CN114204557A - 一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，应用于港口综合能源系统的规划和调度运行管理，所述方法包括：港口电力监控系统获取港口配用电网络信息、设备用电负荷信息、设备运行计划信息，从港口生产管理系统获取船舶进出港计划、配载计划、堆场计划和码头装载作业计划信息，从港口综合信息管理系统获取实施航运信息、气象数据、电价数据。在保障冷藏集装箱满足存储温度要求的条件下，实现集装箱用电负荷的精细化协同控制，一方面有效提高港口能源利用率，降低碳排放，另一方面避免冷藏集装箱无序用电导致港口供电设备过载，有力保障港口综合电力供应系统的安全稳定运行。

Description

一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统规划和运行控制领域，尤其涉及一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法。

背景技术

区别于内陆工业园区，港口由于其地理环境及自身用电设备的独特性，使得其供电系统有所不同。港口占地面积大，用电负荷比较分散，对于供电可靠性要求高，因此，港口供电系统都是从区域电力网实现电能输送，再通过降低电压手段，实现电力向各个电场所的输送。面对分散的用电负荷，常常会使用到220-380V低压设备。对于部分大型港口作业区域来讲，会在地区电力网上实现110kV或者35kV高压电能的获取，采取手段将其降低到3-10kV，实现从高压配电线路向变电所输送之后，再次降压为380V配电电压，才可以投入使用。为了达到上述的目的，往往会设置两台变压器。因此，港口供电系统一般主要由：地区电力网，降压变电站，港区配电线路，前沿变电所，低压配电系统几个部分构成。冷藏集装箱在码头管理和运输时，存在的问题之一是电源的选择与电源插座的布置。目前在这方面，国内外电压等级各不相同，采用的电压为220V-480V不等。

港口由于交通枢纽的特殊地理位置，每天来往商船客流量非常庞大，港口用电时段非常密集，对于港口来说，电力的稳定、安全、经济供给是电力调度部门和港口运营商需要极度重视的问题。而港口货物贸易运输过程中，最常见的货物存储装置便是冷藏集装箱，传统的冷藏集装箱并不进行温度控制，往往是采用压缩式制冷机集中供冷，电能浪费现象严重，而且到港集装箱的短期爆发式供冷，会对港口电力系统造成较大的冲击，不利于电力系统的稳定性和安全性，因此，非常有必要对冷藏集装箱基于温控的负荷协同控制和管理。

发明内容

本发明目的在于，提供一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，在保障冷藏集装箱满足存储温度要求的条件下，实现集装箱用电负荷的精细化协同控制，一方面有效提高港口能源利用率，降低碳排放，另一方面避免冷藏集装箱无序用电导致港口供电设备过载，有力保障港口综合电力系统的安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法和系统，应用于港口综合能源系统的规划和调度运行管理，所述方法包括：

港口电力监控系统获取港口配用电网络信息、设备用电负荷信息、设备运行计划信息，从港口生产管理系统获取船舶进出港计划、配载计划、堆场计划和码头装载作业计划信息，从港口综合信息管理系统获取实施航运信息、气象数据、电价数据。

对所述多系统来源数据进行多源数据融合，计算得到第二天接入供电系统的冷藏集装箱的数量、集装箱的存放位置、集装箱被太阳暴晒的情况、不同时刻冷藏集装箱的最大供电功率。

建立冷藏集装箱热动态平衡数学模型，数学模型能够反映集装箱在不同位置被太阳不同程度照射带来的影响，能够反映外部温度搞定对集装箱内部温度的影响，能够反映不同集装箱绝热水平对集装箱温度控制的影响。

建立冷藏集装箱日前用电负荷调度计划优化模型，优化目标是第二天冷藏集装箱总用电量费用最小。约束条件主要包括：在全天各时段所有冷藏集装箱内部温度都不越限；任一时刻，冷藏集装箱总制冷用电负荷不超港口供电能力；通过日前负荷调度计划模型优化计算，得到第二天各个冷藏集装箱的制冷用电计划；

