一種分布式能源整體規劃優化的系統及其優化方法

專利名稱：一種分布式能源整體規劃優化的系統及其優化方法
技術領域：
本發明涉及分布式能源整體規劃領域，特別涉及到一套以冷、熱、電三聯供能源系 統為核心的分布式能源整體規劃優化的系統與優化方法。
背景技術：
目前，以冷、熱、電三聯供CCHP為核心的分布式能源系統絕大多數采用“以熱定 電”或者“以電定熱”的傳統設計原則來進行能源規劃。圖1為一套依據“以電定熱”原則 設計的三聯供供能系統方案設計者首先根據負荷需求情況人為主觀的規定發電機組需供 應35%基礎電負荷，以此定發電機組規模容量與選型設備；然后根據設備提供的余熱量定 余熱直燃機的規模容量與供應冷、熱負荷比例；不足的負荷由市電、市熱力、燃氣鍋爐以及 電空調調峰補足；最后對配置方案給出建議性運行策略。此類設計過程涉及了大量的人為 主觀因素，缺乏對系統從微觀、整體進行設計而是依據“經驗”宏觀的從局部設計出發，對系 統定性分析遠大于定量分析。上述兩種傳統設計方式存在缺點一方面“以熱定電”可能導致發電機組長期運行 在過低的負荷區間；另一方面“以電定熱”則可能導致過多的余熱排空；從而降低了系統效 率，削弱了三聯供供能系統帶來的經濟增益。由于冷、熱、電負荷的時間關聯特性，以及不同 區域、不同類型用戶的負荷需求差異性，傳統設計原則已經不能滿足這種靠近用戶側、系統 輸出必須和用戶需求緊密耦合的分布式能源系統的需求。此外，不同的系統配置必然對應 一定的最優運行策略，優化系統配置的同時必須考慮優化運行策略的影響。考慮到能源價格、負荷特性、稅率、投資、運行維護等因素的變化都將影響到優化 的分配方案、設備選型、規模容量以及相應的運行策略，如何對分布式能源系統進行系統 地、微觀地優化規劃實則是一類困難極大的優化問題。為此目的，目前已有文獻提供一些簡單優化系統與方法。這些系統通常缺乏有效 的建模手段，或者通過簡化建模過程從而極大簡化系統復雜性，將整個系統視為一個線性 問題從而利用商業性、非商業性線性規劃軟件對其進行優化配置，此外大多數文獻無法提 供有效的年(8760小時)運行策略。一方面過度簡化系統導致對系統描述缺乏客觀性、精確 性從而使得設計方案偏離實際實際能源系統存在繁多非線性因素，如發電機組在不同工 況下的發電效率等等；另一方面不合理的運行策略將降低整個能源系統效率與經濟效益。

發明內容
為解決現有技術導致的上述多項缺陷，本發明的目的在于提供一種利用高級計算 機語言MathWorks MATLAB建立一套以冷、熱、電三聯供能源系統為核心的分布式能源整體 規劃優化系統與優化方法，使得能源優化方案更具客觀性、精確性，不僅支持簡單循環能源 系統，還支持更為復雜的聯合循環能源系統的優化。
本發明提供的技術方案是，一種分布式能源整體規劃優化的系統，其包括MATLAB 優化分析部分以及與其相結合的Microsoft EXCEL系統輸入部分和輸出部分；所述MATLAB 優化分析部分包括如下
最大供應力預測分析模塊，根據數據調研信息量的多少而利用不同的數學預測分析算 法對EXCEL系統輸入部分提供的可利用能源供應能力歷史數據實現(8760小時)最大供應 力的分析與短、中期預測；
終端負荷預測分析模塊，根據數據調研信息量的詳盡度而利用不同的數學預測分析算 法對EXCEL系統輸入部分提供的用戶終端負荷歷史數據實現(8760小時)終端負荷的分析 與短、中期預測；
