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        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

        2023-10-21 03:10:56陳遠東張海龍史文江汪振宇閻乃臣顧大可
        可再生能源 2023年10期
        關(guān)鍵詞:端系統(tǒng)熱力耦合

        陳遠東,孟 輝,張海龍,史文江,張 超,汪振宇,閻乃臣,顧大可

        (1.國網(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間尺度的不同,以及各能量傳輸通道的延時問題,導(dǎo)致在某一時刻管道首端輸入流量與末端流出流量存在差異,在進行優(yōu)化控制過程中使得實時能量流響應(yīng)難以與負荷的實時需求維持平衡[1],[2]。

        為實現(xiàn)多能源送端系統(tǒng)的外送能量的穩(wěn)定,國內(nèi)外科研人員進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)控制問題[3],[4]。文獻[5]基于數(shù)字孿生模型對風力發(fā)電機狀態(tài)預(yù)測和健康管理進行了研究,但無法實時更新數(shù)字孿生模型。文獻[6]通過數(shù)字孿生算法與硬件相結(jié)合,可進行高頻功率變換器的狀態(tài)感知,但實際應(yīng)用難度較大。文獻[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),可視化較強但不能進行仿真計算,無法進一步對設(shè)備狀態(tài)進行了解。文獻[8]采用自適應(yīng)簡化智能優(yōu)化學(xué)習(xí)方法,通過模仿人類學(xué)習(xí)過程來更新解決方案并搜索最優(yōu)解。文獻[9]將自適應(yīng)簡化智能優(yōu)化學(xué)習(xí)方法與遺傳算法、二元和諧搜索算法在計算性能等方面進行了對比分析。文獻[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[11]針對電力系統(tǒng)的未知變量以及不確定變量,采用改進的學(xué)習(xí)遞推最小二乘辨識算法,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。

        以上文獻針對數(shù)字孿生技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理等進行了研究,但并未針對綜合能源系統(tǒng)進行數(shù)字孿生分析與應(yīng)用。本文通過數(shù)字孿生技術(shù)感知系統(tǒng)實時狀態(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;通過建立多能源系統(tǒng)能量流信息耦合模型,實現(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,通過外送數(shù)據(jù)及多能量流傳輸模型的快速優(yōu)化控制,實現(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)計合理的控制器,實現(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),針對多能源系統(tǒng)能量流傳輸?shù)奶攸c,設(shè)計了多能源送端系統(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、計算層、應(yīng)用層[12],[13]。物理層主要包括數(shù)字孿生建模的對象,即多能源送端系統(tǒng)中的可再生能源發(fā)電機組以及能源耦合設(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)定運行特征的狀態(tài)量。傳輸層的功能是將感知層采集和識別的信息進一步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層的功能則是對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析。計算層是數(shù)字孿生建模的核心,通過將多能源送端系統(tǒng)能量傳輸物理模型、校正控制算法、仿真計算相關(guān)內(nèi)容進行集成,形成數(shù)據(jù)驅(qū)動以及模型驅(qū)動的混合計算方法。應(yīng)用層為最頂層,通過模型的實測數(shù)據(jù)以及模型的仿真結(jié)果進行相應(yīng)決策優(yōu)化,然后將決策優(yōu)化結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)層,可以直接作用于物理層進行決策指導(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)字孿生模型采用實時在線運行模式,數(shù)字孿生模型與多能源送端系統(tǒng)之間建立實時信息交互傳輸,能夠根據(jù)送端系統(tǒng)的當前狀態(tài)數(shù)據(jù)實時感知實際系統(tǒng)能量供需狀態(tài),滿足模型對數(shù)據(jù)的要求。在基于模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動的混合建模方法中,模型驅(qū)動主要體現(xiàn)在多能源系統(tǒng)的能量流的模型計算,數(shù)據(jù)驅(qū)動主要是將采集到的送端系統(tǒng)的外送功率及當前系統(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+多能源耦合的整體參數(shù)校正”的控制方式,通過參數(shù)辨識方法得到多能源子系統(tǒng)中的運行參數(shù),可迅速找到與實際運行參數(shù)相近的初始數(shù)值,然后進行系統(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),可以實現(xiàn)送端電網(wǎng)狀態(tài)量的虛實映射。首先,通過對送端電網(wǎng)中獲取到的物理量進行虛實映射,建立送端電網(wǎng)運行狀態(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)信號與孿生模型的聯(lián)系,使實際運行的多能源送端系統(tǒng)與虛擬的送端電力系統(tǒng)進行融合。最后,采用“條件-狀態(tài)-事件”模式來構(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)多能源裝置的實際數(shù)據(jù)集合;TU表示實際送端系統(tǒng)多能源裝置;?表示實際送端系統(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)多能源裝置運行動作行為集合;←表示送端系統(tǒng)多能源裝置的運行邏輯、運行行為在數(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)多能源裝置運行狀態(tài)的實時屬性集;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)多能源裝置運行狀態(tài)實時屬性集匹配時送端系統(tǒng)多能源裝置運行行為;→表示條件執(zhí)行指令。

        1.2 考慮時延特性的燃氣管網(wǎng)傳輸模型

        在某一時間節(jié)點,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間稱為時延,天然氣傳輸時延與自身管道參數(shù)及壓力有關(guān)。對任意兩節(jié)點i,j之間的管道容量進行計算:

        式中:V為燃氣管道的固定容積;T0為系統(tǒng)的額定溫度;Z0為額定條件下的壓縮因子;P0為額定條件下燃氣管道的壓力;T為燃氣管道中燃氣溫度;p為燃氣管道的壓力;Z為壓縮因子的計算值;L為燃氣管道的長度。

        為精確得到燃氣管道傳輸延時時間,設(shè)管道長度為dl,則燃氣傳輸?shù)倪\動方程為

        式中:λg為燃氣系統(tǒng)中燃氣管道的摩擦系數(shù);υ為燃氣的流速,m/s;D為燃氣管道的直徑,mm;ρ為燃氣密度。

        根據(jù)連續(xù)性方程以及氣態(tài)方程,可得:

        式中:M為燃氣質(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:

        燃氣管網(wǎng)的時延tde可表示為

        式中:t′de為管道傳輸控制的時延;ci,cj分別為天然氣管網(wǎng)節(jié)點i,j處的燃氣流量。

        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)可存儲大量的熱能,并且熱力媒質(zhì)在傳輸過程中存在一定的時延特性,熱力媒質(zhì)在進行定徑傳輸和變徑傳輸過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及熱損耗兩個因素。

        在熱力傳輸過程中,熱負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延。熱力媒質(zhì)從管道首端傳輸?shù)焦艿滥┒说臅r延可表示為

        式中:thdel為熱力管道供熱時延;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)的管道長度;υ為熱媒質(zhì)的流動速率。

        在熱能傳輸消納的過程中,熱負荷具有較大的熱慣性,使得熱能不能在短時間內(nèi)發(fā)生突變,在停止供熱后負荷溫度也能夠在一段時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定。因此,本文建立了基于時間尺度的熱力管網(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時刻燃氣管道的首端溫度;Tou(t)為t時刻管道外部的環(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為熱力管道的長度。

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

        式中:Ten(t)為熱力管道由首端傳輸?shù)截摵啥说臏囟取?/p>

        熱慣性可表示為

        式中:QLR,t為熱負荷在t時刻消耗的熱能;μ為熱力管道單位長度上的傳熱系數(shù);C為熱媒負荷熱容;S為熱負荷的額定功率;Δt為控制過程中的調(diào)度時間間隔;分別為t,t-1時刻熱負荷所處的室內(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)中能量的流動具有方向性(圖3),分別以節(jié)點pi,hi,gi為起點的鏈路數(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)點在整個多能源系統(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pi,hi,gi對(pj,pk),(hj,hk),(gj,gk)能量流以及信息流的利用情況,計算式為

        為了明確系統(tǒng)中每個節(jié)點的重要程度以及節(jié)點的效率,可以通過式(17)計算得到系統(tǒng)中各節(jié)點的利用效率:

        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)過的節(jié)點數(shù)。

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

        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個階段組成。首先,感知送端系統(tǒng)能量的實時狀態(tài)變化;然后,將感知數(shù)據(jù)通過可靠傳輸系統(tǒng)進行交互,傳送到控制器;最后,控制器以多能源系統(tǒng)實時能量平衡為目標發(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)能量實時狀態(tài)變化的階段,為得到更為準確的送端系統(tǒng)能量需求數(shù)值,對多能源系統(tǒng)中的能量、溫度及壓力等信號建立多能源異構(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)觀測矩陣;ni(t)為檢測過程中的噪聲干擾,對于單個感知終端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)控制過程中,須要根據(jù)系統(tǒng)運行方式及負荷需求,在送端系統(tǒng)裝機容量一定的情況下,考慮可再生能源出力波動,進行能量流的合理分配。在能量耦合控制中,首先通過數(shù)字孿生技術(shù)將實際系統(tǒng)能量需求變量進行處理得到系統(tǒng)的模擬需求量,然后通過整體參數(shù)校正及潮流計算,實現(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

        本文選取我國東北某多能源送端系統(tǒng)為仿真對象,不同時間段的多能源負荷需求如圖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)生波動的情況下,本文以圖6,7中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對多能源送端電網(wǎng)的輸出功率穩(wěn)定性進行仿真分析,對多能源間耦合控制進行協(xié)調(diào)優(yōu)化。

        圖6 多能源負荷需求Fig.6 Multi-energy load demand

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

        圖8 不同場景下機組出力曲線Fig.8 Unit output curve in different scenarios

        在兩種情況下,當送端系統(tǒng)中發(fā)電功率出現(xiàn)波動時,輸出功率波動情況如圖9所示。

        圖9 輸出功率波動對比結(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)機組的出力明顯降低,調(diào)峰壓力明顯減小,且當送端系統(tǒng)發(fā)電功率出現(xiàn)波動時,輸出的功率波動幅度減小,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

        本文針對多能源送端系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)化以及傳輸過程中的時延問題,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,通過送端多能源間的協(xié)調(diào)配合,實現(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,通過數(shù)字孿生技術(shù),結(jié)合不同能量流的傳輸時間尺度差異,實現(xiàn)安全可靠的能量外送。通過仿真結(jié)果可以看出,在送端系統(tǒng)中可再生能源出力發(fā)生波動的情況下,通過多能源間的耦合,可以提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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