CN116243605A - 一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统 - Google Patents

一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统 Download PDF

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CN116243605A CN202310206215.8A CN202310206215A CN116243605A CN 116243605 A CN116243605 A CN 116243605A CN 202310206215 A CN202310206215 A CN 202310206215A CN 116243605 A CN116243605 A CN 116243605A
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刘强
林北海
游元通
蔡加鑫
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    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
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Abstract

本发明公开了一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统，涉及智慧能源技术领域，包括：现场层，用于通过数据采集器从楼宇内各耗能传感器采集耗能数据；网络层，用于将所述耗能数据通过物联网传输至管理层；所述管理层，包括协调模块、节能率跟踪模块、控制模块和价格重置模块；所述协调模块存储有多个用于协调各能源供给的、以最小化能源供给成本为目标的协调模型；所述控制模块用于从多个协调模型中选择一个协调模型并将所述协调模型的输出策略发送至对应的能源节点，以供所述能源节点按照所述输出策略调节能源供应量。本发明可以达到全局能源消耗量最低的目标，而且，给出科学合理的价格建议。

Description

一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统
技术领域
本发明实施例涉及智慧能源技术领域，尤其涉及一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统。
背景技术
随着信息技术和能源技术的快速发展，出现了能源互联网，其通过综合运用先进的电力电子技术，信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能源采集装置，分布式能源存储装置和各种类型的负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源南节点互联起来，以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。
楼宇等建筑节电是目前能源协调方向的研究热点，如何将能源互联网应用于楼宇是目前亟待解决的方案，而且现有的自适应协调控制策略普遍在已知能源单价的基础上以成本最低为目标进行优化，达到最具经济性的效果，有时候并不能降低能源总消耗；再者，现有技术中采用单一协调控制策略只能在一些情况下有好的效果，在实际应用场景中难以达到全局最优。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明提供一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统，以达到全局能源消耗量最低的目标，而且，给出科学合理的价格建议。
本发明提供一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统，包括：
现场层，用于通过数据采集器从楼宇内各耗能传感器采集耗能数据；
网络层，用于将所述耗能数据通过物联网传输至管理层；
所述管理层，包括协调模块、节能率跟踪模块、控制模块和价格重置模块；
所述协调模块存储有多个用于协调各能源供给的、以最小化能源供给成本为目标的协调模型；
所述控制模块用于从多个协调模型中选择一个协调模型并将所述协调模型的输出策略发送至对应的能源节点，以供所述能源节点按照所述输出策略调节能源供应量；
节能率跟踪模块用于根据协调前的能源供给量与协调后的能源供给量计算当前节能率；如果所述当前节能率低于阈值则通知所述控制模块更换协调模型，直到所述当前节能率低于所述阈值；
所述价格重置模块用于令耗能的花费和节能率随时间的变化情况相反，重置各能源的单价；将重置单价发送至对应的能源节点。
可选的，所述耗能传感器包括水表、电表、气表和热冷量表中的至少两种。
可选的，所述协调模块至少存储有日前调度优化模型和日内滚动优化模型；
所述日前调度优化模型和日内滚动优化模型的优化目标为最小化能源供给成本。
可选的，所述节能率表示协调后对能源供给量的节约程度；
采用下式计算当前节能率A：
Figure BDA0004111066540000021
其中，N为能源类型总数，Pi为协调后的能源供给量，Qi为协调前的能源供给量。
可选的，所述阈值的计算方法如下：
计算历史每个时间周期的节能率，并构建节能率的分布概率曲线；
在所述分布概率曲线上取设定分位点的节能率作为阈值。
可选的，所述节能率跟踪模块用于在当前节能率低于所述阈值后，监测到下一个协调周期到来，重新计算当前节能率；如果当前节能率低于阈值通知所述控制模块更换协调模型，直到所述当前节能率低于所述阈值。
可选的，所述令耗能的花费和节能率随时间的变化情况相反，重置各能源的单价，包括：
绘制节能率随时间的变化曲线；
按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线；
根据耗能类型占比和重置的花费，拟合得到各能源的单价。
可选的，所述按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线，包括：
