CN113919607A - 一种能源系统的信息物理社会融合建模方法 - Google Patents

一种能源系统的信息物理社会融合建模方法 Download PDF

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CN113919607A CN202111527049.9A CN202111527049A CN113919607A CN 113919607 A CN113919607 A CN 113919607A CN 202111527049 A CN202111527049 A CN 202111527049A CN 113919607 A CN113919607 A CN 113919607A
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周钱雨凡
刘泽健
徐臻
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Abstract

本发明公开了一种能源系统的信息物理社会融合建模方法，本发明的方法包括：从信息物理社会融合的角度，提取能源系统的运行特征，从能量流、信息流和资金流三个维度描述全系统各主体的运行状态；并通过主体层、融合层和决策层建立优化模型，实现能源系统的优化调控。本发明技术方案能够采用信息物理社会融合的建模原理，从多个维度描述能源系统的运行状态，构建灵活的能源系统优化模型，可实现信息物理社会融合的能源系统全运行阶段下各类被控对象状态变化轨迹的高性能优化调控。

Description

一种能源系统的信息物理社会融合建模方法
技术领域
本发明涉及信息物理社会融合的建模技术领域，具体涉及一种能源系统的信息物理社会融合建模方法。
背景技术
随着信息物理融合理论的推广以及能源系统中主体的多样化，通过提取对能源系统内能源生产主体、能源消费主体、能源传输主体以及能源服务主体的关键特性，考虑能源系统在市场环境下的能源生产、传输、消费和服务以及数据采集、传输和处理环节的特性，从信息物理社会融合的角度用多维变量构建能源系统的运行状态描述模型。在此基础上，通过主体层、融合层和决策层建立全系统的优化模型，实现对能源系统全运行阶段各主体状态变化过程的优化和调控。
近年，信息物理社会融合的建模理论开始被推广在各个领域中：文献[1]"Cyber-Physical-Social Systems for Command and Control" 和文献[2] "Cyber-PhysicalSystems in the SmartGrid"提出信息物理融合为控制领域的革新提供了全新的视角；文献[3] "Smart Grids: A Cyber–Physical Systems Perspective"从信息物理融合的角度分析了智能电网的发展前景及相关技术应用；文献[4]《电力信息物理社会融合系统的建模分析与控制研究框架》中基于信息物理融合的电网架构建立了稳态与动态模型与分析方法，并针对信息系统的故障提出了控制策略；文献[6]《基于关联特性矩阵的电网信息物理系统耦合建模方法》采用网络拓扑模型和关联矩阵对电力信息层、物理层以及耦合层建立描述模型；文献[7]《电力系统信息物理融合建模与综合安全评估:驱动力与研究构想》对信息物理融合的电力系统中的能量流、信息流及其之间的映射关系建立了统一的描述模型，并结合典型信息故障对全系统进行可靠性的评估与分析；文献[8]《光伏储能协调控制的信息物理融合建模研究》中提出了一种能量层与信息层一一对应且可拆分、可整合的信息物理融合建模方法；文献[9]《电网信息物理系统的混合系统建模方法研究》结合电网的特性提出了采用有限状态机和混合逻辑动态模型的方法建立电网的信息物理融合模型。
根据以上文献，可以发现：当前信息物理融合系统的建模方法只聚焦于物理运行设备的整体架构层次，缺乏针对能源系统及其内部具体物理主体的运行状态的统一且灵活的建模方法。同时，缺乏从能量流、信息流以及资金流三个维度的信息物理社会融合建模方法，无法实现考虑市场环境下对能源系统全运行阶段的状态优化和调控。
发明内容
本发明提供了一种能源系统的信息物理社会融合建模方法，能够基于信息物理社会融合的角度，从能量流、信息流和资金流三个维度描述能源系统及其内部各主体的运行状态，实现市场环境下对能源系统全运行阶段的状态优化和调控。
为实现上述的目的，本发明的技术方案为：一种能源系统的信息物理社会融合建模方法，包括以下步骤：
步骤一：从信息物理社会融合的角度，提取特征变量描述能源系统全系统内的能量流、信息流和资金流的运行状态，具体为：
1）能量流：在能源的生产、传输、消费、服务过程中，能量在各主体之间的流动、转换与消费的行为，带有输入与输出的方向性；能量流的表达式为：
Figure 178265DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 95405DEST_PATH_IMAGE002
表示输入能源类型；
Figure 183797DEST_PATH_IMAGE003
表示输出能源类型；
Figure 579006DEST_PATH_IMAGE004
表示能源输入量；
Figure 455696DEST_PATH_IMAGE005
表示能源控制周期；
Figure 278158DEST_PATH_IMAGE006
表示能源输出量；
2）信息流：描述能量的流动、转换与消费的数据及其流向；信息流的表达式为：
Figure 545191DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 557141DEST_PATH_IMAGE008
表示输入数据类型；
Figure 226020DEST_PATH_IMAGE009
表示输出数据类型；
Figure 219383DEST_PATH_IMAGE010
表示输入数据；
Figure 36030DEST_PATH_IMAGE011
表示数据处理周期；
Figure 773041DEST_PATH_IMAGE012
表示输出数据；
3）资金流：由于能量的流动、转换与消费而在各主体之间产生的资金流动关系，主要是成本与收益的流动关系；资金流的表达式为：
