一种构建综合能源系统熵态计算模型的方法及应用

本发明涉及综合能源系统及其能量品质分析领域，尤其涉及考虑不同能源系统规模和场景并面向可再生能源集成的综合能源系统熵态计算模型的构建及应用。

背景技术：

1、随着人类对能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，综合能源系统(ies)作为一种多能源互联的能源利用形式引起了广泛的关注和研究。在综合能源系统理论和实际应用研究中，能量品质是一个重要的考量因素。能量品质指能源在传输、转换和利用过程中的能量可用程度和利用水平表现，研究能量品质可为系统设计和运营提供科学依据。可作为衡量能量可用程度的量度，熵增能够反映能量可用性的降低，了解能源系统中和熵的传播规律对于能源系统能量品质优化具有重要意义。

2、ies熵态机理模型对系统供能过程产生的能量不可用性进行量化分析，并寻求有利于量质协同发展目标的ies规划与运行决策

3、综合能源系统流模型针对各类能量传输介质所含的有效能，将能量流中的有效部分视为综合能源系统流，定义能量传输和转化环节的有效能损失为综合能源系统损，构建网络化模型研究流在系统中的分布情况。能量生产、转化、传输会导致能量的退化，再生能源和负荷的不确定性导致的能量无序程度增加，上述因素加剧了能量的不可用性，即ies熵增。熵态机理模型以熵增源表示产生熵增的环节，以熵增流量化不可用性层面的能量品质，通过熵态网络描述熵增流在系统中分布与流动，并指明熵增流在熵态网络中的传播机理与规则。针对不同的能源系统规模和场景，如何进行快速、准确ies熵态计算是一个基础性的关键问题。ies是由多个子系统组成的复杂网络结构，考虑能源系统网络属性对于理解能量在系统中的分布、传播和转化过程具有重要意义。矩阵化计算方法能够将网络建模和分析问题转化为矩阵变换和线性代数问题，降低运算的复杂性并提升求解效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，考虑不同能源规模和场景的面向可再生能源集成的综合能源系统，提供一种构建综合能源系统熵态计算模型的方法及应用。本发明基于熵态机理模型，建立矩阵化熵态方程组，描述熵增流在熵态网络中的传播机理，可快速计算不同规模和场景的综合能源系统熵态分布，有效解决能量品质相关计算与分析的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种构建综合能源系统熵态计算模型的方法，考虑不同能源系统规模和场景并面向可再生能源集成的综合能源系统，包括：

4、s1.汇总并分类熵增流经过熵态网络各元件时遵循的综合能源系统熵态机理约束，定义综合能源系统熵态网络及网络能量传输和转化环节的熵增流传输与分配机理，即熵增源两端的熵增流关系、节点熵态平衡关系和节点熵态分配关系，由熵态网络描述综合能源系统内熵增流的传播和分布情况；

5、s2.基于综合能源系统的熵态机理约束和网络属性，定义下列熵态网络关联矩阵与向量并构建熵态方程：节点-支路关联矩阵、流参数列向量、熵态参数列向量；通过消元得出熵态方程各未知量的计算公式，实现综合能源系统熵态计算模型的构建；所述熵态方程包括节点熵态平衡方程与节点熵态分配方程。

6、进一步的，所述节点-支路关联矩阵是根据稳态流模型中各节点支路有向连接关系构建的。

7、进一步的，所述熵态网络用于描述综合能源系统内熵增流的传播和分布情况，支路和节点是描述熵态网络输送与分配环节的熵态元件，并与熵增源共同组成熵态网络，熵态网络的拓扑结构取决于节点与支路的连接关系，熵增流在经过熵态网络各类元件时遵循基于熵增流传输与分配机理设定的规则，通过熵态计算模型求解熵态方程以获取熵态分布。

8、进一步的，熵增流传输与分配机理包括：

9、a.熵增源两端的熵增流关系：熵增流在经过熵增源后数值增大，即某子系统熵增源流入端与流出端的熵增流之差即为对应子系统环节产生的熵增；

10、b.节点熵态平衡关系：在节点汇聚的熵增流形成节点熵增，流入节点的熵增流总和与流出节点的熵增流总和相等；

11、c.节点熵态分配关系：流出节点的熵增流的分配比例与对应流分配比例一致。

12、进一步的，采用所述节点熵态平衡方程表示熵态网络中熵增流所遵循的熵增源两端的熵增流关系和节点熵态平衡关系：

13、δsn＝δsin+a+(δsf+δsh)

