基于長時間尺度的園區(qū)能源智能規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計

徐義舟，楊文涵，陳少輝，傅 騰，畢 也

（國家電投集團東北電力有限公司大連開熱分公司 遼寧 大連 116600）

0 引言

伴隨著消費能力的不斷提升，人們對于能源的需求也大幅提升，二者在促進社會發(fā)展的同時，也帶來了以能源為基礎(chǔ)的短缺問題。在世界范圍內(nèi)可用能源的儲量逐漸下降，以低碳、高效、環(huán)保為目標(biāo)的能源供應(yīng)方式成了能源界研究的重點。我國作為世界級的大國，對于能源的需求量也是極為龐大的[1]。在保持社會穩(wěn)定發(fā)展的同時，解決能源危機帶來的問題僅僅通過開發(fā)新能源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，提高對現(xiàn)有資源的利用效果也是極為重要的一環(huán)[2-4]。

基于此，本文提出基于長時間尺度的園區(qū)能源智能規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計，從更長的時間跨度中對能源的使用需求作出客觀分析，充分考慮能源需求的復(fù)雜性和不確定性，以此為基礎(chǔ)作出合理的規(guī)劃[5]。通過本文的研究，以期為相關(guān)部門的能源管理工作提供有價值的參考。

1 硬件設(shè)計

1.1 計算設(shè)備設(shè)計

考慮到本文設(shè)計的系統(tǒng)是以長時間尺度為基礎(chǔ)進行的，因此需要計算的數(shù)據(jù)在類型和規(guī)模上都比較龐大，為此，本文選用XC7K325T-2FBG676 異構(gòu)DSP 計算卡作為系統(tǒng)的計算設(shè)備，其搭載的Xilinx Kintex7 系列芯片在326，080 Logic Cells 邏輯資源的支持下，可以實現(xiàn)同時觸發(fā)407 600 個計算模塊的同時運行，大大提高了數(shù)據(jù)分析能力。自帶的16，020 kB BRAM 存儲容量可以暫存計算結(jié)果，并進行對比分析，DSP 核心數(shù)量為840 個，這就意味著其可以同時實現(xiàn)對840 個不同指標(biāo)的分析處理。在16 個高速串行收發(fā)器GTX（12.5 Gb/s Max Rate）的作用下，其運行的速度可以達(dá)到200 Gb/s。通過SPI 接口連接16 MB SPI NOR FLASH，型號為N25Q128A11BSF40F；通過IIC 接口連接1Mbit EEPROM，型號為ST_M24M01-HRMN6TP；通過EMIF 接口連接512 Mbit NAND Flash，型號為NAND512R3A2SZA6E，能夠?qū)崿F(xiàn)對園區(qū)能源數(shù)據(jù)的全面獲取。

1.2 存儲裝置設(shè)計

由于園區(qū)內(nèi)的能源數(shù)據(jù)信息規(guī)模較大，要實現(xiàn)對其的有效規(guī)劃，首先要對不同位置的能源應(yīng)用需求進行分析，而這種分析是建立在實際數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。為此，本文選用瑞士比特U-450 工業(yè)USB 閃存驅(qū)動器作為系統(tǒng)的存儲裝置。Swissbit U-450 工業(yè)USB 閃存驅(qū)動器不僅提供了高性能、可靠的USB 存儲解決方案，還適用于嵌入式和工業(yè)應(yīng)用。其FTL U-450 的設(shè)計是基于頁面開展的，因此表現(xiàn)出高耐久屬性特征，利用FW 算法優(yōu)化裝置的隨機性能，使其在高度訪問和長數(shù)據(jù)保留應(yīng)用中可以發(fā)揮更大價值，并允許標(biāo)準(zhǔn)和低剖面連接器的連接強求。在裝置的固定BOM 中，運行效率可依靠的SLC NAND 閃存實現(xiàn)調(diào)節(jié)，F(xiàn)W 配置、pSLC、MLC 版本均可以實現(xiàn)對其的兼容。不僅如此，為了提高存儲性能的穩(wěn)定性，Swissbit U-450 可以在0 ℃至70 ℃環(huán)境條件下實現(xiàn)自主溫控調(diào)節(jié)，在-40 ℃至-85 ℃條件下可以通過降低散熱運行提高自體運行環(huán)境問題的目的，也正因這種屬性，使得Swissbit U-450 可以盡可能長地實現(xiàn)提供穩(wěn)定的存儲服務(wù)，減少了風(fēng)險和兼容性問題，同時最小化了自體異常引起的數(shù)據(jù)丟失問題。Swissbit U-450 的電源故障管理是以ECC 技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計的，對于啟動未遂事件會自動進行記錄，并啟動備用電源繼續(xù)進行數(shù)據(jù)維護管理。Swissbit U-450 的容量大小為256 GB，作為一種固態(tài)閃存驅(qū)動器，內(nèi)部搭載10 針USB 連接器端子，具體規(guī)格信息為26.65 mm×36.8 mm。讀取性能設(shè)計為順序讀取最高速度為36 MBytes/s，隨機讀取IOPS最高速度為1 900 MBytes/s。寫入性能設(shè)計為順序?qū)懭胨俣葹?6 MBytes/s，隨機寫入IOPS 速度為1 400 MBytes/s。在Swissbit U-450 中，還具有集成并行閃存接口引擎的高性能32 位處理器，包括單級單元（SLC）NAND 閃存和硬件BCH 代碼ECC（每1 024 字節(jié)最多60 位校正），確保其運行的高可靠性。在開發(fā)測試結(jié)果，25 ℃運行環(huán)境下，其平均無故障時間超過300 萬h，每讀取1 017 位數(shù)據(jù)，不可恢復(fù)錯誤的數(shù)據(jù)不超過1 個，將其作為園區(qū)能源規(guī)劃的存儲裝置具有較高的可靠性。

