基于差异化需求的智慧楼宇级综合能源系统多元融合设计

范 华，余 彬，戚 伟，李建斌

(国网浙江杭州市萧山区供电有限公司，浙江 杭州 310000)

能源产业具有需求大、类型多、结构差异大、能流变化快的特点[1-3]。目前，市场上的能源生产结构大多是相互独立的。巨大的能源需求和消费方式的快速变化严重影响了当前的能源系统结构，对能源系统的稳定性和安全性提出了巨大挑战[4]。针对此种现象，建立智慧楼宇级综合能源系统，通过实现多种能源相互补充，充分消纳吸收分布式能源，是解决目前能源“源—荷—储”差异化需求困境的必经之路[5-6]。

楼宇的数量日益剧增，在全国总消耗能源中，楼宇消耗占比越来越大，显示在我国楼宇能源消耗占比已高达近35%[7]。智慧综合楼宇能源系统是智慧楼宇功能实现的动力源[8-9]，本文从智慧楼宇综合能源系统的物理层、信息层、平台层及价值层进行源网荷协同优化分析，从用户侧实现能源与电网的多元融合，为用户提供安全可靠、节能环保及经济高效的现代智慧楼宇多元化能源服务[10-11]。

1 基于差异化需求的智慧楼宇综合能源系统多源化设计

1.1 系统总体架构

智慧楼宇综合能源系统是整个智慧楼宇最核心组件，是智慧楼宇的心脏和血管，为智慧楼宇的运行提供综合的动力能源，对楼宇本身及周边环境进行有机融合，不仅可以满足自身冷、热、电和气等多元化的用能需求，同时也具备智慧互动的能力。

为了深入剖析智慧楼宇综合能源系统，基于综合能源系统各环节的逻辑关系，将体系构架分为四个层级：物理层、信息层、平台层及价值层，具体系统结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

由图1可知，四个层级之间存在着时序性特征。

第一层：实现建设和互联的物理层，是综合能源系统构建的基础；物理层是楼宇能源系统正常运作的基础，其中包含楼宇的供能侧、传输侧、应能测的多种设备，为楼宇提供热、电等各种能源，满足楼宇各个用户的差异化用能需求。

第二层：基于物理互联之上建设信息层，通过信息集成控制单元将各能源子系统中信息的采集、存储和分析汇聚成信息流，进一步实现综合能源系统的全域全息感知；信息层的目的是通过信息采集与传输实现各种能源设备智能运行，该层在采集信息与接收用户指令之后，将采集的信息传输至平台层，同时将平台层的控制指令传输至物理层，信息层是物理层和平台层之间的纽带，是实现综合能源协同控制的重要组成部分。

第三层：通过信息层的信息传递形成能源管理平台，建立能源系统信息和数据库，采用分析和处理系统实现信息的处理和使用，有机融合整个能源系统；平台层是分析处理整合数据的层级，具有数据存储、数据计算及人机交互等功能，可对信息分析计算，根据计算结果展开系统的智能联合优化，并将优化结果进行可视化呈现给用户，同时根据预期的效果对各个能源设备按照设定的规格进行控制运行，达到实现各类能源互补利用、节能减排、安全高效的目的。

第四层：通过信息交互，利用平台构建能够支撑各应用场景的各功能模块和应用单元，最终达到为能源系统的各角色提供差异化多元化服务的目标[12]。价值层主要用于提供信息的增值与延伸服务，充分挖掘楼宇综合能源的功能，实现更多的价值。

1.2 基于差异化需求的系统供能模式

基于差异化需求的楼宇级能源系统，可有效实现能源的体积利用与低碳节能化。可以通过各种可回收资源与可再生能源的合理组合来降低能源消耗，充分发挥能源的最大利用率。

采用多种能源互补耦合的供能方式，联合热电联供设备和吸收式制冷机，梯级利用能量[13]。具体步骤如下：

首先，为了在区域内建设分布式光伏发电，并通过地源和水源满足区域内多种负荷要求，将建筑热负荷分为低温热负荷、中温热负荷和高温热负荷。

其次，考虑到不同热能等级的电热耦合关系，为了使低温余热满足低温热负荷，高温余热满足高温热负荷，将部分高温余热转换为溴化锂吸收式制冷的驱动形式，使燃气轮机低温余热和高温余热得到充分利用[14]。

最后，整合以上内容，满足地源热泵冷负荷需求，如图2所示。

图2 综合能源系统能量流动图

图2中，综合能源系统能量流动图是对现有的各类综合能源单元方案的高度抽象化，能源单元负责能源的转换、分配和存储，进而利用能源传输环节实现电力、化学能和热能的长距离柔性传输。

1.3 综合能源系统联合优化

1.3.1 目标函数与约束函数

考虑到用户的消费经济性和源网的发电稳定性，将用户最低消费总额和源网侧热电联产设备高效发电设为目标函数进行优化。

(1)用户最低消费总额：

minTu=N(pgTuge+peTuee+phTuhe)

(1)

式中：N为用户数，当N为定值时，用户最低消费总额可表示为min(Tu/N)。Tuge、Tuee、Tuhe分别为源测天然气制暖、空调制暖、直接供暖成本；pg、pe、ph分别为其对应单价。

