本發明涉及冷熱電聯供系統技術領域，具體涉及區域分布式冷熱電多聯產系統混合整數非線性模型優化方法。
背景技術：
“大機組、高電壓、大電網”的產能供能模式弊端日益顯露，能源消耗與環境危機成為社會發展不可忽視的問題。堅持傳統的能源利用方式不能使資源有效的循環利用，會使社會的整個資源環境加劇惡化，并且造成能源的快速枯竭。因此，伴隨著政府液化天然氣激勵政策與節能減排指標的倡導，綜合梯級用能系統——冷熱電多聯產(combinedcoolingheatingandpower，簡稱cchp)作為跨領域的學科整合與技術集成為解決能源、環境的可持續發展提供了一條新的思路。
cchp冷熱電多聯產是一種建立在能源梯級利用概念的基礎之上，把熱電聯產技術與制冷技術相結合，將發電、制熱(采暖與熱水供應)及制冷過程一體化的多聯產總能系統。該系統對不同溫度的熱量進行分級利用，品位高的熱能用于發電，品位低的熱源用于制冷或者供熱，從而避免高溫乏汽直接排至空氣中造成浪費與污染，提高能源綜合利用效率，具有良好的經濟效益與環境效益。
cchp多聯供倡導增加綜合利用多項分布式產能技術和輔助供能技術，包括先進的燃氣輪機、微型透平機、先進的內燃機、燃料電池、可再生系統能源發電技術，吸收式制冷機、電制冷機以及各種能量源熱泵、干燥及能源回收系統、引擎驅動及電驅動蒸汽壓縮系統，儲熱、蓄冷、儲電設備。
cchp系統運行的性能參數在很大程度上取決于引進生產技術的設備容量及其運行策略。因此，有必要進行專業的可行性建模方案以確保系統能夠完美的匹配用戶的負載需求的同時實現預期的經濟效益、環境效益以及節能效益指標。很顯然單一的目標優化不足以滿足前述提出的對cchp的工程實踐，集成多目標優化才能夠為理想的運行性能提供協調解決方案。傳統的多目標處理方法可分為三大類：目標約束法是在多目標優化問題中選取其中的一個子目標作為新優化問題的目標函數，將其它子目標轉化為約束條件。這種方法實現多目標最優化時存在人為因素，需要技術人員的經驗的積累；目標規劃法則首先單獨求出各子目標函數的最優解，然后進行歸一化求和，最終實現多目標優化。這種方法雖然可以避免人為因素的影響，但歸一化求和后所得的最優解往往不能滿足多目標優化問題的實踐要求；目標加權法是將多目標優化問題中的各個子目標按照線性組合的方式將多目標優化轉化為單個總體目標然后進行優化求解。加權系數由人為地根據各個子目標函數的重要程度進行分配。可見，這種算法明顯地帶有主觀性，需要在工程實踐中不斷地進行改進。
在優化算法的選取上，多數研究選取的優化算法包括隨機試驗法、內點罰函數法與外點罰函數法、序列二次規劃法等直接或間接優化算法以及局部搜索、模擬退火、遺傳算法和人工神經網絡優化算法等智能優化算法。優化算法通過對自然現象的模擬，從而抽象出符合一定規律的數學模型，為解決復雜的工程實踐提供了重要的技術方法，然而其隨機搜索的性質決定了其計算速度慢的缺陷。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種即克服傳統多目標模型處理方法過于主觀性的處理模式，又區別于隨機智能尋優算法的計算復雜性的混合整數非線性數學規劃方法，針對具有逐時冷、熱(蒸汽、熱水)、電負荷時序模型的區域進行分布式供能系統設計，依據區域綜合能源系統總體規劃目標擬定系統產能技術的組成，優化產能設備的臺數，配置產能設備的額定容量，并且通過模型優化輸出的運行狀態反饋對區域現有建筑的圍護結構進行具有明確依據性的改造。本發明同時考慮能源規劃的經濟效益、節能效益以及環保效益，利用熵權法取代傳統人為給定加權數值作為多目標權重數值計算方法減輕人為因素的影響，利用通用代數建模軟件gams實現合理地、準確地、快速地尋找最優解的cchp冷熱電多聯產系統設計與運行優化。