能源價格預測分析模塊，根據數據調研信息量的多少而利用不同的數學預測分析算法 對EXCEL數據表中的能源價格歷史數據實現(8760小時)能源價格的分析與短、中期預測； CCHP能源整體規劃優化模塊，根據輸入端信息實現系統配置優化以及(8760小時)運 行策略優化，并輸出最佳能源方案；
CCHP能源整體規劃建模模塊，根據輸入端信息實現熱工設備建模與系統建模，并輸出 系統建模結果——能流網絡圖、優化變量與其它性能參量，反饋給CCHP能源整體規劃優化 模塊；
系統約束子系統，上述CCHP能源整體規劃優化模塊輸出最佳能源方案通過數據分析 方法實現對最佳能源方案結果的多方面優劣評價，有效的保證了優化方案的可行性；
所述最大供應力預測分析模塊、終端負荷預測分析模塊和能源價格預測分析模塊均與 CCHP能源整體規劃優化模塊相連接，將分析與短、中期預測數據反饋給CCHP能源整體規劃 優化模塊。所述系統約束子系統分析后的輸出結果通過EXCEL系統輸出部分輸出最佳信息， 所述最佳信息包括最佳能源技術組合、各類機組臺數與單臺裝機容量、最佳年(8760小 時)運行方案、最佳方案的年均投資總費用和年均能源購買費用。上述CCHP能源整體規劃優化模塊包括能量轉換子系統、方案優化算法子系統與 方案評估子系統。上述CCHP能源整體規劃優化模塊還設置有提供各類能源設備的技術信息與經濟 信息，對優化模塊進行支持、驗證的設備數據庫，確保優化配置結果切合實際設備數據庫， 有效保證了優化方案的客觀性、實際性。一種分布式能源整體規劃優化的系統的優化方法，其特征在于，該方法包括如下 步驟
(1)預測分析步驟，根據EXCEL系統輸入部分的輸入信息以及信息量的詳盡度，利用不 同數學預測分析方法對區域范圍內的可利用能源最大供應力、終端負荷、能源價格進行短、 中期的預測；
(2)篩選可利用能源、相關能源技術，選擇聯產循環方式，建模模塊根據其輸入端信息 進行熱工設備建模與系統建模，輸出優化變量、性能參數與系統能流網絡圖的步驟；
(3)選取優化函數，CCHP能源整體規劃優化模塊開始進行方案優化過程的步驟；
(4)系統約束子系統審核評定優化方案的步驟；如果優化方案評定結果滿足設計要求 則輸出方案，否則觸發優化算法對優化變量進行更新；(5)優化方案輸出步驟；經系統約束子系統審核評定優化方案的信息通過EXCEL系統 輸出部分以EXCEL形式輸出。
進一步的，上述步驟(3)中方案優化采用多目標粒子群優化法，支持多個優化目標的選 取，對優化方案進行能源節省、系統效率、經濟增益、污染物排放等方面的評價。進一步的，上述步驟(3)中的CCHP能源整體規劃優化模塊優化方法步驟包括如 下
(a)在每個變量的動態區間內隨機初始化優化變量；
(b)根據優化變量值進行能量轉換計算，在遵循能量守恒定律的前提下，從終端負荷層 依次向前層計算到一次能源層，即由每個設備節點的輸出端依據其用能與轉換原理計算其 輸入端；
(c)根據設計要求將每個優化目標加以權重系數，建立系統優化函數，并依此優化函數 對優化方案進行優劣評價，評價結果以函數值形式輸出；如果函值結果高于預設值則進入 系統約束子系統進行方案評定，如果低于預設值則進入優化算法模塊；
(d)運行多目標粒子群優化算法對優化變量進行更新；重復步驟(b) (d)直到預先設 定的結束機制被觸發。本發明MATLAB優化分析部分將結合Microsoft EXCEL進行系統輸入與輸出；有 效結合了數學建模手段對熱工設備進行建模描述，能流網絡數學建模手段對能源系統進行 建模描述，以及優化性能強大的全局演化算法——多目標粒子群優化算法對整個能源系統 從微觀上進行配置優化以及年運行策略優化，使得能源優化方案更具客觀性、精確性。此 外，歸功于科學的建模方法與獨到的優化算法的有效結合，本發明不僅支持簡單循環能源 系統，還支持更為復雜的聯合循環能源系統的優化，提高了整個能源系統效率與經濟效益。


