基于能源監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度的綜合能源系統(tǒng)研究

楊佳霖, 趙鵬翔, 李振, 周喜超

(國(guó)網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司,北京 100052)

0 引 言

近年來(lái),能源消耗量逐漸加大。通過(guò)對(duì)能源調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以此減少調(diào)度過(guò)程中的能源損耗［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)能源調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［2］方法設(shè)計(jì)能源調(diào)度大運(yùn)行體系,在調(diào)度體系中建立Petri網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能源調(diào)度的優(yōu)化。文獻(xiàn)［3］方法設(shè)計(jì)制造執(zhí)行系統(tǒng),優(yōu)化系統(tǒng)(manufacturing execution system, MES),通過(guò)建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃(mixed-integer non-linear progran, MINLP)模型制定能源調(diào)度策略,利用定制化粒子群算法推測(cè)優(yōu)化策略的有效性。但以上兩種方法優(yōu)化體系過(guò)于寬泛,在能源優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中損耗量大。然而文獻(xiàn)［4］提出基于物聯(lián)網(wǎng)(internet of things, IOT)的綜合能源智能調(diào)度系統(tǒng),使用增強(qiáng)式的Arduino Yun微控制器,進(jìn)行遠(yuǎn)程能源數(shù)據(jù)采集和運(yùn)輸調(diào)度,解決了此問(wèn)題,但該系統(tǒng)與綜合能源傳感器網(wǎng)絡(luò)的適配兼容性較差,且工作時(shí)穩(wěn)定性比較差。

1 綜合能源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述技術(shù)不足,本文融合物質(zhì)投入產(chǎn)出表(physical input-output table, PIOT)調(diào)度技術(shù)和微電流計(jì)算法(cranial electrotherapy stimulation, CES)改變能源流向,從而達(dá)到能源的最優(yōu)調(diào)度［5］。綜合能源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 綜合能源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

在改進(jìn)型能源調(diào)度系統(tǒng)中,主要根據(jù)多時(shí)間尺度調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì),將調(diào)度數(shù)據(jù)和設(shè)備參數(shù)輸入到融合型調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,由此建立兩個(gè)調(diào)配模式,即PIOT技術(shù)和信息交換系統(tǒng)(message switching system,IES)調(diào)配模式［6］。PIOT技術(shù)運(yùn)行主要依賴于移動(dòng)終端和服務(wù)器結(jié)構(gòu),通過(guò)分析運(yùn)行參考數(shù)據(jù),為能源調(diào)度的控制提供測(cè)試數(shù)據(jù);IES調(diào)配模式主要對(duì)調(diào)度系統(tǒng)中的損耗管理、風(fēng)險(xiǎn)管理和網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行控制,通過(guò)多項(xiàng)數(shù)據(jù)的管控進(jìn)一步確定調(diào)度系統(tǒng)產(chǎn)生能源損耗原因,從而判斷出能源需求區(qū)域,為能源流向的分配提供重要數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)PIOT技術(shù)和IES調(diào)配完成數(shù)據(jù)互通和融合調(diào)配［7］。根據(jù)PIOT技術(shù)的數(shù)據(jù)流和IES調(diào)配模式的指令流進(jìn)行能源流向的分配,利用化學(xué)反應(yīng)算法(chemical reaction optimization algorithm, CROA)進(jìn)行演算,將數(shù)據(jù)流和指令流以算例形式呈現(xiàn),使分配過(guò)程更為精準(zhǔn)。在計(jì)算機(jī)集成編輯系統(tǒng)(computer integrated editing system,CIES)能源流向分配過(guò)程中,主要應(yīng)用領(lǐng)域分為自動(dòng)化設(shè)備、冷凝儲(chǔ)存裝置和電網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的能源分配方式標(biāo)準(zhǔn)為2∶1∶3的比例,這種劃分方式誤差較大,無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,而電路仿真業(yè)務(wù)(circuit emulation service,CES)技術(shù)改進(jìn)的能源流向能夠根據(jù)實(shí)際需求在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整,使能源分配更合理,同時(shí)滿足各領(lǐng)域的能源需求［8］。

