一种综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法

1.本发明涉及综合能源系统领域，园区级综合能源系统等多能耦合环节建模领域，尤其涉及考虑能源品质和不确定性影响的综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法。


背景技术：

2.近年世界环境与能源问题逐渐成为全球关注的焦点，能源领域亟待进行绿色低碳化的变革，综合能源系统应运而生。多能耦合是综合能源系统的重要特点，为电力-热力-天然气系统间的合理交互提供理论支撑，促进多能系统的有机协调和多种能源的高效利用。可再生能源发电能够缓解电力系统对化石能源的依赖并降低总体碳排放量，是电力系统应对世界环境与能源问题的有力措施。上述综合能源系统的特点为能源系统提供了新的节能降碳的途径，但同时也增加了系统的复杂程度，主要体现在多能系统各异的能量属性和可再生能源的不确定性，传统的各系统分立的规划设计、运行调度等方法的弊端凸显，并且往往忽略了不确定性的影响。
3.不同类型的能源拥有不同的做功能力，在热力学领域中被称为能量的品质。综合能源系统存在品质各异的多种能源，传统的分析方法仅关注能量的“量”而忽略了能量的“质”，制约了多能系统的能效的进一步提升。综合能源系统流理论能够分析能量介质的有效能传输和能量退化对多能系统供应有效能能力的影响。为综合能源系统能量品质研究奠定了重要基础。
4.热力学第二定律揭示了能量做功能力变化和能量无序性增长的概念，提供了量化分析综合能源系统能量品质退化的理论基础。同时，信息熵可解释综合能源系统中不确定性元素的无序性，在广义热力学框架下转化为与传统热力学熵增量纲一致的信息学等效热力学熵增。两类熵增的本质均为够衡量能量无序性的增长，因此综合能源系统中能量品质退化的程度和不确定性导致的系统可用能降低的情况可由上述两类熵增加以量化，为系统的供能水平的增效提质带来数学依据和理论基础。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，本发明以熵增量化分析“能量退化”和“不确定性”对综合能源系统有效能的影响，可建立综合能源系统熵态模型中涉及的网络化特征模块。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，考虑能源传输环节和生产环节的能量品级变化和不确定性导致的综合能源系统可用能降低的现象，包括：
8.(1)基于综合能源系统流理论，构建综合能源系统传统热力学熵增模型；
9.(2)将信息熵作为衡量用于消除可再生能源设备出力不确定性所需的信息量，对信息熵进行换算，使信息熵与热力学熵具有一致的量纲；基于信息热力学与广义热力学体
系，将信息流视为广义流，信息势视为广义势，构建广义信息功的量化方法，形成源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型；
10.(3)考虑综合能源系统网络化特征，定义综合能源系统熵增源、熵增流、熵增流量、节点熵增的参数与模型，结合综合能源系统网络化属性和流平衡关系，定义相应的计算规则，完成综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建。
11.进一步的，所述综合能源系统传统热力学熵增模型具体为：
12.采用电力、热力、天然气系统传统热力学熵增计算方法揭示电力、热力、天然气系统中传统热力学熵增环节的损与熵增间的转换关系：
[0013][0014]
式中：δsh为综合能源系统中传统热力学熵增环节的熵增；δe为综合能源系统中传统热力学熵增环节的损；ta为环境温度，单位为k。
[0015]
进一步的，步骤(2)中，通过所述源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型用于表征不确定源荷的出力和负载的随机分布的无序性；
[0016][0017]
式中：h为信息熵单位为nat；为归一化后的源荷数据处于第is个微观状态的概率，共s个微观状态；
[0018]
将源荷不确定性的信息熵在广义热力学体系下转化为与传统热力学熵增统一量纲的信息学等效热力学熵增，与传统热力学熵增共同组成综合能源系统熵增环节：
[0019][0020]
式中：δs
i,n
为消除源荷的不确定性导致的负熵增；δs
i,before
和δs
i,after
分别为信息引入之前和之后不确定性导致的熵增；p
i,before
和p
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息势；f
i,before
和f
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息熵，ta为环境温度，单位为k。
[0021]
进一步的，步骤(3)具体为：
[0022]
(301)综合能源系统熵增源与熵增流；
[0023]
将产生热力学熵增的元件被定义为热力熵增源，产生热力学熵增的元件包括电力线路、天然气管道、供水管道、回水管道、能源站和若干热力负荷回水节点处；
[0024]
可再生能源、多能负荷的不确定性能够导致热力学熵增，将上述产生信息熵等效热力学熵增的元件定义为信息熵增源；
[0025]
定义支路熵增流为：在某一时间断面下，为维持综合能源系统中任一元件流传输且形成损引发的熵增所形成的虚拟流；熵增流遵循路径叠加原则；在某管线支路熵态模型中，支路熵增流δs
f1
在支路传输过程中存在熵增δs，支路末端的熵增流增大至δs
f2
，
[0026]
δs
f2
＝δs
f1
+δs
[0027]
式中：δs为支路熵增；δs
f1
和δs
f2
分别为对应支路首端和末端的熵增流；
[0028]
(302)综合能源系统熵增流量；
[0029]