在每个时间周期根据各能源的单价和所述耗能数据计算耗能的花费；
根据所有时间周期的花费计算平均花费，根据所有时间周期的节能率计算平均节能率；
在所述平均节能率所在的时间周期处，以所述平均花费为初始值，按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线。
可选的，所述管理层还包括付费模块，从楼宇用户的终端接收付费金额，通过与银行系统交互将所述金额交付给对应的能源供应商。
可选的，还包括多个能源节点，用于按照输出策略调节楼宇的能源供应量。
本发明提供的系统包括现场层、网络层和管理层，将物联网的思维应用到楼宇的能源管理中，节省了通信成本；协调模块存储有多个以最小化能源供应成本为目标的协调模型，通过选择节能率低于阈值的协调模型，从多个模型中选择出最优模型，随时间变化不断更新最优模型，维持节能率低于阈值，达到全局最优。通过价格重置模块令耗能的花费和节能率随时间的变化情况相反，也就是节能率高低则花费低，提供相应的价格建议，从而引导用户的用能习惯，达到节能的良性循环。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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是本发明实施例提供的一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统的结构图；
图2是本发明实施例提供的节能率和花费随时间的变化曲线；
图3是本发明实施例提供的节能率和重置花费随时间的变化曲线；
图4是本发明提供的另一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统的结构图。
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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统，参见图1，包括以下结构：
现场层，用于通过数据采集器从楼宇内各耗能传感器采集耗能数据。可选的，耗能传感器包括水表、电表、气表和热冷量表中的至少两种，相应的，耗能数据包括水量、电量、气量和热冷量。进一步的，由于不同类型的耗能数据量纲不同，数据采集器将各种耗能数据折算为标准燃料油的耗能数据。
网络层，用于将所述耗能数据通过物联网传输至管理层。网络层是管理层和现场层之间相互通信的桥梁。
管理层，用于对各耗能传感器进行统一监视、控制和管理，并与各能源节点和银行系统交互。具体的，管理层包括协调模块、节能率跟踪模块、控制模块和价格重置模块；各模型以软件的形式集成在管理层。
其中，协调模块存储有多个用于协调各能源供给的、以最小化能源供给成本为目标的协调模型。下面，详细介绍日前调度优化模型和日内滚动优化模型。
日前调度优化模型是对第二天的各能源机组启停状态和出力方案进行优化，以最小化能源供给成本为目标，同时需要满足功率平衡约束、爬坡约束、线路安全约束等各类运行约束。例如，目标函数为最小化供电成本。
日内滚动优化模型是基于模型预测控制策略建立的，滚动优化调整设备出力及与上级能源网络签订的购能合同，从而不断地修正参考计划(例如是日前调度提供)。其目标函数为最小化一个滚动周期内的总运行成本，也可以成为能源供给成本。
需要说明的是，日前调度优化模型和日内滚动优化模型仅作为示例，还可以存储其它用于协调各能源供给的、以最小化能源供成本为目标的协调模型，本实施例不再赘述。
所述控制模块用于从多个协调模型中选择一个协调模型并将所述协调模型的输出策略发送至对应的能源节点，以供所述能源节点按照所述输出策略调节能源供应量。选择策略为随机选取一个，输出各能源的输出功率。能源节点为各能源的供应商节点，例如电网、供水公司和储能公司等。
对于每个协调模型来说，其按照自己的建模逻辑输出策略，还需要评价其是否能达到节能率的阈值。具体的，节能率跟踪模块用于根据协调前的能源供应量与协调后的能源供应量计算当前节能率，参见下式：
Figure BDA0004111066540000061
其中，N为能源类型总数，Pi为协调后的能源供给量(功率)，Qi为协调前的能源供给量(功率)。
如果所述当前节能率低于阈值则通知控制模块更换协调模型，并将更换后的协调模型的输出策略发送至对应的能源节点。继续通过节能率跟踪模块计算当前节能率并与阈值相比较。如果当前节能率低于阈值，还需要继续通知控制模块更新协调模型。如此循环，直到所述当前节能率低于所述阈值，从而达到全局最优。在一些情况下，如果所有的协调模型均不能令节能率小于阈值，则选择节能率最低的协调模型进行控制。
可选的，本实施例按照协调周期(例如一天)重新计算节能率并选择合适的协调模型。具体而言，节能率跟踪模块用于在当前节能率低于所述阈值后，监测到下一个协调周期到来，重新计算当前节能率；如果当前节能率低于阈值通知所述控制模块更换协调模型，直到所述当前节能率低于所述阈值。
在上述实施例中，阈值可以根据经验设置，也可以根据下述方法设置：计算历史每个时间周期的节能率，并构建节能率的分布概率曲线；在所述分布概率曲线上取设定分位点的节能率作为阈值。这里的时间周期可以自定义，可以是2个小时。统计不同节能率出现的次数，并依此构建节能率的分布概率曲线。当统计样本足够多时，该分布概率接近正态分布。设定分位点可以自定义设置，例如80％。
通过概率密度得到阈值，避免了人为设置的不合理性。
图2是本发明实施例提供的节能率和花费随时间的变化曲线，横坐标为时间，纵坐标为节能率和花费。可见，节能率与花费随时间的变化情况是不一致的，存在节能率高的时段花费高，节能率低的时段花费低的情况。理想情况下，用户应该被引导提高节能率的同时降低花费，有必要重置花费的变化曲线；在维持用户用能习惯的基础上重置各能源的单价。包括以下步骤：
第一步：绘制节能率随时间的变化曲线。
第二步：按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线。
首先，在每个时间周期根据各能源的单价Bij和所述耗能数据(即采集到的能耗数据)Cij计算耗能的花费Dj。i代表能源类型，j代表时间周期，有
Figure BDA0004111066540000071
