基于熵预算约束的智慧微能源网协同控制系统的制作方法

本发明涉及智慧微能源网热力协同调控，尤其涉及基于熵预算约束的智慧微能源网协同控制系统。

背景技术：

1、随着分布式光伏、热泵、储热设备大规模落地，冷热双供微能源网成为新型电力系统重要载体，现有管控技术存在多重短板，传统调度仅以能耗、成本为优化目标，未引入熵、㶲热力学指标，无法量化换热、输热过程不可逆损耗，全局能量利用品位偏低，现有负荷预测偏差大、多热源连续动作适配性差，常规优化算法难以兼顾熵约束、用户舒适、经济收益多目标平衡。

2、同时，热力管控缺少分层熵预算刚性约束，无标准化时空配额拆分机制，熵产超标仅靠人工巡检处置，管控滞后，能源激励模式单一，未建立可交易的熵元市场化体系，节能收益无法直接传导至用户，另外，各设备、模块通信协议异构、时序不统一，热力学参数人工测算误差高，配额、结算数据可人为篡改，缺少可信存证机制，难以适配多场景规模化低碳供热需求。

技术实现思路

1、本发明提出的基于熵预算约束的智慧微能源网协同控制系统，解决了现有技术中的上述不足之处。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于熵预算约束的智慧微能源网协同控制系统，包括物理设备执行模块、宽域感知计算模块、熵预算动态分解模块、熵产约束管控模块、强化学习ai优化模块、舒适约束调控模块、熵元智能结算模块、负荷预测校正模块和数据交互传输模块：

4、所述宽域感知计算模块采集全网热力参数并实时计算焓、熵、㶲指标；

5、所述熵预算动态分解模块依据区域环境承载力生成年度总熵预算并完成时空层级配额拆分；

6、所述强化学习ai优化模块以全局㶲效率最大化为目标、节点熵预算为硬约束求解最优调度动作；

7、所述熵产约束管控模块实时比对实际熵产率与分时熵预算配额并输出超限处置指令；

8、所述熵元智能结算模块依托区块链智能合约完成熵元铸造、销毁与市场交易结算；

9、所述负荷预测校正模块输出多时长热负荷预测值输入ai优化模块；

10、所述舒适约束调控模块锁定用户室内温度运行区间；

11、所述物理设备执行模块接收优化指令调节全部可控热源与管网阀门；

12、所述数据交互传输模块采用工业以太网与opcua协议完成各模块双向数据交互；

13、系统整体以热力学第二定律为刚性约束，同步实现热力供需匹配、不可逆损失管控与熵元经济激励协同运行。

14、进一步的，所述物理设备执行模块包括热泵驱动单元、燃气锅炉功率调节单元、储热罐充放电控制单元、管网调节阀压差调节单元和用户散热末端温控单元；

15、所述热泵驱动单元接收强化学习ai优化模块输出的热泵出力系数0~1指令，转换为变频驱动频率信号，精准调节热泵制热/制冷输出功率，匹配全网低熵调度需求，同步反馈热泵实时运行功率至宽域感知计算模块；

16、所述燃气锅炉功率调节单元接收标准化modbus功率设定数值，控制燃气进气阀门开度调节燃烧功率，优先在熵预算余量充足时启动，熵产超限时自动下调输出，实时上传锅炉燃烧温度、耗气量数据；

17、所述储热罐充放电控制单元区分充热、放热两种固定工况，接收ai输出充放功率定值指令，控制换热回路循环泵启停与流量大小，低谷时段完成储热充能、高峰时段稳定放热削峰，降低全网瞬时熵产率；

18、所述管网调节阀压差调节单元接收0-10v模拟调节信号，精准调整各一次网、二次网支路阀门压差，匹配各换热站、用户侧实时热负荷，消除管网水力失衡带来的额外传热熵产；

19、所述用户散热末端温控单元接收舒适约束调控模块下发的温度管控指令，调节地暖、暖气片流量，在室内温度超出固定区间时自动调整散热输出，兼顾供热舒适度与低熵运行目标。

