本發(fā)明涉及船舶能源管理，具體而言，尤其涉及一種船舶綜合能源系統(tǒng)分布式彈性能源管理方法。

背景技術(shù)：

1、隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展，航運(yùn)業(yè)運(yùn)載能力顯著上升。為緩解航運(yùn)業(yè)溫室氣體排放與海洋生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展間的矛盾，船舶能源系統(tǒng)改革刻不容緩。船舶綜合能源系統(tǒng)作為典型的信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)化石能源設(shè)備與新型可再生能源設(shè)備的整合，促進(jìn)了能源的梯級(jí)利用，提升了能源利用效率，為航運(yùn)業(yè)綠色發(fā)展提供有效技術(shù)手段。

2、船舶綜合能源系統(tǒng)整合電能、熱能等異質(zhì)能源網(wǎng)絡(luò)，依靠船域能源通訊網(wǎng)絡(luò)和船載信息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了能源的合理分配，是一種典型的信息物理系統(tǒng)。當(dāng)前，針對(duì)于船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理問題的分析多以經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)化目標(biāo)，忽略了航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排對(duì)于維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性。此外，當(dāng)前對(duì)于船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理問題的求解多采用集中式方法。然而，隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，越來越多的非專業(yè)供能設(shè)備，如光伏機(jī)組、風(fēng)機(jī)機(jī)組等整合至船舶綜合能源系統(tǒng)，船舶綜合能源系統(tǒng)呈現(xiàn)出顯著的扁平化、分布式的特點(diǎn)。同時(shí)，隨著智能化、信息化、電氣化設(shè)備的加入，船舶網(wǎng)絡(luò)化程度顯著提升。因此，傳統(tǒng)的分布式的能源管理策略無法滿足當(dāng)前船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理問題的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。同時(shí)，船域能源通訊網(wǎng)絡(luò)作為能源設(shè)備信息傳遞的關(guān)鍵，其可靠運(yùn)行對(duì)于保障船舶航行具有關(guān)鍵作用。船域能源通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)丟包、關(guān)鍵數(shù)據(jù)篡改將嚴(yán)重影響船舶最優(yōu)能源管理方案的制定，進(jìn)而嚴(yán)重影響船舶航行速度、航程，甚至導(dǎo)致船舶出現(xiàn)拋錨等嚴(yán)重后果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，針對(duì)船舶航行期間能源系統(tǒng)的能源管理問題，本發(fā)明的目的在于提出一種船舶綜合能源系統(tǒng)分布式彈性能源管理方法，該方法可保證船舶區(qū)域性特征的同時(shí)，抵御船域能源通訊網(wǎng)絡(luò)攻擊，實(shí)現(xiàn)船舶的安全、可靠航行。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種船舶綜合能源系統(tǒng)分布式彈性能源管理方法，包括如下步驟：

4、s1、基于節(jié)點(diǎn)聚類算法計(jì)算能源通訊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)中心節(jié)點(diǎn)；

5、s2、基于能源集群節(jié)點(diǎn)劃分結(jié)果和對(duì)應(yīng)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)建船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理模型；

6、s3、基于船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理模型設(shè)計(jì)正常航行工況下的完全分布式的能源管理方法；

7、s4、設(shè)置異常能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)檢測(cè)機(jī)制；

8、s5、基于異常能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)檢測(cè)機(jī)制和船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理模型設(shè)計(jì)可抵御船域能源通訊網(wǎng)絡(luò)攻擊的分布式能源管理方法；

9、s6、對(duì)船舶綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行異常能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)檢測(cè)；若船舶綜合能源系統(tǒng)處于正常航行工況下，執(zhí)行s3的能源管理方法；若船舶綜合能源系統(tǒng)處于異常工況下，執(zhí)行s5的能源管理方法。

10、進(jìn)一步地，s1具體包括如下步驟：

11、s11、采集船舶綜合能源系統(tǒng)電能、熱能網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，所述船舶綜合能源系統(tǒng)電能、熱能網(wǎng)絡(luò)傳輸信息包括節(jié)點(diǎn)間線路長度、信息/物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各時(shí)段負(fù)荷需求；

12、s12、根據(jù)信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算能源設(shè)備間通訊質(zhì)量，根據(jù)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)備間能源傳輸距離；

13、s13、劃定能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)分區(qū)方案，確定每個(gè)能源集群的中心節(jié)點(diǎn)作為能源通訊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

14、進(jìn)一步地，s12具體包括如下步驟：

15、s121、根據(jù)信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，量化船舶綜合能源系統(tǒng)內(nèi)任意兩節(jié)點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值，可表示為：

16、當(dāng)節(jié)點(diǎn)和互為鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值為：