2 綜合能源監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)多功能智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行離不開(kāi)硬件電路設(shè)計(jì)。因此,本文在獨(dú)立式無(wú)線報(bào)警器中使用STM8L151K4T6單片機(jī)［9］。由于現(xiàn)場(chǎng)集中控制器的單片機(jī)具有低功耗待機(jī)功能,維持其最小系統(tǒng)工作時(shí)待機(jī)電流僅1～2 mA,考慮到待機(jī)功耗問(wèn)題和電路簡(jiǎn)化,采用了STM32F103RCT6單片機(jī)作為核心處理芯片。最大時(shí)鐘頻率為72 MHz,RAM大小為32 768 B,FLASH內(nèi)存容量為262 144 B,引腳數(shù)目為64,擁有51個(gè)高速輸入輸出端口。傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用MQ-2作為能源氣體檢測(cè)模塊的傳感器,當(dāng)檢測(cè)到人體吸入有毒的能源氣體時(shí)TTL輸出為低電平。MQ-2可用于勘察多種不同類型的氣體,其采樣電路如圖2所示。

圖2 氣體能源濃度采樣電路

圖2中:當(dāng)MQ-2勘察得到空氣中彌漫的有害氣體的濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值以上時(shí),會(huì)使相關(guān)電阻值下降,進(jìn)而導(dǎo)致電路中輸出的接地(GND)電壓增大［10］。氣體傳感器中的電阻Rs的阻值可表示為:

Rs=(Vc/VRL)×RL

(1)

式中:Vc為回路電壓;VRL為輸出電壓;RL為負(fù)載電阻?；鹧?zhèn)鞲衅髂軌虿蹲奖O(jiān)控環(huán)境中的紅外信號(hào),通過(guò)內(nèi)置模塊進(jìn)行信號(hào)分析,識(shí)別監(jiān)控環(huán)境中不同的紅外強(qiáng)度作出不同的判斷。關(guān)于電能傳感器監(jiān)控模塊電路如圖3所示。

圖3 電能傳感器監(jiān)控模塊電路

通過(guò)對(duì)STM32F103RCT6單片機(jī)進(jìn)行編程在電能傳感器中設(shè)置一個(gè)紅外報(bào)警的閾值,測(cè)量數(shù)值達(dá)不到報(bào)警閾值時(shí)模塊輸出高電平,測(cè)量數(shù)值超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值時(shí)模塊就輸出低電平,單片機(jī)在收到低電平信號(hào)后驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的報(bào)警模塊。電能傳感器監(jiān)控模塊中LM393為寬電壓比較器,Q7使用NPN光感二極管用于接收電能信號(hào),電阻R2用來(lái)調(diào)節(jié)監(jiān)控模塊的靈敏度?；鹧?zhèn)鞲衅髡９ぷ鲿r(shí)LM393的3號(hào)端口為高電平,NPN光感二極管監(jiān)測(cè)到環(huán)境中出現(xiàn)紅外信號(hào)后,電阻減少,電流變大。

對(duì)于綜合能源監(jiān)控報(bào)警模塊設(shè)計(jì),本文在其中設(shè)有一個(gè)發(fā)光器件以及一個(gè)受光器件。當(dāng)綜合能源含量超過(guò)規(guī)定閾值時(shí),發(fā)光器件會(huì)給受光器件傳輸數(shù)字信號(hào),使其發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流,通過(guò)LED燈發(fā)出報(bào)警信號(hào)。監(jiān)控報(bào)警模塊電路如圖4所示。

圖4 監(jiān)控報(bào)警模塊電路

圖4中:LED1為發(fā)光器件;LED2為受光器件;運(yùn)算放大器使用TLV6001低功耗,具有±1.0 PA的低輸入偏置電流、1 MHz的高帶寬和75 μA的低靜態(tài)電流;在監(jiān)測(cè)模塊中集成RF/EMI抑制濾波器,在高達(dá)150 pF的容性負(fù)載條件下單位增益穩(wěn)定,在過(guò)驅(qū)條件下不會(huì)出現(xiàn)反相而且具有高靜電放電保護(hù);獨(dú)立式無(wú)線報(bào)警器上配備LED驅(qū)動(dòng)電路,用來(lái)顯示獨(dú)立式無(wú)線報(bào)警器的工作狀態(tài),在報(bào)警狀態(tài)下LED燈持續(xù)點(diǎn)亮。