Figure 296427DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 37856DEST_PATH_IMAGE014
表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营成本；
Figure 279481DEST_PATH_IMAGE015
表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营收益。
步骤二：通过主体层、融合层和决策层建立能源系统的信息物理社会融合建立优化模型，具体为：
1）主体层：从能源系统的能源生产主体、能源消费主体、能源传输主体以及能源服务主体的运行状态分别进行描述；
2）融合层：采用有限状态机描述能源系统全系统及其内部各主体的状态和转换条件，具体为：
Figure 554605DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 260392DEST_PATH_IMAGE017
是一个描述信息物理社会融合的能源系统中各主体状态切换动作条件的集合；
Figure 595559DEST_PATH_IMAGE018
表征能量流的动作条件；
Figure 137530DEST_PATH_IMAGE019
表征信息流的动作条件；
Figure 216344DEST_PATH_IMAGE020
表征资金流的动作条件；
3） 决策层：设定优化目标，结合当前系统及其内部各主体的运行状态，通过优化计算，可得到能源系统全运行阶段的状态变化的优化调控策略，具体为：
Figure 714322DEST_PATH_IMAGE021
Figure 548285DEST_PATH_IMAGE022
Figure 498924DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 381429DEST_PATH_IMAGE024
表示信息物理社会融合的电能源系统日内优化调度运行成本最小的优化调控目标；
Figure 48427DEST_PATH_IMAGE025
表示信息物理社会融合的能源系统的内各类调控主体；
Figure 990975DEST_PATH_IMAGE026
表示信息物理社会融合的能源系统各调控主体的优化变量；
Figure 428910DEST_PATH_IMAGE027
表示全系统及各主体的状态变量；
Figure 911844DEST_PATH_IMAGE028
表示信息物理社会融合的能源系统系统及各主体的状态更新函数；
Figure 384414DEST_PATH_IMAGE029
表示信息物理社会融合的能源系统系统及其内部各主体运行的约束条件。
所述的能源系统的信息物理社会融合建模方法，其中，所述步骤二具体是能源系统通过主体层、融合层和决策层系统化建立能源系统的信息物理社会融合的优化模型。
所述的能源系统的信息物理社会融合建模方法，其中，所述主体层用多维变量描述能源系统的能源生产主体、能源消费主体、能源传输主体以及能源服务主体的运行状态。
上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用信息物理社会融合的建模理论，从能量流、信息流和资金流三个维度构建能源系统的运行状态描述模型，实现市场环境下对能源系统全运行阶段的状态优化和调控，即在市场价格信号的引导下，系统能够通过即时完成采集感知、计算分析、决策控制的全流程，实现精准优化各个单元的运行状态变化曲线且有效降低系统运行成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一种能源系统的信息物理社会融合建模方法的流程图。
图2是能源系统的能量流-信息流-资金流架构图。
图3是主体-融合-决策三层能源系统模型构建流程图。
图4是具体实施例中的火电机组优化结果及状态变化轨迹图。
图5是具体实施例中的信息流示意图。
图6是具体实施例中的资金流示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明例提供了一种全运行阶段状态调控的能源系统信息物理社会融合方法，能够从能量流、信息流和资金流三个维度构建能源系统的运行状态描述模型，因此可以实现市场环境下对能源系统全运行阶段的状态优化和调控。以下分别进行详细说明：
具体包括以下步骤：
步骤一：从信息物理社会融合的角度，提取特征变量描述能源系统全系统内的能量流、信息流和资金流，具体为：
1）能量流：在能源的生产、传输、消费、服务过程中，能量在各主体之间的流动、转换与消费的行为，带有输入与输出的方向性；能量流的表达式为：
Figure 497863DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 236143DEST_PATH_IMAGE002
表示输入能源类型；
Figure 460451DEST_PATH_IMAGE003
表示输出能源类型；
Figure 521948DEST_PATH_IMAGE004
表示能源输入量；
Figure 868616DEST_PATH_IMAGE030
表示能源控制周期；
Figure 281143DEST_PATH_IMAGE031
表示能源输出量；
2）信息流：描述能量的流动、转换与消费的数据及其流向；信息流的表达式为：
Figure 309141DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 802308DEST_PATH_IMAGE008
表示输入数据类型；
Figure 991981DEST_PATH_IMAGE009
表示输出数据类型；
Figure 891804DEST_PATH_IMAGE010
表示输入数据；
Figure 520232DEST_PATH_IMAGE011
表示数据处理周期；
Figure 821900DEST_PATH_IMAGE012
表示输出数据；
3）资金流：由于能量的流动、转换与消费而在各主体之间产生的资金流动关系，主要是成本与收益的流动关系；资金流的表达式为：
