CN115933558A - 一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法和系统，所述方法包括：基于待建模设备对象的运行原理，通过分析该设备的物理特性，得出设备外特性；基于设备外特性，构建出设备能效模型，得出能效调节关键参数；根据能效调节关键参数，进行设备能效优化调节。一方面实现用户侧综合能源系统运行中用能设备的能效分析诊断，优化设备运行能效，提升综合能源系统能效水平；另一方面，基于设备能效模型，采用模型仿真的方法，实现不同运行工况下设备能效的仿真分析。

Description

一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法和系统

技术领域

本发明属于能效分析领域，更具体地，涉及一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法和系统。

背景技术

目前，有关用户侧综合能源系统能效优化较多是从系统的角度，通过系统能耗或单位GDP能耗、单位产品能耗、单位建筑面积能耗等总体指标，分析规划阶段、运行阶段的能效水平，忽略了组成系统设备的能效水平分析。而且，由于系统运行方式不合理等诸多因素的影响，以致于设备现场实际运行工况偏离额定工况，导致设备能效水平较低。

究其主要原因，一方面，用户侧设备种类繁多且物理特性千差万别，当前仅有对设备能效水平的标准规定，但是，缺乏运行设备能效模型及其调优参数的分析研究。另一方面，部分用户在系统规划、投运阶段采用较高能效水平的设备，但是，忽略了运行阶段设备能效水平的调节，导致设备生产制造未能有效考虑其实际工况，使得制造厂商无法进一步改进提升设备生产制造工艺。

现有技术文件1(D1 CN 105207205 B)公开了一种融合需求侧响应的分布式能源系统能量优化调控方法，包括建立分布式能源系统优化调控模型，通过引入用户制冷设备的响应能力来参与分布式能源系统优化运行；通过考虑系统内建筑的热平衡方程，来定量描述获得用户室内温度与制冷设备出力之间的数学关系。D1侧重需求响应下分布式能源系统负荷调控，包括分布式能源、制冷设备调控，其中制冷设备调控是通过响应调节方式，以室内温度来调节制冷设备出力，并没有考虑设备原理和特性，无法对设备自身能效提升提出改进措施。而本方案从设备原理和特性出发，构建设备能效模型，通过能效模型参数调优，提升设备能效，而且，便于发现设备能效问题，助力制造厂商进一步提升设备工艺。

现有技术文件2(D2 CN 111401796 A)公开了一种建立设备能效模型的方法及装置，该方法包括：采集目标设备的数据信息，数据信息至少包括输入量数据、输出量数据和额定容量数据；对数据信息进行数据清洗和数据整合处理，获取数据信息对应的能效均值和负荷率均值；将能效均值和负荷率均值进行区间划分和聚类处理，获取每个区间对应的微簇；对每个区间对应的微簇进行处理，获取每个区间对应的标准聚类中心；根据每个区间对应的标准聚类中心，获取目标设备的能效曲线模型。D2基于设备实际能效数据、负荷率数据，获取设备能效曲线模型，并未考虑影响设备能效的主要因素及优化调节方法。而本方案则在分析设备物理特性的基础上，侧重于构建设备能效模型，提出能效调优参数。

为此，本发明提出一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，基于设备基本原理，通过分析设备的物理特性，以设备外特性来构建设备能效模型，提出能效调优参数，实现设备能效优化调节，进而提升用户侧综合能源系统能效水平，同时也可助推设备制造工艺水平提升。

发明内容

本发明主要技术目的是基于设备基本原理及其物理模型，分析设备外特性，依托设备能效模型及能效影响因素输入-输出的对应关系，构建设备能效模型，研究设备能效调优参数，实现接近设备实物的能效监测、调参、控制等功能，指导设备在不同环境与工况下能效水平的分析诊断，提升用能设备能效水平，进而为用户侧综合能源系统能效优化提出基础。

为实现上述目的，第一方面，本发明公开了一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，包括：

步骤1，选择待建模设备对象；

步骤2，获取待建模设备对象的设备能效指标和设备运行参数数据；

步骤3，基于所获取的设备能效指标和设备运行参数数据，构建出设备能效模型，并将模型中的可变参数作为能效调节关键参数；

步骤4，根据能效调节关键参数，进行设备能效优化调节。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，在步骤2中，设备能效指标包括运行效率、性能系数和能效比；设备运行参数包括额定功率、额定负载率和电压。

优选地，在步骤3中，包括：

步骤3.1，基于设备外特性，筛选反映设备物理特性的参数；

步骤3.2，分析影响能效的参数；

步骤3.3，设计设备能效指标；

步骤3.4，构建设备能效模型；

步骤3.5，输出能效调节关键参数。

优选地，当步骤1中的待建模设备为变压器时，设备能效指标为总体能量转换效率，如公式(1)所示：

η＝P1/P2 (1)

