多区系统

多区系统是指由多区域控制器汇合连接形成的综合管理区域网。例如在多区域空调系统中，由于多区效应的存在，使得在满足各区域空气品质要求与降低能耗之间的权衡成了一个很大的难题。

多区系统详细介绍

多区系统是指由多区域控制器汇合连接形成的综合管理区域网。例如在多区域空调系统中，由于多区效应的存在，使得在满足各区域空气品质要求与降低能耗之间的权衡成了一个很大的难题。

多区系统概念

多区系统（multi-site system）由多个单区网通过区域控制器连接而成的分级管理区域网。这样在一个地域中可以有多个不一定相邻接的区，各区设单区网。每个单区网的控制中心通过无线或有线方式与区域控制器相连，并且受其控制和管理。

多区系统多区系统的新风控制策略的研究

多区系统研究背景

根据ASHRAE Standard62—2001中的要求，空调系统的送风一方面要有效地消除室内多余的热负荷，另一方面要保证室内的空气品质达到“可接受”的程度，为此制定了各类用途建筑物的最小新风量。但在实际的多区域送风系统中，从总体上达到最小新风量只符合系统级控制的要求，而从区域级控制上考察，则完全不可接受。

空调区域的负荷由照明热、人体热、设备热以及太阳辐射热等组成，可以通过调节每个区域的VAV风箱改变送风量，以满足区域的冷负荷要求。区域的新风需求根据用途及其使用者的活动状况确定，因此它的值在不同区域、甚至同一区域的不同时刻都完全不同，这就造成各个区域需求新风比的不同。通常情况下，由一个AHU服务的多区域，它们的新风比是相同的。因此对于AHU新风比高于需求新风比的区域，送入的新风量超过了需求量，区域的空气品质虽然大大提高，但也浪费了能量；而AHU新风比小于需求新风比的区域，由于新风不足，区域中污染物不能有效地稀释，会导致空气品质恶化，影响室内人员的身体健康。要避免个别区域的通风不足，有4种方法：

(1)增大AHU新风比y，满足各个区域的新风需求；

(2)提高送风温度，增大送风量，在AHU新风比不变的情况下提高流入区域的新风量；

(3)采用ASHRAE标准的多区方程对新风比进行修正，充分利用回风中尚未被利用的新风；

(4)保持AHU新风比不变，用末端再热的方法增加通风不足区域的热负荷，以提高其送风量，从而加大新风供给。

由于第4种方法的关键是回热，而它在动态工况的控制中存在一个严重问题:再热器的热延迟。由于再热器的热容、功耗和放热量之间有一定的时间延迟，这个延迟将导致再热效果变差，能耗增大。在这方面的研究主要集中在预测数学的引入，但效果并不很理想。

多区系统新风控制方案

（1）最大新风比策略(MaxY策略)

AHU新风比根据临界区域(新风比要求最大的区域)的新风比确定，这样可以满足各个区域的新风要求，但是新风负荷必然相当大，除了临界区域外，其它区域都处于过量通风的状态。因此MaxY策略是一种以较高的耗能来换取空气品质的策略。

（2）提高送风温度策略(SAT—Reset策略)

在部分负荷情况下，提高AHU的送风温度，可以增加各个区域的送风量，在系统新风比不变的情况下，各区域中送入的新风量就会增大，从而满足临界区域的新风需求。这种方法的优点在于因为采用了较大的送风量，可以使室内的空气与新风混合得更加均匀，达到更好的稀释效果。但增大风量的同时风机能耗也上升，而且送风温度提高，使得系统对空调区域的湿度控制能力相应减弱。

多区系统研究结论

最大新风(MaxY)策略采用了临界区域的新风比作为系统新风比，因此有大量区域处于过量通风状态，通过测量室内CO₂浓度，可见看到这种策略可以得到最好的空气品质，而能耗方面和SAT—Reset策略相差不大，甚至略低，但要高于MSE策略。

