基于差異化需求的智慧樓宇級綜合能源系統多元融合設計

范 華，余 彬，戚 偉，李建斌

(國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司，浙江 杭州 310000)

能源產業具有需求大、類型多、結構差異大、能流變化快的特點[1-3]。目前，市場上的能源生產結構大多是相互獨立的。巨大的能源需求和消費方式的快速變化嚴重影響了當前的能源系統結構，對能源系統的穩定性和安全性提出了巨大挑戰[4]。針對此種現象，建立智慧樓宇級綜合能源系統，通過實現多種能源相互補充，充分消納吸收分布式能源，是解決目前能源“源—荷—儲”差異化需求困境的必經之路[5-6]。

樓宇的數量日益劇增，在全國總消耗能源中，樓宇消耗占比越來越大，顯示在我國樓宇能源消耗占比已高達近35%[7]。智慧綜合樓宇能源系統是智慧樓宇功能實現的動力源[8-9]，本文從智慧樓宇綜合能源系統的物理層、信息層、平臺層及價值層進行源網荷協同優化分析，從用戶側實現能源與電網的多元融合，為用戶提供安全可靠、節能環保及經濟高效的現代智慧樓宇多元化能源服務[10-11]。

1 基于差異化需求的智慧樓宇綜合能源系統多源化設計

1.1 系統總體架構

智慧樓宇綜合能源系統是整個智慧樓宇最核心組件，是智慧樓宇的心臟和血管，為智慧樓宇的運行提供綜合的動力能源，對樓宇本身及周邊環境進行有機融合，不僅可以滿足自身冷、熱、電和氣等多元化的用能需求，同時也具備智慧互動的能力。

為了深入剖析智慧樓宇綜合能源系統，基于綜合能源系統各環節的邏輯關系，將體系構架分為四個層級：物理層、信息層、平臺層及價值層，具體系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

由圖1可知，四個層級之間存在著時序性特征。

第一層：實現建設和互聯的物理層，是綜合能源系統構建的基礎；物理層是樓宇能源系統正常運作的基礎，其中包含樓宇的供能側、傳輸側、應能測的多種設備，為樓宇提供熱、電等各種能源，滿足樓宇各個用戶的差異化用能需求。

第二層：基于物理互聯之上建設信息層，通過信息集成控制單元將各能源子系統中信息的采集、存儲和分析匯聚成信息流，進一步實現綜合能源系統的全域全息感知；信息層的目的是通過信息采集與傳輸實現各種能源設備智能運行，該層在采集信息與接收用戶指令之后，將采集的信息傳輸至平臺層，同時將平臺層的控制指令傳輸至物理層，信息層是物理層和平臺層之間的紐帶，是實現綜合能源協同控制的重要組成部分。

第三層：通過信息層的信息傳遞形成能源管理平臺，建立能源系統信息和數據庫，采用分析和處理系統實現信息的處理和使用，有機融合整個能源系統；平臺層是分析處理整合數據的層級，具有數據存儲、數據計算及人機交互等功能，可對信息分析計算，根據計算結果展開系統的智能聯合優化，并將優化結果進行可視化呈現給用戶，同時根據預期的效果對各個能源設備按照設定的規格進行控制運行，達到實現各類能源互補利用、節能減排、安全高效的目的。

第四層：通過信息交互，利用平臺構建能夠支撐各應用場景的各功能模塊和應用單元，最終達到為能源系統的各角色提供差異化多元化服務的目標[12]。價值層主要用于提供信息的增值與延伸服務，充分挖掘樓宇綜合能源的功能，實現更多的價值。

1.2 基于差異化需求的系統供能模式

基于差異化需求的樓宇級能源系統，可有效實現能源的體積利用與低碳節能化。可以通過各種可回收資源與可再生能源的合理組合來降低能源消耗，充分發揮能源的最大利用率。

采用多種能源互補耦合的供能方式，聯合熱電聯供設備和吸收式制冷機，梯級利用能量[13]。具體步驟如下：

首先，為了在區域內建設分布式光伏發電，并通過地源和水源滿足區域內多種負荷要求，將建筑熱負荷分為低溫熱負荷、中溫熱負荷和高溫熱負荷。

其次，考慮到不同熱能等級的電熱耦合關系，為了使低溫余熱滿足低溫熱負荷，高溫余熱滿足高溫熱負荷，將部分高溫余熱轉換為溴化鋰吸收式制冷的驅動形式，使燃氣輪機低溫余熱和高溫余熱得到充分利用[14]。

最后，整合以上內容，滿足地源熱泵冷負荷需求，如圖2所示。

圖2 綜合能源系統能量流動圖

圖2中，綜合能源系統能量流動圖是對現有的各類綜合能源單元方案的高度抽象化，能源單元負責能源的轉換、分配和存儲，進而利用能源傳輸環節實現電力、化學能和熱能的長距離柔性傳輸。

1.3 綜合能源系統聯合優化

1.3.1 目標函數與約束函數

考慮到用戶的消費經濟性和源網的發電穩定性，將用戶最低消費總額和源網側熱電聯產設備高效發電設為目標函數進行優化。

(1)用戶最低消費總額：

minTu=N(pgTuge+peTuee+phTuhe)

(1)

式中：N為用戶數，當N為定值時，用戶最低消費總額可表示為min(Tu/N)。Tuge、Tuee、Tuhe分別為源測天然氣制暖、空調制暖、直接供暖成本；pg、pe、ph分別為其對應單價。