综合能源系统熵增流量反映单位时间流传输所引起的熵增，将熵增流概念拓展到给定时间范围，定义综合能源系统熵增流量为：给定时间范围t内维持元件流传输所导致的熵增：
[0030][0031]
式中：δs
t
为熵增流量，单位取kj/k；t1和t2分别为起始和结束时间；dt表示时间的微分；(303)综合能源系统节点熵增与熵增流广义基尔霍夫第一定律；
[0032]
定义节点熵增δsn作为描述综合能源系统熵态模型的节点参数，含义为维持节点流流入所导致的熵增：
[0033][0034]
式中：为流入节点的第i条支路流携带的熵增流，共m条支路流入该节点；δs
f,s
为源端供应流携带的熵增流，单位取kw/k；
[0035]
基于流平衡关系，流入节点的流之和等于流出节点的流之和，因此流入节点的流携带的熵增流之和等于流出节点的流携带的熵增流之和，称之为节点处满足熵增流平衡，即节点处的熵增流满足广义的基尔霍夫第一定律：
[0036][0037]
式中：k为综合能源系统网络中流流出节点的支路数目；为流出节点的第j条支路流携带的熵增流；δs
f,l
为供应负荷流携带的熵增流，单位取kw/k。
[0038]
(304)熵增流节点分配率；
[0039]
定义流出节点的熵增流按照流出节点的流比例进行分配，即综合能源系统网络中第j条流出节点的支路熵增流满足节点流出流分配率：
[0040][0041]
式中：为流出节点的支路流，共k条支路流出该节点；e
n,l
为节点负荷
[0042]
本发明还提供一种集成有综合能源系统熵态模型的装置，该装置考虑了能源传输环节和生产环节的能量品级变化和不确定性导致的综合能源系统可用能降低的现象，包括：
[0043]
传统热力学熵增计算模块，用于根据综合能源系统流理论，构建综合能源系统传统热力学熵增模型；
[0044]
信息学等效热力学熵增计算模块，用于将信息熵作为衡量用于消除可再生能源设备出力不确定性所需的信息量，对信息熵进行换算，使信息熵与热力学熵具有一致的量纲；基于信息热力学与广义热力学体系，将信息流视为广义流，信息势视为广义势，构建广义信
息功的量化方法，形成源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型；
[0045]
网络化特征模块，用于结合综合能源系统网络化特征，定义综合能源系统熵增源、熵增流、熵增流量、节点熵增的参数与模型，基于综合能源系统网络化属性和流平衡关系，定义相应的计算规则。
[0046]
进一步的，所述综合能源系统传统热力学熵增模型具体为：
[0047]
采用电力、热力、天然气系统传统热力学熵增计算方法揭示电力、热力、天然气系统中传统热力学熵增环节的损与熵增间的转换关系：
[0048][0049]
式中：δsh为综合能源系统中传统热力学熵增环节的熵增；δe为综合能源系统中传统热力学熵增环节的损；ta为环境温度，单位为k。
[0050]
进一步的，所述源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型用于表征不确定源荷的出力和负载的随机分布的无序性；
[0051][0052]
式中：h为信息熵，单位为nat；为归一化后的源荷数据处于第is个微观状态的概率，共s个微观状态；
[0053]
将源荷不确定性的信息熵在广义热力学体系下转化为与传统热力学熵增统一量纲的信息学等效热力学熵增，与传统热力学熵增共同组成综合能源系统熵增环节：
[0054][0055]
式中：δs
i,n
为消除源荷的不确定性导致的负熵增；δs
i,before
和δs
i,after
分别为信息引入之前和之后不确定性导致的熵增；p
i,before
和p
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息势；f
i,before
和f
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息熵，ta为环境温度，单位为k。
[0056]
进一步的，所述网络化特征模块具体包括：
[0057]
综合能源系统熵增源与熵增流：
[0058]
将产生热力学熵增的元件被定义为热力熵增源，产生热力学熵增的元件包括电力线路、天然气管道、供水管道、回水管道、能源站和若干热力负荷回水节点处；
[0059]
可再生能源、多能负荷的不确定性能够导致热力学熵增，将上述产生信息熵等效热力学熵增的元件定义为信息熵增源；
[0060]
定义支路熵增流为：在某一时间断面下，为维持综合能源系统中任一元件流传输且形成损引发的熵增所形成的虚拟流；熵增流遵循路径叠加原则；在某管线支路熵态模型中，支路熵增流δs
f1
在支路传输过程中存在熵增δs，支路末端的熵增流增大至δs
f2
，
[0061]
δs
f2
＝δs
f1
+δs
[0062]
式中：δs为支路熵增；δs
f1
和δs
f2
分别为对应支路首端和末端的熵增流；
[0063]
综合能源系统熵增流量：
[0064]
综合能源系统熵增流量反映单位时间流传输所引起的熵增，将熵增流概念拓展到给定时间范围，定义综合能源系统熵增流量为：给定时间范围t内维持元件流传输所导致的熵增：
[0065][0066]
式中：δs
t
为熵增流量，单位取kj/k；t1和t2分别为起始和结束时间；dt表示时间的微分；综合能源系统节点熵增与熵增流广义基尔霍夫第一定律：
[0067]
定义节点熵增δsn作为描述综合能源系统熵态模型的节点参数，含义为维持节点流流入所导致的熵增：
[0068][0069]
式中：为流入节点的第i条支路流携带的熵增流，共m条支路流入该节点；δs
f,s
为源端供应流携带的熵增流，单位取kw/k；
[0070]
基于流平衡关系，流入节点的流之和等于流出节点的流之和，因此流入节点的流携带的熵增流之和等于流出节点的流携带的熵增流之和，称之为节点处满足熵增流平衡，即节点处的熵增流满足广义的基尔霍夫第一定律：
[0071][0072]