提高送风温度(SAT—Reset)策略的送风量最大，这有助于区域内空气的均匀混合，因而可以得到较好的舒适性，但势必增加送、回风机的能耗，因此提高送风温度在能耗方面可能有所增加，同时送风温度提高了，对区域的湿度控制作用必然有所削弱。

多区系统基于诺顿等值的多区系统优化分解协调算法

传统的无功优化计算方法在计算速度上还不能满足大规模电力系统实时控制的要求。将分布在不同区域的计算机通过网络互联，采用高性能的计算机技术和优化算法对大型互联系统实施分析和计算已经成为可能。如何高效地运用现有计算资源通过并行计算实现大规模电力系统无功优化分布式在线计算，具有重要意义。

潮流和最优潮流并行计算的基本思想是：按实际地理位置或物理结构，将电力系统分解为多个区域，区域间采用某种方式进行协调修正。主要方法有：节点分裂法，相当于在区域之间的联络线上插入电压源，用其电压作为计算中的协调变量；支路切割法，相当于在区域间的联络线上插入电流源以代替各子区域间状态变量的影响，用其电流作为计算的协调变量；利用矩阵理论的处理方法，如对角加边模型、重叠分块牛顿法、加速重叠分块牛顿法等；外部网络等值法，主要采用Ward等值和戴维南等值。

研究将采用节点分裂法将电力系统按照实际地理位置进行区域分解，通过对外部系统进行诺顿等值，实现各个区域无功优化的独立计算，即内层迭代计算，并引入一套简单有效的协调机制修正边界节点的等值注入功率和电压，即外层迭代计算，最终实现大系统无功优化分解与协调计算，提高计算效率。该算法强调各区域地位平等，不分主次，各自数据资源相互独立，以各区域电网之间的少量数据交换来实现无功优化协调分布式计算，并且保证各区域在优化过程中均可监视与其它区域之间的联络线潮流功率变化。

多区系统系统分区及诺顿等值

以图1两区域系统为例，说明内部节点、边界节点及外部系统的诺顿等值电路概念。图1(a)为原系统接线图，该系统由区域A1和A2构成，它们通过联络线Lim和Ljn相连。联络线的端点i、j、m和n统称为边界节点，用集合B表示。对于区域A1而言，定义节点m和n为外边界节点，用集合B_E表示，其节点电压幅值和相角表示为x_BE；定义节点i和j为内边界节点，用集合B_I表示，其节点电压幅值和相角表示为_xBI。同理，对于区域A2而言，定义节点i和j为外边界节点，节点m和n为内边界节点。用I代表区域A1或A2的内部节点集，节点电压幅值、相角，发电机和无功补偿装置的无功出力等变量表示为x₁。

在对区域A1进行优化计算时，以其外边界节点m、n及地节点构成多端口，根据诺顿等值原理对区域A2进行外部等值，如图1(b)所示。z_m0、z_n0和z_mn表示外部网络的诺顿等值阻抗，S_m和S_n表示外部网络的等值注入功率。类似地，在对区域A2进行优化计算时，也可根据诺顿等值原理对区域A1进行外部等值，如图1(c)所示。z_i0、z_j0和z_ij表示外部网络的诺顿等值阻抗，S_i和S_j表示外部网络的等值注入功率。值得注意的是，以外边界节点和地节点组成的多端口对外部网络实施诺顿等值，可以保证各区域在优化过程中均可监视与其它区域之间的联络线潮流功率变化。