17、

18、式中，和分別為節(jié)點(diǎn)和的鄰居節(jié)點(diǎn)集合；|·|表示對(duì)應(yīng)集合的基數(shù)；υ為極小正數(shù)；z為能源集群序號(hào)；i和j均表示對(duì)應(yīng)能源集群內(nèi)的節(jié)點(diǎn)序號(hào)；

19、當(dāng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值為：

20、

21、式中，為節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)；

22、當(dāng)節(jié)點(diǎn)和互不相鄰時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值

23、s122、根據(jù)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，量化船舶綜合能源系統(tǒng)內(nèi)任意兩節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離數(shù)值，可表示為：

24、

25、式中，節(jié)點(diǎn)和為相鄰兩節(jié)點(diǎn)；和分別表示節(jié)點(diǎn)和的坐標(biāo)信息，當(dāng)τ＝1時(shí)，和分別表示節(jié)點(diǎn)和的橫軸坐標(biāo)信息；當(dāng)τ＝2時(shí)，和分別表示節(jié)點(diǎn)和的縱軸坐標(biāo)信息；當(dāng)τ＝3時(shí)，和分別表示節(jié)點(diǎn)和的豎軸坐標(biāo)信息。

26、進(jìn)一步地，s13具體包括如下步驟：

27、s131、基于船舶綜合能源系統(tǒng)任意兩點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值，依照船舶能源系統(tǒng)需求劃分多個(gè)能源集群，具體包括如下步驟：

28、s1311、初始化，選取船舶綜合能源系統(tǒng)內(nèi)任意能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)作為初始點(diǎn)并記為zi，定義節(jié)點(diǎn)z′s為節(jié)點(diǎn)z′j的鄰居節(jié)點(diǎn)，定義節(jié)點(diǎn)序列集合

29、s1312、判斷該節(jié)點(diǎn)與記為z′j的任意節(jié)點(diǎn)間通訊質(zhì)量數(shù)值大小關(guān)系，若則記節(jié)點(diǎn)z′s為節(jié)點(diǎn)zi的根節(jié)點(diǎn)，更新并更新此時(shí)節(jié)點(diǎn)序列為s＝s∪z′s；若則記節(jié)點(diǎn)z′j為節(jié)點(diǎn)zi的根節(jié)點(diǎn)，記更新此時(shí)節(jié)點(diǎn)序列為s＝s∪z′j；

30、s1313、判斷節(jié)點(diǎn)z′j與船舶綜合能源系統(tǒng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值大小是否全部計(jì)算完畢，若是則進(jìn)入s1314，若否則返回s1312繼續(xù)更新節(jié)點(diǎn)序列；

31、s1314、判斷船舶綜合能源系統(tǒng)全部節(jié)點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值大小是否全部計(jì)算完畢，若是則進(jìn)入s1315，若不是則返回s1311，直至根據(jù)全部節(jié)點(diǎn)間通訊質(zhì)量數(shù)值大小，完成全部節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)序列集合記錄；

32、s1315、根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)特征，確定劃分能源集群數(shù)量，根據(jù)最小原則，依照節(jié)點(diǎn)間通訊質(zhì)量數(shù)值完成能源集群的劃分，記節(jié)點(diǎn)zi所屬于第z個(gè)能源集群，第z個(gè)能源集群節(jié)點(diǎn)集合為

33、s132、基于s121量化得到的船舶綜合能源系統(tǒng)任意兩點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值、s122量化得到的船舶綜合能源系統(tǒng)內(nèi)任意兩節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離數(shù)值、s131劃分的能源集群方案，依照船舶能源系統(tǒng)需求確定每個(gè)能源集群的中心點(diǎn)作為船域能源通訊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具體包括如下步驟：

34、s1321、初始化，選取內(nèi)任意能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)作為初始點(diǎn)并記為zi，定義節(jié)點(diǎn)為內(nèi)除節(jié)點(diǎn)zi外任意節(jié)點(diǎn)；

35、s1322、綜合考慮節(jié)點(diǎn)間的通訊質(zhì)量數(shù)值和傳輸距離數(shù)值，量化節(jié)點(diǎn)間實(shí)際的信息交互成本，可表示為：

36、

37、式中，為假定節(jié)點(diǎn)zi為該集群的中心點(diǎn)時(shí)的實(shí)際的信息交互成本；

38、s1323、判斷內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際的信息交互成本數(shù)值大小是否全部計(jì)算完畢，若是則進(jìn)入s1324，若否則返回s1322計(jì)算該集群內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)作為中心點(diǎn)時(shí)的實(shí)際信息交互成本；

39、s1324、比較內(nèi)各節(jié)點(diǎn)作為中心點(diǎn)時(shí)的實(shí)際信息交互成本，數(shù)值最小點(diǎn)即為該能源集群的中心點(diǎn)；

