全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法技术

本发明专利技术公开了一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，提取能源、政治和经济中的影响因素，根据各影响因素之间的因果关系，确定速率变量和状态变量，建立全球能源互联网宏观运行特性因果关系图，对不同类型的影响因素的历史数据进行标准化处理，依次选取每个变量，查找所有指向该变量的变量集合，依据历史数据确定变量间的代数方程，完成全球能源互联网系统变量间数学公式构建，将方程差分化处理，在突发事件发生前采用改进欧拉法进行迭代，在突发事件发生后采用四阶龙格库塔法进行迭代，以自适应步长进行仿真预测，预测推演出全球能源互联网的宏观运行特性。

【技术实现步骤摘要】
全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法
本专利技术涉及全球能源互联网宏观运行特性领域，具体涉及一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法。
技术介绍
能源和环境问题是当今世界共同面临的重大挑战。长期过度开发使得传统化石能源趋于枯竭，能源地缘政治事件频发引发区域战争不断，碳排放超限造成气候变暖趋势加剧。大规模开发利用清洁、低碳能源，实现能源消费向低碳转型是关系人类可持续发展的重要基础。树立全球能源观，构建全球能源互联网，统筹全球能源资源开发、配置和利用，保障能源的安全、清洁、高效和可持续供应，已成为国际社会的共识。全球能源互联网是物理系统与信息系统的有机融合，同时也是能量流与信息流的统筹结合，其具有若干复杂特征。全球能源互联网具有复杂的动力学特性，其宏观运行特性受国际政治局势、经济发展、能源格局等各种因素的影响。如何量化分析国际政治、经济、能源间的关系，设计一种适用于全球能源互联网宏观运行特性仿真的自适应变步长积分方法，从而模拟和推演在不同国际政治、市场环境下全球能源发展格局及其变化情况，对于预测国际能源供需、优化全球能源配置及构建全球能源互联网过程中的宏观决策等均具有战略性指导意义。可以预见，全球能源互联网不仅仅涉及能源系统，而且涉及国际政治系统和经济系统，其影响因素众多，采用数学模型模拟和推演的过程中势必会存在诸多变量和微分方程，非线性程度极高，而且不同子系统间时间常数差异巨大。现有数学模型往往仅考虑其中某一个或部分子系统，无法将国际政治系统-经济系统-能源系统建立在统一框架下进行仿真；此外，现有数值积分方法也无法模拟秒级和年度级时间常数共存的情形，为了能够模拟秒级数据变化，势必要减小迭代步长，大大增加计算耗时。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，本专利技术提取能源、政治和经济系统中的主要影响因素，摒除次要影响因素；然后进行历史数据统计分析，建立金融市场、能源价格等变量关于全球政治事件的量化函数关系，获得国际政治系统-经济系统-能源系统间的数学模型，能够针对各类突发政治事件采用不同的初值条件，在保证计算精度的基础上有效减少计算耗时。为了使本领域技术人员能够更好的明白技术方案，首先进行名词解释如下：政治系统：主要是指会对全球一次能源和电力消费产生显著影响的政治因素集合，比如重大国际或区域战争、多国间政治博弈、政治突发事件、以及石油含量十分丰富的中东区域局势等，都是在本专利中需要考虑的政治系统的构成。经济系统：主要是指会对全球一次能源和电力消费产生显著影响的经济因素集合，比如、全球GDP总额、各产业GDP、国际金融市场、能源类股票价格变化、石油价格、电力价格、美元汇率以及各种突发事件如金融危机等，都是在本专利中需要考虑的经济系统的构成。能源系统：由于本专利主要考虑能源的宏观运行特性，因此本专利中能源系统主要包括一次能源消费量、电力消费量、石油供给量、主要产油区产量、线路网损率、资源开发成本、清洁能源消费量与装机量等，通过描述各因素间的因果关系来描述各系统的动态特性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，提取能源、政治和经济中的影响因素，根据各影响因素之间的因果关系，确定速率变量和状态变量，建立全球能源互联网宏观运行特性因果关系图，对不同类型的影响因素的历史数据进行标准化处理，依次选取每个变量，查找所有指向该变量的变量集合，依据历史数据确定变量间的代数方程，完成全球能源互联网系统变量间数学公式构建，将方程差分化处理，在突发事件发生前采用改进欧拉法进行迭代，在突发事件发生后采用四阶龙格库塔法进行迭代，以自适应步长进行仿真预测，预测推演出全球能源互联网的宏观运行特性。进一步的，确定政治系统、经济系统和能源系统三个子系统的重要内部变量以及子系统间的重要边界变量；作为一种优选方案：选取政治系统变量集合为：{政治突发事件、多国博弈、国际能源政策、中东政治局势}；选取经济系统变量集合为：{全球GDP总额、人均GDP、第一产业GDP、第二产业GDP、第三产业GDP、第一产业增长额、第一产业增长率、第二产业增长额、第二产业增长率、第三产业增长额、第三产业增长率、金融危机、石油价格、电力价格、美元汇率、资源开发成本}；选取能源系统变量集合为：{居民用电量、第一产业用电量、第二产业用电量、第三产业用电量、清洁能源消费量、新增清洁能源装机、电力消费量、网损率、石油消费量、能源消费总量、储产比、石油供给、OPEC产量、非OPEC产量}。进一步的，确定各个子系统内部变量之间的因果关系以及子系统间重要边界变量的因果关系，完成全球能源互联网宏观运行特性因果关系图，以确定的因果关系图为基础，依次分析每个因果关系间是否与要添加状态变量和速率变量，其余变量均为辅助变量，在因果关系图的基础上添加速率变量，形成模型流图。进一步的，如果因果关系间的分析结果为需要添加速率变量，则证明该因果关系满足微分关系，否则，说明该因果关系满足代数方程关系。进一步的，模型流图中的变量即为全球能源互联网宏观特性仿真中的全部变量集合，收集变量集合中所有变量的历史数据，保证所有数据的维数一致。进一步的，若因果关系满足微分关系，则依次选取每一个变量x，查找所有指向该变量的变量集合，记作{S}，如果该集合{S}中有一个变量为速率变量，则该变量x为状态变量，确定状态变量及速率变量之间的微分方程，然后依据历史数据确定系数取值。进一步的，若因果关系满足代数方程关系，依次选取每一个变量x，查找所有指向该变量的变量集合，记作{S}，如果该集合{S}中所有变量均为辅助变量，则该变量x也是辅助变量，然后依据历史数据确定变量间的代数方程，完成全球能源互联网系统变量间数学公式构建。确定仿真开始时刻、终止时刻和总仿真时间，并依据突发事件类型和初值条件选取仿真步长，仿真步长的值在突发事件发生前视稳态数据精度要求而定，在突发事件发生后，仿真步长视暂态数据精度和数据量要求而定，采用变步长策略。判断所建立的代数方程是否存在时间延迟，如果存在，根据变量种类自定义延迟时间，选取为仿真步长的整数倍。进一步的，若在仿真步长△t内能够获得m组自变量x的数据，则需要分别利用m组数据带入方程中求因变量或状态量值，然后计算平均值作为t+△t时刻因变量或状态量的值；若在仿真步长△t内未能够获得自变量x的数据，则需要采用插值法求取变量x在该时刻的值，然后带入微分方程方程或代数方程求取t+△t时刻状态量的值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术方法以全球能源互联网为载体，通过全球能源互联网宏观运行特性仿真将政治系统、经济系统和能源系统有机融合在一个仿真框架内，通过选取合适变量描述三个子系统，将重大政治和经济事件量化表达，能够有效描述三个子系统的动态特性，并且预测推演全球能源互联网的宏观运行特性。具体效果如下：1)各子系统变量选取典型恰当。政治、经济和能源系统联系复杂，变量众多，非线性程度高。本方法通过选取典型变量描述三个子系统，在保证仿真精度的同时能够有效降低模型维数，提高计算速度，工程适用性强。2)建立子系统内及子系统间的定量数学函数模型。通过进行历史数据统计和调研分析，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，其特征是：提取能源、政治和经济中的影响因素，根据各影响因素之间的因果关系，确定速率变量和状态变量，建立全球能源互联网宏观运行特性因果关系图，对不同类型的影响因素的历史数据进行标准化处理，依次选取每个变量，查找所有指向该变量的变量集合，依据历史数据确定变量间的代数方程，完成全球能源互联网系统变量间数学公式构建，将方程差分化处理，在突发事件发生前采用改进欧拉法进行迭代，在突发事件发生后采用四阶龙格库塔法进行迭代，以自适应步长进行仿真预测，预测推演出全球能源互联网的宏观运行特性。

