CN101960396A - 蓄能装置的运转计划制作方法以及运转计划制作装置 - Google Patents

Abstract

一种在将多种能量作为对象的多种能量***中，求出蓄能装置的最佳运转，提高能量***整体效率的蓄能装置的运转计划制作方法以及运转计划制作装置。蓄能装置运转计划制作单元(13)根据存储于存储单元(D1)的能量预测需求、存储于存储单元(D2)的能量发生装置运转计划、以及机器连接信息这3种信息，制作蓄能装置运转计划、能量发生装置修正后运转计划、以及蓄能装置修正后运转计划，发送给机器控制单元(20)。

Description

蓄能装置的运转计划制作方法以及运转计划制作装置

技术领域

本发明涉及具有多种能量形态的能量***中的蓄能装置的运转计划制作方法以及运转计划制作装置。

背景技术

近年来，从保护地球环境和节能的观点出发，将多种能量形态同时作为对象的能量***有所增加。

例如，在发电时回收来自发电设备的排热，转换成适合于利用形态的热，并与电力一起供给的所谓热电并给***中，以实现仅利用发生电力时的效率的几倍的极高综合效率为目标。

图7是表示某一地区的一天的电力需求和热需求的经时变化的图，横轴表示时间，纵轴表示电力负载和热负载。由图7可知，通常，热供给与发电同时进行，所以在热电并给***中，为了实现高综合效率，基本上是以电力的需求状况和热的需求状况在量和时间上保持一致为条件。

但是，实际上电力的需求状况和热的需求状况未必一致，所以使供给符合电力或热的某一方的需求时，产生剩余，存在不能得到当初所期待的综合效率的问题。于是，想到了通过导入蓄电装置或蓄热装置来确保高综合效率的对策。

在导入了蓄电装置或蓄热装置或双方的***中存在如下课题，即，考虑某一期间的运转时，在哪一时刻对蓄电装置或蓄热装置进行蓄电或蓄热比较合理，或者，在哪一时刻从蓄电装置或蓄热装置进行放电或放热比较合理。在考虑了某一期间的蓄电装置或蓄热装置的运转时，受蓄电装置或蓄热装置的容量所限，不能一味地持续进行放电或放热，在某一时间段因放电或放热而使得蓄电或蓄热量减少时，需要在另一时间段进行相应份的蓄电或蓄热，以挽回蓄电或蓄热量。并且，估计比起独立考虑这些装置，同时使这些装置最佳化的效果更高。

在现有的能量***的运转计划制作法中，例如，对于蓄电装置，通常，决定夜间蓄电的时间段和电力负载处于峰值时进行放电的时间段，制作按照规则进行运转的计划。

作为这种能量***的运转计划制作法，已提出有能够直接应用混合整数规划问题的方法(专利文献1)。并且，作为代替方法，还提出了应用元启发式算法(metaheuristic)，求出近似解的方法(专利文献2)。

专利文献1：日本特开2005-257097号公报

专利文献2：日本特开2004-171548号公报

非专利文献1：“岩波講座応用数学15〔方法7〕最適化法”(藤田宏，今野浩，田邉國士(1998))

对于将多种能量形态同时作为对象的能量***，在以往的能量***运转计划制作方法中，没有确立求出同时将2种以上蓄能装置最佳化的运转计划的实用方法，从能量***整体来看，不能说是进行最佳运转。

例如，在应用了专利文献1中记载的混合整数规划问题的情况下，当前技术能够处理的课题限于混合整数二次规划问题，所以存在于能量***的机器的燃料消耗特性限于由下凸二次式表现的单纯特性。并且，通常，这种混合整数二次计划问题，受计算时间所限，大多不用于实际应用。

并且，在应用了专利文献2中记载的元启发式算法的情况下，通常，在元启发式算法中能够通过现实的计算时间获得解，但大多缺乏说明容易性，存在难以对结果进行解析的问题。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的问题而提出的，其目的在于，提供一种在将多种能量作为对象的多种能量***中，求出蓄能装置的最佳运转，提高能量***整体效率的蓄能装置的运转计划制作方法以及运转计划制作装置。

