[0001] 本发明涉及农场生产技术领域，尤其涉及一种电‑水协同的农场供能系统运行优化方法。

[0002] 随着技术进步和政策推动，我国畜牧业正向集约化、产业化和电气化方向发展，涌现出一批以奶牛养殖为核心产业的规模化综合型农场。

[0003] 农业生产过程中产生的大量有机废弃物可以通过厌氧发酵生产沼气，既能减少甲烷等温室气体的排放，又可以提供稳定的电能来源。因此，农场普遍配备粪污处理和沼气发电系统。目前许多学者围绕沼气发电开展农场供能系统的运行优化研究，以帮助农场进一步降低用能成本，研究表明沼气发电是农场实现低碳经济运行的有效手段。但，当前研究主要着眼于沼气发电设施与其他供能主体之间的协调运行，未深入考虑沼气发电与自身农业设备的灵活互动。另外，农场生产环节复杂，涵盖奶牛养殖、挤奶作业、粪污收集、厌氧发酵以及污水处理等多种设备，但，当前研究主要针对农场小部分生产环节开展灵活调度研究，对农场生产环节的研究不够全面。因此，对农场整体性建模和灵活性挖掘有待进一步深入。

[0004] 近年来，越来越多的学者开始关注配电系统与配水系统的协同运行，通过调节配水网中的水泵和蓄水设施，可以实现水网与电网之间的良性互动。而在农场生产中，电力和水资源的消耗密切相关。奶牛饲养和挤奶过程中大量水资源的使用，以及污水处理系统的运作，都依赖于稳定的电力供应。同时，污水处理设施和用水设备在运行过程中也消耗大量电能，尤其是在夏季高温期间，这些设备的能源消耗显著增加，成为农场主要的能源消耗源。因此，农场表现出显著的“电‑水”耦合特征。然而，当前针对农场运行优化的研究主要围绕电能、热能和天然气开展，尚未从“电‑水”耦合角度对农场供能系统开展研究。

[0005] 为衡量农场的低碳性，通常采用碳交易机制描述农场的碳排放情况，但由于现行的碳交易机制尚未成熟，沼气发电作为一种清洁能源如何定义其碳排放配额正处于研究中。而目前的研究均未考虑沼气发电的碳排放配额，仍未建立完善的计及沼气发电参与的碳交易机制。

[0006] 为此，需要一种电‑水协同的农场供能系统运行优化方法，以解决上述技术问题。

[0076] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0077] 现有技术中对于农场供能系统的运行优化方案，对农场生产环节的考虑不够全面，主要是围绕电能、热能和天然气研究农场运行优化方案，尚未从“电‑水”耦合角度研究农场供能系统的运行优化方案，并且，未建立完善的计及沼气发电参与的碳交易机制。

[0078] 针对上述技术问题，本发明实施例提出了一种电‑水协同的农场供能系统运行优化方法，首先针对农场实际生产过程中的各个用能环节进行建模，并构建农场电‑水耦合供能网络模型，进而构建的电‑水耦合供能系统调度模型，全面考虑了农场生产各个用能环节，能够从电‑水耦合角度提供农场供能系统的低碳经济调度方案，而且将沼气发电机组纳入了碳交易机制，能够以经济性和低碳性为目标来调节农场供能系统中各个设备的运行方式，这样，能够有效降低农场用能成本和碳排放量，实现农场供能系统的低碳经济运行。

[0079] 图1示出了根据本发明实施例提供的一种农场供能系统100的结构示意图。

[0080] 如图1所示，农场供能系统100包括农场生产层、农场配电网、农场配水网。其中，农场配电网和农场配水网的结构呈辐射状。

[0081] 在一些实施例中，如图1所示，农场供能系统100的上层为农场配电网，农场配电网为单回线辐射网，电压等级以10kV为主，农场配电网包括多个配电网节点和多条支路。具体地，农场配电网共包括22个配电网节点，21条支路，例如包括牛舍、转盘式挤奶机、污水处理系统等关键配电网节点，农场配电网的电能来源于电网购电(接入22号配电网节点)、沼气发电(接入1号配电网节点)、光伏(接入13号配电网节点)和风电(接入3号配电网节点)。