多区系统无功优化分解协调算法

（1）诺顿等值参数的求取

外部网络的诺顿等值模型参数包括端口的等值注入功率、节点阻抗矩阵和外边界节点的电压，如图1(b)中的S_m、S_n、z_m0、z_i0、z_mn、V_m和V_n。通过高斯消去法对外部网络进行变换得等值模型导纳矩阵，对其求逆，即可得到端口节点阻抗矩阵。等值注入功率和外边界节点的电压可由2条途径获得：一是每次通过网络变换得到精确的外部网络等值模型，此方法固然可以逐步提高等值精度，最终获得与集中优化相同的结果，但实现存在诸多困难，如：等值注入功率的计算量较大；二是以基态时联络线潮流值作为等值注入功率初值，基态时的外边界节点电压值作为其电压初值。当内层迭代结束后，在各区域内部节点变量确定的前提下，等值注入功率和外边界节点电压可以通过外层迭代进行修正，逐步提高外部网络等值模型的精度。与内层迭代的交替使用，最终可获得精确的等值参数。显然第2种方法的计算量比第1种小。在无功优化过程中，外边界节点电压和等值注入功率易于得到。

（2）各区域功率平衡原则

在集中优化计算中，通常取一个平衡节点，既作为整个电网有功功率平衡点也作为全网节点电压相角的参考点。为与集中优化结果保持一致，在分布式计算中，原平衡节点仍作为其所在区域的平衡节点，对于不含原平衡节点的其它区域，在计算过程中功率无法平衡时，其缺额从外边界节点注入。通常无功本着就地平衡的原则，较易实现平衡，边界注入功率对有功平衡影响较大。

（3）参考节点选取及电压相角修正

为实现各个区域无功优化的独立计算，不同区域应该取不同的参考节点。原平衡节点仍作为其所在区域的参考节点，对于不含原平衡节点的其它区域，取其某一个外边界节点为参考节点。在各区域的优化计算完成后，再对其它区域的节点电压相角进行修正，折算到统一的参考节点(原平衡节点)上。

多区系统计算步骤

无功优化分解协调计算步骤如下：

1）预备阶段，对全网进行初始潮流计算和分区，计算各区域的外部网络等值阻抗。

2）内层迭代计算，求取各区域外部网络诺顿等值模型参数，并应用非线性原对偶内点法，分别独立进行无功优化计算。其收敛判据为补偿间隙g<10，最大潮流偏差e<10。

3）用式(1)(2)修正各区域(不含平衡节点)节点电压相角。

4）检验边界节点电压是否满足收敛条件。如果满足，则整个计算结束；否则，转第5）步。其收敛判据为相同边界节点电压在不同区域中优化计算结果满足：电压幅值之差的绝对值小于10，电压相角之差的绝对值小于0.01。

5）外层迭代计算，修正各个区域外部网络的诺顿等值模型参数。

6）计算各区域功率缺额，并采用调整边界节点注入有功功率的方法实施平衡，然后转第2）步。

多区系统算法误差分析

对不含原平衡节点的区域，将功率缺额人为分配给外边界节点的等值注入，给计算结果带来一定误差。从无功优化的角度考虑：算例各子区域有功缺额不大，因此分配边界节点有功等值注入所带来的计算误差相对较小。无功优化计算过程中，无功潮流分布变动相对较大，因此边界节点的无功等值注入所产生的误差相对较大，但无功潮流分布变化所产生的误差取决于边界节点的无功支撑路径。如果某边界节点的无功支撑来自相同区域，则通过边界节点的注入量相对较小，所产生计算误差较小。如果边界节点的无功支撑来自其它区域，则通过人为分配等值注入无功功率造成的计算误差相对较大。从表1可以看出，研究的分解协调算法在应用中均能较快收敛到最优点，表明算例各子区域均能实现无功功率的自我满足。对产生较大误差的算例，某些子区域无功功率难以实现自我满足，需要从其它区域注入。通过对系统区域分解，从无功支撑路径入手进行分区(如：用基于无功电压灵敏度的分区方法等)，可实现各个子区域无功功率的自我满足，减小了计算误差。

多区系统研究结论

1）对于区域间具有强耦合或弱耦合的大系统均可使用，且各子区域地位平等。

2）在优化过程中，容易获取采用多端口注入功率和阻抗表示的诺顿等值模型参数，并能实现跟踪修正，达到了较好的分解协调效果。用各区域间较小的数据交换量取得了较好的计算效果，并能对区域间的联络线潮流功率变化进行监控。