式中：k为综合能源系统网络中流流出节点的支路数目；为流出节点的第j条支路流携带的熵增流；δs
f,l
为供应负荷流携带的熵增流，单位取kw/k。
[0073]
熵增流节点分配率：
[0074]
定义流出节点的熵增流按照流出节点的流比例进行分配，即综合能源系统网络中第j条流出节点的支路熵增流满足节点流出流分配率：
[0075][0076]
式中：为流出节点的支路流，共k条支路流出该节点；e
n,l
为节点负荷
[0077]
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法的步骤。
[0078]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法的步骤。
[0079]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0080]
本发明方法能够将不同类别能量的能量品质、做功能力等差异性考虑在内，归一化度量能量的“量”与“质”，弥补了传统方法只关注数量而忽略的能源品质的问题，可用于量化分析综合能源系统内由传输损耗和能源相互转化而导致的能量品质降低的程度。能够
将可再生能源引入的不确定性与能量品质的退化的情况统一量纲为综合能源系统熵增，同时在研究方法上既可分析整体又可分析局部的熵增分布情况，分析影响综合能源系统量质协同提升的多种因素。协同综合能源系统规划、运行优化等手段，可对系统进行针对能量高品质利用的设计、改进和调控，进一步提升系统的综合能源利用水平。
[0081]
通过该方法建立的模型能够全面考虑能源系统的各项影响因素，定量评估系统的熵变化情况；此外，该模型还能够对不确定变量因素进行预警，及时发现系统可能发生损坏，从而可以有效提高能源系统的安全性与可靠性。
附图说明
[0082]
图1支路流与熵增流示意图；
[0083]
图2a至图2c分别为热力学熵增源、信息熵增源、信息与热力学熵增源的示意图；
[0084]
图3a至图3c分别为节点、末端负荷节点、首端源节点的熵增示意图；
[0085]
图4是典型7-5-3节点系统示意图；
[0086]
图5是典型能源站结构示意图；
[0087]
图6a至图6c是电力负荷示意图；
[0088]
图7a至图7c是天然气负荷示意图；
[0089]
图8a至图8b是热力负荷示意图；
[0090]
图9a至图9c是可再生能源设备出力示意图；
[0091]
图10a和图10b分别是典型7-5-3节点系统熵增流分布(kw/k)和节点熵增分布(kw/k)示意图。
具体实施方式
[0092]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0093]
本实施例提供一种综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，首先，基于热力学分析方法，考虑能源传输环节和生产环节的能量品级变化和不确定性导致的系统可用能降低的现象，分别建立能源传输管线传统热力学熵增和源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增的计算方法，以传统热力学熵增源和信息学等效热力学熵增源量化综合能源系统中能量品质退化和源荷不确定性影响的程度；
[0094]
然后，将信息熵作为衡量用于消除可再生能源设备出力不确定性所需的信息量，对信息熵进行换算，使信息熵与热力学熵具有一致的量纲；基于信息热力学与广义热力学体系，将信息流视为广义流，信息势视为广义势，构建广义信息功的量化方法，形成源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增的计算方法；具体基于综合能源系统熵增分布的网络属性，定义综合能源系统熵态模型节点-支路网络与熵增流；基于熵增流建立通过熵增源前的熵增流与通过熵增源后的熵增流之间关系，构建综合能源系统支路熵增流模型；定义节点流出熵增流的分配规律，构建综合能源系统节点熵增流模型；
[0095]
最终，考虑综合能源系统网络化特征，定义综合能源系统熵增源、熵增流、熵增流量、节点熵增的参数与模型，结合综合能源系统网络化属性和流平衡关系，定义相应的计
算规则，完成综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建。
[0096]
具体如下：
[0097]
1、综合能源系统传统热力学熵增环节的模型构建；
[0098]
基于古伊-斯托多拉定理和综合能源系统流理论，将电力系统、热力系统、天然气系统中能量的开发、传输、利用等环节产生的能量损失转化为可用能损失，即综合能源系统损，进而转化为综合能源系统熵增，并定义相应环节为综合能源系统传统热力学熵增环节。综合能源系统流理论中，各系统相应的流机理模型揭示了系统能量流与流、能量损失与损之间的关系，提出了能量传输、转化等环节的损计算方法。本文不在赘述流机理推导过程和损的计算方法。物理层面的传统热力学熵增反映由损导致的能量不可用性，根据热力学第二定律对熵关系的描述，确定综合能源系统中热力学熵增与损的转化关系，形成传统热力学熵增环节造成的综合能源系统传统热力学熵增的计算方法，如下所示：
[0099][0100]
式中：δsh为综合能源系统中传统热力学熵增环节的熵增；δe为综合能源系统中传统热力学熵增环节的损；ta为环境温度，单位为k。
[0101]
1.1电力系统损-热力学熵增
[0102]
电能为高品质能量，全部为因此电能传输过程中线损可视为损：
[0103]
δee＝δpeꢀꢀꢀ
(2)
[0104]
式中：δee和δpe分别为电力线路损(kw)与有功损耗(kw)。
[0105]
由式(1)和(2)可知，电能在传输过程中流过线路导致的熵增δse(kw/k)为：
[0106][0107]
1.2天然气系统损-热力学熵增
[0108]