假設用戶冬季取暖平均消費為Ac，則

Ac=Tu/N

(2)

用戶最低消費總額可表示為minAc。

(2)源網側熱電聯產設備高效發電。

當發電比例為70%～86%時，為了優化發電側的效率、經濟性和穩定性，使熱電聯產設備處于高效運行狀態，應將熱電聯產設備發電比例控制在低于70%，高于86%，設目標Ol達最小值：

(3)

設低效運行度為Al，則

(4)

由兩個約束條件存在于上述優化過程中，分別為：

(1)功率平衡約束。

在多能協同系統中，為滿足用戶所需的各種不同類型的能源，應保證源側供應的各種能源在經過網側能源傳輸的能源損耗過程后有足夠能源資源，即

(5)

式中：Suh為用戶冬季直接用暖時的用暖總量；Spe為源側空調制暖供應暖總量；Sph為源側直接供暖總量；Ene、Eue為電能在網側、源側傳輸中的損耗；Enh為熱能在網側傳輸中的損耗。

(2)機組運行約束。

為保證能源供應側維持運行，用戶的荷側能源消費額應大于源側能源供應側的產能成本，即

NpgTuge≥Tpg

(6)

1.3.2 雙目標優化求解

通過自適應權重系數法對雙目標進行歸一處理為單一目標，在每次迭代中重新調整當前迭代過程中的權重因子，求得搜索空間最優解[15]。

根據式(1)和式(2)，雙目標最小化優化為

min{z1=Ac(Tuge,Tuhe),z2=Al(Tuge,Tuhe)}

(7)

更新每次迭代，z+、z-為每次迭代中判斷空間的最大極限點和最小極限點，代入極限點得到權重：

(8)

(9)

歸一處理后的目標函數為

(10)

在整個迭代過程中對罰因子進行自適應變化是為了罰函數能夠不斷調整，利用可變函數的自適應方式實現設置不等式約束來避免過度懲罰。自適應函數的構造根據約束條件為bj≥gj(aj)(j=1,2,3,…,t)。

(11)

式中：

Δbj=max{0,gj(aj)-bj}

(12)

(13)

2 算例分析

以某市的體育中心為實驗對象，將本文設計的基于差異化需求的智慧樓宇級綜合能源系統應用于該體育中心，衡量該系統性能。該體育館需要集中且全面的負荷需求，采用24小時的調度周期，時間步長為1小時。從該體育中心中選取CHP、GB、EC和AC四種設備各3種進行實驗，各設備參數如表1所示。

表1 不同備選型號設備參數表

在不同的季節，冷、熱、電一體化能源系統中會存在負荷差異，尤其是夏季和冬季，冷負荷和熱負荷的需求有很大差異。如果不同季節采用單一工況，系統不能滿足要求，設備不能運行，所以，系統采用分季節運行調節。

該體育中心天然氣單價為2.8元/m3，熱值為10 kW·h/m3，購電電價為0.55元/(kW·h)，上網電價為0.45元/(kW·h)。由于負荷具有不同特性，本系統根據季節將分時段劃分為4類電價，具體電價如表2所示。

表2 各時段電價

根據設定的四季分時電價以及不同季節中典型的日內電負荷、熱負荷及冷負荷需求，采用本文系統進行優化，以期達到該體育中心的差異化需求，優化前負荷期望值與優化后負荷期望值的對比，具體對比曲線圖如圖3所示。

圖3 優化前后期望值對比曲線圖

由圖3可知，系統應用后，該體育中心的電負荷、熱負荷和冷負荷在每個季節中均呈現降低趨勢，結合表2各時段的電價，用戶可在電網供電谷期即電價平時段和谷時段增加購電功率，減少在電網供電峰期即電價峰時段的購電功率，這樣可有效減少用戶的支出費用。原因在于溴化鋰吸收式制冷與余熱鍋爐的參與，可有效提升冷熱電比輸出的靈活性，滿足體育中心差異化需求。

為了分析綜合能源系統的多能耦合效應及差異化需求效應，故設置3種場景，分別為不采用綜合能源系統且不實施多目標優化、采用綜合能源系統且不實施多目標優化及采用綜合能源系統并同時實施多目標優化，每個場景的優化配置設備結果如表3所示。

表3 每個場景的優化配置設備結果

每個場景中投資成本及運算成本如表4所示。

表4 每個場景投資成本及運行成本表 萬元

由表3和表4可知，場景1與場景2相比較，場景2在GB和EC設備的基礎上增加兩臺CHP和一臺AC機組，雖然場景2的投資成本比場景1增加了142.6萬元，但是運行成本減少了178.2萬元，總成本降低了35.55萬元。場景3與場景2相比較，投資成本降低了16.73萬元，運行成本節省54萬元，總成本降低了70.73萬元。由此判定，本系統的應用能有效降低成本投入，具有較強的實用性和有效性。

3 結 論

本文設計包含物理層、信息層、平臺層及價值層的智慧樓宇級綜合能源系統，利用自適應權重系數法和自適應罰函數法實現用戶的消費經濟性及源網的發電經濟性和穩定性的多目標優化，并通過技術經濟的對比分析，實驗證明，該系統具有良好的發電、供熱、制冷效果，能夠滿足用戶的負荷需求，“源-荷-儲”的相互配置可以顯著提高系統的優化運行能力，有效降低成本投資，實現系統經濟效益的最大化。