[0082] 农场供能系统100的下层为农场配水网，农场配水网包括多个配水网节点和多条管道。具体地，农场配水网共包括14个配水网节点，13条管道，其中2‑11号配水网节点分别为1‑10号牛舍供水，12‑14号配水网节点分别为1‑3号转盘式挤奶机供水。为防止农场配水网末端的水压过低，可以在农场配水网中安装4台水泵，4台水泵分别接入农场配水网的I、III、VIII和XI号管道。

[0083] 农场供能系统100的中层为农场生产层，农场生产层用于进行农场生产。农场生产层可以部署多个农场设备，多个农场设备例如包括沼气发电机组、厌氧发酵罐(罐顶为一体化储气柜)、火炬、一级污水处理区、二级污水处理区、三级污水处理区、缓存池(清水缓存池)、多个挤奶厅(具有转盘式挤奶机)、多个牛舍。沼气发电机组包括至少一个沼气发电机。

[0084] 需要说明的是，在本发明的实施例中，基于农场实际生产过程，可以将农场主要用能环节概括为三部分：奶牛饲养和挤奶环节，沼气生产供能环节，农场污水处理环节。即，农场生产过程包括多个用能环节，多个用能环节包括奶牛饲养和挤奶环节、沼气生产供能环节以及污水处理环节。其中，农场生产过程中的各个用能环节需要用到一个或多个农场设备。

[0085] 在一些实施例中，奶牛饲养和挤奶环节使用的农场设备包括牛舍湿帘降温系统、奶牛饮水系统、转盘式挤奶机。沼气生产供能环节使用的农场设备包括厌氧发酵罐、储气柜、沼气发电机。农场污水处理环节使用的农场设备包括水泵、曝气机、反渗透设备、蓄水池。

[0086] 在本发明的实施例中，计算设备可以被配置为执行电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300，通过执行电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300，能够确定各个负荷在新型电力系统市场中的最优行为策略。本发明的电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300将在下文中描述。

[0087] 下面介绍本发明实施例提供的一种计算设备200。

[0088] 图2示出了根据本发明实施例提供的一种计算设备200的示意图。如图2所示，在基本配置中，计算设备200包括至少一个处理单元202和系统存储器204。根据一个方面，取决于计算设备的配置和类型，处理单元202可以实现为处理器。系统存储器204包括但不限于易失性存储(例如，随机存取存储器)、非易失性存储(例如，只读存储器)、闪速存储器、或者这样的存储器的任何组合。根据一个方面，系统存储器204中包括操作系统205。

[0089] 根据一个方面，操作系统205例如适合于控制计算设备200的操作。此外，示例结合图形库、其他操作系统、或任何其他应用程序而被实践，并且不限于任何特定的应用或系统。在图2中通过在虚线内的那些组件示出了该基本配置。根据一个方面，计算设备200具有额外的特征或功能。例如，根据一个方面，计算设备200包括额外的数据存储设备(可移动的和/或不可移动的)，例如磁盘、光盘、或者磁带。这样额外的存储在图2中是由可移动存储设备209和不可移动存储设备210示出的。

[0090] 如在上文中所陈述的，根据一个方面，在系统存储器204中存储有程序模块203。根据一个方面，程序模块203可以包括一个或多个应用程序，本发明不限制应用程序的类型，例如应用程序可以包括：电子邮件和联系人应用程序、文字处理应用程序、电子表格应用程序、数据库应用程序、幻灯片展示应用程序、绘画或计算机辅助应用程序、网络浏览器应用程序等。

[0091] 在根据本发明的实施例中，程序模块203中包括执行本发明的电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300的多条程序指令。

[0092] 根据一个方面，可以在包括分立电子元件的电路、包含逻辑门的封装或集成的电子芯片、利用微处理器的电路、或者在包含电子元件或微处理器的单个芯片上实践示例。例如，可以经由其中在图2中所示出的每个或许多组件可以集成在单个集成电路上的片上系统(SOC)来实践示例。根据一个方面，这样的SOC设备可以包括一个或多个处理单元、图形单元、通信单元、系统虚拟化单元、以及各种应用功能，其全部作为单个集成电路而被集成(或“烧”)到芯片基底上。当经由SOC进行操作时，可以经由在单个集成电路(芯片)上与计算设备200的其他组件集成的专用逻辑来对在本发明中所描述的功能进行操作。还可以使用能够执行逻辑操作(例如AND、OR和NOT)的其他技术来实践本发明的实施例，所述其他技术包括但不限于机械、光学、流体、和量子技术。另外，可以在通用计算机内或在任何其他任何电路或系统中实践本发明的实施例。