基于现行天然气能量计量标准，以热量衡量天然气能量，天然气燃料可表示为天然气燃烧过程中由环境温度加热到理论燃烧温度产生的热量等于天然气势与气流率的乘积，其中天然气势pg((kw
·
h)/m3)可表示为：
[0109][0110]
式中：tb为天然气的理论燃烧温度(k)；g为天然气的总热值(mj/m3)。
[0111]
天然气管道损δeg可以表示为：
[0112][0113]
式中：p
g1
和p
g2
分别为天然气管道两端的势；mg为天然气管道气流率(m3/h)。
[0114]
由式(1)和(5)可知，天然气在管道传输过程中的热力学熵增δsg为：
[0115][0116]
在忽略气质改变、天然气流失等条件下，天然气的理论燃烧温度、总热值不变，天然气管道两端势、气流率可视为定值，天然气系统燃料在传输过程中可视为无损，即δeg为0。由式(6)可知，天然气在管道传输过程中的热力学熵增δsg为0。
[0117]
1.3热力系统损-热力学熵增
[0118]
基于综合能源系统流机理模型，以水承载的热量表征热力系统流，热力系统元件损δeh(kw)可以表示为：
[0119]
δeh＝δp
t
mhꢀꢀꢀ
(7)
[0120]
式中：mh为流经热力元件的水质量流率(kg/s)；δp
t
为元件两端的势差(kj/kg)，其中某一端的势p
t
可以表示为：
[0121]
p
t
＝(t-talnt-ta+talnta)c
p
ꢀꢀꢀ
(8)
[0122]
式中：t为水温(k)；c
p
为水的比热容(kj/(kg
·
k))。
[0123]
热力系统中水在供水、回水管道传输过程中产生损，由式(7)可知，该部分损可以表示为：
[0124][0125]
式中：δe
h,s
和δe
h,r
分别为供水和回水管道损；p
s1
和p
s2
分别为供水管道两端的势；p
r1
和p
r2
分别为回水管道两端的势；m
h,s
和m
h,r
分别为供水和回水管道的水质量流率。
[0126]
由式(1)和(9)可知，水在供水和回水管道传输过程中导致的热力学熵增(δss和δsr)为：
[0127][0128]
部分负荷的回水节点为混合节点，出口和回水节点存在势差，进而产生损，该部分热力负荷损δe
h,l
可以表示为：
[0129]
δe
h,ll
＝(p
o,l-p
r,l
)m
ql
ꢀꢀꢀ
(11)
[0130]
式中：p
o,l
和p
r,l
分别为负荷的出口和回水节点势；m
ql
为负荷水流率。
[0131]
由式(1)和式(11)可知，部分负荷处水流混合导致的热力学熵增δs
hl
可以表示为：
[0132][0133]
1.4能源站损-热力学熵增
[0134]
作为综合能源系统的多能耦合环节，能源站涉及能量转换，在能量转换过程中存在损，进而产生热力学熵增。基于综合能源系统流理论，将能源站视为损节点，该部
分损可表示为：
[0135]
δe
eh
＝e
eh,e
+e
eh,g
+e
eh,h
ꢀꢀꢀ
(13)
[0136]
式中：δe
eh
为能源站损(kw)；e
eh,e
、e
eh,g
、e
eh,h
分别为能源站相联电力节点消耗或产生的电能天然气节点消耗或产生的燃料热力节点消耗或产生的热量(kw)，其中消耗的能量取正值，产生的能量取负值。
[0137]
由式(1)和(13)可知，能源站在能源转换过程中导致的热力学熵增δs
h,eh
为：
[0138][0139]
2、构建综合能源系统信息学等效热力学熵增环节的模型
[0140]
根据信息熵理论，综合能源系统不确定源荷的信息熵的计算方法如下：
[0141][0142]
式中：h为信息熵，单位为nat；为归一化后的源荷数据处于第is个微观状态的概率，共s个微观状态。
[0143]
源荷不确定性信息熵在广义热力学体系下转化为与传统热力学熵增统一量纲的信息学等效热力学熵增，与传统热力学熵增共同组成综合能源系统熵增环节：
[0144][0145]
式中：δs
i,n
为消除源荷的不确定性导致的负熵增；δs
i,before
和δs
i,after
分别为信息引入之前和之后不确定性导致的熵增；p
i,before
和p
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息势；f
i,before
和f
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息熵。
[0146]
3、构建综合能源系统熵态模型的网络化特征模块
[0147]
3.1熵态的定义
[0148]
定义综合能源系统熵态模型的概念为：能够揭示综合能源系统能源生产、传输、转换、消耗、存储等各个能源环节熵增机理的模型，称为综合能源系统熵态模型。其网络化特征模块具体包括熵增流、熵增流量、熵增源、节点熵增等。
[0149]
3.2熵增流
[0150]
定义综合能源系统熵增流的概念为：在某一时间断面下，为维持综合能源系统中元件流传输且形成损引发的熵增所形成的虚拟流。熵增流的数值含义为：单位时间内维持元件中流传输导致的熵增，本文用符号δsf表示，单位仍取kw/k。将元件抽象为支路，熵增流即为表征熵态模型的支路参数，方向与流方向相同。
[0151]
以一支路为例，支路首端流e
f1
在支路传输过程中存在损δe，支路末端流减少至e
f2
，即满足：
[0152]ef2
＝e
f1-δe
ꢀꢀꢀ
(17)
[0153]
支路损对应的熵增为δs，该部分损与熵增仅存在于支路上，不在网络中流
动。类比具有网络属性的流，拟定义变量“熵增流”δs
f1
与δs
f2
分别与流e
f1
与e
f2
对应，如图1所示，且符合下述规律：支路熵增流δs
f1
在支路传输过程中存在熵增δs，支路末端的熵增流增大为δs
f2
，即满足：
[0154]sf2
＝s
f1
+δs
ꢀꢀꢀ
(18)
[0155]