3 CES能源流向優(yōu)化調(diào)度

CES對(duì)于能源的綜合分配具有更加科學(xué)化和合理性的特點(diǎn),根據(jù)算例劃定能源流向,滿足需求側(cè)的能源需求的同時(shí)降低調(diào)度過(guò)程中的能源損耗,CES能源流向優(yōu)化方式如圖5所示。

圖5 CES能源流向優(yōu)化

在CES能源流向優(yōu)化過(guò)程中,CES可以分為三個(gè)能源子系統(tǒng):能源區(qū)域劃分系統(tǒng)、液態(tài)冷凝系統(tǒng)(WC)和能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。能源區(qū)域劃分的約束條件如式(2)所示。

(2)

式中:Q為需求側(cè)能源有效輸出量;U為能源區(qū)域供應(yīng)電壓;Ω為地緣熱泵能源總量;t為能源供應(yīng)時(shí)間。能源冷凝系統(tǒng)中冷水機(jī)和水泵的運(yùn)行程序:為1時(shí),處于執(zhí)行/開(kāi)啟狀態(tài);為0時(shí),處于非執(zhí)行/關(guān)閉狀態(tài)時(shí)。能源儲(chǔ)存主要由兩種設(shè)備操作完成,即雙功能機(jī)和冷凝機(jī),儲(chǔ)氣罐利用氣液相變實(shí)現(xiàn)能源的冷卻化,儲(chǔ)存系統(tǒng)能源輸出總量為:

(3)

(4)

本文通過(guò)CROA算法簡(jiǎn)化運(yùn)算步驟,將計(jì)算結(jié)果提交CIES數(shù)據(jù)庫(kù),為能源流向的優(yōu)化提供參考。

在能源調(diào)度過(guò)程中,對(duì)于綜合能源的考慮,將不同時(shí)間尺度下的能源分配作為初始函數(shù),其表達(dá)方式為:

(5)

式中:F0為多時(shí)間尺度下的能源分配初始函數(shù);Ps為設(shè)備電力供應(yīng)出力;Pw為能源調(diào)度機(jī)組出力;Pev為調(diào)度設(shè)備總輸出功率;Pav為能源調(diào)度平均出力情況;t為能源分配耗費(fèi)時(shí)間。根據(jù)多時(shí)間尺度系統(tǒng)調(diào)度方式建立帕累托速度解集表示為:

(6)

根據(jù)式(6)中不同時(shí)間下的解集選取折衷解,得到能源供應(yīng)最優(yōu)解函數(shù)為:

(7)

式中:F為能源供應(yīng)分配最優(yōu)解;Fmin為能源調(diào)度過(guò)程最小損耗;F1為需求側(cè)能源分配總量;F1min為最小需求量。

經(jīng)過(guò)CROA算法的優(yōu)化,使多時(shí)間尺度調(diào)度系統(tǒng)能夠在滿足能源供應(yīng)的前提下,考慮到能源調(diào)度過(guò)程的損耗量,從而提高能源調(diào)度的效率。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程在Intel i9 9600KF計(jì)算機(jī),4.0 GHz CPU和(36+128)GB內(nèi)存雙核PC機(jī)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置,試驗(yàn)采集信號(hào)為邊緣計(jì)算感知結(jié)構(gòu),優(yōu)化系統(tǒng)為融合型PIOT結(jié)構(gòu),信號(hào)傳輸速率>4.5 MB/s,算法程序運(yùn)算誤差<2.5%。在此環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn),參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件

本文對(duì)優(yōu)化后調(diào)度系統(tǒng)能源損耗量和調(diào)度效率進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)DEST模擬軟件對(duì)能源調(diào)度過(guò)程進(jìn)行模擬演示,能源調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)模擬如圖6所示。

