一种分布式能源信息系统能源管理装置及方法

1.本发明涉及能源管理技术领域，尤其涉及一种分布式能源信息系统能源管理装置及方法。


背景技术：

2.伴随着环境污染和化石能源的枯竭，传统化石能源被过度开发和利用，导致生态环境污染和能源安全等问题比较突出，已经成为了制约可持续发展的突出问题。面对日益紧张的能源危机形势，以及伴随着先进的能源技术和信息技术的深度融合，智能电网、能源互联网和综合能源系统等分布式信息能源系统得以快速发展，其主要目的在于通过能源的梯级利用降低碳排放、提高能源利用效率、促进能源可持续发展；同时适应可再生能源的高渗透率，构建以新能源为主体的新型能源网络，从而实现碳达峰与碳中和这一重要战略目标。并受到了广泛的研究和关注。作为能源系统的基础核心研究问题之一，能源管理问题关注于如何协同多种能源网络内的多种能源资源，在满足多种全局供需平衡约束及安全操作约束等条件的同时，并实现整个系统的社会利益最大化，因此先进的能源管理方法对新型能源系统的开发与利用有着极大的促进作用。
3.现有的能源管理方法多是基于集中式方法，然而集中式方法依赖于强大的集中式控制器，容易出现单点故障、建模错误和隐私削弱等。为了克服传统集中式方法的缺点，分布式方法成为处理能源管理问题的一种新型方法，并在微电网与智能电网当中得到广泛应用。然而，上述方法主要集中于解决电力系统的能源管理问题，在分布式信息能源系统中，多种能源被整合，以实现不同能源网络的协同能源管理，而不仅仅是电力，各种类型的能量介质具有很强的耦合关系。因此，在分布式模型开发和理论分析方面，综合能源系统的能源管理问题比智能电网能源管理问题更加复杂和困难。同时对于分布式信息能源系统存在的孤岛运行模式与并网运行模式，现有的能源管理方法也无法做出准确判断与快速反应，存在收敛速度慢、准确性差等问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种分布式能源信息系统能源管理装置及方法，综合考虑分布式信息能源系统运行在两种模式：孤岛模式与并网模式下，通过设置动态事件触发机制与执行基于牛顿-拉夫森算法的分布式能源管理方法，采用通过原始对偶分析、泰勒展开和微分投影运算等计算手段，从而实现分布式能源管理。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
6.一方面，本发明提供一种分布式能源信息系统能源管理装置，包括信号采集单元、数据预处理与转换单元、分布式微型处理器、显示单元和通信单元。
7.信号采集单元包括三相电压传感器、三相电流传感器、电压电流相角传感器、质量流量传感器、温度传感器、压力传感器和气体流量传感器；通过三相电压传感器、三相电流
传感器和电压电流相角传感器采集电网的三相电压vin、三相电流iin和电压电流相角theta(in)信号；通过质量流量传感器和温度传感器采集热网的质量流量min信号和供水温度tsin信号、回水温度trin信号；通过压力传感器、气体流量传感器采集天然气网的节点压力pin信号、气体流量fin信号。信号采集单元将采集到的信号传递给数据预处理与转换单元，作为数据预处理与转换单元的输入信号。
8.数据预处理与转换单元包括降噪处理模块、平滑处理模块和a/d转换模块。数据预处理与转换单元的输入信号经过降噪处理模块进行降噪，平滑处理模块进行平滑处理后输出与输入相应的输出信号，平滑处理后的输出信号作为a/d转换模块的输入，完成模拟信号到数字信号的转换，而后输出至分布式微型处理器的输入端。
9.分布式微型处理器包括模式判断模块、求解计算模块和数据存储单元；所述模式判断模块基于分布式信息能源系统的运行模式指数，判断当前时刻系统运行状态；所述求解计算模块用于基于数据预处理与转换单元输出的信息，预估本地的电、热和气的必须运行能源负载，并基于所述必须运行能源负载，计算分布式信息能源系统的运行模式指数；所述求解计算模块还用于确定模式判断模块输出的对应运行模式下的通信拓扑结构，并输入对应运行模式下的变量约束和目标函数；所述求解计算模块还用于执行分布式的能源管理算法，计算能源设备出力情况与能源市场价格，并根据输出的各能源设备最优出力值与最优能源市场价格控制本地的分布式能源设备。同时分布式微型处理器在计算完成后将输出信号传送至显示单元进行显示；所述数据存储单元用于系统运行中的数据存储。
10.显示单元用于显示当前时刻系统的运行模式、各能源个体设备的最优出力情况以及能源市场价格。