本发明的蓄能装置的运转计划制作方法，是具有由多个能量发生装置构成的能量发生装置组、以及由能够发生和储蓄能量的多个蓄能装置构成的蓄能装置组的能量***中的蓄能装置的运转计划制作方法，其特征在于，执行：能量需求预测处理，预测预定期间的各时间段的能量***整体需求；能量发生装置运转计划制作处理，制作在所述各能量发生装置中供应各预定期间的能量需求的各时间段的运转计划；计算处理，使所述各能量发生装置应分担的负载多个同时或单独变化被赋予的某离散量，由该变化计算能量供给成本的变化；以及蓄能装置运转计划制作处理，根据预测出的所述能量需求和所述运转计划，决定所述蓄能装置的运转计划，使得能量发生装置在该期间的能量供给成本的合计最小。并且，本发明还包括将这种方法的特征作为装置的特征实现的装置。

通过实施本发明，能够制作提高能量***整体的***效率的需求供给运转计划。并且，根据本发明的方法，即使在存在于能量***中的机器的特性，相比于以往具有更复杂的非线性的情况下，仍能够比较容易地进行处理。并且，将原本复杂的问题分解成比较单纯且能够独立解决的部分问题来进行处理，所以比较容易对每个部分问题得到的结果进行分析，因此，可以认为是解的说明容易性高的方法。从处理时间的观点来看，本发明的方法能够实现并行计算，例如，通过并行应用多个计算机，从而能够实现处理的高速化。

发明效果

根据本发明，能够提供一种在将多种能量作为对象的多种能量***中，求出蓄能装置的最佳运转，提高能量***整体效率的蓄能装置的运转计划制作方法以及运转计划制作装置。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的能量***的整体结构的框图。

图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的能量***的局部结构的框图。

图3是表示本发明的第一实施方式所涉及的蓄能装置的储蓄量分级的组合的示意图。

图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的能量***的局部结构的框图。

图5是表示本发明的第一实施方式的解和第二实施方式的解的差异的示意图。

图6是表示本发明的第三实施方式所涉及的能量***的整体结构的框图。

图7是表示电力负载和热负载的一天的变化例的图。

图8是表示电热发生装置的发电功率和回收热量相对于负载率的例子的图。

附图标记说明

1能量***运转计划制作装置；2能量***；11能量需求预测单元；12能量发生装置运转计划制作单元；13蓄能装置运转计划制作单元；14能量供给单价计算单元；15起动停止顺序计算单元；16能量发生装置起动停止考虑型的蓄能装置运转计划制作单元；20机器控制单元；21能量发生装置组；22蓄能装置组；23能量负载；24电力负载；25热负载；31控制信号传递单元；32能量传递单元；131约束设定单元A；132非线性规划问题求解单元A；133动态规划问题求解单元；135约束设定单元B；136非线性规划问题求解单元B；D1能量预测需求；D2能量发生装置运转计划；D3机器设备数据库；D4蓄能装置运转计划；D5能量发生装置修正后运转计划；D6蓄能装置修正后运转计划；D7能量供给单价；D8起动停止顺序；D131能量供给成本变化

具体实施方式

本发明通常应用于包括热电并给***的能量***。该情况下的能量***的运转计划制作方法，根据被赋予的能量***整体的电热需求、起动停止计划(各机器的起动/停止信息)、蓄电装置的蓄电量预测值、蓄热装置的蓄热量预测值，计算跨越多个时间段的能量发生装置的能量供给成本最小的功率分配值，制作运转计划。下面，参照图1～图6，具体说明用于实施本发明的最佳实施方式。另外，在各图中，对同一部分赋予同一符号，适当省略重复说明。

[1.第一实施方式]

[1-1.概要结构以及作用]

图1是表示本发明的第一实施方式(下面，在本项中称为“本实施方式”)的结构图，更具体地说，是表示能量***运转计划制作装置1和能量***2的连接结构、基于该结构的能量和控制信息的流程的框图。

概略地说，能量***运转计划制作装置1制作蓄能装置的运转计划D4、能量发生装置的修正后的运转计划D5、蓄能装置的修正后的运转计划D6，分别发送给能量发生***2的机器控制单元20。

接收了各计划的机器控制单元20，根据储蓄装置运转计划D4、发生装置修正后运转计划D5以及储蓄装置修正后运转计划D6，经由控制信号传递单元31，将用于控制各机器的信息传递给发电设备等能量发生装置组21、以及蓄电装置、蓄热装置等蓄能装置组22。从能量发生装置组21或蓄能装置组22，经由能量传递单元32，向能量负载23供给能量。

