基于數(shù)字孿生的多能源送端系統(tǒng)能量耦合協(xié)同優(yōu)化控制

陳遠(yuǎn)東，孟 輝，張海龍，史文江，張 超，汪振宇，閻乃臣，顧大可

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司內(nèi)蒙古超特高壓分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026099；2.東北電力大學(xué)，吉林吉林132012）

0 引言

在多能源送端系統(tǒng)中，由于不同能量流傳輸時(shí)間尺度的不同，以及各能量傳輸通道的延時(shí)問(wèn)題，導(dǎo)致在某一時(shí)刻管道首端輸入流量與末端流出流量存在差異，在進(jìn)行優(yōu)化控制過(guò)程中使得實(shí)時(shí)能量流響應(yīng)難以與負(fù)荷的實(shí)時(shí)需求維持平衡[1]，[2]。

為實(shí)現(xiàn)多能源送端系統(tǒng)的外送能量的穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了大量的研究工作。其中數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展在一定程度上解決了多能源系統(tǒng)中能量流間的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題[3]，[4]。文獻(xiàn)[5]基于數(shù)字孿生模型對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)預(yù)測(cè)和健康管理進(jìn)行了研究，但無(wú)法實(shí)時(shí)更新數(shù)字孿生模型。文獻(xiàn)[6]通過(guò)數(shù)字孿生算法與硬件相結(jié)合，可進(jìn)行高頻功率變換器的狀態(tài)感知，但實(shí)際應(yīng)用難度較大。文獻(xiàn)[7]基于建筑信息模型技術(shù)，建立了電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng)，可視化較強(qiáng)但不能進(jìn)行仿真計(jì)算，無(wú)法進(jìn)一步對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行了解。文獻(xiàn)[8]采用自適應(yīng)簡(jiǎn)化智能優(yōu)化學(xué)習(xí)方法，通過(guò)模仿人類學(xué)習(xí)過(guò)程來(lái)更新解決方案并搜索最優(yōu)解。文獻(xiàn)[9]將自適應(yīng)簡(jiǎn)化智能優(yōu)化學(xué)習(xí)方法與遺傳算法、二元和諧搜索算法在計(jì)算性能等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)[10]提出一種基于數(shù)字孿生的智能控制方法，將迭代學(xué)習(xí)控制與模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，在一定程度上提高了多能源間的協(xié)調(diào)控制能力。文獻(xiàn)[11]針對(duì)電力系統(tǒng)的未知變量以及不確定變量，采用改進(jìn)的學(xué)習(xí)遞推最小二乘辨識(shí)算法，將數(shù)字孿生方法與傳統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)控制相結(jié)合，對(duì)多能源系統(tǒng)中能量流的協(xié)調(diào)控制起到較好的效果。

以上文獻(xiàn)針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行了研究，但并未針對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字孿生分析與應(yīng)用。本文通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合數(shù)字孿生模型架構(gòu)，建立多能源送端系統(tǒng)數(shù)字孿生控制架構(gòu)模型；通過(guò)建立多能源系統(tǒng)能量流信息耦合模型，實(shí)現(xiàn)多能源系統(tǒng)中信息的快速感知、傳輸、控制。最后，在所建立的基于數(shù)字孿生的多能源控制系統(tǒng)中，通過(guò)外送數(shù)據(jù)及多能量流傳輸模型的快速優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)送端系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定。充分利用有效數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合理的控制器，實(shí)現(xiàn)多能源送端系統(tǒng)的能量流協(xié)同控制，提高多能源送端系統(tǒng)能量流供應(yīng)的穩(wěn)定性。

1 多能源送端系統(tǒng)數(shù)字孿生架構(gòu)

結(jié)合數(shù)字孿生模型的傳統(tǒng)架構(gòu)，針對(duì)多能源系統(tǒng)能量流傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了多能源送端系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，主要包括送端系統(tǒng)的物理層、感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、計(jì)算層、應(yīng)用層[12]，[13]。物理層主要包括數(shù)字孿生建模的對(duì)象，即多能源送端系統(tǒng)中的可再生能源發(fā)電機(jī)組以及能源耦合設(shè)備等。感知層的功能是感知系統(tǒng)的狀態(tài)，基于數(shù)據(jù)傳感器可以得到表征多能源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行特征的狀態(tài)量。傳輸層的功能是將感知層采集和識(shí)別的信息進(jìn)一步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層的功能則是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。計(jì)算層是數(shù)字孿生建模的核心，通過(guò)將多能源送端系統(tǒng)能量傳輸物理模型、校正控制算法、仿真計(jì)算相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行集成，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及模型驅(qū)動(dòng)的混合計(jì)算方法。應(yīng)用層為最頂層，通過(guò)模型的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及模型的仿真結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)決策優(yōu)化，然后將決策優(yōu)化結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)層，可以直接作用于物理層進(jìn)行決策指導(dǎo)。多能源送端系統(tǒng)數(shù)字孿生架構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)字孿生模型