14、式中：δsn为节点熵增列向量；δsin为节点注入熵增流列向量；a+流入节点-支路关联矩阵；δsf为支路熵增流列向量；δsh为支路熵增源列向量；

15、采用节点熵态分配方程表示熵态网络中熵增流所遵循的节点熵态分配关系：

16、

17、δsfl＝diag(δsn)diag(el)eoni

18、式中：cpr流比例系数列向量；a-为流出节点-支路关联矩阵；δsfl为负荷熵增列向量；el为负荷流列向量；eoni为节点流出总流倒数列向量；t表示向量的转置；

19、熵态网络的熵态分布计算过程如下：

20、通过消元法，将上述节点熵态平衡方程和节点熵态分配方程组成的方程组转化为各待求量的计算公式：

21、δsn的计算公式为

22、

23、式中：e为n×n维单位矩阵；eb为支路流列向量；ε为元素均为1的列向量；

24、δsf的计算公式为

25、

26、由方程δsfl＝diag(δsn)diag(el)eoni计算δsfl，完成熵态网络的熵态分布的计算。

27、本发明还提供一种综合能源系统熵态计算模型的应用，根据能源站的熵增流传输与分配机理，基于两种能源站的熵态建模方法，即独立的能源站熵态网络和采用节点、支路的形式的能源站模型，形成两种综合能源系统的熵态网络，将综合能源系统熵态计算模型分为顺序求解和联立求解两种，具体如下：

28、将能源站es视为独立的子系统，分别定义能源站es、电、气、热各子系统分立的熵态网络，基于综合能源系统熵态计算模型，顺序求解各子系统熵态方程获取各子系统熵态分布；

29、采用熵态网络节点和支路的形式构建能源站es模型，连接其他子系统的熵态网络，联立形成综合能源系统ies的全系统熵态网络，基于综合能源系统熵态计算模型求解全系统熵态方程获取全系统熵态分布。

30、进一步的，基于顺序求解综合能源系统熵态计算模型具体如下：

31、采用基于顺序求解的熵态计算模型分别定义电力、天然气、热力系统以及能源站es分立的熵态网络，以负荷熵增和节点注入熵增流的形式表达各子系统熵态网络之间交互的熵增流；基于顺序求解的熵态计算模型根据流传播的方向顺序求解各子系统熵态方程，并将反映熵增流交互部分的结果作为已知量带入下一级熵态网络的熵态方程中，直到完成全部子系统熵态计算。

32、进一步的，基于联立求解综合能源系统熵态计算模型具体如下：基于联立求解的熵态计算模型以能源站es模型连接电力、天然气、热力系统的熵态网络，形成全系统熵态网络；其中，能源站es模型为2节点1支路1熵增源的结构，在熵态网络中体现为一个具有熵增的广义节点；通过直接求解全系统熵态网络的熵态方程，获取全系统的熵态分布。

33、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

34、1、本发明在综合能源系统熵态机理模型的基础上，基于节点熵态平衡关系与节点熵态分配关系，以及es的熵增流传输与分配机理，建立了基于顺序求解的熵态计算模型和基于联立求解的熵态计算模型，可以求解综合能源系统熵态分布情况。

35、2、与现有基于熵态机理逐一节点支路的递推方法相比，本发明提出了含有遵循熵态机理约束的熵态网络，采用了矩阵化方程组表达熵态网络中的参数熵态关系，通过线性方程组求解的方法计算熵态分布，求解精度和速度得到了显著提高。

36、3、本发明具有广阔的应用前景，基于顺序求解的熵态计算模型和基于联立求解的熵态模型适用于不同场景和规模的综合能源系统算例分析，能够利用计算机快速获取系统熵态分布，为相关优化方法提供局部和整体的无序性层面能量品质的流失信息，有助于减少有效能损失以及源荷不确定性导致的能量不可用。