该能量***运转计划制作装置1的内部具备能量需求预测单元11、能量发生装置运转计划制作单元12、以及蓄能装置运转计划制作单元13。

能量需求预测单元11预测将来的能量需求，制作能量预测需求，将该能量预测需求存储到存储单元D1中。并且，能量发生装置运转计划制作单元12根据存储于机器设备数据库D3的机器设备信息，制作能量发生装置的运转计划、即各机器的起动、停止信息，将其存储到存储单元D2中。另外，这些能量需求的预测、以及能量发生装置的运转计划的制作方法与现有技术相同。

本实施方式所具有的特征在于，蓄能装置运转计划制作单元13的处理。该蓄能装置运转计划制作单元13根据存储于存储单元D1的能量预测需求、存储于存储单元D2的能量发生装置运转计划、以及机器连接信息这3种信息，制作蓄能装置运转计划、能量发生装置修正后运转计划、以及蓄能装置修正后运转计划，发送给机器控制单元20。下面，对该蓄能装置运转计划制作单元13的结构进行详细说明。

[1-2.具体结构以及作用]

根据上述本实施方式的概要，参照图2的框图，说明蓄能装置运转计划制作单元13的具体结构。如图2所示，蓄能装置运转计划制作单元13具备约束设定单元131、非线性规划问题求解单元132、以及动态规划问题求解单元133。

约束设定单元131接收存储于存储单元D1的能量预测需求、存储于存储单元D2的能量发生装置运转计划、以及存储于机器设备数据库D3的机器设备信息这3个输入，对非线性规划问题求解单元132赋予问题的设定条件。

非线性问题求解单元132针对从机器设备数据库D3得到的蓄能装置在储蓄量变化中的离散量(下面，称为“储蓄量分级”)的各个组合，使应分担的多个负载同时或单独变化被赋予的某个离散量，由该变化计算出能量供给成本的变化，存储到能量供给成本变化D131中。

动态规划问题求解单元133使用存储于能量供给成本变化D131的值，求出蓄能装置的最佳运转计划，输出到D4。同时求出修正后的能量发生装置的最佳运转计划，输出到D5。

首先，说明非线性问题求解单元132的处理。非线性问题求解单元132对蓄能装置的储蓄量分级的组合，对以下的最佳化问题求解。图3表示2个蓄能装置的储蓄量分级的组合的示意图。针对该图所示的网状的各个组合，通过以下公式求出能量供给成本变化。

[数学式1]

目标函数：

(能量供给成本最小化)

约束条件：能量发生装置的起动·停止状态表示为μ_i，s。

(负载率的限制)

…(式1)

(能量平衡约束)

在此，

t：时间段下标

i：能量发生装置下标

s：蓄能装置下标(也是能量种类下标)

N：能量***内的能量发生装置数

S：能量***内的蓄能装置数

f_i：能量发生装置i的相对于负载率的能量供给成本特性

v_i，t：能量发生装置i的时间段t的负载率

P_i，s：能量发生装置i的能量种类s的输出特性

j(s)：蓄能装置s的储蓄量变化分级

ΔDP_s，j(s)：蓄能装置s的储蓄量变化分级j(s)的蓄能量变化

η_s：蓄能装置s的储蓄效率

另外，式1中，能量平衡约束用等式表现，但即使在包含不等式约束的情况下，也可以进行相同处理。

针对上述式1的、连续型非线性问题，例如，能够应用逐次二次规划法来获得解。逐次二次规划法是在各反复中对与原来的问题近似的二次规划问题逐次求解的方法，其详细内容例如记载于非专利文献1中，所以在此省略说明。根据这种方法，能量供给成本特性不限于二次特性。

接着，说明动态规划问题求解单元133。

今后，全蓄能装置的蓄能量用以下的向量表现。将该向量称为蓄能状态。

V_t，s，m

在此，t，s，m分别是表示以下内容的下标。

t：时间段

s：蓄能装置号码

m：储蓄量分级

时间段t-1到时间段t的全蓄能装置的蓄能状态的变化用以下的向量表现。

ΔDP_{t，s，m，l}＝V_t，s，m-V_t-1，s，l

为了确保能量***整体的能量需求供给平衡，该变化量被反应到其他能量发生装置的发生能量中。因此，将该向量值代入到(式1)中，对非线性规划问题求解，从而能够求出从蓄能量V_t-1，s，l向蓄能量V_t，s，m的能量发生装置的能量供给成本变化ΔC(V_{t-1，s，l′}，V_t，s，m)。