多能源送端系統(tǒng)數(shù)字孿生模型采用實(shí)時(shí)在線運(yùn)行模式，數(shù)字孿生模型與多能源送端系統(tǒng)之間建立實(shí)時(shí)信息交互傳輸，能夠根據(jù)送端系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知實(shí)際系統(tǒng)能量供需狀態(tài)，滿足模型對(duì)數(shù)據(jù)的要求。在基于模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的混合建模方法中，模型驅(qū)動(dòng)主要體現(xiàn)在多能源系統(tǒng)的能量流的模型計(jì)算，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)主要是將采集到的送端系統(tǒng)的外送功率及當(dāng)前系統(tǒng)的發(fā)電量作為輸入。采用“多能源各子系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)+多能源耦合的整體參數(shù)校正”的控制方式，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)方法得到多能源子系統(tǒng)中的運(yùn)行參數(shù)，可迅速找到與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相近的初始數(shù)值，然后進(jìn)行系統(tǒng)整體的參數(shù)校正。多能耦合整體參數(shù)校正具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 多能耦合整體參數(shù)校正Fig.2 Multi-energy coupled integral parameter correction

基于數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)送端電網(wǎng)狀態(tài)量的虛實(shí)映射。首先，通過(guò)對(duì)送端電網(wǎng)中獲取到的物理量進(jìn)行虛實(shí)映射，建立送端電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字孿生模型。其次，根據(jù)送端電網(wǎng)中電、熱、氣的供需關(guān)系建立電力送端系統(tǒng)能量模型，將電、熱、氣的輸出功率值添加到所建立的幾何模型，并建立數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建狀態(tài)量數(shù)據(jù)信號(hào)與孿生模型的聯(lián)系，使實(shí)際運(yùn)行的多能源送端系統(tǒng)與虛擬的送端電力系統(tǒng)進(jìn)行融合。最后，采用“條件-狀態(tài)-事件”模式來(lái)構(gòu)建送端系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。

式中：FU表示數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置；TF表示數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置的實(shí)際數(shù)據(jù)集合；TU表示實(shí)際送端系統(tǒng)多能源裝置；?表示實(shí)際送端系統(tǒng)多能源裝置與數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置對(duì)應(yīng)映射關(guān)系；IP表示數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置幾何模型集合；YH表示數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置物理屬性集合；RT表示數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置運(yùn)行邏輯模型集合；MK表示數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置運(yùn)行動(dòng)作行為集合；←表示送端系統(tǒng)多能源裝置的運(yùn)行邏輯、運(yùn)行行為在數(shù)學(xué)模型中關(guān)聯(lián)集成；＞＜表示自然連接；WE表示須滿足的數(shù)字孿生送端系統(tǒng)多能源裝置運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)屬性集；PO表示匹配的狀態(tài)模式；BN表示狀態(tài)模式與送端系統(tǒng)多能源裝置運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)屬性集匹配時(shí)送端系統(tǒng)多能源裝置運(yùn)行行為；→表示條件執(zhí)行指令。

1.2 考慮時(shí)延特性的燃?xì)夤芫W(wǎng)傳輸模型

在某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)，天然氣管道首端輸入流量與末端輸出流量存在一定差異，天然氣管網(wǎng)響應(yīng)后由首端流到末端所需的時(shí)間稱為時(shí)延，天然氣傳輸時(shí)延與自身管道參數(shù)及壓力有關(guān)。對(duì)任意兩節(jié)點(diǎn)i，j之間的管道容量進(jìn)行計(jì)算：

式中：V為燃?xì)夤艿赖墓潭ㄈ莘e；T0為系統(tǒng)的額定溫度；Z0為額定條件下的壓縮因子；P0為額定條件下燃?xì)夤艿赖膲毫?；T為燃?xì)夤艿乐腥細(xì)鉁囟?；p為燃?xì)夤艿赖膲毫Γ籞為壓縮因子的計(jì)算值；L為燃?xì)夤艿赖拈L(zhǎng)度。

為精確得到燃?xì)夤艿纻鬏斞訒r(shí)時(shí)間，設(shè)管道長(zhǎng)度為dl，則燃?xì)鈧鬏數(shù)倪\(yùn)動(dòng)方程為

式中：λg為燃?xì)庀到y(tǒng)中燃?xì)夤艿赖哪Σ料禂?shù)；υ為燃?xì)獾牧魉?，m/s；D為燃?xì)夤艿赖闹睆?，mm；ρ為燃?xì)饷芏取?/p>