剖析流、损与熵增的关联特性，建立熵增流的概念，辨析流在网络中的高熵增特征，有利于决策者通过规划、运行控制等技术降低系统某个环节带来的熵增。
[0156]
3.3熵增流量
[0157]
综合能源系统熵增流反映单位时间流传输所引起的熵增，若将熵增流概念拓展到给定时间范围，定义综合能源系统熵增流量为：给定时间范围内维持元件流传输所导致的熵增，表示如下：
[0158][0159]
式中：δs
t
为熵增流量，本文单位取kj/k；t1和t2分别为起始和结束时间；dt表示时间的微分。3.4熵增源(元件＝等效支路)
[0160]
定义产生物理层面热力学熵增的元件定义为热力学熵增源，揭示热力学过程导致的“能量退化”，采用δs
h,s
表示。热力学熵增源示意图如图2a所示，图中δs
f1
表征维持流e
f1
传输引发的熵增流，δs
f2
表征维持流e
f2
传输引发的熵增流；δs
h,s
表征热力学损δe对应的热力学熵增，即为一个热力学熵增源。
[0161]
可再生能源、多能负荷的不确定性会导致热力学熵增，定义产生信息熵等效热力学熵增的元件称为信息熵增源，揭示源荷不确定性导致的能量不可用性，采用δs
i,s
表示。信息熵增源示意图如图2b所示，图中δs
i,s
表征广义信息功wi对应的等效热力学熵增，即为一个信息熵增源。
[0162]
热力学熵增源与信息熵增源统称为综合能源系统熵增源，从源的角度出发可以理解它向系统供应熵增流，熵增源的大小、供应熵增流的计算方法如式(1)-(18)所示，由于损具有可叠加性，因此综合能源系统热力学熵增源与信息熵增源也可叠加，其建模形式如图2c所示，采用符号δss＝δs
h,s
+δs
i,s
表示，单位取kw/k。
[0163]
综合上述分析，支路中熵增流流过熵增源后可表示为：
[0164]
δs
f2
＝δs
f1
+δssꢀꢀꢀ
(20)
[0165]
式中：δs
f1
和δs
f2
分别为流过熵增源之前和之后的熵流；δss为熵增源输送的熵增流，当熵增源为热力学熵增源时，δss取δs
h,s
，当熵增源为信息熵增源时，δss取δs
i,s
，当熵增源为信息与热力学熵增源叠加时，δss取δs
h,s
+δs
i,s
。若熵增源不包含输入支路，则δs
f1
为0。
[0166]
3.5节点熵增与熵增流节点分配率
[0167]
现定义节点熵增δsn作为描述综合能源系统熵态模型的节点参数，如图3a至图3c所示，节点熵增的含义是为维持节点流流入所导致的熵增。
[0168]
分析图3a所示的节点熵增，该节点同时考虑了网络中流入节点的流流出节点的流源端向该节点注入的流e
n,s
，以及节点向负荷注入的流e
n,l
。上述流均可抽象为支路，流入节点的流en等于流入节点的所有支路流之和：
[0169][0170]
式中：m为网络中流流入节点的支路数；为网络中流入节点的第i条支路的流；e
n,s
为源端向节点供应的流。
[0171]
流入节点的支路流具有叠加性，维持不同支路流的熵增不同，维持流入节点的流导致的熵增δsn等于维持各条支路流的熵增之和，因此与流类似，熵增流也具有叠加性，此时节点熵增δsn可以表示为：
[0172][0173]
式中：为流入节点的第i条支路流携带的熵增流，δs
f,s
为源端供应流e
n,s
携带的熵增流，本文单位取kw/k。
[0174]
基于流平衡关系，流入节点的流之和等于流出节点的流之和，因此流入节点的流携带的熵增流之和等于流出节点的流携带的熵增流之和，称之为节点处满足熵增流平衡，即节点处的熵增流满足熵增流广义基尔霍夫第一定律：
[0175][0176]
由此可将流出节点的熵增流按照流出节点的流比例进行分配，即网络中第i条流出节点的支路熵增流满足熵增流节点分配率：
[0177][0178]
式中：k为网络中流流出节点的支路数目；为第i条流出节点支路的流，为节点负荷
[0179]
同理，该节点向负荷传输的熵增流δs
f,l
，即维持负荷可用能供应导致的熵增也满足节点流出流分配率：
[0180][0181]
相对以上通用模型，以下还有四个特殊模型：
[0182]
1)对于不包含源端注入流的节点，即负荷节点或连接节点，则e
n,s
和δs
f,s
取0；
[0183]
2)对于不包含供应负荷流的节点，即源节点或连接节点，则e
n,l
和δs
f,l
取0；
[0184]
3)对于没有网络流流出的节点，即图3b所示的末端负荷节点，(i＝1,
…
,j)为0；
[0185]
4)对于没有网络流流入的节点，即图3c所示的首端源节点，(i＝1,
…
,k)为0；
[0186]
上述四种情况仍然满足式(21)-(25)。
[0187]
4、综合能源系统熵态模型整体建模及典型案例分析
[0188]
4.1熵态整体模型构建
[0189]
基于上述综合能源系统熵态模型网络化特征模块建模方法，基于流模型构建由熵增流源、熵增流支路、熵增节点构成的熵态整体模型，其中支路熵增流可由支路熵增流方程求解，各个节点处的节点熵增和支路熵增流可由节点流出分配率和节点熵增公式求解。
[0190]
4.2典型案例描述
[0191]
选取典型7-5-3节点综合能源系统进行分析，如图4所示，该系统包含7节点配电网、5节点配气网、3节点区域热力网络以及1个能源站。环境温度为10℃。7节点配电网相关参数基于ieee 33节点配电网数据进行修改，源端的电压为12.66kv，e6接入分布式风力发电系统(wt)，e7接入分布式光伏发电系统(pv)。5节点中压配气网的气源气压为5bar，有关参数基于5节点天然气系统数据进行修改。区域热力网络包括3节点供水网络与3节点回水网络，相关参数基于3节点区域热力网络数据进行修改，热源供水温度为100℃，负荷出口温度为50℃。典型能源站的结构如图5所示，包含热电联产(combined heat and power,chp)、燃气锅炉(gas boiler,gb)、循环泵(circulating pump,cp)、太阳能集热器(solar collector,sc)，chp、gb消耗天然气提供热源热量，sc也为热源提供热量，chp产生的电能一部分由cp消耗以维持水压，另一部分电能供应给配电网。能源站在配电网中作为电源接入e5，在配气网中作为气负荷接入g5，在区域热力网络中作为唯一的热源接入h1。表1-6分别展示了综合能源系统中7节点配电网的电力潮流分布、5节点配气网的天然气潮流与节点势分布、区域热力网络供水、出口、回水节点势和水流率分布。电力负荷、天然气负荷、热力负荷、可再生能源(pv,wt,sc)出力如图6a-9c所示。