建立日内用电负荷调度计划滚动优化模型，主要应对日前计算偏差进行日内实时滚动纠正；日内负荷滚动优化计算模型的优化目标、约束条件和日前优化模型一致，但输入数据是实时数据。日内负荷滚动优化计算每1小时执行一次，计算结果直接发送各冷藏集装箱的制冷系统，制冷系统按照调度指令启动或停止制冷压缩机。

港口电力监控系统在执行协同调度过程中，如果检测到某个冷藏集装箱出现异常，则该异常集装箱退出协同控制，采用就地控制策略，通过就地负荷优化控制，保障港口集装箱供电系统安全稳定运行。

优选地，所述不同时刻港口冷藏集装箱最大供电功率，是每15分钟计算1次港口负荷情况，计算公式为：

式中，P_max，t为t时段港口冷藏集装箱最大供电功率，S为港口冷藏集装箱负荷所在供电变压器的容量，M为出集装箱外其余负荷设备的数量，P_i,t为第i个设备在t时段的最大功率，由于港口用电设备有很多是吊车、起重运输机械设备等，经常在启动、停转等不同工况切换，不同时段其功率P_i,t是不同的，因此，所述港口冷藏集装箱总供电能力计算公式能够在保证港口总体供电安全的条件下，最大限度地挖掘港口冷藏集装箱的供电能力。

优选地，所述冷藏集装箱热动态平衡数学模型，计算公式为：

式中：C_o为冷藏集装箱的比热容；

和

分别为t时段冷藏集装箱的外部温度和内部温度；ω^t为t时段的太阳辐射影响因子，

为t时段冷藏集装箱的制冷电功率；μ₁为冷藏集装箱的绝热水平，该值越小，表示研究对象绝热性能越好，μ₂为制冷机的能量转化效率，该值越大，表示制冷效果越好。

优选地，所述冷藏集装箱日前用电负荷调度计划优化模型的目标函数，计算公式为：

式中：

为t时段的电价；N为t时段连接港口供电系统的冷藏集装箱的数量；T为一天内时段数，以15分钟为一个时段，则T＝96；

为t时段冷藏集装箱的平均用电功率；Δt为时段时长，即15分钟；

优选地，所述冷藏集装箱日前用电负荷调度计划优化模型的约束条件为：

式中：C_n,o为第n个冷藏集装箱的比热容；

和

分别为t时段第n个冷藏集装箱的外部温度和内部温度；

为t时段第n个冷藏集装箱的太阳辐射影响因子，

为t时段第n个冷藏集装箱的制冷电功率；μ_n,1为第n个冷藏集装箱的绝热水平，μ_n,2为第n个冷藏集装箱的制冷机的能量转化效率。

为第n个冷藏集装箱的制冷机最大功率；P_max,t为t时段港口所有冷藏集装箱的最大供电功率；

和

分别为第n个冷藏集装箱内部温度的上下限。

优选地，所述日内用电负荷调度计划滚动优化应对的日前计算偏差主要包括：到港集装箱、离港集装箱、气象数据、各时段的最大供电功率的预测值与日内实际值的偏差、冷藏集装箱调控异常等。

优选地，所述冷藏集装箱异常的检测，具体包括：

港口电力监控系统下发降低冷藏集装箱制冷功率，经过5分钟后，冷藏集装箱温度传感器检测到升温变化低于期望阈值；

港口电力监控系统下发增加冷藏集装箱制冷功率，经过5分钟后，冷藏集装箱温度传感器检测到降温变化低于期望阈值；

冷藏集装箱传感器反馈信号发生剧烈波动；

冷藏集装箱温度/湿度传感器反馈信号越限，或者格式错误。

优选地，所述冷藏集装箱出现异常的就地控制策略，首先通过软硬件双重看门狗重启系统，重新采集N组数据(通常N可设置为20)，若仍然出现上述异常，则关闭传感器，港口电力监控系统发出告警信息，通知运维工作人员处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法的流程示意图；