【技术特征摘要】
1.一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，其特征是：提取能源、政治和经济中的影响因素，根据各影响因素之间的因果关系，确定速率变量和状态变量，建立全球能源互联网宏观运行特性因果关系图，对不同类型的影响因素的历史数据进行标准化处理，依次选取每个变量，查找所有指向该变量的变量集合，依据历史数据确定变量间的代数方程，完成全球能源互联网系统变量间数学公式构建，将方程差分化处理，在突发事件发生前采用改进欧拉法进行迭代，在突发事件发生后采用四阶龙格库塔法进行迭代，以自适应步长进行仿真预测，预测推演出全球能源互联网的宏观运行特性。2.如权利要求1所述的一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，其特征是：确定政治系统、经济系统和能源系统三个子系统的重要内部变量以及子系统间的重要边界变量。3.如权利要求1所述的一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，其特征是：确定各个子系统内部变量之间的因果关系以及子系统间重要边界变量的因果关系，完成全球能源互联网宏观运行特性因果关系图，以确定的因果关系图为基础，依次分析每个因果关系间是否与要添加状态变量和速率变量，其余变量均为辅助变量，在因果关系图的基础上添加速率变量，形成模型流图。4.如权利要求1所述的一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，其特征是：如果因果关系间的分析结果为需要添加速率变量，则证明该因果关系满足微分关系，否则，说明该因果关系满足代数方程关系。5.如权利要求1所述的一种全球能源互联网运行特性仿真的自适应变步长积分方法，其特征是：模型流图中的变量即为全球能源互联网宏观特性仿真中的全部变量集合，收集变量集合中所有变量的历史数据，保证所有数据的维数一致。6.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恒旭，于学良，石访，石鑫，于芃，王瑞琪，王海超，
申请(专利权)人：山东大学，国网山东省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37