[0192]
表1电力系统潮流分布
[0193][0194]
表2电力节点电压及功率
[0195]
[0196]
表3天然气管道气流率
[0197][0198][0199]
表4天然气节点势与气流率
[0200][0201]
表5热力系统节点势与水质量流率
[0202][0203]
表6热力系统管道水质量流率
[0204][0205]
4.3熵增环节计算结果
[0206]
基于节点势、支路损、支路介质流率与环境温度等参数，计算流在电力系统、天然气系统、区域热力系统内传输导致的熵增；基于源荷数据集与信息学等效热力学熵增机理公式，利用源荷真值计算系统损-热力学熵增；利用源荷预测样本不确定性(预测源荷样本)计算信息学等效热力学熵增，计算结果如表7表8所示，系统整体熵态模型如图10a和图10b所示。
[0207]
变电站e1和气源g1为整个综合能源系统的源端，能源站在配气网中作为气负荷，其对应熵增源产生的熵增流不影响配气网，算例中配气网是无损网络，各条支路上不存在熵增源，此外，气源向综合能源系统输送的熵增流为0，而气负荷不确定性产生的熵增仅由气负荷承担，对应熵增流没有流向配气网。综上分析，配气网中各支路的熵增流均为0，通过补充支路由配气网向补充气负荷节点传输的熵增流也为0，补充气负荷节点的节点熵增等于负荷不确定性产生的熵增。
[0208]
能源站向配电网传输的熵增流为1.0992kw/k，因此节点e5的节点熵增为
1.0992kw/k。配电网馈线根节点e1的节点熵增为0，由表2可知wt、pv产生信息学等效热力学熵增，对应e6和e7节点熵增分别为0.1786kw/k和0.2096kw/k，将e1、e5、e6、e7节点视为配电网熵增流计算的起始点，熵增流在经过熵增源后增大，在节点处汇聚，累加后形成节点熵增，流出节点的熵增流按照节点流出流分配率计算。
[0209]
作为该算例中区域热力网络的唯一热源，能源站对应熵增源影响热网中熵增流的分布，能源站向h1供水节点传输的熵增流为1.0174kw/k，h1供水节点熵增即为1.0174kw/k。以h1供水节点为熵增流计算起始点，与配电网熵增流计算方法类似，熵增流在经过熵增源后增大，在节点处累加形成节点熵增，流出节点的熵增流按按照节点流出流分配率，由图f1所示的流比例进行分配。未流入热负荷补充节点的熵增流，最后将返回回水网络，最终汇聚到热源的回水节点处，该部分熵增流通过累加计算为0.2361kw/k，即热源回水节点熵增为0.2361kw/k。
[0210]
从算例可以看出，基于综合能源系统熵态理论，建立熵增流模型，系统的热力学熵增以及信息学等效热力学熵增被等效分配到系统的各个元件(支路)、节点，即视为系统中各个环节可用能均贴上了“熵增”标签。综合能源系统熵态理论有利于剖析熵增在网络中的产生机理以及输运特性，为后续采用规划、运行控制等方法减缓熵增提供了理论基础和技术手段，进而抑制“能量退化”和“不确定性”导致的能量不可用性，实现能源的量质协同综合利用。
[0211]
表7损与热力学熵增
[0212][0213][0214]
表8源荷信息学等效热力学熵增
[0215][0216]
本发明还提供一种集成有综合能源系统熵态模型的装置，该装置考虑了能源传输环节和生产环节的能量品级变化和不确定性导致的综合能源系统可用能降低的现象，包括：
[0217]
传统热力学熵增计算模块，用于根据综合能源系统流理论，构建综合能源系统传统热力学熵增模型；
[0218]
信息学等效热力学熵增计算模块，用于将信息熵作为衡量用于消除可再生能源设备出力不确定性所需的信息量，对信息熵进行换算，使信息熵与热力学熵具有一致的量纲；基于信息热力学与广义热力学体系，将信息流视为广义流，信息势视为广义势，构建广义信息功的量化方法，形成源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型；
[0219]
网络化特征模块，用于结合综合能源系统网络化特征，定义综合能源系统熵增源、熵增流、熵增流量、节点熵增的参数与模型，基于综合能源系统网络化属性和流平衡关系，定义相应的计算规则。
[0220]
优选地，本技术的实施例还提供能够实现上述实施例中的综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，电子设备具体包括如下内容：
[0221]
处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(communications interface)和总线；
[0222]
其中，处理器、存储器、通信接口通过总线完成相互间的通信；通信接口用于实现服务器端设备、计量设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输。
[0223]
处理器用于调用存储器中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法中的全部步骤。
[0224]
本技术的实施例还提供能够实现上述实施例中的综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的综合能源系统熵态模
型中网络化特征模块的构建方法的全部步骤。
