能源互聯(lián)網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化配置平臺(tái)設(shè)計(jì)

郝娜娜，李 飛，夏遠(yuǎn)德，張雁楠，謝君鵬

國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司喀什供電公司，新疆 喀什 844000

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，在可持續(xù)發(fā)展理念的社會(huì)規(guī)劃下，需要對(duì)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)加以協(xié)調(diào)優(yōu)化。能源的優(yōu)化配置主要目的是保持各種自然資源和人民需求的相對(duì)平衡狀態(tài)，能夠?qū)⒏鞣N能源在時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)合理分配。自然能源分為可再生和不可再生兩大類(lèi)型，目前煤炭、石油等不可再生能源仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)和生物環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。為了減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，改變不可再生能源的利用占比，在國(guó)家“十二五”改革的引導(dǎo)下，風(fēng)電、光伏等間歇性可再生能源越來(lái)越多地被用于人們的生產(chǎn)、生活中[1]。國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)和日本）已經(jīng)完成了可再生能源的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而國(guó)內(nèi)由于礦產(chǎn)資源的豐富性以及生產(chǎn)技術(shù)的局限性，導(dǎo)致生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變起步較晚，目前仍處于兩種能源相互轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，但為了加速可再生能源的生產(chǎn)投入規(guī)模，許多能源沒(méi)有一個(gè)良好的優(yōu)化配置平臺(tái)，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)了許多問(wèn)題，常規(guī)的調(diào)配方式已經(jīng)難以滿(mǎn)足需要，如何保障可再生能源的有效控制和生產(chǎn)的快速性，成為當(dāng)前急需解決的難題。為此，文章依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種多目標(biāo)能源協(xié)調(diào)優(yōu)化配置平臺(tái)，兼顧各種能源之間的公平，以提升經(jīng)濟(jì)效益。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化配置平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

該平臺(tái)硬件由能源傳導(dǎo)器、能源轉(zhuǎn)換器和能源儲(chǔ)存器構(gòu)成，為了將不同區(qū)域內(nèi)的能源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃配置，需要在儲(chǔ)存方式上加以改變。不同形式的能源具有相互轉(zhuǎn)化的作用，因此需要利用耦合機(jī)制在能源特征描述上加以設(shè)定，不同特征的能源經(jīng)過(guò)高壓電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的電流，以此控制能源的轉(zhuǎn)換。耦合轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

圖1 耦合轉(zhuǎn)換電路

在該電路設(shè)定下，能源轉(zhuǎn)換器的容量配置得以提升，在18～26 V的電壓下，促進(jìn)不同能源的相互轉(zhuǎn)化，通過(guò)耦合電阻的作用，將相互作用的能源在轉(zhuǎn)化時(shí)能夠平穩(wěn)進(jìn)行，不產(chǎn)生多余的能源輸出，使能源儲(chǔ)備過(guò)程中的效率和狀態(tài)達(dá)到平衡。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化配置平臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)確定配置公平系數(shù)

在能源多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化范疇內(nèi)，各類(lèi)能源的延展配置涉及電氣和冷熱等一系列規(guī)劃。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，對(duì)選定的目標(biāo)進(jìn)行權(quán)重比計(jì)算，根據(jù)模糊算法對(duì)目標(biāo)集進(jìn)行二元結(jié)構(gòu)比對(duì)，每個(gè)子目標(biāo)中含有相對(duì)應(yīng)的序列度，其目標(biāo)排序序列度采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iuol設(shè)定，根據(jù)目標(biāo)對(duì)應(yīng)序列度值的不同，由此判斷目標(biāo)集U的重要性排序。在確定好目標(biāo)集的排序后，根據(jù)模糊算法的序列度對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)每個(gè)目標(biāo)進(jìn)行重要性對(duì)比，比較相鄰兩個(gè)目標(biāo)在相同序列度中的模糊值。當(dāng)模糊值增加時(shí)，該優(yōu)化目標(biāo)的公平系數(shù)會(huì)逐漸減少，反之增加，在確定好配置的公平系數(shù)后，根據(jù)該系數(shù)建立多目標(biāo)配置模型，求取能源優(yōu)化參數(shù)。

2.2 建立多目標(biāo)配置模型求取優(yōu)化參數(shù)