实际上，该值使用存储于能量供给成本变化D131的值。将考虑到蓄能状态的时间推移时将蓄能状态彼此连接的路线称为路径。求出了某一时间段t-1的到蓄能量V_t-1，s，l为止的能量供给成本变化量最小的路径、以及达到此时的该蓄能状态V_t-1，s，l为止的、到时间段t-1为止的能量发生装置的能量供给成本变化合计Φ(V_t-1，s，l)时，能够通过下面的式2计算出达到下一时间段t的蓄能量的最佳路径。

Φ(V_t，s，m)＝min[Φ(V_t-1，s，l)+ΔC(V_t，s，m)]  …式2

通常还附加蓄能量的始端、终端条件、容量上下限。

[数学式2]

V_0，s(given)，V_T，s(given)

$\underset{\‾}{v_{t,s}}{\≤v}_{t,s}\≤\stackrel{\‾}{v_{t,s}}(t=1,...,T)$

V _t，s ：在时间段t内的蓄能装置s的容量下限

在时间段t内的蓄能装置s的容量上限

通过从初始时间段到最终时间段，依次执行该计算，能够计算出在最终时间段的能量供给成本变化，能够选择其中能量供给成本变化最小(即，能量发生装置的能量供给成本削减效果最大)的路径，该路径是蓄能装置的最佳运转计划。

[1-3.效果]

根据本实施方式，能够制作提高能量***整体的***效率的需求供给运转计划。并且，根据本实施方式，即使在存在于能量***的机器的特性，相比于以往具有复杂的非线性的情况下，仍能够比较容易地进行处理。并且，将原本复杂的问题分解成比较单纯且能够独立解决的部分问题来进行处理，所以比较容易对每个部分问题得到的结果进行分析，因此，可以认为是解的说明容易性高的方法。从处理时间的观点来看，本发明的方法能够实现并行计算，例如，通过并行应用多个计算机，从而能够实现处理的高速化。

通过以上的本实施方式，能够根据被赋予的能量***整体的预测需求、能量发生装置的运转计划(各机器的起动/停止信息)，计算出跨越多个时间段的能量发生装置的能量供给成本最小的输出分配值。由此，能够在将多种能量作为对象的多种能量***中，求出蓄能装置的最佳运转，提高能量***整体的效率。

[2.第二实施方式]

接着，使用图4的框图，说明第二实施方式(下面，在本项中称为“本实施方式”)。本实施方式中，对第一实施方式中的蓄能装置运转计划制作单元13的具体结构进行了改良。另外，其他结构与第一实施方式相同，所以省略说明。

图4中，约束设定单元131接收存储于存储单元D1的能量预测需求、存储于存储单元D2的能量发生装置运转计划、以及存储于机器设备数据库D3的机器设备信息这3个输入，对非线性规划问题求解单元136，赋予问题的设定条件。

非线性规划问题求解单元135得到蓄能装置的储蓄量分级值，作为蓄能装置运转计划D4。将该分级值作为约束条件，计算能量发生装置以及蓄能装置的最佳分配，将能量发生装置修正后运转计划输出到存储单元D5，将蓄能装置修正后运转计划输出到存储单元D6。

非线性问题求解单元135对下面的最佳化问题求解。在此，储蓄量分级约束表示，蓄能量在由存储于存储单元D4的蓄能装置运转计划求出的蓄能装置的储蓄量分级值的范围内这一约束。图5表示上述第一实施方式中求出的离散解与本实施方式中求出的连续值的解的差异。即，如图5(a)所示，通过第一实施方式的方法求出的解为网格的格点。并且，如图5(b)所示，本实施方式的方法，在网格内的任意范围取值，解决下面的最佳化问题。

[数学式3]

目标函数：

(能量供给成本最小化)

约束条件：

(负载率的限制)

ΔDP_s，t，j1≤ΔDP_s，t≤ΔDP_s，t，j2

(蓄能量分级约束)

