一种能源系统的信息物理社会融合建模方法与流程

1.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：

2.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。
3.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-physical systems 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
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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。
[0004]
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。


技术实现要素：

[0005]
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。
[0006]
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：其中，表示输入能源类型；表示输出能源类型；表示能源输入量；表示能源控制周期；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：其中，表示输入数据类型；表示输出数据类型；表示输入数据；表示数据处理周期；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：其中，表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营成本；表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营收益。
[0007]
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：其中，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；表征能量流的动作条件；表征信息流的动作条件；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：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：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：其中，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；表示信息物理社会融合的能源系统的内各类调控主体；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；表示全系统及各主体的状态变量；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；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。
[0008]
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。
[0009]
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。
[0010]
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
[0011]
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。
[0012]
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。
[0013]
图2是能源系统的能量流-信息流-资金流架构图。
[0014]
图3是主体-融合-决策三层能源系统模型构建流程图。
[0015]
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。
[0016]
图5是具体实施例中的信息流示意图。
[0017]
图6是具体实施例中的资金流示意图。
具体实施方式
[0018]
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。
[0019]
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：其中，表示输入能源类型；表示输出能源类型；表示能源输入量；表示能源控制周期；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：其中，表示输入数据类型；表示输出数据类型；表示输入数据；表示数据处理周期；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：其中，表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营成本；表示主体在能源的生产、传输、消费、服务过程中的运营收益。
[0020]
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：其中，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；表征能量流的动作条件；表征信息流的动作条件；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：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：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：其中，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；表示信息物理社会融合的能源系统的内各类调控主体；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；表示全系统及各主体的状态变量；
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；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。
[0021]
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：其中， 表示能源生产主体； 为煤； 为电能； 为火电机组的煤耗量； 为火电机组的日内响应时长，设定为1小时及以内； 为火电机组的输出功率； 为连续物理信号； 为虚拟数字信号； 为可监测的火电机组的输出功率； 为数据采样过程中的时间延迟； 为火电机组输出功率采样值； 为火电机组的发电收益； 为火电机组的发电成本。
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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：式中， 为火力发电单元的运行状态（表示火力发电单元轻载状态； 表示火力发电单元正常运行状态； 表示火力发电单元重载状态；表示火力发电单元超负荷运行状态）；
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为火电机组的输出功率。
[0023]
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算法求解和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%。
[0024]
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。
[0025]
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，random access memory）、磁盘或光盘等。
[0026]
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。