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，本发明提供的一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法和系统，应用于港口综合能源系统的规划和调度运行管理，实现集装箱用电负荷的精细化协同控制，所述方法包括：

步骤S10：港口电力监控系统获取港口配用电网络信息、设备用电负荷信息、设备运行计划信息，从港口生产管理系统获取船舶进出港计划、配载计划、堆场计划和码头装载作业计划信息，从港口综合信息管理系统获取实施航运信息、气象数据、电价数据，详见步骤S11-13：

步骤S11：港口电力监控系统通过查询数据库，读取港口配用电网络信息、设备用电负荷信息、设备运行计划信息；

步骤S12：电网运行控制系统通过XML格式文件的数据交互方式，从港口生产管理系统获取船舶进出港计划、配载计划、堆场计划和码头装载作业计划信息；

步骤S13：电网运行控制系统通过XML格式文件的数据交互方式，从港口综合信息管理系统获取实施航运信息、气象数据、电价数据。

步骤S20：对所述多系统来源数据进行多源数据融合，计算得到第二天接入供电系统的冷藏集装箱的数量、集装箱的存放位置、集装箱被太阳暴晒的情况、不同时刻冷藏集装箱的最大供电功率，并建立冷藏集装箱热动态平衡数学模型，详见步骤S21-22；

步骤S21：计算第二天每15分钟共96个时间段的港口冷藏集装箱最大供电功率，计算公式为：

式中，P_max，t为t时段港口冷藏集装箱最大供电功率，S为港口冷藏集装箱负荷所在供电变压器的容量，M为出集装箱外其余负荷设备的数量，P_i,t为第i个设备在t时段的最大功率，由于港口用电设备有很多是吊车、起重运输机械设备等，经常在启动、停转等不同工况切换，不同时段其功率P_i,t是不同的，因此，所述港口冷藏集装箱总供电能力计算公式能够在保证港口总体供电安全的条件下，最大限度地挖掘港口冷藏集装箱的供电能力。

步骤S22：建立冷藏集装箱热动态平衡数学模型，数学模型能够反映集装箱在不同位置被太阳不同程度照射带来的影响，能够反映外部温度搞定对集装箱内部温度的影响，能够反映不同集装箱绝热水平对集装箱温度控制的影响，计算公式为：

式中：C_o为冷藏集装箱的比热容；

和

分别为t时段冷藏集装箱的外部温度和内部温度；ω^t为t时段的太阳辐射影响因子，

为t时段冷藏集装箱的制冷电功率；μ₁为冷藏集装箱的绝热水平，该值越小，表示研究对象绝热性能越好，μ₂为制冷机的能量转化效率，该值越大，表示制冷效果越好。

步骤S30：建立冷藏集装箱日前用电负荷调度计划优化模型，详见步骤S31-32；

步骤S31：搭建优化模型目标函数，优化目标是第二天冷藏集装箱总用电量费用最小，目标函数计算公式为：

式中：

为t时段的电价；N为t时段连接港口供电系统的冷藏集装箱的数量；T为一天内时段数，以15分钟为一个时段，则T＝96；

为t时段冷藏集装箱的平均用电功率；Δt为时段时长，即15分钟；

步骤S32：搭建优化模型约束条件函数，约束条件主要包括：在全天各时段所有冷藏集装箱内部温度都不越限；任一时刻，冷藏集装箱总制冷用电负荷不超港口供电能力；通过日前负荷调度计划模型优化计算，得到第二天各个冷藏集装箱的制冷用电计划；约束条件计算公式为：