(能量平衡约束)

(蓄能装置始端、终端约束)

在此，T为计算期间。

根据上述的第二实施方式，相比于第一实施方式的方法，能够进一步得到高精度的解。

[3.第三实施方式]

接着，使用图6的框图，说明第三实施方式(下面，在本项中称为“本实施方式”)。本实施方式中，替代第一实施方式的蓄能装置运转计划制作单元13，使用能量供给单价计算单元14、起动停止顺序计算单元15、以及能量发生装置起动停止考虑型的蓄能装置运转计划制作单元16。另外，其他结构与第一实施相同，省略说明。

能量供给单价计算单元14制作能量供给单价，将其存储到存储单元D7中。起动停止顺序计算单元15根据该能量供给单价的输入，制作起动停止顺序，存储到存储单元D8中。

能量发生装置起动停止考虑型的蓄能装置运转计划制作单元16制作蓄能装置运转计划D4、能量发生装置修正后运转计划D5、以及蓄能装置修正后运转计划D6。

由能量单价计算单元14计算的运转单价例如通过以下的(式4)计算出。

[数学式4]

该值越大的能量发生装置，效率越差，所以作为停止候补。相反，起动候补是例如最大负载率中的(式4)的值小的能量发生装置。

因此，起动停止顺序计算单元15按照该值大的顺序对能量发生装置进行排序。能量发生装置起动停止考虑型的蓄能装置运转计划制作单元16，在按照起动停止顺序D8的顺序停止发电机的条件下，进行(式1)的评价式，然后，采用与第一实施方式相同的步骤，制作蓄能装置运转计划D4、能量发生装置修正后运转计划D5、蓄能装置修正后运转计划D6。

根据上述的第三实施方式，能够制作比当初赋予的能量发生装置运转计划更低成本的能量发生装置运转计划以及蓄能装置运转计划。

Claims (4)

1.一种蓄能装置的运转计划制作方法，是能量***中的蓄能装置的运转计划制作方法，该能量***具有由多个能量发生装置构成的能量发生装置组、以及由能够发生和储蓄能量的多个蓄能装置构成的蓄能装置组，其特征在于，执行：

能量需求预测处理，预测预定期间的各时间段的能量***整体需求；

能量发生装置运转计划制作处理，制作在所述各能量发生装置中供应各预定期间的能量需求的各时间段的运转计划；

计算处理，使所述各能量发生装置应分担的负载多个同时或单独变化被赋予的某离散量，并根据该变化计算能量供给成本的变化；以及

蓄能装置运转计划制作处理，根据预测出的所述能量需求和所述运转计划，决定所述蓄能装置的运转计划，使得能量发生装置在该期间的能量供给成本的合计最小。

2.根据权利要求1所述的蓄能装置的运转计划制作方法，其特征在于，所述蓄能装置运转计划制作处理中，在赋予了各蓄能装置在储蓄量变化中的离散量时，在被赋予的所述离散量的范围内取得连续值的条件下，决定各蓄能装置的运转计划，使得能量发生装置在该期间的能量供给成本的合计最小。

3.根据权利要求1或2所述的蓄能装置的运转计划制作方法，其特征在于，还执行：

能量供给单价计算处理，计算任意能量发生装置在任意时间段的能量供给单价；以及

起动停止计划变更处理，从被赋予的能量发生装置的运转计划，变更任意能量发生装置的任意时间段的起动停止状态。

4.一种蓄能装置的运转计划制作装置，是能量***中的蓄能装置的运转计划制作装置，该能量***具有由多个能量发生装置构成的能量发生装置组、以及由能够发生和储蓄能量的多个蓄能装置构成的蓄能装置组，其特征在于，具备：

能量需求预测单元，预测预定期间的各时间段的能量***整体需求；

能量发生装置运转计划制作单元，制作在所述各能量发生装置中供应各预定期间的能量需求的各时间段的运转计划；

计算单元，使所述各能量发生装置应分担的负载多个同时或单独变化被赋予的某离散量，由该变化计算能量供给成本的变化；以及

蓄能装置运转计划制作单元，根据预测出的所述能量需求和所述运转计划，决定所述蓄能装置的运转计划，使得能量发生装置在该期间的能量供给成本的合计最小。

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