具體方案如下：區域分布式冷熱電多聯產系統混合整數非線性模型優化方法，包括以下步驟：
s1、建立對象區域內不同季節內的典型日時序冷、熱和電負荷模型；
s2、根據負荷模型的負荷結果數據，在cchp系統中分別選取能量生產技術設備和能量存儲技術設備，搭建cchp系統能量生產傳輸流程，并對所有選取的技術設備進行數學建模；
s3、構建cchp系統運行的能量守恒約束條件以及技術可行的邊界條件，構建可尋優運算空間，縮小算法尋優范圍提高計算速度及準確性；
s4、分析確定針對對象區域的cchp聯供系統運行的經濟、環境和節能效益，搭建cchp系統優化運行的多目標函數組合，并對多目標的權重采取熵權法根據多目標中各指標變異性的大小計算優化客觀權重，將多目標函數加權轉化為單一目標函數進行優化。
進一步的，所述步驟s1中建立對象區域內不同季節內的典型日時序冷、熱負荷模型的方式為通過數學模型計算對象區域需求側現有建筑的圍護結構冷、熱負荷，所述數學模型對象區域需求側現有建筑的圍護結構冷、熱負荷計算的數學模型為：
其中，下標t分別表示運行時間；e表示建筑圍護結構，energyrequirementt表示t時刻逐時冷熱負荷；area表示各圍護結構e的面積，u表示各圍護結構e的傳熱系數，cv表示通風系數，tin為室內設計溫度，
進一步的，所述步驟s2中能量生產技術設備為燃氣輪機、光伏發電板、風力發電機、溴化鋰吸收式制冷機、地源熱泵、燃料鍋爐和電制冷空調，能量生產傳輸流程中的能量傳輸設備為換熱器，能量存儲技術設備為蓄電池。
進一步的，所述燃氣輪機采用如下所示的數學模型：
式中igt,t為t時刻輸入燃料總能量，cel與cth分別表示額定電功率與額定熱功率，t為運行時間，nspy為運行年份的個數，pgt,t與qgt,t分別表示t時刻發電機出力以及排出煙氣可利用熱值，k為系統切出系數，pgt-max表示發電機最大出力，copel,t與copth,t分別表示t時刻燃氣輪機的實時電效率與熱效率，fel,t與fth,t分別表示電負載率、熱負載率，a,b,c,d分別為對應參數。
進一步的，所述光伏發電板采用如下所示的數學模型：
epv,t＝wt×nsppv,y×s×cop
式中epv,t表示t時刻光伏板產電量，wt為t時刻對象區域的輻照強度，nsppv,y為運行年份光伏板搭建個數，s表示所選用的當個光伏板的面積，cop為運行效率cop。
進一步的，所述風力發電機采用如下所示的數學模型：
式中，ewi,t為t時刻風機出力，vt為t時刻環境風速，vin、vrated、vout分別表示對應風機的切入風速、額定風速、切出風速，cwi為記住運時時刻的最大功率也即切出功率，a1、a2、a3、a4分別表示其性能參數。
進一步的，所述溴化鋰吸收式制冷機、地源熱泵采取非固定能效比的建模，采用如下所示的數學模型：
式中，下標te表示技術的類型，代表溴化鋰吸收式制冷機、地源熱泵；ite,t為te技術t時刻輸入總能量，cte表示te技術額定運行功率，t為運行時間，nspte,y為運行年份的搭建的te技術設備的個數，pte,t表示te技術t時刻輸出總能量；copte,t表示te技術t時刻的運行效率，它與t時刻運行的負載率fte,t有關，a3,b3,c3,d3分別為對應參數。
進一步的，所述針對燃料鍋爐、電制冷空調、換熱器均采用技術輸入與固定能效比的乘積等于技術出力的數學模型。
進一步的，所述蓄電池的建模，采用如下所示的數學模型：
式中，下標t表示運行時間，et、et+1分別表示當前時刻與下一時刻蓄電池的儲電量，et,in、et,out表示當前時刻的充電量與放電量，erated_max表示電池組的額定最大電容量，ηloss表示蓄電池的損失系數，χin、χout在這里是二進制數。
進一步的，所述步驟s3中冷熱電聯產系統運行的能量守恒約束條件包括電能平衡約束、熱能平衡約束和冷能平衡約束，技術可行的邊界條件包括設備功率約束。