2 軟件設(shè)計

2.1 需求分析

在得到XC7K325T-2FBG676 異構(gòu)DSP 計算卡計算輸出的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)保存在Swissbit U-450 中，以此為基礎(chǔ)，本文首先采用粒子群算法對園區(qū)不同能源應(yīng)用點對不同類型能源的需求特征進行分析。

首先，假設(shè)Swissbit U-450 中的園區(qū)能源使用數(shù)據(jù)共包含x 個類型，將每個類型的數(shù)據(jù)作為一個粒子，通過地粒子的慣性權(quán)重進行自適應(yīng)調(diào)整優(yōu)化粒子迭代搜索的繼承能力。在調(diào)整過程中，本文以粒子飛行處于穩(wěn)定狀態(tài)為目標(biāo)。此時需要注意的是，當(dāng)慣性權(quán)重大于粒子在園區(qū)整體能源數(shù)據(jù)中的價值時，其在原始數(shù)據(jù)中的飛行速度也會相對較高，這會導(dǎo)致最終特征提取結(jié)果準(zhǔn)確度降低，而如果慣性權(quán)重小于粒子在園區(qū)整體能源數(shù)據(jù)中的價值，會導(dǎo)致粒子在原始數(shù)據(jù)中的飛行速度較低，但有效時間內(nèi)難以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)特征的完整提取。因此本文采用線性遞減策略對粒子慣性權(quán)重進行計算，其可以表示為：

其中，w表示粒子慣性權(quán)重，k表示粒子在園區(qū)整體能源數(shù)據(jù)中的價值，e表示粒子調(diào)節(jié)系數(shù)，ó2表示粒子慣性權(quán)重自適應(yīng)方差，其計算方式為：

其中，p和r分別表示數(shù)據(jù)總量和粒子價值上限，fik表示i數(shù)據(jù)的價值使適應(yīng)度，fa表示整體數(shù)據(jù)的適應(yīng)度均值，f表示歸一化的適應(yīng)度。

在此基礎(chǔ)上，在粒子群算法中輸入原始的園區(qū)能源數(shù)據(jù)參數(shù)，并初始化粒子種群的速度和位置；在初次特征計算中，保存初始特征最優(yōu)值和全局最優(yōu)值；根據(jù)式（1）更新慣性權(quán)重賦值，重新更新粒子的速度和位置；在此進行特征計算，然后進行評估，保存特征最優(yōu)值和全局最優(yōu)值；最后判斷是否到達(dá)最大迭代次數(shù)，如果是，則輸出結(jié)果，反之則重新根據(jù)式（1）更新慣性權(quán)重賦值，重復(fù)進行上述操作，直至得出的特征結(jié)果滿足全局最優(yōu)，并將其作為能源規(guī)劃的依據(jù)，提高能源管理的個性化程度。

2.2 能源規(guī)劃

在得到園區(qū)能源應(yīng)用需求后，就可以按照目標(biāo)時間尺度內(nèi)的能源需求變化對園區(qū)的能源進行規(guī)劃設(shè)計。

假設(shè)在T時間尺度內(nèi)，n個節(jié)點的能源需求量波動范圍為[-a，a]，系統(tǒng)輸出的能源總量為A，那么此時的能源需求總量為：

其中，f(T)表示園區(qū)在T時間尺度范圍內(nèi)的能源需求，B表示中斷異常對能源供應(yīng)的影響系數(shù)，D表示中斷異常情況出現(xiàn)的頻率，λ表示能源特征結(jié)果。

以此為基礎(chǔ)，對能源的規(guī)劃目標(biāo)就是中斷異常影響最小化，結(jié)合上文的能源供應(yīng)的實際情況不難看出，其主要是由于能源供應(yīng)與能源需求之間的量化差異引起的，中斷負(fù)荷的承載量是以正常狀態(tài)下電力系統(tǒng)功率因數(shù)20%的標(biāo)準(zhǔn)進行的，當(dāng)電力系統(tǒng)中中斷節(jié)點的比例在上述幾個節(jié)點自身負(fù)荷的50%以內(nèi)時，電力系統(tǒng)的輸出仍處于可控狀態(tài)，此時對應(yīng)的負(fù)荷為總負(fù)荷的上限，也就是100%狀態(tài)下的負(fù)荷。為此，中斷異常最小化就轉(zhuǎn)化為能源供應(yīng)與能源需求擬合匹配，其計算方式為：