根據(jù)連續(xù)性方程以及氣態(tài)方程，可得：

式中：M為燃?xì)赓|(zhì)量流量；R為氣體常數(shù)。

式（5）中的溫度T可表示為

式中：p1，p2分別為管道首端、末端壓力；T1，T2分別為管道首端、末端溫度；Z1，Z2分別為管道首端、末端的壓縮因子；n為氣體的摩爾質(zhì)量。

將式（4），（5）帶入式（2），可得：

將式（7）代入式（2），可得：

燃?xì)夤芫W(wǎng)的時(shí)延tde可表示為

式中：t′de為管道傳輸控制的時(shí)延；ci，cj分別為天然氣管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i，j處的燃?xì)饬髁俊?/p>

1.3 考慮熱慣性的熱力管網(wǎng)能量流傳輸模型

多能源系統(tǒng)中熱力管網(wǎng)可存儲(chǔ)大量的熱能，并且熱力媒質(zhì)在傳輸過(guò)程中存在一定的時(shí)延特性，熱力媒質(zhì)在進(jìn)行定徑傳輸和變徑傳輸過(guò)程中的傳輸速率也存在一定差別。因此本文研究熱力系統(tǒng)的熱慣性主要考慮熱力管道的熱延時(shí)及熱損耗兩個(gè)因素。

在熱力傳輸過(guò)程中，熱負(fù)荷處溫度的變化較熱源處媒質(zhì)溫度的變化具有一定的時(shí)延。熱力媒質(zhì)從管道首端傳輸?shù)焦艿滥┒说臅r(shí)延可表示為

式中：thdel為熱力管道供熱時(shí)延；khdel為熱力媒質(zhì)的熱能傳輸延遲系數(shù)；Lh為熱力媒質(zhì)所流經(jīng)的管道長(zhǎng)度；υ為熱媒質(zhì)的流動(dòng)速率。

在熱能傳輸消納的過(guò)程中，熱負(fù)荷具有較大的熱慣性，使得熱能不能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變，在停止供熱后負(fù)荷溫度也能夠在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，本文建立了基于時(shí)間尺度的熱力管網(wǎng)熱損耗模型：

式中：ΔTlos為熱力管道中媒質(zhì)的溫降；Tst（t）為t時(shí)刻燃?xì)夤艿赖氖锥藴囟?；Tou（t）為t時(shí)刻管道外部的環(huán)境溫度；η為熱力管道的熱傳輸效率；Ch為熱媒質(zhì)的比熱容；m為熱力管道的流量；L為熱力管道的長(zhǎng)度。

通過(guò)以上分析可以得到熱力管道傳輸時(shí)延與熱力損耗關(guān)系：

式中：Ten（t）為熱力管道由首端傳輸?shù)截?fù)荷端的溫度。

熱慣性可表示為

式中：QLR，t為熱負(fù)荷在t時(shí)刻消耗的熱能；μ為熱力管道單位長(zhǎng)度上的傳熱系數(shù)；C為熱媒負(fù)荷熱容；S為熱負(fù)荷的額定功率；Δt為控制過(guò)程中的調(diào)度時(shí)間間隔；分別為t，t-1時(shí)刻熱負(fù)荷所處的室內(nèi)溫度；為環(huán)境溫度。

1.4 多能源系統(tǒng)能量流信息耦合模型

電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)與多能流信息通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度數(shù)分別為poide（pi），poide（hi），poide（gi），poide（cj），由于電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)中能量的流動(dòng)具有方向性（圖3），分別以節(jié)點(diǎn)pi，hi，gi為起點(diǎn)的鏈路數(shù)目為

圖3 多能源系統(tǒng)能量流信息耦合模型Fig.3 Information coupling model of energy flow in multi-energy system

為更加精確地量化電、熱、氣各節(jié)點(diǎn)在整個(gè)多能源系統(tǒng)中的重要程度及各能量流之間的相互轉(zhuǎn)化情況，應(yīng)確定多能源系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)pi，hi，gi對(duì)（pj，pk），（hj，hk），（gj，gk）能量流以及信息流的利用情況，計(jì)算式為

為了明確系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要程度以及節(jié)點(diǎn)的效率，可以通過(guò)式（17）計(jì)算得到系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的利用效率：

式中：Apij，Ahij，Agij分別為在最短路由控制方式下，（pi→pj），（hi→hj），（gi→gj）所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)式（15）～（17），可以將多能源系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)的出、入度關(guān)系，能量流、信息流的利用情況及節(jié)點(diǎn)的利用效率由以下矩陣進(jìn)行表示：