進一步的，所述步驟s4中將多目標函數加權轉化為單一目標函數進行優化，轉換后的目標函數數學模型為：
min(max)z＝min(max)(w1z1+w2z2+w3z3)
式中，w1，w2，w3表示的是個效益評價指標的權重分配因子，采用熵權法根據各指標的變異程度進行客觀賦值，節能效益z1的評價指標為cchp聯產系統總的能源效率，經濟效益z2的評價指標為總運行成本，環境效益z3的評價指標為二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放總量與分產系統sp的差值，各項效益指標的具體表達式如下所示：
式中，qh,t、qc,t、ee,t分別表示t時刻的系統總熱能、冷能、電能輸出，fgt,t、fwin,t、fpv,t、fgshp,t、fboil,t分別表示t時刻系統燃氣輪機總燃料熱值輸入、總風能輸入、總太陽能輸入、地源熱泵總耗能、輔助鍋爐總燃料熱值輸入；ebuy,t、ewin,t、epv,t、fgt,t、fboil,t分別表示總買電量、風電子系統總產電量、光伏子系統總產電量、燃氣輪機總耗氣量、輔助鍋爐總耗氣量；pe,buy、pe,win、pe,pv、png,t分別表示電網買電價、風電上網價格、光伏發電上網價格、燃氣價格。
本發明提出的區域分布式冷熱電多聯產系統混合整數非線性模型優化方法，不僅根據時序負荷特性設計了系統的技術組成以及技術參數，設置了聯產系統的生產運行場景，實時準確地模擬優化出綜合效益考量下生產全周期內cchp聯產系統每小時的運行狀態以及運行參數，為區域分布式冷熱電多聯產系統設計與優化提供了同時兼具經濟性、環保性、節能性的合理解決方案。
本發明區別于其他分布式多聯產系統優化方法的優點于積極效果是：
傳統的優化方法均是基于計算估值負荷或實際測量負荷作為聯產系統的平衡對象，無法兼顧生產全周期內區域內部維護結構的改造，負荷具有單一性與不變性，容易造成時間維度上的失衡。本發明考慮了區域建筑不同圍護結構對冷熱負荷的影響，將圍護結構面積作為一個與時間有關的變量納入系統內進行優化，在準確計算建筑冷熱負荷的同時維護了系統輸出與實時可變負荷的平衡關系，并且對區域原有各維護結構的面積進行優化改造，降低建筑圍護結構熱負荷與新風熱負荷，從需求側提高系統的經濟、節能、環保效益。
本發明對于技術設備數學模型的搭建完整地考慮了每一運行時刻技術出力與技術生產性能之間的關系以及生產周期內設備新建臺數對系統的影響，采取了混合整數非線性模型計算出生產全周期內各技術設備的實時出力數據，準確合理地實現了區域冷熱電聯產系統優化運行尋優的目的
本發明在多目標函數中各子目標的權重數值確定上采取熵權法進行客觀選取，在一定程度上規避了傳統多目標函數子目標權重的處理方法需要過多的依賴決策者的個人經驗以及學術能力的弊端。賦值數據合理有效，原理科學，簡便易于實現。
附圖說明
圖1是本發明針對具有綜合能源需求的區域提出的設計系統流程圖；
圖2是本發明的春季日逐時熱負荷平衡圖；
圖3是本發明的夏季日逐時熱負荷平衡圖；
圖4是本發明的秋季日逐時熱負荷平衡圖；
圖5是本發明的冬季日逐時熱負荷平衡圖；
圖6是本發明的春季日逐時電負荷平衡圖；
圖7是本發明的夏季日逐時電負荷平衡圖；
圖8是本發明的秋季日逐時電負荷平衡圖；
圖9是本發明的冬季日逐時電負荷平衡圖；
圖10是本發明的夏季日逐時冷負荷平衡圖；
圖11是本發明的秋季日逐時冷負荷平衡圖。
具體實施方式
為進一步說明各實施例，本發明提供有附圖。這些附圖為本發明揭露內容的一部分，其主要用以說明實施例，并可配合說明書的相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域普通技術人員應能理解其他可能的實施方式以及本發明的優點。現結合附圖和具體實施方式對本發明進一步說明。
