基于差異化需求的智慧樓宇級綜合能源系統(tǒng)多元融合設(shè)計

范 華，余 彬，戚 偉，李建斌

(國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司，浙江 杭州 310000)

能源產(chǎn)業(yè)具有需求大、類型多、結(jié)構(gòu)差異大、能流變化快的特點[1-3]。目前，市場上的能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)大多是相互獨立的。巨大的能源需求和消費方式的快速變化嚴(yán)重影響了當(dāng)前的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提出了巨大挑戰(zhàn)[4]。針對此種現(xiàn)象，建立智慧樓宇級綜合能源系統(tǒng)，通過實現(xiàn)多種能源相互補充，充分消納吸收分布式能源，是解決目前能源“源—荷—儲”差異化需求困境的必經(jīng)之路[5-6]。

樓宇的數(shù)量日益劇增，在全國總消耗能源中，樓宇消耗占比越來越大，顯示在我國樓宇能源消耗占比已高達(dá)近35%[7]。智慧綜合樓宇能源系統(tǒng)是智慧樓宇功能實現(xiàn)的動力源[8-9]，本文從智慧樓宇綜合能源系統(tǒng)的物理層、信息層、平臺層及價值層進(jìn)行源網(wǎng)荷協(xié)同優(yōu)化分析，從用戶側(cè)實現(xiàn)能源與電網(wǎng)的多元融合，為用戶提供安全可靠、節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟(jì)高效的現(xiàn)代智慧樓宇多元化能源服務(wù)[10-11]。

1 基于差異化需求的智慧樓宇綜合能源系統(tǒng)多源化設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智慧樓宇綜合能源系統(tǒng)是整個智慧樓宇最核心組件，是智慧樓宇的心臟和血管，為智慧樓宇的運行提供綜合的動力能源，對樓宇本身及周邊環(huán)境進(jìn)行有機融合，不僅可以滿足自身冷、熱、電和氣等多元化的用能需求，同時也具備智慧互動的能力。

為了深入剖析智慧樓宇綜合能源系統(tǒng)，基于綜合能源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)系，將體系構(gòu)架分為四個層級：物理層、信息層、平臺層及價值層，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，四個層級之間存在著時序性特征。

第一層：實現(xiàn)建設(shè)和互聯(lián)的物理層，是綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)；物理層是樓宇能源系統(tǒng)正常運作的基礎(chǔ)，其中包含樓宇的供能側(cè)、傳輸側(cè)、應(yīng)能測的多種設(shè)備，為樓宇提供熱、電等各種能源，滿足樓宇各個用戶的差異化用能需求。

第二層：基于物理互聯(lián)之上建設(shè)信息層，通過信息集成控制單元將各能源子系統(tǒng)中信息的采集、存儲和分析匯聚成信息流，進(jìn)一步實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的全域全息感知；信息層的目的是通過信息采集與傳輸實現(xiàn)各種能源設(shè)備智能運行，該層在采集信息與接收用戶指令之后，將采集的信息傳輸至平臺層，同時將平臺層的控制指令傳輸至物理層，信息層是物理層和平臺層之間的紐帶，是實現(xiàn)綜合能源協(xié)同控制的重要組成部分。

第三層：通過信息層的信息傳遞形成能源管理平臺，建立能源系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)庫，采用分析和處理系統(tǒng)實現(xiàn)信息的處理和使用，有機融合整個能源系統(tǒng)；平臺層是分析處理整合數(shù)據(jù)的層級，具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算及人機交互等功能，可對信息分析計算，根據(jù)計算結(jié)果展開系統(tǒng)的智能聯(lián)合優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)給用戶，同時根據(jù)預(yù)期的效果對各個能源設(shè)備按照設(shè)定的規(guī)格進(jìn)行控制運行，達(dá)到實現(xiàn)各類能源互補利用、節(jié)能減排、安全高效的目的。

第四層：通過信息交互，利用平臺構(gòu)建能夠支撐各應(yīng)用場景的各功能模塊和應(yīng)用單元，最終達(dá)到為能源系統(tǒng)的各角色提供差異化多元化服務(wù)的目標(biāo)[12]。價值層主要用于提供信息的增值與延伸服務(wù)，充分挖掘樓宇綜合能源的功能，實現(xiàn)更多的價值。

1.2 基于差異化需求的系統(tǒng)供能模式

基于差異化需求的樓宇級能源系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)能源的體積利用與低碳節(jié)能化?？梢酝ㄟ^各種可回收資源與可再生能源的合理組合來降低能源消耗，充分發(fā)揮能源的最大利用率。