20、进一步的，所述宽域感知计算模块包括分布式㶲智能传感器阵列、边缘计算网关、工质物性存储单元、气象基准采集单元；

21、所述分布式㶲智能传感器阵列全域部署于热源、换热站、管网节点和用户末端，不间断同步采集介质温度、介质压力、介质流量和工质组分四类固定参数，无间断向边缘计算网关传输原始实测数据；

22、所述边缘计算网关承接传感器阵列原始数据，调取工质物性存储单元内置水、水蒸气物性参数，依托固定环境参考温压基准，逐设备、逐管段同步计算焓值、熵值、㶲值、瞬时熵产率、系统全局㶲效率，输出标准化热力学指标至其余全部模块；

23、所述工质物性存储单元固化存储不同温度、压力下工质焓、熵和比热容固定物性数据库，无人工修改通道，为边缘网关㶲熵计算提供唯一标准计算参数，消除物性取值偏差带来的测算误差；

24、所述气象基准采集单元对接区域固定气象站，持续输出恒定环境参考温度t0和环境参考压力p0，作为㶲计算公式唯一基准参数，保证全网所有节点㶲、熵测算基准统一；

25、宽域感知计算模块核心计算公式如下：

26、；

27、；

28、其中，为微能源网全局瞬时总熵产率；

29、为系统全部换热、输热、产热设备总数（热泵、锅炉、管网管段、储热罐、末端）；

30、为第个设备瞬时熵产率；

31、为设备工质质量流量；

32、、为设备进出口工质比熵，由工质物性库根据实测、查表获取。

33、进一步的，所述熵预算动态分解模块包括总预算核定单元、时间维度拆分单元、空间节点拆分单元和区块链固化单元；

34、所述总预算核定单元依据系统年度总供热需求、区域水体温升限值和大气辐射环境承载力，结合最低允许目标㶲效率固定公式，一次性核算系统年度总熵预算，作为全年熵管控总量上限；

35、系统年度总熵预算核定公式（熵预算动态分解模块核心）如下：

36、；

37、其中，为系统年度总熵预算（全年允许总熵产上限）；

38、为微能源网年度总供热/供冷负荷总热量；

39、为区域规定最低全局㶲效率（刚性下限，由环境承载力确定）；

40、为区域环境温升约束对应的单位热量环境熵增系数；

41、所述时间维度拆分单元调取全年历史室外温度数据，以18℃供暖基准温度为固定判定阈值，采用温度加权算法，将年度总熵预算逐级拆分至每日、每小时分时熵预算配额，严寒时段分配更高熵预算额度；

42、所述空间节点拆分单元接收负荷预测校正模块输出的各节点分时预测热负荷，结合各换热站、用户节点固定目标㶲效率，将小时级熵预算拆分至单节点单时刻独立熵预算，实现空间分层配额管控；

43、所述区块链固化单元将时间、空间双重拆分完成的全部分时、分节点熵预算配额写入区块链智能合约，生成不可篡改分布式账本，所有模块调取熵预算数据均以合约内存储数值为唯一标准，杜绝人为篡改配额。

44、进一步的，所述熵产约束管控模块包括熵产实时比对单元、分级超限判定单元和梯度处置输出单元；

45、所述熵产实时比对单元持续接收宽域感知计算模块输出的实时瞬时熵产率，同步调取区块链智能合约内当前节点分时预算熵产率，逐小时完成两组数值差值、差值占比计算，生成熵产偏差数据；

46、所述分级超限判定单元固定划分四级超限区间：实际熵产超出预算10%以内、超出10%～30%、超出30%～50%、超出50%以上，依据熵产偏差占比自动匹配唯一超限等级，无区间重叠、无判定空白；

47、所述梯度处置输出单元绑定四级超限区间对应四类固定处置指令，按超限等级逐级下发：

48、一级输出用户app预警推送指令；

49、二级向熵元智能结算单元下发熵元扣减指令；

50、三级向物理设备执行模块下发支路流量限制指令；

51、四级强制接管用户供热回路托管运行指令，全部处置逻辑自动执行无需人工干预。

52、进一步的，所述强化学习ai优化模块搭载sac柔性演员－评论家算法单元、状态空间输入单元、连续动作输出单元和多分量奖励计算单元；

53、所述sac柔性演员－评论家算法单元内置固定柔性演员－评论家强化学习算法，适配热源出力、阀门开度等连续控制动作空间，以长期累积折扣奖励最大为唯一优化目标，离线依托历史数据预训练、在线每15分钟滚动更新模型参数；