[0093] 根据一个方面，计算设备200还可以具有一个或多个输入设备212，例如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等。还可以包括输出设备214，例如显示器、扬声器、打印机等。前述设备是示例并且也可以使用其他设备。计算设备200可以包括允许与其他计算设备218进行通信的一个或多个通信连接216。合适的通信连接216的示例包括但不限于：RF发射机、接收机和/或收发机电路；通用串行总线(USB)、并行和/或串行端口。

[0094] 如在本发明中所使用的术语计算机可读介质包括计算机存储介质。计算机存储介质可以包括以任何用于存储信息(例如，计算机可读指示、数据结构、或程序模块)的方法或技术来实现的易失性的和非易失性的、可移动的和不可移动的介质。系统存储器204、可移动存储设备209、和不可移动存储设备210都是计算机存储介质的示例(即，存储器存储)。计算机存储介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦只读存储器(EEPROM)、闪速存储器或其他存储器技术、CD‑ROM、数字通用盘(DVD)或其他光存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储器或其他磁存储设备、或者可用于存储信息并且可以由计算设备200访问的任何其他制品。根据一个方面，任何这样的计算机存储介质都可以是计算设备200的一部分。计算机存储介质不包括载波或其他经传播的数据信号。

[0095] 根据一个方面，通信介质是由计算机可读指令、数据结构、程序模块、或者经调制的数据信号(例如，载波或其他传输机制)中的其他数据实施的，并且包括任何信息传递介质。根据一个方面，术语“经调制的数据信号”描述了具有一个或多个特征集或者以将信息编码在信号中的方式改变的信号。作为示例而非限制，通信介质包括诸如有线网络或直接有线连接之类的有线介质，以及诸如声学、射频(RF)、红外线的、以及其他无线介质之类的无线介质。

[0096] 在根据本发明的实施例中，计算设备200被配置为执行电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300。计算设备200包括一个或多个处理器、以及存储有程序指令的一个或多个可读存储介质，当程序指令被配置为由一个或多个处理器执行时，使得计算设备执行本发明实施例中的电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300。

[0097] 在一些实施例中，执行本发明实施例中的电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300的计算设备200可以是终端或服务器。

[0098] 下面对本发明实施例中的电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300进行详细说明。

[0099] 图3示出了根据本发明实施例提供的一种电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300的流程示意图。如图3所示，电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300包括以下步骤310～340。

[0100] 步骤310、计算设备200可以针对农场生产过程(实际生产过程)中的多个用能环节分别进行建模，得到各个用能环节的农场设备模型，其中，多个用能环节具体包括奶牛饲养和挤奶环节、沼气生产供能环节以及污水处理环节。

[0101] 步骤320、计算设备200可以根据农场供能系统的布局以及农场配电网和农场配水网的结构(实际结构)，来构建农场电‑水耦合供能网络模型，其中，农场电‑水耦合供能网络模型包括农场配电网模型和农场配水网模型。

[0102] 步骤330、计算设备200可以基于前述步骤310中建立的各个用能环节的农场设备模型，以及步骤320中建立的农场电‑水耦合供能网络模型(整合农场设备模型约束和网络模型约束)，考虑沼气发电机组的全周期碳排放情况，利用年度基准值法确定沼气发电机组的碳排放配额，并以农场用能成本和农场供能系统的碳排放成本最低为目标函数，建立电‑水耦合供能系统调度模型(也即，运行优化模型)。

[0103] 需要说明的是，本发明是通过碳交易机制来衡量农场的碳排放情况。目前沼气发电在碳交易市场的地位被低估的原因在于两方面：第一，现行的碳交易机制尚未将沼气发电纳入配额管理；第二，沼气发电的碳减排效益难以衡量。为此，在本发明的实施例中，提出一种考虑沼气发电的碳交易机制，将沼气发电机组纳入了碳交易机制。其中为确保本发明方法与我国现行碳交易机制相匹配，可以采用年度基准值法来计算沼气发电机组的碳排放配额。