[0225]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0226]
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0227]
虽然本技术提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
[0228]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0229]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0230]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0231]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，其特征在于，考虑能源传输环节和生产环节的能量品级变化和不确定性导致的综合能源系统可用能降低的现象，包括：(1)基于综合能源系统流理论，构建综合能源系统传统热力学熵增模型；(2)将信息熵作为衡量用于消除可再生能源设备出力不确定性所需的信息量，对信息熵进行换算，使信息熵与热力学熵具有一致的量纲；基于信息热力学与广义热力学体系，将信息流视为广义流，信息势视为广义势，构建广义信息功的量化方法，形成源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型；(3)考虑综合能源系统网络化特征，定义综合能源系统熵增源、熵增流、熵增流量、节点熵增的参数与模型，结合综合能源系统网络化属性和流平衡关系，定义相应的计算规则，完成综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建。2.根据权利要求1所述的综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，其特征在于，所述综合能源系统传统热力学熵增模型具体为：采用电力、热力、天然气系统传统热力学熵增计算方法揭示电力、热力、天然气系统中传统热力学熵增环节的损与熵增间的转换关系：式中：δs
h
为综合能源系统中传统热力学熵增环节的熵增；δe为综合能源系统中传统热力学熵增环节的损；t
a
为环境温度，单位为k。3.根据权利要求1所述的综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，其特征在于，步骤(2)中，通过所述源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型用于表征不确定源荷的出力和负载的随机分布的无序性；式中：h为信息熵单位为nat；p
is
(x)为归一化后的源荷数据处于第i
s
个微观状态的概率，共s个微观状态；将源荷不确定性的信息熵在广义热力学体系下转化为与传统热力学熵增统一量纲的信息学等效热力学熵增，与传统热力学熵增共同组成综合能源系统熵增环节：式中：δs
i,n
为消除源荷的不确定性导致的负熵增；δs
i,before
和δs
i,after
分别为信息引入之前和之后不确定性导致的熵增；p
i,before
和p
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息势；f
i,before
和f
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息熵，t
a
为环境温度，单位为k。4.根据权利要求1所述的综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，其特征在于，步骤(3)具体为：(301)综合能源系统熵增源与熵增流；
将产生热力学熵增的元件被定义为热力熵增源，产生热力学熵增的元件包括电力线路、天然气管道、供水管道、回水管道、能源站和若干热力负荷回水节点处；可再生能源、多能负荷的不确定性能够导致热力学熵增，将上述产生信息熵等效热力学熵增的元件定义为信息熵增源；定义支路熵增流为：在某一时间断面下，为维持综合能源系统中任一元件流传输且形成损引发的熵增所形成的虚拟流；熵增流遵循路径叠加原则；在某管线支路熵态模型中，支路熵增流δs
f1
在支路传输过程中存在熵增δs，支路末端的熵增流增大至δs
f2
，δs
f2
＝δs
f1
+δs式中：δs为支路熵增；δs
f1
和δs
f2
分别为对应支路首端和末端的熵增流；(302)综合能源系统熵增流量；综合能源系统熵增流量反映单位时间流传输所引起的熵增，将熵增流概念拓展到给定时间范围，定义综合能源系统熵增流量为：给定时间范围t内维持元件流传输所导致的熵增：式中：δs
t
为熵增流量，单位取kj/k；t1和t2分别为起始和结束时间；dt表示时间的微分；(303)综合能源系统节点熵增与熵增流广义基尔霍夫第一定律；定义节点熵增δs
n
作为描述综合能源系统熵态模型的节点参数，含义为维持节点流流入所导致的熵增：式中：为流入节点的第i条支路流携带的熵增流，共m条支路流入该节点；δs
f,s
为源端供应流携带的熵增流，单位取kw/k；基于流平衡关系，流入节点的流之和等于流出节点的流之和，因此流入节点的流携带的熵增流之和等于流出节点的流携带的熵增流之和，称之为节点处满足熵增流平衡，即节点处的熵增流满足广义的基尔霍夫第一定律：式中：k为综合能源系统网络中流流出节点的支路数目；为流出节点的第j条支路流携带的熵增流；δs
f,l
为供应负荷流携带的熵增流，单位取kw/k。(304)熵增流节点分配率；定义流出节点的熵增流按照流出节点的流比例进行分配，即综合能源系统网络中第j条流出节点的支路熵增流满足节点流出流分配率：式中：为流出节点的支路流，共k条支路流出该节点；e
n,l
为节点负荷。