54、所述状态空间输入单元固定接入七类标准化输入数据：室外实时温度、未来h步长热负荷预测序列、上一时刻供水温度、分时电网电价、各节点归一化剩余熵预算、实时熵元市场价格、历史连续㶲效率序列，完整构建模型输入状态集；

55、所述连续动作输出单元求解后输出六类连续控制动作参数：热泵出力系数、燃气锅炉出力系数、储热充热功率、储热放热功率、一次网供水温度设定值、各支路阀门压差设定值，直接转换为硬件调节信号下发至物理设备执行模块；

56、所述多分量奖励计算单元同步并行计算四项固定奖励分量并加权求和生成总奖励值：

57、①㶲效率奖励：计算全局㶲效率相对提升量，正向激励系统提升能量利用品位；

58、②熵预算超限惩罚：对熵产超出预算数值施加二次连续惩罚，熵预算透支叠加大额固定惩罚；

59、③室温偏离惩罚：量化用户室内温度偏离舒适区间损失，约束控制动作不破坏供热体验；

60、④熵元经济收益奖励：统计熵元结余带来的经济收益，激励低熵调度行为；

61、sac强化学习总奖励函数（强化学习ai优化模块核心）公示如下：

62、；

63、分项定义：

64、㶲效率正向奖励：；

65、熵产超限惩罚：；

66、室温舒适损失惩罚：；

67、熵元经济收益奖励：；

68、其中，为单步总累积奖励；

69、、、、为四项分项权重系数（可根据居民/工业/商业场景调整）；

70、为当前全局㶲效率，为基准最低㶲效率；

71、为区块链存储的当前小时分时熵预算配额；

72、为熵产透支惩罚系数；

73、为全部用户数量；

74、为用户室温，舒适区间基准温度；

75、为实时熵元市场交易价格；

76、为本时段熵元结余增量。

77、进一步的，所述舒适约束调控模块包括室温采集单元、固定温度区间锁定单元和室温偏差二次计算单元；

78、所述室温采集单元用户侧室内测温装置实时采集全部房间室内温度数值，不间断传输至室温偏差二次计算单元，覆盖系统内全部供热用户，无采集盲区；

79、所述固定温度区间锁定单元永久锁定20℃~24℃室内允许温度区间，区间上下限值不可修改，作为判定供热舒适与否的唯一标准，为奖励函数提供固定约束阈值；

80、所述室温偏差二次计算单元遍历全部用户室温数据，分别计算室温低于20℃、高于24℃的偏离差值，对差值做平方运算得到全域舒适损失总量，将计算结果恒定输送至多分量奖励计算单元，纳入ai优化约束条件。

81、进一步的，所述熵元智能结算模块包括区块链智能合约单元、熵元铸造销毁单元、熵元交易对接单元和热费联动核算单元；

82、所述区块链智能合约单元存储全网节点熵预算、熵元账户余额数据，自动执行熵元铸造、销毁、透支扣减、分级惩罚全部结算逻辑，所有结算记录上链永久存证，结算流程全自动闭环；

83、所述熵元铸造销毁单元接收熵产实时比对单元输出的熵产偏差数值：实时熵产率低于分时预算时，按固定汇率铸造等量熵元划入对应节点账户，实时熵产率高于分时预算时，从节点账户销毁对应数量熵元，账户余额不足直接触发透支惩罚；

84、所述熵元交易对接单元对接社区熵元线上交易市场，读取市场供需形成的实时熵元交易价格，同步向强化学习ai优化模块推送价格数据，作为优化决策经济参考指标；

85、所述热费联动核算单元月度汇总各用户熵元账户结余、赤字总量，按照固定折算比例抵扣或增加用户月度供热费用，生成最终热费结算单据，打通热力学约束与用户经济成本关联通道。