[0104] 在本发明的实施例中，农场供能系统可以包括多类电源，沼气发电机组可作为农场供能系统的多类电源中的一类电源。也就是说，除了沼气发电机组之外，农场供能系统还包括其他类型的电源(例如电网购电、光伏、风电)。

[0105] 在一些实施例中，农场供能系统的多类电源包括电网购电、光伏、风电、沼气发电机组。农场用能成本可以包括电网购电成本、购水成本、光伏运维成本、风电运维成本、沼气发电运维成本。也就是说，在步骤330中，可以基于电网购电成本、购水成本、光伏运维成本、风电运维成本、沼气发电运维成本，来确定农场用能成本。

[0106] 步骤340、计算设备200通过对电‑水耦合供能系统调度模型进行求解，可以得到农场供能系统的低碳经济调度方案，进而，可以基于低碳经济调度方案来对农场供能系统的运行进行优化。

[0107] 由此，根据本发明实施例构建的电‑水耦合供能系统调度模型，全面考虑了农场生产各个用能环节，能够从电‑水耦合角度提供农场供能系统的低碳经济调度方案，并将沼气发电机组纳入了碳交易机制，能够以经济性和低碳性为目标来调节农场供能系统中各个设备的运行方式，这样，能够有效降低农场用能成本和碳排放量，实现农场供能系统的低碳经济运行。

[0108] 应当理解，通过对本发明实施例构建的电‑水耦合供能系统调度模型进行求解得到的农场供能系统的低碳经济调度方案，可用于对农场供能系统中的各个用能环节的农场设备、农场配电网、农场配水网的运行方式进行优化。

[0109] 在本发明的实施例中，基于农场实际生产过程，可以将农场主要用能环节概括为三部分：奶牛饲养和挤奶环节，沼气生产供能环节，农场污水处理环节。即，农场生产过程包括多个用能环节，多个用能环节包括奶牛饲养和挤奶环节、沼气生产供能环节以及污水处理环节。其中，农场生产过程中的各个用能环节需要用到一个或多个农场设备。

[0110] 在一些实施例中，奶牛饲养和挤奶环节使用的农场设备包括牛舍湿帘降温系统、奶牛饮水系统、转盘式挤奶机。沼气生产供能环节使用的农场设备包括厌氧发酵罐、储气柜、沼气发电机。农场污水处理环节使用的农场设备包括水泵、曝气机、反渗透设备、蓄水池。

[0111] 需要说明的是，对于奶牛饲养和挤奶环节，除奶牛饲喂外，还需控制环境调节设备，将牛舍环境维持在奶牛最佳产奶状态，并通过转盘式挤奶机进行牛奶采集，完成牛奶生产作业。在沼气生产供能环节，可以农场中奶牛排泄粪污集中运输至一体化厌氧发酵罐，产生的沼气经过净化后供燃气轮机发电。在农场污水处理环节，可以奶厅废水等污水收集至废水池，废水经过三级处理后达到排放标准，处理得到的清水储存于清水缓存池中，一部分用于农场农田灌溉，其余排放。

[0112] 在一些实施例中，在步骤310中，具体可以针对农场实际生产过程中的多个用能环节使用的各个农场设备分别进行建模，得到各个农场设备的模型(数学模型)。

[0113] 根据本发明的一些实施例，在奶牛饲养和挤奶环节中，用能场景包括牛舍降温、奶牛饮水和挤奶作业，这三个用能场景分别可以利用牛舍湿帘降温系统、奶牛饮水系统和转盘式挤奶机完成生产作业。换言之，奶牛饲养和挤奶环节使用的农场设备(用能设备)包括牛舍湿帘降温系统、奶牛饮水系统、转盘式挤奶机。相应地，针对奶牛饲养和挤奶环节使用的各个农场设备进行建模，可以得到牛舍湿帘降温系统模型、奶牛饮水系统模型、转盘式挤奶机模型。