圖1是傳統的“以電定熱” CCHP三聯供能源系統設計例圖。圖2是本發明的整體結構框圖。圖3是本發明的具體原理框圖。圖4是本發明的熱工設備燃氣輪機建模原理示意圖。圖5是本發明的熱工設備直燃機建模原理示意圖。圖6是本發明的能流網絡系統建模原理示意圖。圖7是本發明的優化模塊原理框圖。圖6中PGU—發電機組；GB—燃氣鍋爐；HE—換熱器；HWAC—熱水型臬溴冷 機；DFAC—直燃機；EC —電空調；HP—熱泵；IWH —工業余熱。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細說明。參見圖2，圖2是本發明的整體結構框圖。圖中反應出本發明結合了 MATLAB與EXCEL進行系統輸入與輸出。其中MATLAB優化分析部分包含了 6個子系統預測分析子系 統、系統建模子系統、能量轉換子系統、方案優化算法子系統、方案評估子系統與系統約束 子系統；EXCEL系統輸入部分主要包含可利用能源種類、能源價格、相關能源技術、能源負 荷需求等等；EXCEL系統輸出部分主要包含最佳能源技術組合、各類機組臺數與單臺裝機 容量、最佳年(8760小時)運行方案、最佳方案的年均投資總費用、年均能源購買費用等等。本實施例的，一種分布式能源整體規劃優化的系統，包括MATLAB優化分析部分以 及與其相結合的Microsoft EXCEL系統輸入部分和輸出部分；該MATLAB優化分析部分包 括最大供應力預測分析模塊，根據數據調研信息量的多少而利用不同的數學預測分析算 法對EXCEL系統輸入部分提供的可利用能源供應能力歷史數據實現(8760小時)最大供應 力的分析與短、中期預測；終端負荷預測分析模塊，根據數據調研信息量的詳盡度而利用不 同的數學預測分析算法對EXCEL系統輸入部分提供的用戶終端負荷歷史數據實現(8760小 時)終端負荷的分析與短、中期預測；能源價格預測分析模塊，根據數據調研信息量的多少 而利用不同的數學預測分析算法對EXCEL數據表中的能源價格歷史數據實現(8760小時) 能源價格的分析與短、中期預測；CCHP能源整體規劃優化模塊，根據輸入端信息實現系統 配置優化以及(8760小時)運行策略優化，并輸出最佳能源方案；CCHP能源整體規劃建模 模塊，根據輸入端信息實現熱工設備建模與系統建模，并輸出系統建模結果——能流網絡 圖、優化變量與其它性能參量，反饋給CCHP能源整體規劃優化模塊；系統約束子系統，通過 數據分析方法實現對上述CCHP能源整體規劃優化模塊輸出的最佳能源方案的多方面優劣 評價，有效的保證了優化方案的可行性；多優化目標選取集合了多個最大化與最小化數學 優化函數，多方面綜合權衡能源方案的優劣；設備數據庫提供各類能源設備的技術信息與 經濟信息，對優化模塊進行支持、驗證，確保優化配置結果切合實際設備數據庫，有效保證 了優化方案的客觀性、實際性。上述最大供應力預測分析模塊、終端負荷預測分析模塊和能源價格預測分析模塊 均與CCHP能源整體規劃優化模塊相連接，將分析與短、中期預測數據反饋給CCHP能源整 體規劃優化模塊。各個系統約束子系統分析后的輸出結果通過EXCEL系統輸出部分輸出 最佳信息，所述最佳信息包括最佳能源技術組合、各類機組臺數與單臺裝機容量、最佳年 (8760小時)運行方案、最佳方案的年均投資總費用和年均能源購買費用。上述CCHP能源整體規劃優化模塊還設置有提供各類能源設備的技術信息與經濟 信息，對優化模塊進行支持、驗證的設備數據庫，確保優化配置結果切合實際設備數據庫， 有效保證了優化方案的客觀性、實際性。參閱圖3，圖3是本發明的具體原理框圖；一種分布式能源整體規劃優化的系統的 優化方法，其特征在于，該方法包括如下步驟