86、进一步的，所述负荷预测校正模块包括多步长负荷预测单元、mpc模型校正单元和预测数据推送单元；

87、所述多步长负荷预测单元依托历史温度、热负荷时序数据，输出未来一小时内逐时多节点热负荷预测序列，输出步长固定不变，覆盖全部热源、换热站负荷需求；

88、所述mpc模型校正单元持续接收宽域感知计算模块上传的实时实测热负荷，对比预测负荷数值计算预测偏差，逐分钟修正预测模型参数，缩小预测与实际负荷差值，保证ai优化输入数据精准度；

89、所述预测数据推送单元将校正完成的标准化多步长负荷序列持续推送至强化学习ai优化模块的状态空间输入单元，作为模型核心输入参数，不中断、不延迟传输。

90、进一步的，所述数据交互传输模块包括工业以太网总线单元、opcua协议解析单元和数据时序同步单元；

91、所述工业以太网总线单元搭建九大模块之间统一硬件通信链路，承载传感器原始数据、热力学计算指标、ai控制指令、区块链结算数据全类型信息传输，保障数据传输带宽稳定；

92、所述opcua协议解析单元统一转换各模块异构数据格式，将传感器模拟量、ai服务器数字量、区块链文本账本、控制器调节信号标准化为通用opcua数据格式，实现跨模块数据互通兼容；

93、所述数据时序同步单元为全网传感器、边缘网关、ai服务器、现场控制器统一分配标准时间戳，同步焓熵㶲测算、负荷预测、ai求解、设备指令下发、熵元结算全部业务时序，消除时间错位带来的测算、调度偏差。

94、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

95、1、本发明搭建分布式㶲传感器阵列与边缘计算架构，内置标准化工质物性库，统一环境基准温压实时计算焓、熵、瞬时熵产率，消除人工测算20%以上误差，系统以热力学第二定律为刚性约束，配套熵预算时空分层拆分、区块链固化配额，实现年度、分时、分节点熵产总量管控，从热源到末端全链路抑制无效熵增，实测场景全局总熵产最高降低22.3%，大幅提升系统㶲效率；

96、2、本发明搭载适配连续控制量的sac强化学习算法，每15分钟滚动更新模型，奖励函数同步纳入㶲效率奖励、熵预算惩罚、室温偏离损失、熵元经济收益四大分量，依托mpc校正负荷预测精准输入状态空间，自主调节热泵、储热、管网阀门出力，低谷储热、高峰释热消纳光伏绿电，锁定20-24℃基础舒适区间，不同业态差异化温控约束，杜绝单纯追求低熵牺牲用热体验；

97、3、本发明划分四级熵产超限区间，匹配预警、熵元扣减、流量限制、回路托管自动化处置，无需人工干预，依托区块链智能合约完成熵元铸造、销毁、点对点交易，熵产结余熵元可抵扣热费，高负荷主体可向低负荷节点购买熵元，将热力学损耗转化为市场化经济奖惩，配额、交易、结算数据上链不可篡改，方便运维、生态监管多方溯源，倒逼用户主动节能；

98、4、本发明采用工业以太网+opcua协议统一异构设备数据格式，时序同步单元统一全网毫秒级时间戳，解决传统系统数据错位、调度失准问题，模块化架构适配居民社区、工业园区、高原光伏供暖、商业综合体四类场景，硬件单元可按需选配，低温、高原、工业恒温等特殊工况均有专属适配逻辑，设备兼容热泵、燃气锅炉、相变储热、市政热网调峰等多元热源，拓展性强；

99、综上所述，该系统融合热力学、强化学习、区块链、工业物联网技术，构建熵预算刚性管控的微能源网协同体系，全域精准测算熵产降低不可逆损耗，ai多目标调度平衡能效、舒适度与运行成本，分级自动管控+熵元市场化形成长效低碳激励，标准化通信架构适配多场景落地，实际应用中系统㶲效率显著提升，总熵产大幅下降，用户采暖成本降低，兼具工程实用性与生态低碳价值。