[0114] 需要说明的是，奶牛在环境温度过高时会产生热应激，导致产奶量显著降低，因此，必须通过牛舍湿帘降温系统来对牛舍进行环境调控，以帮助奶牛降温，防止出现热应激。在一些实施例中，牛舍湿帘降温系统包括风机和喷淋器，当环境温度超过16℃时开启风机，超过25℃需同时开启风机和喷淋器。根据环境温度的情况，牛舍湿帘降温系统可以采取风机开启与喷淋器关闭、风机与喷淋器关闭、风机与喷淋器开启3种工作模式。由于规模化农场内奶牛数量众多，养殖密度大，为满足奶牛降温需求，牛舍湿帘降温系统需配备大量风机和喷淋器，因此，牛舍湿帘降温系统是奶牛场饲养环节的主要用电设备。该牛舍湿帘降温系统模型可以表示为下式：

[0115]

[0116] 式中，Ptfas表示t时段牛舍湿帘降温系统的运行功率，μfan为0‑1变量，表示t时段风fan spr机的工作状态；Pt 表示t时段第n台风机的运行功率；μ 为0‑1变量，表示t时段喷淋器的fan
工作状态； 表示t时段第n个喷淋器的运行功率；N 表示牛舍湿帘降温系统中包含的风spr fas
机总数；N 表示牛舍湿帘降温系统中包含的喷淋器的总数；Wt 表示t时段牛舍湿帘降温air
系统的用水量； 表示t时段第n个喷淋器的用水量；T 表示环境温度； 表示风机开启时的临界温度； 表示喷淋器开启时的临界温度。

[0117] 奶牛的日常饮水是农场的主要用水来源，约占农场总用水量的80％。奶牛饮水量受到温度影响，通常情况下，日平均温度越高，奶牛的饮水量越大，奶牛饮水系统能耗模型用于描述奶牛饮水量与日平均温度之间的具体关系，可以表示为下式：

[0118]

[0119] 式中，Wtdr表示t时段奶牛的饮水量，Ndairy表示农场内的奶牛数量； 表示日平均温度；d1、d2表示奶牛饮水量与日平均温度的拟合系数；T为决策周期，可以为24小时。

[0120] 在一些实施例中，d1和d2分别可以为0.836和27.03。

[0121] 为提高挤奶效率，农场可通过转盘式挤奶机进行挤奶作业，转盘式挤奶机是农场的重要耗能设备。转盘式挤奶机主要包括驱动装置和旋转装置。通过调节驱动装置，可以实现转盘式挤奶机的启动、停止、加速、减速，以随时调整挤奶速度，因此，转盘式挤奶机可以作为灵活性资源参与农场供能系统的运行，转盘式挤奶机模型表示为下式：

[0122]

[0123] 式中， 表示t时段d型转盘式挤奶机的功率； 为0‑1变量，分别表示t时段d型转盘式挤奶机的三种工作挡位；式(8)为d型转盘式挤奶机工作挡位约束条件，表示t时段下d型转盘式挤奶机只能处于一种工作挡位； 分别表示三种
工作挡位对应的功率； 表示t时段d型转盘式挤奶机的挤奶头数； 分别
表示三种工作挡位对应的单位时间挤奶头数； 表示需要进行挤奶作业的泌乳奶牛数；D表示转盘式挤奶机的类型总数；奶牛场挤奶作业执行三班轮班制， 表示挤奶作业的三个开始时段；TI、TII、TIII表示挤奶作业的三个结束时段；式(9)为挤奶任务约束条件，表示决策周期T内，各类转盘式挤奶机的挤奶头数之和不得低于需要完成挤奶作业的泌乳奶牛数。

[0124] 转盘式挤奶机完成挤奶作业后，还需要对奶牛乳房进行冲洗，并对转盘式挤奶机进行清洗消毒，其用水量可以表示为：

[0125]

[0126] 式中， 表示t时段d型转盘式挤奶厅消耗的用水量；wcl表示一头奶牛冲洗消毒的耗水量。

[0127] 根据本发明的一些实施例，在沼气生产供能环节中，可以对农场中的奶牛排泄粪污(物料)进行集中收集，并输送至一体化的厌氧发酵罐进行厌氧发酵，经厌氧发酵产生的沼气储存在罐顶储气柜中，储气柜中的沼气经过净化除杂后可用于发电，其中可通过沼气发电机基于沼气进行发电。也就是说，沼气生产供能环节使用的农场设备包括厌氧发酵罐、储气柜、沼气发电机。相应地，针对沼气生产供能环节使用的各个农场设备分别进行建模，可以得到厌氧发酵罐模型、储气柜模型、沼气发电机模型(发电出力模型)。