Figure 182474DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 382643DEST_PATH_IMAGE014
表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营成本；
Figure 752444DEST_PATH_IMAGE015
表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营收益。
步骤二：能源系统通过主体层、融合层和决策层建立电能源系统的信息物理社会融合的状态模型，具体为：
1）主体层：从能源系统的能源生产主体、能源消费主体、能源传输主体以及能源服务主体的运行状态分别进行描述；
2）融合层：采用有限状态机描述能源系统全系统及其内部各主体的状态和转换条件，具体为：
Figure 643040DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 502411DEST_PATH_IMAGE017
是一个描述信息物理社会融合的能源系统中各主体状态切换动作条件的集合；
Figure 111247DEST_PATH_IMAGE018
表征能量流的动作条件；
Figure 593394DEST_PATH_IMAGE019
表征信息流的动作条件；
Figure 604076DEST_PATH_IMAGE020
表征资金流的动作条件；
3） 决策层：设定优化目标，结合当前系统及其内部各主体的运行状态，通过优化计算，可得到能源系统全运行阶段的状态变化的优化调控策略，具体为：
Figure 572032DEST_PATH_IMAGE021
Figure 730480DEST_PATH_IMAGE022
Figure 442085DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 307272DEST_PATH_IMAGE024
表示信息物理社会融合的电能源系统日内优化调度运行成本最小的优化调控目标；
Figure 259179DEST_PATH_IMAGE025
表示信息物理社会融合的能源系统的内各类调控主体；
Figure 842607DEST_PATH_IMAGE026
表示信息物理社会融合的能源系统各调控主体的优化变量；
Figure 92323DEST_PATH_IMAGE027
表示全系统及各主体的状态变量；
Figure 139913DEST_PATH_IMAGE028
表示信息物理社会融合的能源系统系统及各主体的状态更新函数；
Figure 449672DEST_PATH_IMAGE029
表示信息物理社会融合的能源系统系统及其内部各主体运行的约束条件。
能源系统通过主体层、融合层和决策层建立电能源系统的信息物理社会融合的状态模型，具体为以电能源系统能源生产主体中的火电机组为例：
所述能源系统通过主体层、融合层和决策层建立电能源系统的信息物理社会融合的状态模型，具体为：
A.主体层：
Figure 520396DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 885387DEST_PATH_IMAGE033
表示能源生产主体；
Figure 725167DEST_PATH_IMAGE034
为煤；
Figure 205827DEST_PATH_IMAGE035
为电能；
Figure 560585DEST_PATH_IMAGE036
为火电机组的煤耗量；
Figure 417683DEST_PATH_IMAGE037
为火电机组的日内响应时长，设定为1小时及以内；
Figure 111969DEST_PATH_IMAGE038
为火电机组的输出功率；
Figure 576580DEST_PATH_IMAGE039
为连续物理信号；
Figure 621896DEST_PATH_IMAGE040
为虚拟数字信号；
Figure 17105DEST_PATH_IMAGE041
为可监测的火电机组的输出功率；
Figure 628215DEST_PATH_IMAGE042
为数据采样过程中的时间延迟；
Figure 716257DEST_PATH_IMAGE043
为火电机组输出功率采样值；
Figure 983290DEST_PATH_IMAGE044
为火电机组的发电收益；
Figure 496705DEST_PATH_IMAGE044
为火电机组的发电成本。
B.融合层：采用有限状态机描述能源系统内各主体的状态及其转换条件，以火电机组为例，根据火电机组的有功出力将火力发电单元的运行状态划分为四种，轻载状态、正常运行状态、重载状态以及超负荷运行状态。火力发电单元各状态的及其之间的转化关系描述如下：
Figure 900004DEST_PATH_IMAGE045
式中，
Figure 158947DEST_PATH_IMAGE046
为火力发电单元的运行状态（
Figure 975593DEST_PATH_IMAGE047
表示火力发电单元轻载状态；
Figure 712605DEST_PATH_IMAGE048
表示火力发电单元正常运行状态；
Figure 235990DEST_PATH_IMAGE049
表示火力发电单元重载状态；
Figure 478884DEST_PATH_IMAGE050
表示火力发电单元超负荷运行状态）；
Figure 454930DEST_PATH_IMAGE038
为火电机组的输出功率。
C.决策层：以比利时电网公司Elia于2021年7月1日的火电机组、燃气机组、风电机组、水电机组、核电机组出力数据以及日前负荷预测数据为参考，设定全系统日内优化调度运行成本最小的优化调控目标，结合各机组最大技术出力和最小技术出力的约束条件，并考虑市场环境下的可中断负荷、可转移负荷以及固定负荷参与日内优化。采用人工输入与终端设备采集，通过局域网和专用网络传输信息数据，利用计算机结合MATLAB平台调用cplex算法求解