式中：C_n,o为第n个冷藏集装箱的比热容；

和

分别为t时段第n个冷藏集装箱的外部温度和内部温度；

为t时段第n个冷藏集装箱的太阳辐射影响因子，

为t时段第n个冷藏集装箱的制冷电功率；μ_n,1为第n个冷藏集装箱的绝热水平，μ_n,2为第n个冷藏集装箱的制冷机的能量转化效率。

为第n个冷藏集装箱的制冷机最大功率；P_max,t为t时段港口所有冷藏集装箱的最大供电功率；

和

分别为第n个冷藏集装箱内部温度的上下限。

步骤S40：建立日内用电负荷调度计划滚动优化模型，每1小时计算一次日内用电负荷调度计划，并计算结果直接下发至各冷藏集装箱的制冷系统执行，同时，实时进行冷藏集装箱异常检测及控制，详见步骤S41-42；

步骤S41：建立日内用电负荷调度计划滚动优化模型，应对日前计算偏差进行日内实时滚动纠正，日内负荷滚动优化计算模型的优化目标、约束条件和日前优化模型一致，但输入数据是实时数据，日内负荷滚动优化计算每1小时执行一次，计算结果直接发送各冷藏集装箱的制冷系统，制冷系统按照调度指令启动或停止制冷压缩机。

步骤S42：港口电力监控系统通过对冷藏集装箱下发控制指令并接收集装箱温度传感器回馈数据，进行综合判断，满足任一条异常判据后则判断为冷藏集装箱调控异常，并执行就地控制策略，异常判据分别是：

1)港口电力监控系统下发降低冷藏集装箱制冷功率，经过5分钟后，冷藏集装箱温度传感器检测到升温变化低于期望阈值；

2)港口电力监控系统下发增加冷藏集装箱制冷功率，经过5分钟后，冷藏集装箱温度传感器检测到降温变化低于期望阈值；

3)冷藏集装箱传感器反馈信号发生剧烈波动；

4)冷藏集装箱温度/湿度传感器反馈信号越限，或者格式错误。

步骤S43：港口电力监控系统在执行协同调度过程中，如果检测到某个冷藏集装箱出现异常，则该异常集装箱退出协同控制，并通过软硬件双重看门狗重启系统，重新采集N组数据(通常N可设置为20)，若仍然出现所述异常，则关闭传感器，港口电力监控系统发出告警信息，通知运维工作人员处理。

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，应用于港口综合能源系统的规划和调度运行管理，所述方法包括：

港口电力监控系统获取港口配用电网络信息、设备用电负荷信息、设备运行计划信息，从港口生产管理系统获取船舶进出港计划、配载计划、堆场计划和码头装载作业计划信息，从港口综合信息管理系统获取实施航运信息、气象数据、电价数据，并对多系统来源数据进行多源数据融合；计算得到第二天接入供电系统的冷藏集装箱的数量、集装箱的存放位置、集装箱被太阳暴晒的情况、不同时刻冷藏集装箱的最大供电功率。

2.根据权利要求1所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述多源数据融合是将不同系统的数据进行计量单位归一化、多源数据相互校核综合处理，将处理后的熟数据作为输入，计算得到第二天接入供电系统的冷藏集装箱的数量、集装箱的存放位置、集装箱被太阳暴晒的情况、不同时刻冷藏集装箱的最大供电功率，并建立冷藏集装箱热动态平衡数学模型。

3.根据权利要求2所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述不同时刻冷藏集装箱的最大供电功率计算方法是：每15分钟计算港口负荷情况，计算公式为：

式中，P_max，t为t时段港口冷藏集装箱最大供电功率，S为港口冷藏集装箱负荷所在供电变压器的容量，M为出集装箱外其余负荷设备的数量，P_i,t为第i个设备在t时段的最大功率，由于港口用电设备有很多是吊车、起重运输机械设备，经常在启动、停转等不同工况切换，不同时段其功率P_i,t是不同的，因此，所述港口冷藏集装箱总供电能力计算公式在保证港口总体供电安全的条件下，最大限度地挖掘港口冷藏集装箱的供电能力。