[0128] 在一些实施例中，计算设备200可以基于Monod方程建立厌氧发酵罐模型，厌氧发酵罐模型可表示为下式(11)‑(13)。需要说明的是，厌氧发酵罐模型用于描述沼气产量与发酵环境温度之间的关系，目前大型厌氧发酵罐普遍配备恒温装置，可以将罐内环境温度稳定维持在最佳产沼温度，因此，基于该方程建立的厌氧发酵模型可近似视为稳态。

[0129]bio

[0130] 式中， 为微生物生长速率；φ1，φ2表示微生物发酵参数；Tt 表示厌氧发酵罐内3
温度； 为单位体积的物料在t时刻的产沼量； 为t时刻的初生沼气产量，单位为m；Bh为所用物料经充分发酵所得的甲烷总产量；cVS为物料挥发性固体浓度；Vbio为生物质体积；
ZHRT为水力停留周期，指一批物料从进入厌氧发酵罐至完全排出所历经时长；Kd表示微生物发酵参数。

[0131] 在一些实施例中，厌氧发酵罐内生产的沼气可以储存在储气柜中，储气柜中的沼气经过净化增压后供给沼气发电机发电。通过控制储气柜出气量，可以灵活调节沼气发电机出力，若沼气发电机不能及时消纳储气柜提供的沼气，导致储气柜内的储气量达到上限时，为保证设备安全，必须及时将富余沼气排出至火炬中燃烧。厌氧发酵罐模型可以表示为下式：

[0132]

[0133] 式中， 表示t时段储气柜的储气量； 分别表示t时段储气柜的进气量、出气量； 分别表示储气柜进气效率、出气效率； 表示t时段用于沼气发电机trans,max bios
发电的沼气量； 表示t时段火炬燃烧的沼气量；G 表示输气管道输气量上限；G,max bios,min
、G 分别表示储气柜容量的上限、下限。

[0134] 在一些实施例中，储气柜中的沼气经净化提纯、冷干、增压处理后，可进入沼气发电机进行发电，其中，可通过沼气净化设备来对沼气进行净化提纯。沼气发电机出力模型可表示为下式：

[0135]

[0136] Pbio,min≤Ptbio≤Pbio,max       (18)

[0137]

[0138] 式中，Ptbio表示t时段沼气发电机的发电功率；LHVbio为沼气热值；ηg表示沼气发电机的发电效率； 表示t时段净化提纯后的沼气量；ηc为沼气净化的效率(即，沼气净化设bio,max备的效率)；P 表示沼气发电机的出力上下限；rDE表示t时段沼气发电机的调节上限。

[0139] 根据本发明的一些实施例，农场污水处理环节的用能场景包括污水收集、一级处理、二级处理、三级处理、清水缓存等，其中，污水一级、二级、三级处理涉及大量水处理设备，是农场污水处理环节的核心用能场景。本发明假设农场产生的污水全部进入污水收集池，随后通过水泵(污水排水泵)进入一级处理区，在一级处理区进行加药调节和初步沉淀后输送至二级处理区，在二级处理区进行气浮处理后，再输送至三级处理区，在三级处理区完成生化处理和反渗透等环节后完成污水处理，处理完成后得到的清水可以经由排水泵进入清水缓存池，清水缓存池的一部分水可用于农田灌溉，其余水可排放汇入地表径流。

[0140] 另外，农场污水处理环节还配置有若干蓄水池，其中包括牛舍饮水池、污水收集池、一级处理池、二级处理池、三级处理池和清水缓存池等。在蓄水池容量允许范围内，可通过调节水泵的流量来调节水泵功率，为农场供能系统提供一定的灵活性。

[0141] 农场污水处理环节使用的农场设备(耗能设备)包括水泵、用于污水二级处理环节的曝气机、用于污水三级处理环节的反渗透设备、蓄水池。相应地，针对沼气生产供能环节使用的各个农场设备分别进行建模，可以得到水泵模型、曝气机模型、反渗透设备模型、蓄水池模型。