11.通信单元通过片内总线的方式与分布式微型处理器进行连接，采用串行接口与邻居节点实现通信，进而产生信息交互。通信单元在动态事件触发时刻将发送本地信息至邻居节点或者从邻居节点处接收邻居节点信息。通信单元包括接收模块和发送模块，所述接收模块包括解密模块和接收串行接口，通过接收串行接口接收来自于邻居节点发送的价格信息以及中间变量一致性信息的数据后，由解密模块进行解密并通过片内总线送至分布式微型处理器中参与分布式能源管理算法的计算；所述发送模块包括加密模块和发送串行接口，用于将本地的价格信息与中间变量一致性信息数据进行加密后，通过发送串行接口将加密后的数据信息发送给与其相邻的邻居节点。
12.另一方面，本发明提供一种分布式能源信息系统能源管理方法，包括以下步骤：
13.s1、将信号采集单元采集到的电网、热网、天然气网的信号经过数据预处理与转换单元进行去噪、平滑处理和a/d转换后进行归一化转换，并送至分布式微型处理器的数据存储单元中。
14.s2、基于s1中采集和存储的信息，分布式微型处理器预估本地的电、热和气的必须运行能源负载。
15.s3、基于s2得到的必须运行能源负载，计算分布式信息能源系统的运行模式指数。
16.s4、基于s3得到的分布式信息能源系统的运行模式指数φ
t
，判断当前时刻系统运行状态。若系统运行在孤岛模式下，则执行s5；若系统运行在并网模式下，则执行s6。
17.s5、输入孤岛模式下分布式信息能源系统的通信拓扑结构、变量约束、目标函数。
18.s6、输入并网模式下分布式信息能源系统的通信拓扑结构、变量约束、目标函数。
19.s7、执行分布式的能源管理算法，计算能源设备出力情况与能源市场价格。
20.s8、输出计算得到的各能源设备最优出力值与最优能源市场价格。
21.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种分布式能源信息系统能源管理装置及方法，通过负荷预测手段对分布式信息能源系统的产能/用能行为进行分析，可以精确判断系统当前的运行状态，进而有效执行能源管理方法。采用的双模能量管理模型是一个完全分布式模型，支持每个参与者在孤岛模式、网络连接模式和模式切换期间自适应运行，采用一种能源管理计算方法，可有效减少对执行分布式能源管理方法的装置的内存需求。本发明与现有的基于梯度和基于牛顿的分布式方法相比，具有收敛速度快、无特殊初始化条件和异步通信等优点。每个能源参与者可以快速获得其最优操作，并自适应地响应模型切换，而无需重置全局初始值。同时，异步通信可以避免全局时钟同步的要求，更加灵活，易于实现。本发明所提出的事件触发机制的主要好处是减少了通信交互，并显著降低了对精确连续时间信息传输的依赖。同时，也能减少通信开销和带宽等。此外，所提出的触发机制涉及额外的动态变量，它保持更长的事件间时间，并明确排除芝诺现象。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的分布式信息能源系统能源管理装置的结构示意图；
23.图2为本发明实施例提供的信号采集单元的电路原理图；其中，图(2a)为电网信号采集单元，图(2b)为热网信号采集单元，图(2c)为天然气网信号采集单元；
24.图3为本发明实施例提供的数据平滑处理与转换单元的电路原理图；
25.图4为本发明实施例提供的分布式微型处理器的电路原理图；
26.图5为本发明实施例提供的显示单元的电路原理图；
27.图6为本发明实施例提供的通信单元的电路原理图；
28.图7为本发明实施例提供的分布式信息能源系统能源管理方法总流程图；
29.图8为本发明实施例提供的分布式信息能源系统能源管理方法模式判断模块流程图；
30.图9为本发明实施例提供的分布式信息能源系统能源管理方法求解计算模块流程图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
32.如图1所示的一种分布式能源信息系统能源管理装置，包括信号采集单元、数据预处理与转换单元、分布式微型处理器、显示单元和通信单元。
33.如图2所示，信号采集单元通过三相电压传感器、三相电流传感器和电压电流相角传感器采集电网的三相电压vin、三相电流iin和电压电流相角theta(in)信号，其中电压电流相角传感器由电压比较器lm393和相位比较器74hk36及其附加电路构成。通过质量流量传感器和温度传感器采集热网的质量流量min信号和供水温度tsin信号、回水温度trin信号，其中质量流量传感器型号为hq—lugb，温度传感器型号为ds18b20。通过压力传感器、气体流量传感器采集天然气网的节点压力pin信号、气体流量fin信号，其中压力传感器型号
