基于多种时间尺度耦合特性的综合需求响应潜力模拟方法与流程

1.本发明涉及综合能源系统需求侧响应技术领域，尤其是涉及一种基于多种时间尺度耦合特性的综合需求响应潜力模拟方法。


背景技术：

2.能源是经济社会发展的物质基础。近年来，随着现代化水平的提高，人民对能源的需求量日益加大，能源供给面临挑战。能源紧缺、环境污染以及气候变化是当今世界制约经济社会可持续发展的重要因素。因此，大力开发清洁新能源、发展含多种能源的综合能源系统、实现能源的集约与高效利用成为解决能源短缺问题的关键途径。然而，在综合能源系统选型及定容以及优化调度中均需充分考虑需求侧冷热电负荷耦合特性，以实现规划区域内不同能源间的高效利用。由此可见，开展综合负荷特性及需求响应潜力分析是综合能源系统设计、规划和调度运行的重要环节与工作基础。
3.现有研究目前主要集中在分析综合负荷变化与供能设备和多能耦合等设备的相关性上以及负荷间的可平移性，而在针对实际综合能源系统中综合负荷在不同时间尺度上负荷特性以及需求侧响应潜力问题的研究，缺少一种通用的分析框架、方法和模型，来准确计算综合能源系统中综合负荷的需求响应潜力，提高不同负荷之间的转换效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多种时间尺度耦合特性的综合需求响应潜力模拟方法，针对实际综合能源系统中综合负荷在多种时间尺度上负荷特性以及需求侧响应潜力，提供一种通用的分析框架、方法和模型。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于多种时间尺度耦合特性的综合需求响应潜力模拟方法，具体包括以下步骤：
7.s1.获取目标时间尺度下两种单一负荷在预设区间内的数值，生成两种单一负荷之和对应的综合负荷的曲线；
8.s2.计算所述综合负荷的曲线的日平均值线，并计算综合负荷的曲线中日平均值线的上部分对应的曲线峰的面积；
9.s3.根据预设的峰值面积比例，生成第一截取线，所述第一截取线的上部分与综合负荷的曲线围成的面积为曲线峰的面积与峰值面积比例的乘积；
10.s4.根据预设的峰值面积比例，生成第二截取线，所述第二截取线的下部分与综合负荷的曲线围成的面积为曲线峰的面积与峰值面积比例的乘积；
11.s5.所述第一截取线、第二截取线与综合负荷的曲线生成相应的综合需求响应曲线，根据综合需求响应曲线计算目标时间尺度下的综合需求响应潜力；
12.s6.判断所述综合需求响应潜力是否满足系统需求，若是生成对应的负荷平移方案发送至控制端，若否转至步骤s1。
13.所述目标时间尺度的类型包括季度级、月级、周级和小时级。
14.所述步骤s1中还包括对两种单一负荷的数值进行数据预处理操作。
15.进一步地，所述数据预处理操作包括标幺化处理，所述标幺化处理的公式具体如下：
[0016][0017]
其中，为第i天标幺化后的负荷数据；l
ij
为第i天第j小时的负荷数据；l
imax
为第i天24小时中数值最大的负荷数据。
[0018]
所述单一负荷的类型包括电负荷、冷负荷和热负荷，单一负荷之间相互转换的过程形成综合负荷。
[0019]
进一步地，所述电负荷和冷负荷进行转换的综合负荷为电冷负荷，电负荷和热负荷进行转换的综合负荷为电热负荷，热负荷和冷负荷之间转换的综合负荷为热冷负荷。
[0020]
进一步地，所述综合需求响应潜力的类型包括电冷间综合需求响应潜力、电热间综合需求响应潜力和热冷间综合需求响应潜力。
[0021]
所述单一负荷形态间的耦合关系具体如下所示：
[0022]
(1)热冷差l
h-l
c
、热电差l
h-l
e
和冷电差l
c-l
e
；
[0023]
(2)|l
e
|、|l
h
|和|l
c
|分别为某时间点热、冷、电负荷绝对量大小；
[0024]
(3)l
h
/l
e
、l
h
/l
c
和l
c
/l
e
分别为热电比、热冷比和冷电比；
[0025]
(4)dl
e
/t、dl
h
/t和dl
c
/t分别为某时间点热、冷、电负荷的变化速度；
[0026]
(5)l
e(norm)
、l
h(norm)