根據(jù)圖6仿真結(jié)果對(duì)比各設(shè)計(jì)方案具體效果,根據(jù)MORA算法中的式(7)結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),進(jìn)而驗(yàn)證本文的有效性。將試驗(yàn)結(jié)果匯總數(shù)據(jù)表,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 能源調(diào)度系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過(guò)表2數(shù)據(jù)分析,本文設(shè)計(jì)優(yōu)化后的能源調(diào)度系統(tǒng)裝機(jī)容量最大為485.7 kW,調(diào)度過(guò)程損耗量為138.3 W,調(diào)度效率最高為98.6%;文獻(xiàn)［1］方法采用的Petri網(wǎng)絡(luò)裝機(jī)容量最大為402.6 kW,調(diào)度過(guò)程損耗量為176.9 W,調(diào)度效率最高為95.2%;文獻(xiàn)［2］方法設(shè)計(jì)的MES優(yōu)化系統(tǒng),裝機(jī)容量最大為358.4 kW,調(diào)度過(guò)程損耗量為184.4 W,調(diào)度效率最高為93.5%。由此看出本文研究對(duì)能源調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化過(guò)程具有較高可行性。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示三種不同方案的調(diào)度過(guò)程損耗量變化規(guī)律,通過(guò)對(duì)比方式分析各系統(tǒng)性能,調(diào)度過(guò)程損耗量曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)調(diào)度損耗量曲線

圖7中:在裝機(jī)容量為350 kW時(shí),本文設(shè)計(jì)損耗量為110 W;文獻(xiàn)［1］方法采用的Petri網(wǎng)絡(luò)損耗量為139 W;文獻(xiàn)［2］方法設(shè)計(jì)的MES優(yōu)化系統(tǒng)損耗量為160 W。證明同比狀態(tài)下本文設(shè)計(jì)裝機(jī)容量最大,調(diào)度過(guò)程損耗量最小。

通過(guò)對(duì)比各設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)調(diào)度效率,進(jìn)一步完成對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)BEST軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)的模擬,得到系統(tǒng)調(diào)度效率曲線,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)調(diào)度效率曲線

從圖8可知,三種系統(tǒng)診斷精度受到系統(tǒng)裝機(jī)容量的影響。本文研究系統(tǒng)調(diào)度效率最低為97.5%,最高為98.6%,平均效率為98.05%;文獻(xiàn)［1］方法采用的Petri網(wǎng)絡(luò)最低為93.0%,最高為95.2%,平均效率為94.1%;文獻(xiàn)［2］方法設(shè)計(jì)的MES優(yōu)化系統(tǒng)最低為92.0%,最高為93.5%,平均效率為92.8%。綜上所述,本文設(shè)計(jì)方案容量最大,損耗量最小,調(diào)度效率最高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)能源調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究,將PIOT技術(shù)和IES結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合,建立能源調(diào)度結(jié)構(gòu)的層級(jí)化控制網(wǎng)絡(luò),降低調(diào)度過(guò)程的能源損耗。在獨(dú)立式無(wú)線報(bào)警器中使用STM8L151K4T6單片機(jī),實(shí)現(xiàn)多功能智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行離不開(kāi)硬件電路設(shè)計(jì)。利用CES技術(shù)控制能源調(diào)度的流向,通過(guò)具體算例顯示需求側(cè)和儲(chǔ)存的能源需求,提高能源調(diào)度效率。通過(guò)CROA算法計(jì)算調(diào)度系統(tǒng)折衷解,為能源調(diào)度提供科學(xué)的數(shù)據(jù)管理方式,使調(diào)度過(guò)程更為嚴(yán)謹(jǐn)。本文設(shè)計(jì)方案具有明顯優(yōu)勢(shì),但是在試驗(yàn)過(guò)程中仍存在問(wèn)題,裝機(jī)容量過(guò)大導(dǎo)致儲(chǔ)存罐擁堵,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)度方式使調(diào)度周期加長(zhǎng)等問(wèn)題仍待解決。