假设用户冬季取暖平均消费为Ac，则

Ac=Tu/N

(2)

用户最低消费总额可表示为minAc。

(2)源网侧热电联产设备高效发电。

当发电比例为70%～86%时，为了优化发电侧的效率、经济性和稳定性，使热电联产设备处于高效运行状态，应将热电联产设备发电比例控制在低于70%，高于86%，设目标Ol达最小值：

(3)

设低效运行度为Al，则

(4)

由两个约束条件存在于上述优化过程中，分别为：

(1)功率平衡约束。

在多能协同系统中，为满足用户所需的各种不同类型的能源，应保证源侧供应的各种能源在经过网侧能源传输的能源损耗过程后有足够能源资源，即

(5)

式中：Suh为用户冬季直接用暖时的用暖总量；Spe为源侧空调制暖供应暖总量；Sph为源侧直接供暖总量；Ene、Eue为电能在网侧、源侧传输中的损耗；Enh为热能在网侧传输中的损耗。

(2)机组运行约束。

为保证能源供应侧维持运行，用户的荷侧能源消费额应大于源侧能源供应侧的产能成本，即

NpgTuge≥Tpg

(6)

1.3.2 双目标优化求解

通过自适应权重系数法对双目标进行归一处理为单一目标，在每次迭代中重新调整当前迭代过程中的权重因子，求得搜索空间最优解[15]。

根据式(1)和式(2)，双目标最小化优化为

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

(7)

更新每次迭代，z+、z-为每次迭代中判断空间的最大极限点和最小极限点，代入极限点得到权重：

(8)

(9)

归一处理后的目标函数为

(10)

在整个迭代过程中对罚因子进行自适应变化是为了罚函数能够不断调整，利用可变函数的自适应方式实现设置不等式约束来避免过度惩罚。自适应函数的构造根据约束条件为bj≥gj(aj)(j=1,2,3,…,t)。

(11)

式中：

Δbj=max{0,gj(aj)-bj}

(12)

(13)

2 算例分析

以某市的体育中心为实验对象，将本文设计的基于差异化需求的智慧楼宇级综合能源系统应用于该体育中心，衡量该系统性能。该体育馆需要集中且全面的负荷需求，采用24小时的调度周期，时间步长为1小时。从该体育中心中选取CHP、GB、EC和AC四种设备各3种进行实验，各设备参数如表1所示。

表1 不同备选型号设备参数表

在不同的季节，冷、热、电一体化能源系统中会存在负荷差异，尤其是夏季和冬季，冷负荷和热负荷的需求有很大差异。如果不同季节采用单一工况，系统不能满足要求，设备不能运行，所以，系统采用分季节运行调节。

该体育中心天然气单价为2.8元/m3，热值为10 kW·h/m3，购电电价为0.55元/(kW·h)，上网电价为0.45元/(kW·h)。由于负荷具有不同特性，本系统根据季节将分时段划分为4类电价，具体电价如表2所示。

表2 各时段电价

根据设定的四季分时电价以及不同季节中典型的日内电负荷、热负荷及冷负荷需求，采用本文系统进行优化，以期达到该体育中心的差异化需求，优化前负荷期望值与优化后负荷期望值的对比，具体对比曲线图如图3所示。

图3 优化前后期望值对比曲线图

由图3可知，系统应用后，该体育中心的电负荷、热负荷和冷负荷在每个季节中均呈现降低趋势，结合表2各时段的电价，用户可在电网供电谷期即电价平时段和谷时段增加购电功率，减少在电网供电峰期即电价峰时段的购电功率，这样可有效减少用户的支出费用。原因在于溴化锂吸收式制冷与余热锅炉的参与，可有效提升冷热电比输出的灵活性，满足体育中心差异化需求。

为了分析综合能源系统的多能耦合效应及差异化需求效应，故设置3种场景，分别为不采用综合能源系统且不实施多目标优化、采用综合能源系统且不实施多目标优化及采用综合能源系统并同时实施多目标优化，每个场景的优化配置设备结果如表3所示。

表3 每个场景的优化配置设备结果

每个场景中投资成本及运算成本如表4所示。

表4 每个场景投资成本及运行成本表 万元

由表3和表4可知，场景1与场景2相比较，场景2在GB和EC设备的基础上增加两台CHP和一台AC机组，虽然场景2的投资成本比场景1增加了142.6万元，但是运行成本减少了178.2万元，总成本降低了35.55万元。场景3与场景2相比较，投资成本降低了16.73万元，运行成本节省54万元，总成本降低了70.73万元。由此判定，本系统的应用能有效降低成本投入，具有较强的实用性和有效性。

3 结 论

本文设计包含物理层、信息层、平台层及价值层的智慧楼宇级综合能源系统，利用自适应权重系数法和自适应罚函数法实现用户的消费经济性及源网的发电经济性和稳定性的多目标优化，并通过技术经济的对比分析，实验证明，该系统具有良好的发电、供热、制冷效果，能够满足用户的负荷需求，“源-荷-储”的相互配置可以显著提高系统的优化运行能力，有效降低成本投资，实现系统经济效益的最大化。