₂…R_i…R_j…R_M}

在以上求解步骤的基础上，为提高发明的实用性，可搭建一种综合能源系统 节点可靠性量化系统，包括节点多能流产耗特性数据采集模块、节点多能产能评 估模块、能量载体通用生成函数构建模块、基于可靠性评价指标的能流状态归并 向量计算模块、节点可靠性量化计算模块、综合能源系统可靠性计算及决策模块。

其中节点多能流产耗特性数据采集模块包括但不限于电、热水、冷水、蒸汽 和压缩空气等多能流产能及负荷设备数据检测设备，以及综合能源系统多能流产 能用能历史数据采集器。节点多能产能评估模块包括但不限于根据节点能流的多 进多出现状构建节点多能状态模型，根据能量载体确定评估方程及控制参数，最 终得到分类状态的计算逻辑及算法。基于可靠性评价指标的能流状态归并向量计 算模块将以园区可靠性为目标，通过运用包括但不限于层次分析法、专家打分法、 主成分分析法以及量化计算、仿真模拟的方法对不同能量流的波动对节点可靠性 的影响做出分析，最终得到不同能流在多能耦合整体通用方程下的权重。综合能 源系统可靠性计算及决策模块作为终端成果，可突破单一能流的能量节点可靠性 量化方法，发展多种能量载体交汇的能量节点与子系统的可靠性量化理论模型， 可为综合能源系统和生产生活负荷统筹场景的高效安全调度提供量化分析方法 与调度理论依据。

将上述模块分别进行模块封装，建立数据传输通道，以便基于节点多能产能 评估模块即使提取节点多能流产耗特性数据采集模块的数据，并且可以通过数据 更新及时更新基于可靠性评价指标的能流状态归并向量计算模块，从而使得综合 能源系统可靠性计算及决策模块能得到最可靠的结果。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述 的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的 技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构 或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于通用生成函数法的综合能源系统节点可靠性量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，根据系统实际能流情况，抽象得节点的多能流模型；步骤S2，围绕节点多能产耗特性构建衡量产能评估的模型并划定其离散状态；步骤S3，利用通用生成函数法构建节点多能状态分布方程；步骤S4，求解节点本身可靠性并在此基础上求解节点间及子系统的可靠性；

所述的步骤S1具体包括：

根据实际系统用能情况，划分子系统与节点；节点为能源系统产能及负荷设备，包括但不限于冷热电多联产机组、热泵、储能设备、电锅炉、蒸汽管网；抽象得节点的多能流模型，所述能流包括但不限于电、热水、冷水、蒸汽、压缩空气；

所述的步骤S2中：

步骤S21，围绕历史数据或仿真数据构建节点典型的二十四小时内的逐时逐分的用能曲线；

步骤S22，在构建了节点用能曲线后，针对各种能流的用能曲线建立节点能量流产能评估方程；具体是将节点用能的历史数据得到功率曲线转化为该能流的产能曲线，再转化为该能流的产能能力评估曲线；

步骤S23，根据节点实际的能量流状态数，对节点各个能量流产能评估量度进行离散化处理，获得其最终分类状态；能流r的分类状态数为C，则其最终分类状态表达为：

X_r＝{x_r,1,x_r,2…,x_r,i…,x_r,C}

其对应的概率分布为：

p_r＝{p_r,1,p_r,2…,p_r,i…,p_r,C}；

在步骤S22中，针对不同的能流，需确定与之对应的控制方程和控制参数；其中，能量流的产能效果评估能力应当考虑热量产耗过程在节点中存在累计效应效果；电的产能评估方程依托电功率，蒸汽与压缩空气则考虑能量介质参与工业园区生产生活过程的特性，即蒸汽以温度与压力参与末端生产、压缩空气本身参与生产，制冷过程与制热过程类似，将节点用热曲线换成节点用冷负荷，并将给定的节点制热量换为制冷量；

所述的步骤S3中：

步骤S31，对多能节点开展Z变换，构建其各能量载体通用生成函数，对于分类状态数为C的能流r，其Z变换为；

其中，j为节点的产能离散状态序号，X_rj为对应的能流产能状态，p_rj为对应的能流产能概率，Z为复数；

步骤S32，根据Z变换计算法则，对多能耦合节点构建整体通用函数如下：

其中，下标e,h,c,s,a分别表示能流：电，热水，冷水，蒸汽，压缩空气；

步骤S33，分析节点多能耦合过程中的多能产能能力，结合不同能流的权重及其对节点可靠性的影响，得到能流状态归并向量W_r：

r∈N,N＝[h,e,c,s,a]

W_r＝[W_h,W_e,W_c,W_s,W_a]

其中，W_h,W_e,W_c,W_s,W_a分别为不同能量流的波动对节点可靠性的影响；

步骤S34，得到节点的多能流整体通用函数如下：

通过r下标将在N集合中进行遍历和能流状态进行归并，归并向量W_r与产能状态X_r乘积相同项视作多能流耦合下状态相同，上述方程最终可归并整理为：

即获得节点多能状态分布方程，其中，C为节点的状态总数，y_k为节点综合的产能状态，p_k为y_k产能状态对应的概率分布；

所述的步骤S4中：

步骤S41，按照步骤S34所得分布，节点在给定产能能力目标下的可靠性/>为：

步骤S42，考虑子系统内部存在M个节点，其本身可靠性均由步骤S41求得，分别记做R₁，R₂…R_i…R_j…R_M；节点i，j间可靠性R_i,j由下式求得：

R_i,j＝min{R_i,R_j}

同理可求得多个节点间可靠性及该子系统可靠性R_sys如下：

R_sys＝min{R₁，R₂…R_i…R_j…R_M}。

2.一种综合能源系统节点可靠性量化系统，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括节点多能流产耗特性数据采集模块、节点多能产能评估模块、能量载体通用生成函数构建模块、基于可靠性评价指标的能流状态归并向量计算模块、节点可靠性量化计算模块、综合能源系统可靠性计算及决策模块；

将上述模块分别进行模块封装，建立数据传输通道，以便基于节点多能产能评估模块及时提取节点多能流产耗特性数据采集模块的数据，并且通过数据更新及时更新基于可靠性评价指标的能流状态归并向量计算模块，从而使得综合能源系统可靠性计算及决策模块得到最可靠的结果；

所述的节点多能流产耗特性数据采集模块包括但不限于电、热水、冷水、蒸汽和压缩空气多能流产能及负荷设备数据检测设备，以及综合能源系统多能流产能用能历史数据采集器；

所述的节点多能产能评估模块包括但不限于根据节点能流的多进多出现状构建节点多能状态模型，根据能量载体确定评估方程及控制参数，最终得到分类状态；

所述的基于可靠性评价指标的能流状态归并向量计算模块将以园区可靠性为目标，通过对不同能量流的波动对节点可靠性的影响做出分析，最终得到不同能流在多能耦合整体通用方程下的权重。