采用多種能源互補耦合的供能方式，聯(lián)合熱電聯(lián)供設(shè)備和吸收式制冷機，梯級利用能量[13]。具體步驟如下：

首先，為了在區(qū)域內(nèi)建設(shè)分布式光伏發(fā)電，并通過地源和水源滿足區(qū)域內(nèi)多種負(fù)荷要求，將建筑熱負(fù)荷分為低溫?zé)嶝?fù)荷、中溫?zé)嶝?fù)荷和高溫?zé)嶝?fù)荷。

其次，考慮到不同熱能等級的電熱耦合關(guān)系，為了使低溫余熱滿足低溫?zé)嶝?fù)荷，高溫余熱滿足高溫?zé)嶝?fù)荷，將部分高溫余熱轉(zhuǎn)換為溴化鋰吸收式制冷的驅(qū)動形式，使燃?xì)廨啓C低溫余熱和高溫余熱得到充分利用[14]。

最后，整合以上內(nèi)容，滿足地源熱泵冷負(fù)荷需求，如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)能量流動圖

圖2中，綜合能源系統(tǒng)能量流動圖是對現(xiàn)有的各類綜合能源單元方案的高度抽象化，能源單元負(fù)責(zé)能源的轉(zhuǎn)換、分配和存儲，進(jìn)而利用能源傳輸環(huán)節(jié)實現(xiàn)電力、化學(xué)能和熱能的長距離柔性傳輸。

1.3 綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化

1.3.1 目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)

考慮到用戶的消費經(jīng)濟(jì)性和源網(wǎng)的發(fā)電穩(wěn)定性，將用戶最低消費總額和源網(wǎng)側(cè)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備高效發(fā)電設(shè)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)用戶最低消費總額：

minTu=N(pgTuge+peTuee+phTuhe)

(1)

式中：N為用戶數(shù)，當(dāng)N為定值時，用戶最低消費總額可表示為min(Tu/N)。Tuge、Tuee、Tuhe分別為源測天然氣制暖、空調(diào)制暖、直接供暖成本；pg、pe、ph分別為其對應(yīng)單價。

假設(shè)用戶冬季取暖平均消費為Ac，則

Ac=Tu/N

(2)

用戶最低消費總額可表示為minAc。

(2)源網(wǎng)側(cè)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備高效發(fā)電。

當(dāng)發(fā)電比例為70%～86%時，為了優(yōu)化發(fā)電側(cè)的效率、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，使熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備處于高效運行狀態(tài)，應(yīng)將熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備發(fā)電比例控制在低于70%，高于86%，設(shè)目標(biāo)Ol達(dá)最小值：

(3)

設(shè)低效運行度為Al，則

(4)

由兩個約束條件存在于上述優(yōu)化過程中，分別為：

(1)功率平衡約束。

在多能協(xié)同系統(tǒng)中，為滿足用戶所需的各種不同類型的能源，應(yīng)保證源側(cè)供應(yīng)的各種能源在經(jīng)過網(wǎng)側(cè)能源傳輸?shù)哪茉磽p耗過程后有足夠能源資源，即

(5)

式中：Suh為用戶冬季直接用暖時的用暖總量；Spe為源側(cè)空調(diào)制暖供應(yīng)暖總量；Sph為源側(cè)直接供暖總量；Ene、Eue為電能在網(wǎng)側(cè)、源側(cè)傳輸中的損耗；Enh為熱能在網(wǎng)側(cè)傳輸中的損耗。

(2)機組運行約束。

為保證能源供應(yīng)側(cè)維持運行，用戶的荷側(cè)能源消費額應(yīng)大于源側(cè)能源供應(yīng)側(cè)的產(chǎn)能成本，即

NpgTuge≥Tpg

(6)

1.3.2 雙目標(biāo)優(yōu)化求解

通過自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)法對雙目標(biāo)進(jìn)行歸一處理為單一目標(biāo)，在每次迭代中重新調(diào)整當(dāng)前迭代過程中的權(quán)重因子，求得搜索空間最優(yōu)解[15]。

根據(jù)式(1)和式(2)，雙目標(biāo)最小化優(yōu)化為

min{z1=Ac(Tuge,Tuhe),z2=Al(Tuge,Tuhe)}

(7)

更新每次迭代，z+、z-為每次迭代中判斷空間的最大極限點和最小極限點，代入極限點得到權(quán)重：

(8)

(9)

歸一處理后的目標(biāo)函數(shù)為

(10)