5.一种集成有综合能源系统熵态模型的装置，其特征在于，该装置考虑了能源传输环节和生产环节的能量品级变化和不确定性导致的综合能源系统可用能降低的现象，包括：传统热力学熵增计算模块，用于根据综合能源系统流理论，构建综合能源系统传统热力学熵增模型；信息学等效热力学熵增计算模块，用于将信息熵作为衡量用于消除可再生能源设备出力不确定性所需的信息量，对信息熵进行换算，使信息熵与热力学熵具有一致的量纲；基于信息热力学与广义热力学体系，将信息流视为广义流，信息势视为广义势，构建广义信息功的量化方法，形成源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型；网络化特征模块，用于结合综合能源系统网络化特征，定义综合能源系统熵增源、熵增流、熵增流量、节点熵增的参数与模型，基于综合能源系统网络化属性和流平衡关系，定义相应的计算规则。6.根据权利要求5所述一种集成有综合能源系统熵态模型的装置，其特征在于，所述综合能源系统传统热力学熵增模型具体为：采用电力、热力、天然气系统传统热力学熵增计算方法揭示电力、热力、天然气系统中传统热力学熵增环节的损与熵增间的转换关系：式中：δs
h
为综合能源系统中传统热力学熵增环节的熵增；δe为综合能源系统中传统热力学熵增环节的损；t
a
为环境温度，单位为k。7.根据权利要求5所述一种集成有综合能源系统熵态模型的装置，其特征在于，所述源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型用于表征不确定源荷的出力和负载的随机分布的无序性；式中：h为信息熵，单位为nat；p
is
(x)为归一化后的源荷数据处于第i
s
个微观状态的概率，共s个微观状态；将源荷不确定性的信息熵在广义热力学体系下转化为与传统热力学熵增统一量纲的信息学等效热力学熵增，与传统热力学熵增共同组成综合能源系统熵增环节：式中：δs
i,n
为消除源荷的不确定性导致的负熵增；δs
i,before
和δs
i,after
分别为信息引入之前和之后不确定性导致的熵增；p
i,before
和p
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息势；f
i,before
和f
i,after
分别为信息引入之前和之后的信息熵，t
a
为环境温度，单位为k。8.根据权利要求5所述一种集成有综合能源系统熵态模型的装置，其特征在于，所述网络化特征模块具体包括：综合能源系统熵增源与熵增流：将产生热力学熵增的元件被定义为热力熵增源，产生热力学熵增的元件包括电力线
路、天然气管道、供水管道、回水管道、能源站和若干热力负荷回水节点处；可再生能源、多能负荷的不确定性能够导致热力学熵增，将上述产生信息熵等效热力学熵增的元件定义为信息熵增源；定义支路熵增流为：在某一时间断面下，为维持综合能源系统中任一元件流传输且形成损引发的熵增所形成的虚拟流；熵增流遵循路径叠加原则；在某管线支路熵态模型中，支路熵增流δs
f1
在支路传输过程中存在熵增δs，支路末端的熵增流增大至δs
f2
，δs
f2
＝δs
f1
+δs式中：δs为支路熵增；δs
f1
和δs
f2
分别为对应支路首端和末端的熵增流；综合能源系统熵增流量：综合能源系统熵增流量反映单位时间流传输所引起的熵增，将熵增流概念拓展到给定时间范围，定义综合能源系统熵增流量为：给定时间范围t内维持元件流传输所导致的熵增：式中：δs
t
为熵增流量，单位取kj/k；t1和t2分别为起始和结束时间；dt表示时间的微分；综合能源系统节点熵增与熵增流广义基尔霍夫第一定律：定义节点熵增δs
n
作为描述综合能源系统熵态模型的节点参数，含义为维持节点流流入所导致的熵增：式中：为流入节点的第i条支路流携带的熵增流，共m条支路流入该节点；δs
f,s
为源端供应流携带的熵增流，单位取kw/k；基于流平衡关系，流入节点的流之和等于流出节点的流之和，因此流入节点的流携带的熵增流之和等于流出节点的流携带的熵增流之和，称之为节点处满足熵增流平衡，即节点处的熵增流满足广义的基尔霍夫第一定律：式中：k为综合能源系统网络中流流出节点的支路数目；为流出节点的第j条支路流携带的熵增流；δs
f,l
为供应负荷流携带的熵增流，单位取kw/k。熵增流节点分配率：定义流出节点的熵增流按照流出节点的流比例进行分配，即综合能源系统网络中第j条流出节点的支路熵增流满足节点流出流分配率：式中：为流出节点的支路流，共k条支路流出该节点；e
n,l
为节点负荷。9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算
机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至4任一项所述综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法的步骤。

技术总结
本发明公开一种综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建方法，包括：基于综合能源系统流理论，构建综合能源系统传统热力学熵增模型；将信息熵作为衡量用于消除可再生能源设备出力不确定性所需的信息量，对信息熵进行换算，使信息熵与热力学熵具有一致的量纲；基于信息热力学与广义热力学体系，将信息流视为广义流，信息势视为广义势，构建广义信息功的量化方法，形成源荷不确定性导致的信息学等效热力学熵增模型；考虑综合能源系统网络化特征，定义综合能源系统熵增源、熵增流、熵增流量、节点熵增的参数与模型，结合综合能源系统网络化属性和流平衡关系，定义相应的计算规则，完成综合能源系统熵态模型中网络化特征模块的构建。块的构建。块的构建。


技术研发人员：王丹 李宜哲 李家熙 周天烁 贾宏杰
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/9/11