本實施例的區域分布式冷熱電多聯產系統混合整數非線性模型優化方法，針對區域負荷特征進行分布式供能系統設計與優化，為區域綜合能源系統總體規劃提供指導，通過模型優化輸出的運行狀態反饋對區域現有建筑的圍護結構進行具有明確依據性的改造，降低系統平衡對象負荷水平。首先，建立對象區域內不同季節內的典型日時序負荷模型。然后，選取能量生產技術設備、能量存儲技術設備，搭建系統能量生產傳輸流程，對所有技術設備建模。其次，給定系統運行的能量守恒約束條件以及技術可行的邊界條件。最后，搭建cchp系統優化運行的多目標函數組合，基于該目標函數運行模型得到最優的設計方案以及系統運行策略。
本實施例的具體步驟如下：
步驟一：建立實例區域內不同季節的典型日時序冷、熱(蒸汽、熱水)、電負荷模型，提供逐時實際負荷數據作為cchp系統的平衡對象。本實例選取所述第一種負荷數據獲取途徑，分析對象區域能源分配管理部門長期對冷、熱、電耗能數據的監測記錄數據，獲得不同季節典型日逐時冷、熱、電負荷曲線，如圖2至圖11所示，分別為不同季節的日逐時冷、熱、電負荷曲線，采取所述第二種負荷數據獲取途徑，通過區域建筑群冷熱電負荷預測方法，搭建以下數學模型計算對象區域需求側現有建筑的圍護結構冷、熱負荷：
該負荷計算公式由圍護結構熱負荷與新風熱負荷構成。其中，下標t分別表示運行時間；e表示建筑圍護結構，主要有門、窗、屋面、地板、外墻。等式左邊表示各季節逐時冷熱負荷；area表示各圍護結構e的面積(area數值可變，表示新增建筑面積)，u表示各圍護結構e的傳熱系數，cv表示通風系數(可根據區域內建筑物方位布置、朝向等運用仿真手段獲得)，tin為室內設計溫度，ttout為室外逐時溫度。
步驟二：根據上述負荷測算結果數據，在cchp系統中分別選取供應側電源設備燃氣輪機、可再生發電設備光伏發電板、風力發電機作為能量生產技術設備，選取溴化鋰吸收式制冷機、燃料鍋爐、電制冷空調以及換熱器作為冷、熱輔助供應設備，選取(蓄電池型號)作為能量存儲設備，搭建cchp系統能量生產傳輸流程如圖1所示，并對所有選取的技術設備建模。
針對所述燃氣輪機搭建如下數學模型：
其中，igt,t為t時刻輸入燃料總能量，cel與cth分別表示額定電功率與額定熱功率，t為運行時間，nspy為運行年份的個數，pgt,t與qgt,t分別表示t時刻發電機出力以及排出煙氣可利用熱值，k為系統切出系數，pgt-max表示發電機最大出力。copel,t與copth,t分別表示t時刻燃氣輪機的實時電效率與熱效率，它們分別與t時刻運行的電負載率fel,t以及熱負載率fth,t有關，a,b,c,d分別為對應參數。
所述光伏發電與風力發電均不受負載率的影響，其數學模型的表達式為：
epv,t＝wt×nsppv,y×s×cop
式中epv,t表示t時刻光伏板產電量，wt為t時刻對象區域的輻照強度，nsppv,y為運行年份光伏板搭建個數，s表示所選用的單個光伏發電板的面積，需要注意的是光伏發電不受負載率的影響，運行效率cop這里近似為常數。
以上可再生風力發電的數學建模參考不同選型風力發電機的出廠性能曲線(本實例選取型號)。ewi,t為t時刻風機出力，vt為t時刻環境風速，vin、vrated、vout分別表示對應風機的切入風速、額定風速、切出風速，cwi為記住運時時刻的最大功率也即切出功率，a1、a2、a3、a4分別表示其性能參數。
針對冷、熱輔助供應設備，這里對受部分負載性能影響大的溴化鋰吸收式制冷機、地源熱泵采取非固定能效比的建模：