为mpx4115，气体流量传感器型号为ldr。
34.信号采集单元将采集到的信号传递给数据预处理与转换单元作为其输入。数据预处理与转换单元如图3所示，包括降噪处理模块、平滑处理模块和a/d转换模块。其中降噪处理模块包括放大器max4305esa及其相应附加电路，平滑处理模块包括滤波器tlc04及其相应附加电路，a/d转换模块采用adc0808转换器。数据预处理与转换单元的输入信号(vin、iin、theta(in)、min、tsin、trin、pin、fin)经过降噪处理模块进行降噪，平滑处理模块进行平滑处理后输出与输入相应的输出信号(vout、iout、theta(out)、mout、tsout、trout、pout、fout)。这些平滑处理后的输出信号作为adc0808的输入，完成模拟信号到数字信号的转换而后进行输出，数据预处理与转换单元的输出信号为d0～d7。
35.分布式微型处理器包括模式判断模块、求解计算模块和数据存储单元；所述模式判断模块基于分布式信息能源系统的运行模式指数，判断当前时刻系统运行状态；所述求解计算模块用于基于数据预处理与转换单元输出的信息，预估本地的电、热和气的必须运行能源负载，并基于所述必须运行能源负载，计算分布式信息能源系统的运行模式指数；所述求解计算模块还用于确定模式判断模块输出的对应运行模式下的通信拓扑结构，并输入对应运行模式下的变量约束和目标函数；所述求解计算模块还用于执行分布式的能源管理算法，计算能源设备出力情况与能源市场价格，并根据输出的各能源设备最优出力值与最优能源市场价格控制本地的分布式能源设备。同时分布式微型处理器在计算完成后将输出信号传送至显示单元进行显示；所述数据存储单元用于系统运行中的数据存储。
36.本实施例中，分布式微型处理器采用at89c52微型处理器，如图4所示，同时其也具有数据存储的功能。经过数据预处理与转换单元进行预处理与转换后的输出信号d0～d7传递至分布式微型处理器at89c52的p0端口，分布式微型处理器at89c52基于此信号对本地负荷进行预测，根据预测结果对系统运行在孤岛模式或者并网模式进行判断，并计算出本地的最优操作值，进而依据计算结果控制本地的分布式能源设备。同时分布式微型处理器at89c52在计算完成后会输出信号p0～p7送至显示单元进行显示。
37.本实施方式中显示单元采用hdg12864l-6进行显示，如图5所示。分布式微型处理器at89c52在执行完分布式的能源管理算法，将计算得到的输出信号p0～p7送至显示单元，显示单元hdg12864l-6对当前时刻的系统运行模式、各能源个体设备的最优出力情况以及能源市场价格进行显示。
38.通信单元包括接收模块和发送模块，所述接收模块包括解密模块和接收串行接口，通过接收串行接口接收来自于邻居节点发送的价格信息以及中间变量一致性信息的数据后，由解密模块进行解密并通过片内总线送至分布式微型处理器中参与分布式能源管理算法的计算；所述发送模块包括加密模块和发送串行接口，用于将本地的价格信息与中间变量一致性信息数据进行加密后，通过发送串行接口将加密后的数据信息发送给与其相邻的邻居节点。
39.本实施方式中通信单元采用串行接口compim和max232与邻居节点实现通信，进而产生信息交互，如图6所示。通信单元在动态事件触发时刻将发送本地信息至邻居节点或者从邻居节点处接收邻居节点信息。
40.一种分布式信息能源系统能源管理方法，其总流程如图7所示，具体方法如下所示。
41.s1、将信号采集单元采集到的电网、热网、天然气网的信号经过数据预处理与转换单元进行去噪、平滑处理和a/d转换后进行归一化转换，并送至分布式微型处理器的数据存储单元中。
42.s2、基于s1中采集和存储的信息，分布式微型处理器对本地的电、热和气的必须运行能源负载和进行预测，分别根据如下公式进行计算：
[0043][0044][0045][0046]
其中，i表示第i个能源个体；v
i,t
、i
i,t
、cosθ
i,t
为t时刻转换后的三相电压、电流、电压电流相角信号；分别为t时刻质量流量、供水温度和回水温度信号，qh表示每立方米质量流量热值；f
i,t
为t时刻气体流量信号，ghv为天然气高位热值；κ
p-h
、κ
p-g
、κ
g-h
分别为电-热、电-气、气-热之间的负载转换比。
[0047]
s3、基于s2得到的必须运行能源负载，分布式微型处理器计算分布式信息能源系统的运行模式指数φ
t
，具体公式为：
[0048][0049]
式中，φ
t
