楊佳霖, 趙鵬翔, 李振, 周喜超

(國網(wǎng)綜合能源服務集團有限公司,北京 100052)

0 引 言

近年來,能源消耗量逐漸加大。通過對能源調度系統(tǒng)進行優(yōu)化,以此減少調度過程中的能源損耗［1］。國內(nèi)外學者針對能源調度系統(tǒng)的優(yōu)化開展了相關研究。文獻［2］方法設計能源調度大運行體系,在調度體系中建立Petri網(wǎng)絡實現(xiàn)能源調度的優(yōu)化。文獻［3］方法設計制造執(zhí)行系統(tǒng),優(yōu)化系統(tǒng)(manufacturing execution system, MES),通過建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃(mixed-integer non-linear progran, MINLP)模型制定能源調度策略,利用定制化粒子群算法推測優(yōu)化策略的有效性。但以上兩種方法優(yōu)化體系過于寬泛,在能源優(yōu)化調度過程中損耗量大。然而文獻［4］提出基于物聯(lián)網(wǎng)(internet of things, IOT)的綜合能源智能調度系統(tǒng),使用增強式的Arduino Yun微控制器,進行遠程能源數(shù)據(jù)采集和運輸調度,解決了此問題,但該系統(tǒng)與綜合能源傳感器網(wǎng)絡的適配兼容性較差,且工作時穩(wěn)定性比較差。

1 綜合能源優(yōu)化調度系統(tǒng)設計

針對上述技術不足,本文融合物質投入產(chǎn)出表(physical input-output table, PIOT)調度技術和微電流計算法(cranial electrotherapy stimulation, CES)改變能源流向,從而達到能源的最優(yōu)調度［5］。綜合能源優(yōu)化調度系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 綜合能源優(yōu)化調度系統(tǒng)

在改進型能源調度系統(tǒng)中,主要根據(jù)多時間尺度調度數(shù)據(jù)進行設計,將調度數(shù)據(jù)和設備參數(shù)輸入到融合型調度系統(tǒng)結構中,由此建立兩個調配模式,即PIOT技術和信息交換系統(tǒng)(message switching system,IES)調配模式［6］。PIOT技術運行主要依賴于移動終端和服務器結構,通過分析運行參考數(shù)據(jù),為能源調度的控制提供測試數(shù)據(jù);IES調配模式主要對調度系統(tǒng)中的損耗管理、風險管理和網(wǎng)絡管理進行控制,通過多項數(shù)據(jù)的管控進一步確定調度系統(tǒng)產(chǎn)生能源損耗原因,從而判斷出能源需求區(qū)域,為能源流向的分配提供重要數(shù)據(jù)支撐,同時PIOT技術和IES調配完成數(shù)據(jù)互通和融合調配［7］。根據(jù)PIOT技術的數(shù)據(jù)流和IES調配模式的指令流進行能源流向的分配,利用化學反應算法(chemical reaction optimization algorithm, CROA)進行演算,將數(shù)據(jù)流和指令流以算例形式呈現(xiàn),使分配過程更為精準。在計算機集成編輯系統(tǒng)(computer integrated editing system,CIES)能源流向分配過程中,主要應用領域分為自動化設備、冷凝儲存裝置和電網(wǎng)應用結構,傳統(tǒng)的能源分配方式標準為2∶1∶3的比例,這種劃分方式誤差較大,無法根據(jù)實際情況進行調整,而電路仿真業(yè)務(circuit emulation service,CES)技術改進的能源流向能夠根據(jù)實際需求在此基礎上進行調整,使能源分配更合理,同時滿足各領域的能源需求［8］。

2 綜合能源監(jiān)控硬件設計

實現(xiàn)多功能智能監(jiān)控報警系統(tǒng)的正常運行離不開硬件電路設計。因此,本文在獨立式無線報警器中使用STM8L151K4T6單片機［9］。由于現(xiàn)場集中控制器的單片機具有低功耗待機功能,維持其最小系統(tǒng)工作時待機電流僅1～2 mA,考慮到待機功耗問題和電路簡化,采用了STM32F103RCT6單片機作為核心處理芯片。最大時鐘頻率為72 MHz,RAM大小為32 768 B,FLASH內(nèi)存容量為262 144 B,引腳數(shù)目為64,擁有51個高速輸入輸出端口。傳感器網(wǎng)絡中使用MQ-2作為能源氣體檢測模塊的傳感器,當檢測到人體吸入有毒的能源氣體時TTL輸出為低電平。MQ-2可用于勘察多種不同類型的氣體,其采樣電路如圖2所示。