以上模型的下標te表示技術的類型，這里可以是代表溴化鋰吸收式制冷機、地源熱泵；ite,t為te技術t時刻輸入總能量，cte表示te技術額定運行功率，t為運行時間，nspte,y為運行年份的搭建的te技術設備的個數，pte,t表示te技術t時刻輸出總能量；copte,t表示te技術t時刻的運行效率，它與t時刻運行的負載率fte,t有關，a3,b3,c3,d3分別為對應參數。
效率受負載率影響較小的燃料鍋爐、電制冷空調以及換熱器均近似采用輸入能量乘于能效性能系數等于輸出的數學模型：
式中，te表示技術的類型，這里可以是代表燃料鍋爐、電制冷空調以及換熱器，copte表示te技術的近似等效能效比，q_outte,t、q_inte,t分別表示te技術在t時刻的能量輸入與能量產出，nspte,y表示te技術第y年份的技術設備投入臺數，pte-max為te技術的最大輸出功率，t表示t時刻的運行時間。
本實施例的能量存儲技術設備采用簡化的蓄電池儲能模型，蓄電池運行狀態的數學模型描述表達式為：
其中，下標t表示運行時間，et、et+1分別表示當前時刻與下一時刻蓄電池的儲電量，et,in、et,out表示當前時刻的充電量與放電量，erated_max表示電池組的額定最大電容量，ηloss表示蓄電池的損失系數，χin、χout在這里是二進制數，為了規避同時充、放電的矛盾。
步驟三，建立cchp系統運行的能量守恒約束條件以及技術可行的邊界條件，能量守恒約束條件包括系統運行t時刻的電能平衡約束、熱能平衡約束以及冷量平衡約束。技術可行的邊界條件包括技術的最大容量邊界、切出容量邊界。
步驟四，分析針對不同對象區域的cchp聯供系統運行的經濟、環境、節能效益，搭建cchp系統優化運行的多目標函數組合，并對多目標的權重采取熵權法根據多目標中各指標變異性的大小來計算優化客觀權重，將多目標函數加權轉化為單一目標函數進行優化，具體實現如下：
min(max)z＝min(max)(w1z1+w2z2+w3z3)
其中，w1，w2，w3表示的是個效益評價指標的權重分配因子，本專利采用熵權法根據各指標的變異程度進行客觀賦值。熵權法的計算流程主要可分為：
第一步，原始數據矩陣設置。選定cchp聯產系統的4個待評項目，3個評價指標，計算每個指標下在不同項目的評價值，矩陣如下：
第二步，求個指標的信息熵。
pij指的是第j個指標下第i個項目的指標值的比重.
第三步，計算第j個指標的熵權wj。
其中，節能效益z1的評價指標為cchp聯產系統總的能源效率er；經濟效益z2的評價指標為運行周期內的燃料費用、與電網交易的買電費用以及賣電費用的和差值；環境效益z3的評價指標是二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放總量與傳統參考供能系統sp的差值；各項效益指標的具體表達式如下所示：
上述表達式中，qh,t、qc,t、ee,t分別表示t時刻的系統總熱能、冷能、電能輸出，fgt,t、fwin,t、fpv,t、fgshp,t、fboil,t分別表示t時刻系統燃氣輪機總燃料熱值輸入、總風能輸入、總太陽能輸入、地源熱泵總耗能、輔助鍋爐總燃料熱值輸入；ebuy,t、ewin,t、epv,t、fgt,t、fboil,t分別表示總買電量、風電子系統總產電量、光伏子系統總產電量、燃氣輪機總耗氣量、輔助鍋爐總耗氣量；pe,buy、pe,win、pe,pv、png,t分別表示電網買電價、風電上網價格、光伏發電上網價格、燃氣價格。
上述混合整數非線性模型最終是在通用數學建模軟件gams(thegeneralalgebraicmodelingsystem)平臺搭建并且使用其內置lindo求解器優化運行的。
盡管結合優選實施方案具體展示和介紹了本發明，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍內，在形式上和細節上可以對本發明做出各種變化，均為本發明的保護范圍。