为t时刻的系统的运行模式指数，n表示所有能源个体数量，α、为运行状态指数系数。
[0050]
s4、基于s3得到的分布式信息能源系统的运行模式指数φ
t
，判断当前时刻系统运行状态，具体方式为：
[0051][0052]
其中，为系统运行模式指数阈值；
[0053]
若系统运行在孤岛模式下，则执行s5；若系统运行在并网模式下，则执行s6。并将判断结果在显示单元中进行显示。该过程如图8所示。
[0054]
s5、将孤岛模式下分布式信息能源系统的通信拓扑结构、变量约束、目标函数输入到分布式微型处理器中。
[0055]
s5.1、确定孤岛模式通信拓扑结构。
[0056]
考虑一个分布式信息能源系统，共包括n个能源个体，每个能源个体有mi个参与者。则该系统按下式建模：
[0057][0058]
其中，表示参与者的节点集，v
ij
表示第i个能源个体内的第j个参与者；表示通信连接的边集；表示邻接矩阵，其具体形式为：
[0059][0060]
s5.2、输入孤岛模式下的变量可运行范围，具体约束条件包括：
[0061]
燃煤发电机容量与爬坡约束：
[0062][0063][0064]
式中，表示t时刻燃煤发电机的容量，分别为燃煤发电机容量的上限、下限；为燃煤发电机的爬坡限值。
[0065]
可再生能源发电机交易可能性约束：
[0066][0067]
式中，为在t时刻可再生能源发电机的交易可能性，分别为可再生能源发电机交易可能性的上限、下限。
[0068]
电储设备约束：
[0069][0070][0071][0072]
式中，表示t时刻电储设备出力，表示最大充电速率、最大放电速率，表示t时刻充放电效率，表示充放电状态，表示充放电效率上限、下限。
[0073]
可调度电负荷约束：
[0074][0075]
式中，表示t时刻可调度电负荷，表示电负荷上限。
[0076]
燃煤供热设备容量约束：
[0077][0078]
式中，表示t时刻燃煤供热设备的出力，分别为燃煤供热设备容量的上限、下限。
[0079]
可再生能源供热设备交易约束：
[0080][0081]
式中，表示在t时刻可再生能源供热设备的交易可能性，分别为可再生能源供热设备交易可能性的上限、下限。
[0082]
热储设备约束：
[0083]
[0084][0085][0086]
式中，表示t时刻热储设备出力，表示最大充热速率、最大放热速率，表示t时刻充放热效率，表示充放热状态，充放热状态上限、下限。
[0087]
可调度热负荷约束：
[0088][0089]
式中，表示t时刻可调度热负荷，表示热负荷上限。
[0090]
天然气供应设备容量约束：
[0091][0092]
式中，表示t时刻天然气供应设备的容量，分别为天然气供应设备容量的上限、下限。
[0093]
可调度气负荷约束：
[0094][0095]
式中，表示t时刻可调度气负荷，表示气负荷上限。
[0096]
chp局部运行和爬坡约束：
[0097][0098][0099][0100]
式中，是由chp的可运行区域决定的第τ个线性不等式约束方程的系数；为chp的电功率出力爬坡限值，为chp的热功率出力爬坡限值。
[0101]
电、热、气可调度负荷转换比约束：
[0102][0103][0104][0105]
式中，和分别表示电-气、气-热、电-热相互之间转换比的上限和下限；ψ表示气功率转换比。
[0106]
全局能源供需平衡约束：
[0107][0108]
式中，δp
i,t
、δh
i.t
、δg
i.t
分别表示第i个能源个体在t时刻的电、热、气的功率偏差值。系统运行在孤岛模式下，所以所有的能源个体的不平衡能源加和为0；
[0109]
s5.3、输入孤岛模式下的目标函数：
[0110][0111]
其中，
[0112][0113]
式中，表示孤岛模式下取得的收益；c(
·
)和u(
·
)分别表示成本函数和收益函数。
[0114]
s6、将并网模式下分布式信息能源系统的通信拓扑结构、变量约束、目标函数输入到分布式微型处理器中。
[0115]
s6.1、确定并网模式通信拓扑结构。
[0116]
并网模式下的通信拓扑结构是在孤岛模式的基础上加入能源主网，实现能源个体与能源主网之间的通信。并网模式下的通信拓扑结构表示与孤岛模式基本相同，主要区别是其节点集的表示变化为：
[0117][0118]
其中，i＝0时v
ij
表示能源主网。
[0119]
s6.2、输入并网模式下的变量可运行范围。
[0120]
由于在并网模式下能源个体与能源主网之间存在能源交换，所以全局能源供需平衡约束需要进行相应的变化，其它约束均与孤岛模式相同。