圖2 氣體能源濃度采樣電路

圖2中:當MQ-2勘察得到空氣中彌漫的有害氣體的濃度達到標準值以上時,會使相關電阻值下降,進而導致電路中輸出的接地(GND)電壓增大［10］。氣體傳感器中的電阻Rs的阻值可表示為:

Rs=(Vc/VRL)×RL

(1)

式中:Vc為回路電壓;VRL為輸出電壓;RL為負載電阻?；鹧?zhèn)鞲衅髂軌虿蹲奖O(jiān)控環(huán)境中的紅外信號,通過內(nèi)置模塊進行信號分析,識別監(jiān)控環(huán)境中不同的紅外強度作出不同的判斷。關于電能傳感器監(jiān)控模塊電路如圖3所示。

圖3 電能傳感器監(jiān)控模塊電路

通過對STM32F103RCT6單片機進行編程在電能傳感器中設置一個紅外報警的閾值,測量數(shù)值達不到報警閾值時模塊輸出高電平,測量數(shù)值超過預設的報警閾值時模塊就輸出低電平,單片機在收到低電平信號后驅動對應的報警模塊。電能傳感器監(jiān)控模塊中LM393為寬電壓比較器,Q7使用NPN光感二極管用于接收電能信號,電阻R2用來調節(jié)監(jiān)控模塊的靈敏度?；鹧?zhèn)鞲衅髡９ぷ鲿rLM393的3號端口為高電平,NPN光感二極管監(jiān)測到環(huán)境中出現(xiàn)紅外信號后,電阻減少,電流變大。

對于綜合能源監(jiān)控報警模塊設計,本文在其中設有一個發(fā)光器件以及一個受光器件。當綜合能源含量超過規(guī)定閾值時,發(fā)光器件會給受光器件傳輸數(shù)字信號,使其發(fā)生反應產(chǎn)生電流,通過LED燈發(fā)出報警信號。監(jiān)控報警模塊電路如圖4所示。

圖4 監(jiān)控報警模塊電路

圖4中:LED1為發(fā)光器件;LED2為受光器件;運算放大器使用TLV6001低功耗,具有±1.0 PA的低輸入偏置電流、1 MHz的高帶寬和75 μA的低靜態(tài)電流;在監(jiān)測模塊中集成RF/EMI抑制濾波器,在高達150 pF的容性負載條件下單位增益穩(wěn)定,在過驅條件下不會出現(xiàn)反相而且具有高靜電放電保護;獨立式無線報警器上配備LED驅動電路,用來顯示獨立式無線報警器的工作狀態(tài),在報警狀態(tài)下LED燈持續(xù)點亮。

3 CES能源流向優(yōu)化調度

CES對于能源的綜合分配具有更加科學化和合理性的特點,根據(jù)算例劃定能源流向,滿足需求側的能源需求的同時降低調度過程中的能源損耗,CES能源流向優(yōu)化方式如圖5所示。

圖5 CES能源流向優(yōu)化

在CES能源流向優(yōu)化過程中,CES可以分為三個能源子系統(tǒng):能源區(qū)域劃分系統(tǒng)、液態(tài)冷凝系統(tǒng)(WC)和能源儲存系統(tǒng)。能源區(qū)域劃分的約束條件如式(2)所示。

(2)

式中:Q為需求側能源有效輸出量;U為能源區(qū)域供應電壓;Ω為地緣熱泵能源總量;t為能源供應時間。能源冷凝系統(tǒng)中冷水機和水泵的運行程序:為1時,處于執(zhí)行/開啟狀態(tài);為0時,處于非執(zhí)行/關閉狀態(tài)時。能源儲存主要由兩種設備操作完成,即雙功能機和冷凝機,儲氣罐利用氣液相變實現(xiàn)能源的冷卻化,儲存系統(tǒng)能源輸出總量為:

(3)

(4)

本文通過CROA算法簡化運算步驟,將計算結果提交CIES數(shù)據(jù)庫,為能源流向的優(yōu)化提供參考。

在能源調度過程中,對于綜合能源的考慮,將不同時間尺度下的能源分配作為初始函數(shù),其表達方式為:

(5)

式中:F0為多時間尺度下的能源分配初始函數(shù);Ps為設備電力供應出力;Pw為能源調度機組出力;Pev為調度設備總輸出功率;Pav為能源調度平均出力情況;t為能源分配耗費時間。根據(jù)多時間尺度系統(tǒng)調度方式建立帕累托速度解集表示為:

(6)

根據(jù)式(6)中不同時間下的解集選取折衷解,得到能源供應最優(yōu)解函數(shù)為:

(7)

式中:F為能源供應分配最優(yōu)解;Fmin為能源調度過程最小損耗;F1為需求側能源分配總量;F1min為最小需求量。

經(jīng)過CROA算法的優(yōu)化,使多時間尺度調度系統(tǒng)能夠在滿足能源供應的前提下,考慮到能源調度過程的損耗量,從而提高能源調度的效率。

4 試驗結果與分析

試驗過程在Intel i9 9600KF計算機,4.0 GHz CPU和(36+128)GB內(nèi)存雙核PC機運行?，F(xiàn)場試驗環(huán)境設置,試驗采集信號為邊緣計算感知結構,優(yōu)化系統(tǒng)為融合型PIOT結構,信號傳輸速率>4.5 MB/s,算法程序運算誤差<2.5%。在此環(huán)境下進行試驗,參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件

本文對優(yōu)化后調度系統(tǒng)能源損耗量和調度效率進行試驗,根據(jù)DEST模擬軟件對能源調度過程進行模擬演示,能源調度優(yōu)化系統(tǒng)模擬如圖6所示。

根據(jù)圖6仿真結果對比各設計方案具體效果,根據(jù)MORA算法中的式(7)結果統(tǒng)計數(shù)據(jù),進而驗證本文的有效性。將試驗結果匯總數(shù)據(jù)表,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 能源調度系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)表

通過表2數(shù)據(jù)分析,本文設計優(yōu)化后的能源調度系統(tǒng)裝機容量最大為485.7 kW,調度過程損耗量為138.3 W,調度效率最高為98.6%;文獻［1］方法采用的Petri網(wǎng)絡裝機容量最大為402.6 kW,調度過程損耗量為176.9 W,調度效率最高為95.2%;文獻［2］方法設計的MES優(yōu)化系統(tǒng),裝機容量最大為358.4 kW,調度過程損耗量為184.4 W,調度效率最高為93.5%。由此看出本文研究對能源調度系統(tǒng)的優(yōu)化過程具有較高可行性。

根據(jù)試驗結果顯示三種不同方案的調度過程損耗量變化規(guī)律,通過對比方式分析各系統(tǒng)性能,調度過程損耗量曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)調度損耗量曲線

圖7中:在裝機容量為350 kW時,本文設計損耗量為110 W;文獻［1］方法采用的Petri網(wǎng)絡損耗量為139 W;文獻［2］方法設計的MES優(yōu)化系統(tǒng)損耗量為160 W。證明同比狀態(tài)下本文設計裝機容量最大,調度過程損耗量最小。

通過對比各設計方案的系統(tǒng)調度效率,進一步完成對比試驗。根據(jù)BEST軟件實現(xiàn)調度系統(tǒng)的模擬,得到系統(tǒng)調度效率曲線,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)調度效率曲線

從圖8可知,三種系統(tǒng)診斷精度受到系統(tǒng)裝機容量的影響。本文研究系統(tǒng)調度效率最低為97.5%,最高為98.6%,平均效率為98.05%;文獻［1］方法采用的Petri網(wǎng)絡最低為93.0%,最高為95.2%,平均效率為94.1%;文獻［2］方法設計的MES優(yōu)化系統(tǒng)最低為92.0%,最高為93.5%,平均效率為92.8%。綜上所述,本文設計方案容量最大,損耗量最小,調度效率最高。

5 結束語

本文對能源調度系統(tǒng)的優(yōu)化問題進行研究,將PIOT技術和IES結構進行融合,建立能源調度結構的層級化控制網(wǎng)絡,降低調度過程的能源損耗。在獨立式無線報警器中使用STM8L151K4T6單片機,實現(xiàn)多功能智能監(jiān)控報警系統(tǒng)的正常運行離不開硬件電路設計。利用CES技術控制能源調度的流向,通過具體算例顯示需求側和儲存的能源需求,提高能源調度效率。通過CROA算法計算調度系統(tǒng)折衷解,為能源調度提供科學的數(shù)據(jù)管理方式,使調度過程更為嚴謹。本文設計方案具有明顯優(yōu)勢,但是在試驗過程中仍存在問題,裝機容量過大導致儲存罐擁堵,嚴謹?shù)恼{度方式使調度周期加長等問題仍待解決。