(1)預測分析步驟，該預測分析子系統根據EXCEL系統輸入信息以及信息量的詳盡度， 利用不同數學預測分析方法對區域范圍內的可利用能源最大供應力、終端負荷、能源價格 進行短、中期的預測。(2)篩選可利用能源、相關能源技術，選擇聯產循環方式(簡單循環或聯合循環)， 建模模塊根據其輸入端信息進行熱工設備建模與系統建模，輸出優化變量、性能參數與系 統能流網絡圖的步驟。參閱圖4、圖5，本實施例中CCHP能源整體規劃建模模塊包括熱工設備，包含了 燃氣輪機、燃氣內燃機、余熱直燃機、蓄能設備、燃氣鍋爐、熱泵、余熱鍋爐、蒸汽輪機等十余種 熱工設備的數學模型。本發明采用的數學建模方法為了更好的描述設備在不同環境下的實 際工況，保證建模系統的客觀性，引入了大量非線性因子例如燃氣輪機發電效率、熱效率 的特征函數曲線，機組單位成本與裝機容量的關系曲線，單效、雙效直燃機的制冷、制熱效 率曲線，蓄能設備的動態存儲函數曲線等，此特點明顯區別于其它將系統簡化為線性問題 的簡單優化系統。因此，本發明科學地將分布式能源規劃描述為一個離散整型變量、連續變 量、等式約束、不等式約束并存的非線性優化問題。因此，必須采用優化性能極為出色的優 化算法才能在較短的時間內獲得最優或近似最優結果，為此本發明采用了多目標粒子群優 化算法進行系統優化。此外，大量調研結果表明設備在變負荷工況下表現出不同的特征函數曲線，所以 本發明通過優化反饋信息支持了建模模塊與優化模塊的即時通訊，以及時更新各個熱工設 備的性能參數以及特征函數曲線，增強了建模的科學性、精確性。本發明的CCHP能源整體規劃建模模塊嚴格遵循能量守恒定律，采用了能流網絡 的數學建模方法，參閱圖6，通過建模過程確立系統總體結構與系統優化變量，并輸出能流 網絡圖。能流網絡建模方法形象地表示出一次能源在系統中從開發、轉化、到最終利用的流 程，突出體現了 CCHP三聯供系統的能源梯級利用特點。優化變量通常包含所需終端設備在某一時段的出力，即提供的終端冷、熱、電負 荷比例，如？廣+『111丨4，(^-(^，所需能源設備的臺數與單臺裝機容量，多輸入源設備在某 一時段所需要的各輸入端負荷比例，如F^Tk，以及發電機組某一時段的發電效率、熱效率 等等。優化變量的具體范疇由設計需求與建模結果決定。每一組優化變量都對應著一套能 源方案。(3)選取優化函數，優化模塊開始進行方案優化過程的步驟。本發明采用多目標粒 子群優化法，支持多個優化函數的選取，對優化方案進行多方面評價能源節省、系統效率、 經濟增益、污染物排放。參閱圖7，圖7是優化模塊具體原理框圖。圖中反應出CCHP能源整體規劃優化模 塊包含了 3個子系統能量轉換子系統、方案優化算法子系統與方案評估子系統。具體步驟 包含(1)在每個變量的動態區間內隨機初始化優化變量；(2)根據優化變量值進行能量轉 換計算，在遵循能量守恒定律的前提下，從終端負荷層依次向前層計算到一次能源層，即由 圖6所示的每個設備節點的輸出端計算其輸入端；(3)根據設計要求將每個優化目標加以 權重系數，建立系統優化函數，并依此優化函數對優化方案進行優劣評價，評價結果以函數 值形式輸出；如果函值結果高于預設值則進入系統約束子系統進行方案評定，如果低于預 設值則進入優化算法模塊；(4)運行多目標粒子群優化算法對優化變量進行更新；重復步 驟(2) (4)直到預先設定的結束機制被觸發。