40、s1325、判斷是否船舶綜合能源系統(tǒng)內(nèi)全部能源集群均已確定好中心點(diǎn)，若是則完成能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)聚類算法，若不是則返回s1321，更換其他能源集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)。

41、進(jìn)一步地，s2具體包括如下步驟：

42、s21、基于s131得到的能源集群節(jié)點(diǎn)劃分結(jié)果，和s132得到的對(duì)應(yīng)中心節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理目標(biāo)函數(shù)；

43、s211、根據(jù)船舶航行期間各能源設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建船舶綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)，表示為：

44、

45、式中，economic為航行期間船舶綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益總額；為節(jié)點(diǎn)zi所在能源設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，其數(shù)值大小由設(shè)備自身決定；為能源設(shè)備出力情況，其中p為電能，h為熱能；

46、s212、根據(jù)船舶航行期間各能源設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建船舶綜合能源系統(tǒng)環(huán)境效益函數(shù)，表示為：

47、

48、式中，eeoi為航行期間船舶能效運(yùn)行指數(shù)；為節(jié)點(diǎn)zi所在化石燃料設(shè)備的碳排參數(shù)，其數(shù)值大小由設(shè)備自身決定；capacity表示對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)船舶的承載游客量；distance表示對(duì)應(yīng)航段航程；

49、s213、基于船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，構(gòu)建航行期間船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理的目標(biāo)函數(shù)，表示為：

50、min{economic,eeoi}

51、其中，該函數(shù)實(shí)際表示取economic和capacity的折中值作為能源管理的目標(biāo)函數(shù)；

52、s22、建立滿足航行需求的物理約束條件；

53、所述物理約束條件包括異質(zhì)能源供需平衡約束、航速、航程約束、能源設(shè)備供能出力約束和靜態(tài)電壓安全約束；

54、異質(zhì)能源供需平衡約束用于保證供能側(cè)出力響應(yīng)負(fù)荷側(cè)需求，表示為：

55、

56、式中，分別為節(jié)點(diǎn)zi所在化石燃料設(shè)備、可再生能源設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)荷設(shè)備的供能/耗能出力情況；

57、航速、航程約束用于保證船舶航行期間的航速及航程，以確保規(guī)定時(shí)間內(nèi)按照既定航線航行，表示為：

58、

59、式中，v為船舶航速；dist為船舶航程；j為船舶航行期間某時(shí)段；t為時(shí)間間隙，是一固定常數(shù)；(·)m和(·)m分別表示對(duì)應(yīng)變量的最小值和最大值；

60、能源設(shè)備供能出力約束用于保證能源設(shè)備時(shí)刻保證在其安全運(yùn)行范圍內(nèi)，表示為：

61、

62、式中，

63、靜態(tài)電壓安全約束用于保證電能網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)電壓幅值在其安全裕度內(nèi)，表示為：

64、

65、式中，表示節(jié)點(diǎn)zj電壓偏移量，該值為負(fù)數(shù)時(shí)表示當(dāng)前該節(jié)點(diǎn)處于安全裕度內(nèi)，該值為正數(shù)時(shí)表示當(dāng)前該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓越限；為常數(shù)，與無功功率注入有關(guān)。

66、進(jìn)一步地，s3具體包括如下步驟：

67、s31、簡(jiǎn)化能源管理問題目標(biāo)函數(shù)；

68、s311、考慮到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的單位不同，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行量綱歸一化，表示為：

69、

70、式中，fec、feo分別為航行期間的船舶的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益；分別為經(jīng)濟(jì)效益的最小值和最大值；分別為環(huán)境效益的最小值和最大值；

71、s312、引入權(quán)值系數(shù)，將多目標(biāo)優(yōu)化問題簡(jiǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，表示為：

72、min{σ1f1+σ2f2}

73、式中，σ1和σ2為可調(diào)動(dòng)態(tài)權(quán)值系數(shù)，且滿足σ1+σ2＝1；

74、s32、整合目標(biāo)函數(shù)和物理約束條件，重構(gòu)船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理模型；

75、所述重構(gòu)船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理模型包括：整合系數(shù)矩陣、權(quán)值矩陣為緊湊形式，此時(shí)船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理模型表示為：

76、minf(x)