4.根据权利要求2所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述冷藏集装箱热动态平衡数学模型反映集装箱在不同位置被太阳不同程度照射带来的影响，反映外部温度搞定对集装箱内部温度的影响，反映不同集装箱绝热水平对集装箱温度控制的影响，实现外部环境及制冷负荷控制策略对集装箱内部温度影响的量化计算，计算公式如下：

式中：C_o为冷藏集装箱的比热容；

和

分别为t时段冷藏集装箱的外部温度和内部温度；ω^t为t时段的太阳辐射影响因子，

为t时段冷藏集装箱的制冷电功率；μ₁为冷藏集装箱的绝热水平，该值越小，表示研究对象绝热性能越好，μ₂为制冷机的能量转化效率，该值越大，表示制冷效果越好；

冷藏集装箱热动态平衡数学模型是日前和日内负荷调度计划优化模型的一个约束条件之一。

5.根据权利要求4所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述冷藏集装箱日前用电负荷调度计划优化模型中，优化目标是第二天冷藏集装箱总用电量费用最小；约束条件包括：在全天各时段所有冷藏集装箱内部温度都不越限；任一时刻，冷藏集装箱总制冷用电负荷不超港口供电能力；通过日前负荷调度计划模型优化计算，得到第二天各个冷藏集装箱的制冷用电计划。

6.根据权利要求5所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述日前用电负荷调度计划优化模型的目标函数，计算公式为：

式中，

为t时段的电价；N为t时段连接港口供电系统的冷藏集装箱的数量；T为一天内时段数，以15分钟为一个时段，则T＝96；

为t时段冷藏集装箱的平均用电功率；Δt为时段时长，即15分钟。

7.根据权利要求5所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述日前用电负荷调度计划优化模型的约束条件，计算公式为：

式中：C_n,o为第n个冷藏集装箱的比热容；

和

分别为t时段第n个冷藏集装箱的外部温度和内部温度；

为t时段第n个冷藏集装箱的太阳辐射影响因子，

为t时段第n个冷藏集装箱的制冷电功率；μ_n,1为第n个冷藏集装箱的绝热水平，μ_n,2为第n个冷藏集装箱的制冷机的能量转化效率；

为第n个冷藏集装箱的制冷机最大功率；P_max,t为t时段港口所有冷藏集装箱的最大供电功率；

和

分别为第n个冷藏集装箱内部温度的上下限。

8.根据权利要求4所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述日内负荷调度计划优化模型应对日前计算偏差进行日内实时滚动纠正，日内负荷滚动优化计算模型的优化目标、约束条件和日前优化模型一致，但输入数据是实时数据，日内负荷滚动优化计算每1小时执行一次，计算结果直接发送各冷藏集装箱的制冷系统，制冷系统按照调度指令启动或停止制冷压缩机。

9.根据权利要求8所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述日前计算偏差主要包括：到港集装箱、离港集装箱、气象数据、各时段的最大供电功率的预测值与日内实际值的偏差、冷藏集装箱调控异常。

10.根据权利要求9所述的港口冷藏集装箱用电负荷的协同控制方法，其特征在于，所述冷藏集装箱调控异常中，港口电力监控系统通过对冷藏集装箱下发控制指令并接收集装箱温度传感器回馈数据，进行综合判断，满足任一条异常判据后则判断为冷藏集装箱调控异常，并执行就地控制策略，异常判据分别是：

1)港口电力监控系统下发降低冷藏集装箱制冷功率，经过5分钟后，冷藏集装箱温度传感器检测到升温变化低于期望阈值；

2)港口电力监控系统下发增加冷藏集装箱制冷功率，经过5分钟后，冷藏集装箱温度传感器检测到降温变化低于期望阈值；

3)冷藏集装箱传感器反馈信号发生剧烈波动；

4)冷藏集装箱温度/湿度传感器反馈信号越限，或者格式错误。

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