粒子群優化算法的觸發共同由方案評估子系統與系統約束子系統控制。CCHP能源 整體規劃優化模塊內的約束條件主要指與優化算法、優化變量動態范圍、能量守恒原則等 相關的約束，區別于系統約束子系統的約束條件。此外，優化模塊通過優化反饋信息與建模 模塊通訊，以及時更新性能參數，保證系統的客觀性、精確性。值得注意的是，上述CCHP能源整體規劃優化模塊還設置有提供各類能源設備的 技術信息與經濟信息，對CCHP能源整體規劃優化模塊進行支持、驗證的設備數據庫，該設備數據庫與CCHP能源整體規劃優化模塊進行互相支持、驗證，確保優化配置結果切合實際 設備數據庫，有效保證了優化方案的客觀性、實際性。(4)系統約束子系統審核評定優化方案，如果優化方案評定結果滿足設計要求則 輸出方案，否則觸發優化算法對優化變量進行更新。由于本發明采用多目標優化法，對優化 方案須利用數學分析手段進行多方面評定以保證方案的可行性。(5)優化方案輸出步驟；經系統約束子系統審核評定優化方案的信息通過EXCEL 系統輸出部分以EXCEL形式輸出。由技術常識可知，本發明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特征的實施方 案來實現。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所 有在本發明范圍內或在等同于本發明的范圍內的改變均被本發明包含。
權利要求
1.一種分布式能源整體規劃優化的系統，其包括MATLAB優化分析部分以及與其相結 合的Microsoft EXCEL系統輸入部分和輸出部分；所述MATLAB優化分析部分包括如下最大供應力預測分析模塊，根據數據調研信息量的多少而利用不同的數學預測分析算 法對EXCEL系統輸入部分提供的可利用能源供應能力歷史數據實現最大供應力的分析與 短、中期預測；終端負荷預測分析模塊，根據數據調研信息量的詳盡度而利用不同的數學預測分析算 法對EXCEL系統輸入部分提供的用戶終端負荷歷史數據實現終端負荷的分析與短、中期預 測；能源價格預測分析模塊，根據數據調研信息量的多少而利用不同的數學預測分析算法 對EXCEL數據表中的能源價格歷史數據實現能源價格的分析與短、中期預測；CCHP能源整體規劃優化模塊，根據輸入端信息實現系統配置優化以及運行策略優化， 并輸出最佳能源方案；CCHP能源整體規劃建模模塊，根據輸入端信息實現熱工設備建模與系統建模，并輸出 系統建模結果——能流網絡圖、優化變量與其它性能參量，反饋給CCHP能源整體規劃優化 模塊；系統約束子系統，上述CCHP能源整體規劃優化模塊輸出最佳能源方案，通過數據分析 方法實現對最佳能源方案結果的多方面優劣評價；所述最大供應力預測分析模塊、終端負荷預測分析模塊和能源價格預測分析模塊均與 CCHP能源整體規劃優化模塊相連接，將分析與短、中期預測數據反饋給CCHP能源整體規劃 優化模塊；所述系統約束子系統分析后的輸出結果通過EXCEL系統輸出部分輸出最佳信息。
2.根據權利要求1所述的一種分布式能源整體規劃優化的系統，其特征在于，所述最 佳信息包括最佳能源技術組合、各類機組臺數與單臺裝機容量、最佳年運行方案、最佳方 案的年均投資總費用和年均能源購買費用。