77、

78、式中，a為能源集群的系數(shù)矩陣；x為能源集群的決策變量；x為船舶綜合能源系統(tǒng)的決策變量；b為常數(shù)向量，由船舶航行需求決定；

79、s33、設(shè)計(jì)出力、出力誤差和邊際成本的迭代公式，并求解當(dāng)前最優(yōu)能源管理方案；

80、s331、設(shè)計(jì)出力迭代公式，表示為：

81、

82、式中，weh能源集群的權(quán)值系數(shù)矩陣；λ為邊際成本向量；e為出力誤差向量；ρ為非負(fù)懲罰系數(shù)；k為迭代次數(shù)；

83、s332、設(shè)計(jì)出力誤差迭代公式，表示為：

84、ek+1＝wehek+axk+1-axk

85、s333、設(shè)計(jì)邊際成本迭代公式，表示為：

86、λk+1＝wehλk+ρek+1

87、s334、對(duì)出力、出力誤差、邊際成本變量進(jìn)行迭代處理，當(dāng)出力方案收斂至設(shè)定的閾值內(nèi)，完成當(dāng)前最優(yōu)能源管理方案的制定，否則返回s331。

88、進(jìn)一步地，s4具體包括如下步驟：

89、s41、計(jì)算出力誤差上下限，確定正常工作區(qū)間；

90、出力誤差上下限的計(jì)算公式，表示為：

91、

92、式中，分別表示節(jié)點(diǎn)zi在第k次迭代時(shí)出力誤差的最小值和最大值；為節(jié)點(diǎn)zi與其鄰居節(jié)點(diǎn)間的最低和最高的節(jié)點(diǎn)通訊質(zhì)量，具體表示為：

93、

94、式中，為節(jié)點(diǎn)zi和節(jié)點(diǎn)z′j間的通訊質(zhì)量；z′j為節(jié)點(diǎn)zi的鄰居節(jié)點(diǎn)；為節(jié)點(diǎn)zi的鄰居節(jié)點(diǎn)集合；

95、s42、實(shí)時(shí)檢測(cè)出力誤差迭代狀態(tài)，計(jì)算出力誤差準(zhǔn)確率；

96、s421、判斷當(dāng)前出力誤差是否處于安全裕度內(nèi)，

97、當(dāng)時(shí)，記錄當(dāng)前出力誤差正確率為錯(cuò)誤率為

98、當(dāng)時(shí)，記錄當(dāng)前出力誤差正確率為錯(cuò)誤率為

99、s422、計(jì)算當(dāng)前出力誤差準(zhǔn)確率，表示為：

100、

101、式中，為第k次迭代時(shí)的出力誤差準(zhǔn)確率；

102、s43、判斷異常能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)；

103、當(dāng)出力誤差準(zhǔn)確率時(shí)，判定節(jié)點(diǎn)zi可正常運(yùn)行，為準(zhǔn)確率閾值，此時(shí)，令k→k+1，返回s41；

104、當(dāng)出力誤差準(zhǔn)確率時(shí)，判定節(jié)點(diǎn)zi不可正常運(yùn)行，為準(zhǔn)確率閾值，即此時(shí)節(jié)點(diǎn)zi為異常節(jié)點(diǎn)。

105、進(jìn)一步地，s5具體包括如下步驟：

106、針對(duì)s4中檢測(cè)出的異常節(jié)點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)異常節(jié)點(diǎn)出力、出力誤差、邊際成本的迭代公式，包括：

107、出力迭代公式：

108、

109、式中，分別為異常節(jié)點(diǎn)的出力、出力誤差和邊際成本；為能源集群的輸出；c、a分別為系數(shù)、傳輸矩陣，與船舶綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)；ρ為懲罰系數(shù)；

110、出力誤差迭代公式：

111、

112、邊際成本迭代公式：

113、

114、本發(fā)明還提供了一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)包括存儲(chǔ)的程序，其中，所述程序運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行上述任一項(xiàng)船舶綜合能源系統(tǒng)分布式彈性能源管理方法。

115、本發(fā)明還提供了一種電子裝置，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器通過所述計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行執(zhí)行上述任一項(xiàng)船舶綜合能源系統(tǒng)分布式彈性能源管理方法。

116、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

117、本發(fā)明以船舶綜合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象，可有效促進(jìn)航運(yùn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在保證船舶安全可靠航行的同時(shí)，為其提供最優(yōu)能源管理方案。本發(fā)明構(gòu)建一種充分考慮航行特征、船舶結(jié)構(gòu)特征的船舶綜合能源系統(tǒng)能源管理模型，并設(shè)計(jì)一種完全分布式的能源管理方法。同時(shí)，為提升船舶航行期間的安全性，本發(fā)明提出一種可抵御船舶綜合能源系統(tǒng)船域能源網(wǎng)絡(luò)攻擊的能源管理方法。本發(fā)明的提出可在保證船舶航行期間能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益的同時(shí)，監(jiān)控船舶綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各能源設(shè)備節(jié)點(diǎn)運(yùn)行情況，并有應(yīng)對(duì)異常節(jié)點(diǎn)擾亂能源系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的消極影響，可有效提升船舶行駛的安全性。