和l
c(norm)
分别为电、热、冷负荷的方差；
[0027]
所述电、热、冷负荷的方差的计算公式具体如下：
[0028][0029][0030][0031]
其中，l
e(max)
和l
e(min)
为电负荷的最高值和最低值，l
h(max)
和l
h(min)
为热负荷的最高值和最低值，l
c(max)
和l
c(min)
为冷负荷的最高值和最低值。
[0032]
所述综合需求响应潜力具体为两个单一负荷之间的最大可转移负荷量，通过单一负荷之间的峰谷互补程度指标进行计算。
[0033]
进一步地，所述综合需求响应潜力的计算公式具体如下所示：
[0034][0035]
其中，f为某段时间内单一负荷间的实际可转移负荷量，即综合负荷需求响应潜力，α为某段时间内单一负荷间的转换效率，即需要满足的单一负荷转换设备的运行约束，f为某段时间内单一负荷的互补程度指标。
[0036]
所述步骤s5中生成综合需求响应曲线时第一截取线和第二截取线中的曲线部分由直线进行替代。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0038]
本发明通过计算综合负荷中高于日平均值线的曲线峰的面积，根据曲线峰的面积与预设峰值面积比例，得到由第一截取线、第二截取线与综合负荷的曲线组合生成的综合需求响应曲线，对综合负荷的综合需求响应潜力进行计算，降低了单一负荷在数值上的波动，保证了综合需求响应潜力计算结果的精确性，根据综合需求响应潜力进行调配，能够利用融合负荷形态指标研究电与热、冷的融合负荷形态规律，充分利用综合能源系统多元信息，刻画立体的负荷形态，提高综合能源系统中不同负荷之间的转换效率。
附图说明
[0039]
图1为本发明的流程示意图；
[0040]
图2为本发明综合负荷不同时间尺度形态演化的规律示意图；
[0041]
图3为本发明综合能源系统需求响应潜力的示意图；
[0042]
图4为本发明实施例一中电负荷的月级负荷特性示意图；
[0043]
图5为本发明实施例一中冷负荷的月级负荷特性示意图；
[0044]
图6为本发明实施例一中热负荷的月级负荷特性示意图；
[0045]
图7为本发明实施例一中月级电冷比的示意图；
[0046]
图8为本发明实施例一中月级电热比的示意图；
[0047]
图9为本发明实施例一中电负荷的周级负荷特性示意图；
[0048]
图10为本发明实施例一中冷负荷的周级负荷特性示意图；
[0049]
图11为本发明实施例一中热负荷的周级负荷特性示意图；
[0050]
图12为本发明实施例一中周级电冷比的示意图；
[0051]
图13为本发明实施例一中周级电热比的示意图；
[0052]
图14为本发明实施例一中电负荷的小时级负荷特性示意图；
[0053]
图15为本发明实施例一中冷负荷的小时级负荷特性示意图；
[0054]
图16为本发明实施例一中热负荷的小时级负荷特性示意图；
[0055]
图17为本发明实施例一中小时级电冷比的示意图；
[0056]
图18为本发明实施例一中小时级电热比的示意图；
[0057]
图19为本发明实施例一中各季节每天每小时冷、电负荷分布的示意图；
[0058]
图20为本发明实施例一中各季节每天每小时热、电负荷分布的示意图；
[0059]
图21为本发明实施例一中冷负荷可调比例曲线的示意图；
[0060]
图22为本发明实施例一中春分日电冷综合需求响应调整前的示意图；
[0061]
图23为本发明实施例一中春分日电冷综合需求响应调整后的示意图；
[0062]
图24为本发明实施例一中夏至日电冷综合需求响应调整前的示意图；
[0063]
图25为本发明实施例一中夏至日电冷综合需求响应调整后的示意图；
[0064]
图26为本发明实施例一中秋分日电冷综合需求响应调整前的示意图；
[0065]
图27为本发明实施例一中秋分日电冷综合需求响应调整后的示意图；
[0066]
图28为本发明实施例一中冬至日电冷综合需求响应调整前的示意图；
[0067]
图29为本发明实施例一中冬至日电冷综合需求响应调整后的示意图。
具体实施方式