根據(jù)確定好的多個(gè)目標(biāo)建立所需的配置模型，在建立之前需要對(duì)涉及的各個(gè)維度能源分配問(wèn)題和儲(chǔ)備問(wèn)題進(jìn)行關(guān)聯(lián)求解，得出目標(biāo)的優(yōu)化參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，將待解決的復(fù)雜問(wèn)題分成若干個(gè)子目標(biāo)，利用配置公平系數(shù)將相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)聯(lián)合起來(lái)，通過(guò)多方面協(xié)調(diào)得到最優(yōu)配置平臺(tái)，將模型分為兩個(gè)模塊。

（1）第一部分根據(jù)現(xiàn)存自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)狀態(tài)將能源系統(tǒng)分為遞進(jìn)式多目標(biāo)結(jié)構(gòu)，在此階段對(duì)子系統(tǒng)的預(yù)分值進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)設(shè)定，考慮能源負(fù)荷的轉(zhuǎn)移和增減效果，具體過(guò)程如下：

式中：azy為能量需求的耦合響應(yīng)因子，表示在不同需求下產(chǎn)生的第y次形式的輸出，在不同形式輸出下會(huì)集合成對(duì)應(yīng)的響應(yīng)矩陣D。

（2）在合成矩陣中進(jìn)行第二部分設(shè)定，用動(dòng)態(tài)流動(dòng)規(guī)劃求得該矩陣中各個(gè)子目標(biāo)的最優(yōu)解，其計(jì)算公式為

在總體目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)時(shí)，若子目標(biāo)沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)，則表示該參數(shù)不符合配置設(shè)定，需要進(jìn)行第一部分的相應(yīng)矩陣預(yù)分值重新排列，直到各個(gè)子目標(biāo)得到最優(yōu)解。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證該優(yōu)化配置平臺(tái)的實(shí)用性，利用某城市的實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，選取兩組傳統(tǒng)配置平臺(tái)作對(duì)比。該城市配備有可再生能源發(fā)電廠，上百個(gè)住宅小區(qū)以及五家鋼鐵廠，為了實(shí)現(xiàn)季節(jié)性和住戶(hù)的能量互補(bǔ)計(jì)劃，結(jié)合所提多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行平臺(tái)，根據(jù)該城市能源系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，分析不同配置平臺(tái)下產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。該城市冬夏兩季所需能源負(fù)荷如圖2所示。

圖2 冬夏兩季冷熱以及電力負(fù)荷變化曲線(xiàn)

該地區(qū)用戶(hù)的能源負(fù)荷在不同季節(jié)具有差異性，用電高峰期一般在白天。夏季的冷負(fù)荷需求量大且多集中在下午，冬季的熱負(fù)荷需求量更集中在晚上。

利用MATLAB軟件搭建仿真測(cè)試平臺(tái)，將該地區(qū)的用戶(hù)能源負(fù)荷數(shù)據(jù)在同一場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行不同配置平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)平臺(tái)1為郭亮等[2]提出的平臺(tái)，傳統(tǒng)平臺(tái)2為許春安等[3]提出的平臺(tái)，測(cè)試輪次設(shè)置為5次，每次設(shè)定的經(jīng)濟(jì)成本不得高于200萬(wàn)元。3種配置平臺(tái)優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益和成本對(duì)比如表1所示。

由表1可知，文章所設(shè)計(jì)的配置平臺(tái)在優(yōu)化后的平均經(jīng)濟(jì)效益為4 166萬(wàn)元，兩組傳統(tǒng)平臺(tái)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益分別為2 349萬(wàn)元和2 575萬(wàn)元，分別提高了1 817萬(wàn)元和1 591萬(wàn)元，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的配置平臺(tái)能夠顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。

表1 3種平臺(tái)優(yōu)化下產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

4 結(jié)束語(yǔ)

文章利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多樣性建立新的協(xié)調(diào)優(yōu)化配置平臺(tái)，通過(guò)對(duì)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，兼顧多個(gè)能源之間的公平性，有效提升能源的利用率，使原有經(jīng)濟(jì)效益有所提高。但該平臺(tái)受到時(shí)間限制，在軟件設(shè)計(jì)中無(wú)法對(duì)所選定的所有目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化選擇，只能針對(duì)個(gè)別重要的參數(shù)進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定，在優(yōu)化結(jié)果上會(huì)存在少許偏差。在后續(xù)研究中，合理分配研究時(shí)間，在設(shè)定上會(huì)選擇更多的目標(biāo)，建立更為精準(zhǔn)的優(yōu)化模型，為可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的理論依據(jù)。