2 多能源送端系統(tǒng)能量耦合控制

多能源送端系統(tǒng)能量耦合控制主要由感知、傳輸以及控制3個(gè)階段組成。首先，感知送端系統(tǒng)能量的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化；然后，將感知數(shù)據(jù)通過(guò)可靠傳輸系統(tǒng)進(jìn)行交互，傳送到控制器；最后，控制器以多能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)能量平衡為目標(biāo)發(fā)出控制決策指令。多能源系統(tǒng)能量耦合控制框架如圖4所示。在感知送端系統(tǒng)能量實(shí)時(shí)狀態(tài)變化的階段，為得到更為準(zhǔn)確的送端系統(tǒng)能量需求數(shù)值，對(duì)多能源系統(tǒng)中的能量、溫度及壓力等信號(hào)建立多能源異構(gòu)感知模型，感知終端i所得的需求變量可表示為

圖4 多能源系統(tǒng)能量耦合控制框架Fig.4 Energy coupling control framework of multi-energy system

式中：Zi為多能源系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)觀測(cè)矩陣；ni（t）為檢測(cè)過(guò)程中的噪聲干擾，對(duì)于單個(gè)感知終端α為不可觀向量；Φi為感知終端集合。

多能源系統(tǒng)主要由低壓配電系統(tǒng)、天然氣配氣系統(tǒng)，區(qū)域熱力系統(tǒng)組成。在多能源送端系統(tǒng)各子系統(tǒng)控制過(guò)程中，須要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式及負(fù)荷需求，在送端系統(tǒng)裝機(jī)容量一定的情況下，考慮可再生能源出力波動(dòng)，進(jìn)行能量流的合理分配。在能量耦合控制中，首先通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)將實(shí)際系統(tǒng)能量需求變量進(jìn)行處理得到系統(tǒng)的模擬需求量，然后通過(guò)整體參數(shù)校正及潮流計(jì)算，實(shí)現(xiàn)多能源送端系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。多能源送端系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的控制如圖5所示。

圖5 多能源送端系統(tǒng)各子系統(tǒng)控制流程Fig.5 The control process of each subsystem of the sending-end multi-energy system

3 算例仿真

本文選取我國(guó)東北某多能源送端系統(tǒng)為仿真對(duì)象，不同時(shí)間段的多能源負(fù)荷需求如圖6所示，多能源送端功率需求如圖7所示。在可再生能源出力發(fā)生波動(dòng)的情況下，本文以圖6，7中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)多能源送端電網(wǎng)的輸出功率穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，對(duì)多能源間耦合控制進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化。

圖6 多能源負(fù)荷需求Fig.6 Multi-energy load demand

為驗(yàn)證本文所提方法的有效性，在送端系統(tǒng)中負(fù)荷容量較少且可再生能源裝機(jī)容量較高的情況下，對(duì)提出的數(shù)字孿生控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。將考慮多能量流耦合及傳輸時(shí)延的控制方法，與未考慮多能量流耦合及傳輸時(shí)延的控制方法進(jìn)行對(duì)比分析。圖8顯示了送端系統(tǒng)內(nèi)兩種控制方式下的機(jī)組出力曲線。

圖8 不同場(chǎng)景下機(jī)組出力曲線Fig.8 Unit output curve in different scenarios

在兩種情況下，當(dāng)送端系統(tǒng)中發(fā)電功率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，輸出功率波動(dòng)情況如圖9所示。

圖9 輸出功率波動(dòng)對(duì)比結(jié)果Fig.9 Comparison results of output power fluctuation

由圖8，9可以看出，在采用本文提出的能量耦合控制方法后，送端系統(tǒng)機(jī)組的出力明顯降低，調(diào)峰壓力明顯減小，且當(dāng)送端系統(tǒng)發(fā)電功率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，輸出的功率波動(dòng)幅度減小，明顯趨于穩(wěn)定。因此，本文提出的能量耦合控制方法是有效的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)多能源送端系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)化以及傳輸過(guò)程中的時(shí)延問(wèn)題，建立了基于數(shù)字孿生的多能源送端系統(tǒng)能量控制模型，通過(guò)送端多能源間的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)外送能量流的穩(wěn)定。提出的基于數(shù)字孿生的多能源送端系統(tǒng)能量耦合控制方法，可在保證送端系統(tǒng)能量穩(wěn)定的前提下，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合不同能量流的傳輸時(shí)間尺度差異，實(shí)現(xiàn)安全可靠的能量外送。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，在送端系統(tǒng)中可再生能源出力發(fā)生波動(dòng)的情況下，通過(guò)多能源間的耦合，可以提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。