[0068]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0069]
实施例一
[0070]
传统的电力需求侧管理措施主要是要达到电力负荷削峰填谷的目的，在一定程度上改变电力负荷曲线的形状，除此之外，综合负荷需求侧管理措施还要包括不同类型能源之间的转换。
[0071]
如图1所示，一种基于多种时间尺度耦合特性的综合需求响应潜力模拟方法，具体包括以下步骤：
[0072]
步骤s1：获取目标时间尺度下两种单一负荷在预设区间内的数值，生成两种单一负荷之和对应的综合负荷的曲线；
[0073]
步骤s2：计算综合负荷的曲线的日平均值线，并计算综合负荷的曲线中日平均值线的上部分对应的曲线峰的面积；
[0074]
步骤s3：根据预设的峰值面积比例，生成第一截取线，第一截取线的上部分与综合负荷的曲线围成的面积为曲线峰的面积与峰值面积比例的乘积；
[0075]
步骤s4：根据预设的峰值面积比例，生成第二截取线，第二截取线的下部分与综合负荷的曲线围成的面积为曲线峰的面积与峰值面积比例的乘积；
[0076]
步骤s5：第一截取线、第二截取线与综合负荷的曲线生成相应的综合需求响应曲线，根据综合需求响应曲线计算目标时间尺度下的综合需求响应潜力；
[0077]
步骤s6：判断综合需求响应潜力是否满足系统需求，若是生成对应的负荷平移方案发送至控制端，若否转至步骤s1。
[0078]
如图2所示，目标时间尺度的类型包括季度级、月级、周级和小时级。
[0079]
步骤s1中还包括对两种单一负荷的数值进行数据预处理操作。
[0080]
数据预处理操作包括标幺化处理，标幺化处理的公式具体如下：
[0081][0082]
其中，为第i天标幺化后的负荷数据；l
ij
为第i天第j小时的负荷数据；l
imax
为第
i天24小时中数值最大的负荷数据。
[0083]
如图3所示，单一负荷的类型包括电负荷、冷负荷和热负荷，单一负荷之间相互转换的过程形成综合负荷。
[0084]
电负荷和冷负荷进行转换的综合负荷为电冷负荷，电负荷和热负荷进行转换的综合负荷为电热负荷，热负荷和冷负荷之间转换的综合负荷为热冷负荷。
[0085]
综合需求响应潜力的类型包括电冷间综合需求响应潜力、电热间综合需求响应潜力和热冷间综合需求响应潜力。
[0086]
单一负荷形态间的耦合关系具体如下所示：
[0087]
(1)热冷差l
h-l
c
、热电差l
h-l
e
和冷电差l
c-l
e
；
[0088]
(2)|l
e
|、|l
h
|和|l
c
|分别为某时间点热、冷、电负荷绝对量大小；
[0089]
(3)l
h
/l
e
、l
h
/l
c
和l
c
/l
e
分别为热电比、热冷比和冷电比；
[0090]
(4)dl
e
/t、dl
h
/t和dl
c
/t分别为某时间点热、冷、电负荷的变化速度；
[0091]
(5)l
e(norm)
、l
h(norm)
和l
c(norm)
分别为电、热、冷负荷的方差；
[0092]
电、热、冷负荷的方差的计算公式具体如下：
[0093][0094][0095][0096]
其中，l
e(max)
和l
e(min)
为电负荷的最高值和最低值，l
h(max)
和l
h(min)
为热负荷的最高值和最低值，l
c(max)
和l
c(min)
为冷负荷的最高值和最低值。
[0097]
综合需求响应潜力具体为两个单一负荷之间的最大可转移负荷量，通过单一负荷之间的峰谷互补程度指标进行计算。
[0098]
综合需求响应潜力的计算公式具体如下所示：
[0099][0100]
其中，f为某段时间内单一负荷间的实际可转移负荷量，即综合负荷需求响应潜力，α为某段时间内单一负荷间的转换效率，即需要满足的单一负荷转换设备的运行约束，f为某段时间内单一负荷的互补程度指标。
[0101]
步骤s5中生成综合需求响应曲线时第一截取线和第二截取线中的曲线部分由直线进行替代。
[0102]
本实施例中以某大学某校区的综合能源系统为案例对象，采用数据其综合能源系统记录的2019年1月至2020年4月每天24h的冷热电负荷数据，冷、热、电负荷数据单位分别是冷吨、mmbtu(百万英热)/h、kw，依据为单位转换计算公式1kw＝0.284冷吨＝