Figure 57950DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 701421DEST_PATH_IMAGE052
可以得到信息物理社会融合的能源系统火电机组全运行阶段的运行状态及其变化轨迹的调控策略（能量流结果如附图4所示，信息流结果如附图5所示，资金流结果如附图6所示）。在该策略下，电能源系统日内优化调度运行成本最小下降了15.24%。
需要说明的是，上述装置和系统内的各主体之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccess Memory）、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种全运行阶段状态调控的能源系统信息物理社会融合方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种能源系统的信息物理社会融合建模方法，其特征在于，包括：
步骤一：从信息物理社会融合的角度，提取特征变量描述全系统内的能量流、信息流和资金流；
步骤二：通过主体层、融合层和决策层建立统一且灵活的优化模型，实现全运行阶段的能源系统状态优化调控。
2.根据权利要求1所述的能源系统的信息物理社会融合建模方法，其特征在于：所述步骤一具体为：
1）能量流：在能源的生产、传输、消费、服务过程中，能量在各主体之间的流动、转换与消费的行为，带有输入与输出的方向性；能量流的表达式为：
Figure 85171DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 814093DEST_PATH_IMAGE002
表示输入能源类型；
Figure 207422DEST_PATH_IMAGE003
表示输出能源类型；
Figure 705399DEST_PATH_IMAGE004
表示能源输入量；
Figure 211467DEST_PATH_IMAGE005
表示能源控制周期；
Figure 490001DEST_PATH_IMAGE006
表示能源输出量；
2）信息流：描述能量的流动、转换与消费的数据及其流向，信息流的表达式为：
Figure 372507DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 538040DEST_PATH_IMAGE008
表示输入数据类型；
Figure 480588DEST_PATH_IMAGE009
表示输出数据类型；
Figure 918523DEST_PATH_IMAGE010
表示输入数据；
Figure 401457DEST_PATH_IMAGE011
表示数据处理周期；
Figure 874026DEST_PATH_IMAGE012
表示输出数据；
3）资金流：由于能量的流动、转换与消费而在各主体之间产生的资金流动关系，主要是成本与收益的流动关系，所述资金流的表达式为：
Figure 33481DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 958712DEST_PATH_IMAGE014
表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营成本；
Figure 183020DEST_PATH_IMAGE015
表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营收益。
3.根据权利要求1所述的能源系统的信息物理社会融合建模方法，其特征在于：所述步骤二具体是能源系统通过主体层、融合层和决策层系统化建立能源系统的信息物理社会融合的优化模型。
4.根据权利要求3所述的能源系统的信息物理社会融合建模方法，其特征在于：所述主体层用多维变量描述能源系统的能源生产主体、能源消费主体、能源传输主体以及能源服务主体的运行状态。
5.根据权利要求2所述的能源系统的信息物理社会融合建模方法，其特征在于：所述融合层采用有限状态机描述能源系统全系统内各主体的运行状态和转换条件，具体为：
Figure 572413DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 856763DEST_PATH_IMAGE017
是一个描述信息物理社会融合的能源系统中各主体状态切换动作条件的集合；
Figure 269290DEST_PATH_IMAGE018
表征能量流的动作条件；
Figure 844759DEST_PATH_IMAGE019
表征信息流的动作条件；
Figure 26342DEST_PATH_IMAGE020
表征资金流的动作条件。
6.根据权利要求2所述的能源系统的信息物理社会融合建模方法，其特征在于：所述决策层基于设定的优化目标和当前系统的运行状态，通过优化计算，可得到能源系统全运行阶段下，系统及其内部各主体状态变化轨迹的优化调控策略，具体为：
Figure 543911DEST_PATH_IMAGE021
Figure 443734DEST_PATH_IMAGE022
Figure 9844DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 190526DEST_PATH_IMAGE024
表示信息物理社会融合的电能源系统日内优化调度运行成本最小的优化调控目标；
Figure 816679DEST_PATH_IMAGE025
表示信息物理社会融合的能源系统的内各类调控主体；
Figure 203798DEST_PATH_IMAGE026
表示信息物理社会融合的能源系统各调控主体的优化变量；
Figure 370337DEST_PATH_IMAGE027
表示全系统及各主体的状态变量；
Figure 526512DEST_PATH_IMAGE028
表示信息物理社会融合的能源系统系统及各主体的状态更新函数；
Figure 323567DEST_PATH_IMAGE029
表示信息物理社会融合的能源系统系统及其内部各主体运行的约束条件。
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