其中，P表示能源供應(yīng)量，Pe表示額定能源供應(yīng)量，f(T)max和f(T)min分別表示T時間尺度范圍內(nèi)能源需求的最大值和最小值。以此實現(xiàn)對能源的智能規(guī)劃。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 測試準(zhǔn)備

為了測試系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，進行應(yīng)用測試分析，以某園區(qū)的電力系統(tǒng)作為測試對象，使用的電力配電裝置為IEEE32，該節(jié)點配電系統(tǒng)中共設(shè)有32個用電節(jié)點，其中，0 號節(jié)點為電力系統(tǒng)的平衡節(jié)點，具體的電力能源供應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

如圖1 所示，實驗區(qū)域的供電系統(tǒng)排布是以相對規(guī)則的方式存在的。IEEE32 輸出的基準(zhǔn)電壓強度為13.20 kV，在常態(tài)下，系統(tǒng)的三相功率基準(zhǔn)取值結(jié)果為 12 MVA，供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)總負(fù)荷強度為 5056.19+j2435.42 kVA。為了實現(xiàn)對能源的有效規(guī)劃，統(tǒng)計了IEEE32 中部分節(jié)點的基本狀態(tài)參數(shù)見表1。

表1 IEEE-32 節(jié)點配電節(jié)點基本參數(shù)數(shù)據(jù)

按照表1 的節(jié)點設(shè)置，實驗區(qū)域內(nèi)的DG 的類型屬于復(fù)合機組，既包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，同時也有光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源輸出，其中，選擇編號為5、11、14、23、25、29、30 的節(jié)點作為安裝DG 的位置。受供電系統(tǒng)運行負(fù)荷的限制，上述每個節(jié)點對于DG 的承受能力是有限的，允許的最大額定容量為460kW，由于一般情況下DG 的總接入容量是以非飽和的狀態(tài)存在的，因此，按照負(fù)荷容量的30%作為界定標(biāo)準(zhǔn)，計算節(jié)點上安裝DG 的大小。在圖1 的結(jié)構(gòu)中，編號為3、6、9、21 和26 的階段為中斷狀態(tài)下的主要負(fù)荷節(jié)點，此時的電力能源單價為1.45 元/kWH。在這種狀態(tài)下，電力系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)超過額定標(biāo)準(zhǔn)，因此風(fēng)機運行管理費用也會出現(xiàn)相應(yīng)的波動，對應(yīng)的成本為0.085 元/kWH，由此引起的光伏運行管理費用出現(xiàn)波動引起的成本變動范圍為0.080 ～0.085 元/kWH。為了實現(xiàn)對能源規(guī)劃的精細(xì)化管理，對中斷補償產(chǎn)生的費用進行計算，其主要是以供電量與用電量之間的線性關(guān)系得出的，最后計算得到的結(jié)果為0.051 元/kWH，IEEE-32 上級的電網(wǎng)環(huán)境中對應(yīng)的電價為0.368 元/kWH。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計了IEEE-32 的基礎(chǔ)投入，其中，分布式風(fēng)電單位容量固定投資為8 244 萬元/kW，光伏單位容量固定投資費用為8050元/kW，設(shè)備組預(yù)計使用年限為25 年，按照現(xiàn)階段的貼現(xiàn)率對其進行計算，其指標(biāo)為0.06。以此測試環(huán)境為基礎(chǔ)，采用本文設(shè)計系統(tǒng)進行能源規(guī)劃。

3.2 測試結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，使用本文設(shè)計的系統(tǒng)對不同場景下的電力能源進行規(guī)劃設(shè)計，基礎(chǔ)場景設(shè)置見表2。

表2 基礎(chǔ)場景設(shè)置

以表2 的設(shè)置結(jié)果為基礎(chǔ)，利用本文設(shè)計系統(tǒng)對電力能源進行規(guī)劃，并統(tǒng)計其相關(guān)管理費用的開銷情況，其結(jié)果見圖1。

從圖2 中可以看出，相關(guān)費用的投入均未超過200 萬元的情況，其中，需求側(cè)管理費用基本穩(wěn)定在100 萬元以內(nèi)，表明電能供給量并未出現(xiàn)，或者并未長時間出現(xiàn)超過需求側(cè)設(shè)備運行上限的情況，因此裝置的安全性和壽命都得到了有效保護，降低了相關(guān)為此管理成本的投入。另外，購電費用始終低于150 萬元，表示未出現(xiàn)電力系統(tǒng)供電中斷或者電能供大于求的情況，表明本文設(shè)計系統(tǒng)可以實現(xiàn)對不同場景下能源的最優(yōu)規(guī)劃。

4 結(jié)語

隨著全球工業(yè)化進程的不斷推進，對于能源的需求不斷提高，如何實現(xiàn)對有限能源的充分利用已經(jīng)成為全球關(guān)注的問題之一。本文提出基于長時間尺度的園區(qū)能源智能規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了對能源的充分利用，降低了由于分配不合理引起的能源和成本浪費。通過本文的研究，也希望為相關(guān)能源管理工作的開展提供幫助。