根据所有时间周期的花费计算平均花费，根据所有时间周期的节能率计算平均节能率；在平均节能率所在的时间周期处，以所述平均花费为初始值，按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线。
参考图2，假设平均节能率为83％，所在时间周期为5；平均花费为8W，则从时间周期5处，以8W为初始值，向左和向右按照节能率的斜率的负值重新绘制花费随时间的变化曲线，参见图3，重置后的花费曲线用点划线表示。
第三步：根据耗能类型占比和重置的花费，拟合得到各能源的单价。
对采集到的耗能数据进行分析，统计各时间周期内各能源类型的总耗能量W，进行相比得到耗能类型占比。耗能类型占比反映了楼宇用户的用能习惯。
在重置的花费随时间的变化曲线上任选几个点，花费表示为Mi。将所选位置处的耗能类型占比作为自变量x，将花费作为因变量D，进行线性拟合。假设选择j＝1、5、8这3个点，有3种能源类型，见下式：
W1×(n1x11+n2x21+n3x31)＝D1
W5×(n1x15+n2x25+n3x35)＝D5
W8×(n1x18+n2x28+n3x38)＝D8
其中，x的第一个角标表示不同能源能耗类型，第二个角标表示时间周期。n1、n2和n3分别表示待求解的能源单价。
价格重置模块将各能源的单价发送到对应的能源节点，以供能源节点能够参考调整。
本发明提供的系统包括现场层、网络层和管理层，将物联网的思维应用到楼宇的能源管理中，节省了通信成本；协调模块存储有多个以最小化能源供应成本为目标的协调模型，通过选择节能率低于阈值的协调模型，从多个模型中选择出最优模型，随时间变化不断更新最优模型，维持节能率低于阈值，达到全局最优。通过价格重置模块令耗能的花费和节能率随时间的变化情况相反，也就是节能率高低则花费低，提供相应的价格建议，从而引导用户的用能习惯，达到节能的良性循环。
图4是本发明提供的另一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统的结构图。在图1的基础上，管理层还包括付费模块，从楼宇用户的终端接收付费金额，通过与银行系统交互将所述金额交付给对应的能源供应商。
用户的终端可以是能够与系统通信的手机，手机安装有应用程序。通过应用程序输入付费金额。付费模块与银行系统鉴权通过后，将付费金额提供给银行系统。银行系统将所述金额交付给对应的能源供应商的账户。
可选的，图4中的系统还包括多个能源节点，用于按照输出策略调节楼宇的能源供应量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种适用于楼宇的综合能源自适应协调控制系统，其特征在于，包括：
现场层，用于通过数据采集器从楼宇内各耗能传感器采集耗能数据；
网络层，用于将所述耗能数据通过物联网传输至管理层；
所述管理层，包括协调模块、节能率跟踪模块、控制模块和价格重置模块；
所述协调模块存储有多个用于协调各能源供给的、以最小化能源供给成本为目标的协调模型；
所述控制模块用于从多个协调模型中选择一个协调模型并将所述协调模型的输出策略发送至对应的能源节点，以供所述能源节点按照所述输出策略调节能源供应量；
节能率跟踪模块用于根据协调前的能源供给量与协调后的能源供给量计算当前节能率；如果所述当前节能率低于阈值则通知所述控制模块更换协调模型，直到所述当前节能率低于所述阈值；
所述价格重置模块用于令耗能的花费和节能率随时间的变化情况相反，重置各能源的单价；将重置单价发送至对应的能源节点。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耗能传感器包括水表、电表、气表和热冷量表中的至少两种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协调模块至少存储有日前调度优化模型和日内滚动优化模型；
所述日前调度优化模型和日内滚动优化模型的优化目标为最小化能源供给成本。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述节能率表示协调后对能源供给量的节约程度；
采用下式计算当前节能率A：
Figure FDA0004111066520000021
其中，N为能源类型总数，Pi为协调后的能源供给量，Qi为协调前的能源供给量。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阈值的计算方法如下：
计算历史每个时间周期的节能率，并构建节能率的分布概率曲线；
在所述分布概率曲线上取设定分位点的节能率作为阈值。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述节能率跟踪模块用于在当前节能率低于所述阈值后，监测到下一个协调周期到来，重新计算当前节能率；如果当前节能率低于阈值通知所述控制模块更换协调模型，直到所述当前节能率低于所述阈值。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述令耗能的花费和节能率随时间的变化情况相反，重置各能源的单价，包括：
绘制节能率随时间的变化曲线；
按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线；
根据耗能类型占比和重置的花费，拟合得到各能源的单价。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线，包括：
在每个时间周期根据各能源的单价和所述耗能数据计算耗能的花费；
根据所有时间周期的花费计算平均花费，根据所有时间周期的节能率计算平均节能率；
在所述平均节能率所在的时间周期处，以所述平均花费为初始值，按照所述节能率随时间的反向变化曲线重置花费随时间的变化曲线。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管理层还包括付费模块，从楼宇用户的终端接收付费金额，通过与银行系统交互将所述金额交付给对应的能源供应商。
10.根据权利要求1-9任一项所述的系统，其特征在于，还包括多个能源节点，用于按照输出策略调节楼宇的能源供应量。
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