在整個迭代過程中對罰因子進(jìn)行自適應(yīng)變化是為了罰函數(shù)能夠不斷調(diào)整，利用可變函數(shù)的自適應(yīng)方式實現(xiàn)設(shè)置不等式約束來避免過度懲罰。自適應(yīng)函數(shù)的構(gòu)造根據(jù)約束條件為bj≥gj(aj)(j=1,2,3,…,t)。

(11)

式中：

Δbj=max{0,gj(aj)-bj}

(12)

(13)

2 算例分析

以某市的體育中心為實驗對象，將本文設(shè)計的基于差異化需求的智慧樓宇級綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用于該體育中心，衡量該系統(tǒng)性能。該體育館需要集中且全面的負(fù)荷需求，采用24小時的調(diào)度周期，時間步長為1小時。從該體育中心中選取CHP、GB、EC和AC四種設(shè)備各3種進(jìn)行實驗，各設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 不同備選型號設(shè)備參數(shù)表

在不同的季節(jié)，冷、熱、電一體化能源系統(tǒng)中會存在負(fù)荷差異，尤其是夏季和冬季，冷負(fù)荷和熱負(fù)荷的需求有很大差異。如果不同季節(jié)采用單一工況，系統(tǒng)不能滿足要求，設(shè)備不能運行，所以，系統(tǒng)采用分季節(jié)運行調(diào)節(jié)。

該體育中心天然氣單價為2.8元/m3，熱值為10 kW·h/m3，購電電價為0.55元/(kW·h)，上網(wǎng)電價為0.45元/(kW·h)。由于負(fù)荷具有不同特性，本系統(tǒng)根據(jù)季節(jié)將分時段劃分為4類電價，具體電價如表2所示。

表2 各時段電價

根據(jù)設(shè)定的四季分時電價以及不同季節(jié)中典型的日內(nèi)電負(fù)荷、熱負(fù)荷及冷負(fù)荷需求，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到該體育中心的差異化需求，優(yōu)化前負(fù)荷期望值與優(yōu)化后負(fù)荷期望值的對比，具體對比曲線圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后期望值對比曲線圖

由圖3可知，系統(tǒng)應(yīng)用后，該體育中心的電負(fù)荷、熱負(fù)荷和冷負(fù)荷在每個季節(jié)中均呈現(xiàn)降低趨勢，結(jié)合表2各時段的電價，用戶可在電網(wǎng)供電谷期即電價平時段和谷時段增加購電功率，減少在電網(wǎng)供電峰期即電價峰時段的購電功率，這樣可有效減少用戶的支出費用。原因在于溴化鋰吸收式制冷與余熱鍋爐的參與，可有效提升冷熱電比輸出的靈活性，滿足體育中心差異化需求。

為了分析綜合能源系統(tǒng)的多能耦合效應(yīng)及差異化需求效應(yīng)，故設(shè)置3種場景，分別為不采用綜合能源系統(tǒng)且不實施多目標(biāo)優(yōu)化、采用綜合能源系統(tǒng)且不實施多目標(biāo)優(yōu)化及采用綜合能源系統(tǒng)并同時實施多目標(biāo)優(yōu)化，每個場景的優(yōu)化配置設(shè)備結(jié)果如表3所示。

表3 每個場景的優(yōu)化配置設(shè)備結(jié)果

每個場景中投資成本及運算成本如表4所示。

表4 每個場景投資成本及運行成本表 萬元

由表3和表4可知，場景1與場景2相比較，場景2在GB和EC設(shè)備的基礎(chǔ)上增加兩臺CHP和一臺AC機組，雖然場景2的投資成本比場景1增加了142.6萬元，但是運行成本減少了178.2萬元，總成本降低了35.55萬元。場景3與場景2相比較，投資成本降低了16.73萬元，運行成本節(jié)省54萬元，總成本降低了70.73萬元。由此判定，本系統(tǒng)的應(yīng)用能有效降低成本投入，具有較強的實用性和有效性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計包含物理層、信息層、平臺層及價值層的智慧樓宇級綜合能源系統(tǒng)，利用自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)法和自適應(yīng)罰函數(shù)法實現(xiàn)用戶的消費經(jīng)濟(jì)性及源網(wǎng)的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的多目標(biāo)優(yōu)化，并通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)的對比分析，實驗證明，該系統(tǒng)具有良好的發(fā)電、供熱、制冷效果，能夠滿足用戶的負(fù)荷需求，“源-荷-儲”的相互配置可以顯著提高系統(tǒng)的優(yōu)化運行能力，有效降低成本投資，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。