[0121]
并网模式下的全局能源供需平衡约束为：
[0122][0123][0124]
式中，分别表示t时刻能源个体与能源主网之间交换的电、热、气的总量；分别表示t时刻能源个体与能源主网之间可交换的电、热、气的总量上限；
[0125]
s6.3、输入并网模式下目标函数。
[0126]
与孤岛模式不同，由于在并网模式下能源个体与能源主网之间存在买卖能源行为，所以利益函数与成本函数为：
[0127][0128]
其中，
[0129][0130]
式中，表示t时刻能源个体与能源主网之间买卖能源取得的收益函数；表示t时刻能源个体与能源主网之间买卖能源取得的收益函数；表示t时刻基准电、气、热能源价格；是与基准电、气、热能源价格正相关的系数。
[0131]
s7、执行分布式的能源管理算法，计算能源设备出力情况与能源市场价格，其流程如图9所示。具体计算方式为：
[0132]
s7.1、将目标函数与约束条件转换为如下形式：
[0133][0134][0135]
c(x
ij
)≤0
→
x
ij
∈ω
ij
[0136]
式中，f(x
ij
)表示成本函数或负的收益函数，x
ij
表示能源主网或第i个能源个体的第j个能源设备的决策变量，当x
ij
为可调度负荷时，否则为其中e
ij
表示系数矩阵，表示3维单位阵；l
ij
表示与第i个能源个体的第j个能源设备相连接的必须运行能源负荷，c(x
ij
)表示与x
ij
相关的局部不等式约束，ω
ij
是由c(x
ij
)决定的局部闭合凸集；
[0137]
s7.2、输入变量初始值x
ij
(0)、y
ij
(0)、z
ij
(0)；其中，y
ij
、z
ij
为三维辅助变量，其中y
ij
表示能源市场价格；
[0138]
s7.3、设置动态事件触发机制，具体形式为：
[0139][0140]
其中，
[0141][0142]
式中，μ
1,ij
、μ
2,ij
、μ
3,ij
、μ
4,ij
、μ
5,ij
为正参数，n
ij
表示v
ij
的邻居节点集，与表示当前触发时刻与下一触发时刻，y
ij
表示能源市场价格，z
ij
为三维辅助变量，y
ij
、z
ij
表示与邻居节点交换的变量值，s
ij
表示额外的动态状态作为触发机制条件判断的阈值。触发机制如果未触发，则执行步骤s7.4，否则执行s7.5。
[0143]
s7.4、求解各能源个体参与者最优出力值与能源市场价格，具体求解过程为：
[0144][0145][0146]
[0147]
式中，表示投影微分运算，为价格一致性协议；
[0148]
s7.5：根据x
ij
、y
ij
是否收敛，判断全局能源供需平衡是否满足，各能源个体间的能源市场价格是否一致。若求得的x
ij
、y
ij
满足收敛条件，则执行s8，否则执行s7.6。
[0149]
s7.6、通过通信单元，与邻居节点进行通信交换y
ij
、z
ij
，进而更新y
ij
、z
ij
，并转至执行s7.3；
[0150]
s8、输出计算得到的各能源设备最优出力值与最优能源市场价格并在显示单元中对其进行显示。
[0151]
本发明采用负荷预测手段，对分布式信息能源系统的运行状态进行分析，通过运行模式判断指标对系统运行在孤岛模式还是并网模式进行精确判断；通过拆分聚合目标函数，将系统中所有能源参与者与能源价格相关的项目重新分组，并将其等效地分配给主网络。同时，基于全局供需约束，为主网络设计了相应的决策变量和目标函数，建立了分布式信息能源系统的双模能量管理模型。提出了一种新的分布式动态事件触发牛顿-拉夫森算法，它采用原始-对偶分析、泰勒展开和微分投影运算设计；嵌入了动态事件触发通信策略，通过设计动态触发机制，如果满足触发条件，每个能源参与者可以在离散的时刻交换信息。
[0152]
本发明可以精确判断系统当前的运行状态，进而有效执行能源管理方法，可有效减少对执行分布式能源管理方法的装置的内存需求，具有收敛速度快、无特殊初始化条件和异步通信等优点。每个能源参与者可以快速获得其最优操作，并自适应地响应模型切换，而无需重置全局初始值。同时，异步通信可以避免全局时钟同步的要求，更加灵活，易于实现。所提出的事件触发机制的主要好处是减少了通信交互，并显著降低了对精确连续时间信息传输的依赖。同时，也能减少通信开销和带宽等。此外，所提出的触发机制涉及额外的动态变量，它保持更长的事件间时间，并明确排除芝诺现象。
[0153]
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权利要求所限定的范围。