式中，P1为原边功率，P2为副边功率。

优选地，在步骤3中，基于变压器的能效指标和运行参数，构建的变压器能效模型如公式(3)所示：

式中，

为功率因数角、β为负载率、S为额定功率、dp0为变压器空载损耗、dpk为变压器短路损耗、T为变压器实际运行室温。

优选地，在步骤3中，根据变压器能效模型，得出的能效调节关键参数为：dp0、dpk、β、T；其中，dp0、dpk由铭牌或手册得到；β由负载情况得到；T由环境实际测量得到。

优选地，在步骤4中，变压器能效优化调节包括运行环境温度优化和功率因数优化。

优选地，运行环境温度优化的方式为：在变压器首位设立冷气出风口或者加装散热风扇。

优选地，功率因数优化的方式为：通过无功功率自动补偿，而将变压器的功率因数维持在要求的范围之内。

第二方面，本发明公开了一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节系统，该系统运行所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，该系统包括：设备选择模块，参数获取模块，模型构建模块，参数选定模块，设备能效调节模块；

设备选择模块用于选择待建模设备对象；

参数获取模块用于获取待建模设备对象的设备能效指标以及获取设备运行参数数据；

模型构建模块用于基于所获取的设备能效指标和设备运行参数数据，构建出设备能效模型，

参数选定模块用于将模型中的可变参数选定为能效调节关键参数；

设备能效调节模块用于根据能效调节关键参数，进行设备能效优化调节。

一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述方法的步骤。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明所提方法直接有益效果是，一方面，实现用户侧综合能源系统运行中用能设备的能效分析诊断，优化设备运行能效，提升综合能源系统能效水平；另一方面，基于设备能效模型，采用模型仿真的方法，实现不同运行工况下设备能效的仿真分析。本发明所提方法间接有益效果是通过分析设备能效影响参数以及设备能效优化提升主要参数，助力设备厂家结合设备运行现场实际情况，改进设备工艺，进而提升厂家设备制造水平，推动用户侧综合能源系统设备能效水平提升。

附图说明

图1是本发明设备能效建模与优化调节方法框架图；

图2是本发明变压器运行原理示意图；

图3是本发明变压器能效模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，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有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

本发明公开了一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，图1所示为设备层能效建模与优化调节方法框架图。

设备能效模型的构建是基于设备现有的能效标准、规划以及设计手册，筛选影响设备能效的主要参数，进而设计设备能效指标。

该方法包括：

步骤1，选择待建模设备对象，明确待建模设备对象的运行原理；

步骤2，获取待建模设备对象的设备能效指标和设备运行参数数据，通过搜集设备手册、调研设备厂家、查阅学术专著等方式获取设备额定标称参数、性能曲线等，分析设备物理特性，总结设备外特性；

其中，设备能效指标包括运行效率、性能系数和能效比等参数；设备运行参数包括额定功率、额定负载率和电压等参数；

用能设备能效通常采用比值或者比率的方式表达。但是，由于用户侧用能设备千差万别，其能效研究技术水平参差不齐，因此，用能设备能效模型的具体表达也不尽相同。如，对于具有明确行业能效定义的设备，采用现阶段较为成熟的能效指标，如冷水机组、热泵等，则采用能效比COP(Coefficient Of Performance)，并参考相关标准中对其能效高低的评判方式；对于储能类设备，采用最终释放的能量值与输入能量的比值来定义其能效；对于变压器、燃气轮机、光伏等设备，采用总体能量转换效率来定义其能效。

步骤3，基于设备外特性，即，基于所获取的设备能效指标和设备运行参数数据，构建出能效指标模型，并将模型中的可变参数确定为能效调节关键参数；

具体地，步骤3包括：

步骤3.1，确定反映设备物理特性的主要参数，具体而言，通过基于设备外特性来筛选参数，

步骤3.2，分析设备能效影响参数，分析设备能效变化特性的通用规律并据此建立数学模型；

步骤3.3，设计设备对应的能效指标；

步骤3.4，构建能效指标评价模型；

步骤3.5，将模型中的可变参数确定能效调节关键参数。

步骤4，根据能效调节关键参数，进行设备能效优化调节。

以变压器设备作为实施例进行具体说明。

步骤1，选择待建模设备对象为变压器，明确变压器基本原理

变压器是利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成同频率的另一种电压的交流电能，以满足不同负载的需要。变压器的功能主要有：1)电压变换；2)电流变换；3)阻抗变换；4)电气隔离；5)稳压。

步骤2，获取待建模设备对象的变压器设备能效指标和设备运行参数数据，进行变压器物理特性分析

如图2所示，当步骤1中的待建模设备为变压器时，设备能效指标为总体能量转换效率，如公式(1)所示：

式中，P2为副边功率，P1为原边功率。

变压器运行综合能耗模型为：

式中，dp0为变压器空载损耗(kW)；dpk为变压器短路损耗(kW)；β为负载率；T为变压器实际运行室温。

步骤3，基于所获取的变压器设备能效指标和设备运行参数数据，进行变压器能效模型构建

由式(1)、(2)，可得变压器能效模型：

式中，

为功率因数角。β为负载率。S为额定功率。

如图3所示，由变压器能效模型，得到其能效主要参数包括：

dp0为变压器空载损耗(kW)，由铭牌或手册得到；

dpk为变压器短路损耗(kW)，由铭牌或手册得到；

β为负载率，由负载情况得到；

T为变压器实际运行室温，由环境实际测量得到；

将变压器能效模型接入某一场景电路拓扑使用。如可以调整变压器模型的负载率以使得输入输出的关系与实际采集数据保持一致。需要说明的是，如果现场实采数据验证后发现变压器损耗过高，则需要分析是否因变压器老化等原因导致该设备的空载损耗及短路损耗高于铭牌上所标注的值。