0.0034mmbtu/h，将冷热电负荷的单位进行统一化处理，即冷热电负荷的单位均为kw。
[0103]
本实施例中在月级、周级和小时级三个时间尺度下，以箱线图形式对负荷特性进行分析，每个箱中间线代表该箱包含数据中值，箱上下边界值分别表示该箱第三个四分位点和第一个四分位点，与箱通过虚线相连的两条黑实线为内限值，内限值之外的数值点为异常值。
[0104]
如图4-图6所示，该校区电冷负荷均呈现夏高冬低的负荷特征，而热负荷则相反。热负荷与冷负荷、电负荷在四个季节的互补性较明显。负荷较高季节月负荷大部分变化范围较大，反之较小，该特点在热负荷上体现得更明显。
[0105]
如图7和图8所示，该校区月级电冷比夏季小、冬季大，而月级电热比正好相反，同一季节同一月内电冷比和电热比波动范围较小，较稳定。
[0106]
如图9-图11所示，冷热负荷平均值均在第29周左右达到最大，且第29周负荷波动范围不大，热负荷呈现出在7月份附近平均值相对高，与热负荷正好相反的情况；此外，图8中第29周附近热负荷平均值高，说明第29周及其临近周每天每小时的热负荷数值大都接近当天的最高值，而不代表每小时的实际用热都很大。
[0107]
如图12和图13所示，由于第29周位于暑假时间，在第29周附近电冷比和电热比明显下降；另外，部分周的周内每天的电冷比和电热比变动范围较大，在这些周利用电冷比、电热比以及电冷负荷数据，对周内每天的电冷负荷进行协同预测和需求侧响应具有较大提升空间。
[0108]
如图14-图16所示，电冷热负荷表现出与每天生活习惯、天气、温度等相关的变化规律，电负荷在每天14:00左右出现高峰，03:00左右出现最低值；冷热负荷小时级规律与每天各小时气温变化规律相关性强，冷负荷在15:00左右出现高峰，03:00左右出现最低值；热负荷高峰出现在06:00，15:00左右出现最低值，三种负荷高峰区域波动大的点也较多。从一天24h整体来看，各个小时间负荷均值的波动程度冷负荷最大，热负荷次之，电负荷最小。
[0109]
如图17和图18所示，小时级电冷比和电热比在平均数值高的小时，波动范围也较大。电冷比在16:00左右出现最低值，04:00左右出现峰值，这是因为电负荷变动较小，电冷比主要受冷负荷变化的影响。而图12中几乎每个小时都有波动很大的异常值，表明小时级电冷比具有一定的随机性。
[0110]
如图19和图20所示，冷电负荷在各季节下分布形态不一，但呈现出在电冷比较大时，冬季点占比多，在电冷比较小时，夏季点占比多，即之前夏季电冷比相对较小，冬季电冷比相对较大的规律得以体现，而电热负荷布规律则正好相反。
[0111]
本实施例中对电冷负荷的综合需求响应潜力进行分析，冷负荷数据来源于电能驱动的产冷设备，电负荷数据与冷负荷数据之和为真正的耗电负荷数据，假定冷负荷100％可用于电、冷综合需求响应，如图21所示，不同时间点的电冷负荷可调比例差异较大。
[0112]
本实施例中在2019年的春分日、夏至日、秋分日、冬至日分别进行电冷间的综合需求响应，对电冷负荷之和曲线进行削峰填谷，峰值面积比例为80％，将电冷负荷之和曲线峰的80％的能量作为第一截取线和第二截取线的标准，γ＝1，负荷转换满足负荷转换约束与能量存储约束。
[0113]
如图22-图29所示，经过综合需求响应后，电冷负荷之和曲线较之前明显更平坦，波动程度得到降低，达到了需求响应目的。这四天的负荷转移量具体如下：春分日为
52904.45kw
·
h，夏至日为73658.31kw
·
h，秋分日为59806.03kw
·
h，冬至日为21806.92kw
·
h，分别为这四天电冷综合需求响应最大潜力，即可作为系统进行电冷综合需求响应的储冰设备规划运行的参考数据。
[0114]
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例子，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。