3.根據權利要求1所述的一種分布式能源整體規劃優化的系統，其特征在于，上述 CCHP能源整體規劃優化模塊包括能量轉換子系統、方案優化算法子系統與方案評估子系 統。
4.根據權利要求1所述的一種分布式能源整體規劃優化的系統，其特征在于，上述 CCHP能源整體規劃優化模塊還設置有提供各類能源設備的技術信息與經濟信息，對優化模 塊進行支持、驗證的設備數據庫。
5.一種分布式能源整體規劃優化的系統的優化方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)預測分析步驟，根據EXCEL系統輸入部分的輸入信息以及信息量的詳盡度，利用不 同數學預測分析方法對區域范圍內的可利用能源最大供應力、終端負荷、能源價格進行短、 中期的預測；(2)篩選可利用能源、相關能源技術，選擇聯產循環方式，建模模塊根據其輸入端信息 進行熱工設備建模與系統建模，輸出優化變量、性能參數與系統能流網絡圖的步驟；(3)選取優化函數，CCHP能源整體規劃優化模塊開始進行方案優化過程的步驟；(4)系統約束子系統審核評定優化方案的步驟；如果優化方案評定結果滿足設計要求則輸出方案，否則觸發優化算法對優化變量進行更新；(5)優化方案輸出步驟；經系統約束子系統審核評定優化方案的信息通過EXCEL系統 輸出部分以EXCEL形式輸出。
6.根據權利要求5所述的一種分布式能源整體規劃優化的系統的優化方法，其特征在 于，上述步驟(3)中方案優化采用多目標粒子群優化法，支持多個優化函數的選取，對優化 方案進行能源節省、系統效率、經濟增益、污染物排放的評價。
7.根據權利要求5所述的一種分布式能源整體規劃優化的系統的優化方法，其特征在 于，上述步驟(3)中的CCHP能源整體規劃優化模塊方法步驟包括如下(a)在每個變量的動態區間內隨機初始化優化變量；(b)根據優化變量值進行能量轉換計算，在遵循能量守恒定律的前提下，從終端負荷層 依次向前層計算到一次能源層，每個設備節點的輸出端計算其輸入端；(c)根據設計要求將每個優化目標加以權重系數，建立系統優化函數，并依此優化函數 對優化方案進行優劣評價，評價結果以函數值形式輸出；如果函值結果高于預設值則進入 系統約束子系統進行方案評定，如果低于預設值則進入優化算法模塊；(d)運行多目標粒子群優化算法對優化變量進行更新；重復步驟(b) (d)直到預先設 定的結束機制被觸發。
全文摘要
本發明公開一種分布式能源整體規劃優化的系統及其優化方法，其系統包括MATLAB優化分析部分以及與其相結合的MicrosoftEXCEL系統輸入部分和輸出部分。其優化方法(1)預測分析步驟；(2)CCHP能源系統建模并輸出優化變量、性能參數與系統能流網絡圖的步驟；(3)CCHP能源整體規劃優化模塊開始進行方案優化過程的步驟；(4)系統約束子系統審核評定優化方案的步驟；(5)優化方案輸出步驟。本發明有效結合了數學建模手段對熱工設備進行建模描述，優化性能強大的全局演化算法，對整個能源系統從微觀上進行配置優化以及年運行策略優化；不僅支持簡單循環能源系統，還支持更為復雜的聯合循環能源系統的優化，提高了整個能源系統效率與經濟效益。
文檔編號G05B13/02GK102073272SQ20111004451
公開日2011年5月25日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者任俊杰, 馮江華, 汪慶桓 申請人:北京恩耐特分布能源技術有限公司