步骤4，根据能效调节关键参数，进行变压器能效优化调节

(1)运行环境温度优化

在变压器首位设立冷气出风口或者加装散热风扇。对比运行环境温度降低带来的效率提升时要注意将散热风机额外的耗能也要考虑在内。

(2)功率因数优化

变压器的负载率及功率因数直接影响变压器能效以及其寿命。如，建筑楼宇中，照明系统能源消耗占比较大，大量LED照明灯的使用，使系统内无功损耗增多，导致变压器功率因数过低，针对此类现象进行无功功率自动补偿，以维持变压器的功率因数在要求的范围之内。

本发明所提方法直接有益效果是，一方面，实现用户侧综合能源系统运行中用能设备的能效分析诊断，优化设备运行能效，提升综合能源系统能效水平；另一方面，基于设备能效模型，采用模型仿真的方法，实现不同运行工况下设备能效的仿真分析。本发明所提方法间接有益效果是通过分析设备能效影响参数以及设备能效优化提升主要参数，助力设备厂家结合设备运行现场实际情况，改进设备工艺，进而提升厂家设备制造水平，推动用户侧综合能源系统设备能效水平提升。

实施例二

本公开还包括一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节系统，包括：设备选择模块，参数获取模块，模型构建模块，参数选定模块，设备能效调节模块，其中，

设备选择模块用于选择待建模设备对象；

参数获取模块用于获取待建模设备对象的设备能效指标以及获取设备运行参数数据；

模型构建模块用于基于所获取的设备能效指标和设备运行参数数据，构建出设备能效模型，

参数选定模块用于将模型中的可变参数选定为能效调节关键参数；

设备能效调节模块用于根据能效调节关键参数，进行设备能效优化调节。

实施例三

本公开还包括一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述方法的步骤。

实施例四

本公开还包括计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其它设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，包括：

步骤1，选择待建模设备对象；

步骤2，获取待建模设备对象的设备能效指标和设备运行参数数据；

步骤3，基于所获取的设备能效指标和设备运行参数数据，构建出设备能效模型，并将模型中的可变参数作为能效调节关键参数；

步骤4，根据能效调节关键参数，进行设备能效优化调节。

2.根据权利要求1所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

在步骤2中，设备能效指标包括运行效率、性能系数和能效比；设备运行参数包括额定功率、额定负载率和电压。

3.根据权利要求1所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

在步骤3中，包括：

步骤3.1，基于设备外特性，筛选反映设备物理特性的参数；

步骤3.2，分析影响能效的参数；

步骤3.3，设计设备能效指标；

步骤3.4，构建设备能效模型；

步骤3.5，输出能效调节关键参数。

4.根据权利要求1所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

当步骤1中的待建模设备为变压器时；

设备能效指标为总体能量转换效率，如公式(1)所示：

η＝P1/P2 (1)式中，P1为原边功率，P2为副边功率。

5.根据权利要求4所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

在步骤3中，基于变压器能效指标和运行参数，构建的变压器能效模型如公式(3)所示：

式中，

为功率因数角、β为负载率、S为额定功率、dp0为变压器空载损耗、dpk为变压器短路损耗、T为变压器实际运行室温。

6.根据权利要求5所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

在步骤3中，根据变压器能效模型，得出的能效调节关键参数为：dp0、dpk、β、T；其中，dp0、dpk由铭牌或手册得到；β由负载情况得到；T由环境实际测量得到。

7.根据权利要求4或6所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

在步骤4中，变压器能效优化调节包括运行环境温度优化和功率因数优化。

8.根据权利要求7所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

运行环境温度优化的方式为：在变压器首位设立冷气出风口或者加装散热风扇。

9.根据权利要求7所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，其特征在于，

功率因数优化的方式为：通过无功功率自动补偿，而将变压器的功率因数维持在要求的范围之内。

10.一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节系统，该系统运行如权利要求1-9任一项所述的一种用户侧综合能源系统设备能效建模与优化调节方法，该系统包括：设备选择模块，参数获取模块，模型构建模块，参数选定模块，设备能效调节模块，其特征在于，

设备选择模块用于选择待建模设备对象；

参数获取模块用于获取待建模设备对象的设备能效指标以及获取设备运行参数数据；

模型构建模块用于基于所获取的设备能效指标和设备运行参数数据，构建出设备能效模型，

参数选定模块用于将模型中的可变参数选定为能效调节关键参数；

设备能效调节模块用于根据能效调节关键参数，进行设备能效优化调节。

11.一种终端，包括处理器及存储介质；其特征在于：

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-9任一项所述方法的步骤。

12.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-9任一项所述方法的步骤。

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