[0142] 需要说明的是，水泵是农场重要的耗能设备，也是电能和水能的耦合枢纽。农场污水处理环节中，水泵以恒转速模式运行，流量通过阀门调节，且流量可调范围较小，因此，本发明假设农场污水处理环节的水泵扬程为定值，水泵的运行约束条件(也即，水泵模型)为：

[0143]

[0144] 式中，Ptpump表示t时段水泵的功率； 表示t时段水泵的流量； 表示t时段水pump,min pump,max泵的扬程；ρ和g分别为污水的密度和重力加速度；q 、q 分别表示水泵的流量上限、流量下限。

[0145] 曝气机是污水二级处理环境的主要耗能设备，用于向污水中曝入气泡，增加污水含氧量，促进氧化过程。曝气机模型(曝气机的运行功率模型)如下式所示：

[0146]

[0147] 式中，Ptaer表示t时段曝气机的功率； 表示曝气机在非曝气状态下的基础功率；a表示曝气机的功率因数；k表示拟合方程系数；Flg表示曝气量；Qg表示曝气速率；N表示曝气机的叶轮转速；D表示曝气机的叶轮直径； 为0‑1变量，表示曝气机的工作状态。

[0148] 短暂关闭曝气机(2h以内)可以在不影响污水处理效果的同时降低系统能耗。因此，可以将曝气机视为可削减负荷参与农场供能系统的调节，曝气机的启停遵循以下约束条件(启停约束条件)：

[0149]

[0150] 式中， 为0‑1变量，取1时表示曝气机由停止状态转为运行状态； 为0‑1变量，取1时表示曝气机由运行状态转为停止状态；Nop表示曝气机的最大启停次数。

[0151] 反渗透设备是污水三级处理环节的主要用能设备，反渗透设备模型(反渗透设备能耗模型)可以表示为下式：

[0152] Pth,t＝kthqth,t    (23)

[0153] 式中，Pth,t和qth,t分别为反渗透设备的功率和水流量；kth为反渗透设备的耗电系数。

[0154] 对于农场污水处理环节的蓄水池，以牛舍饮水池为例，传统控制策略是随着饮水池水量的消耗，实时补充进水，将饮水池控制在固定水位。而在灵活控制策略下，在低电价时段控制进水泵高功率运行，使牛舍饮水池进水量高于耗水量，从而使饮水池水位高于固定水位，在高电价时段进水泵低功率运行或停止运行，在保证饮水池不低于最低水位的情况下实现了负荷转移，达到一种虚拟储能效果，蓄水池模型可以表示为下式：

[0155]

[0156] 式中，Vtpool,s表示t时段s类蓄水池的蓄水量； 表示t时段s类蓄水池的进水量；pool,s,min pool,s,max
表示t时段s类蓄水池的出水量；V 、V 分别表示s类蓄水池的容量上限、容
in,s,max out,s,max
量下限；q 、q 分别表示s类蓄水池的进水量上限、出水量上限；集合s∈{ga,fi,se,th,st,dr1,dr2,…,dr10}表示蓄水池的类型，分别表示污水收集池、一级处理池、二级处理池、三级处理池、清水缓存池以及1‑10号牛舍饮水池。

[0157] 根据上述实施例可以理解，在步骤310中，针对农场实际生产过程中的多个用能环节使用的各个农场设备分别进行建模，具体可以包括：针对奶牛饲养和挤奶环节使用的各个农场设备(牛舍湿帘降温系统、奶牛饮水系统、转盘式挤奶机)分别进行建模，得到牛舍湿帘降温系统模型、奶牛饮水系统模型、转盘式挤奶机模型；针对沼气生产供能环节使用的各个农场设备(厌氧发酵罐、储气柜、沼气发电机)分别进行建模，得到厌氧发酵罐模型、储气柜模型、沼气发电机模型；以及，针对污水处理环节使用的各个农场设备(水泵、曝气机、反渗透设备、蓄水池)分别进行建模，得到水泵模型、曝气机模型、反渗透设备模型、蓄水池模型。

[0158] 进而，可以在步骤320中，根据农场供能系统的实际布局以及农场配电网和农场配水网的实际结构，构建农场电‑水耦合供能网络模型(包括农场配电网模型和农场配水网模型)。

[0159] 在一些实施例中，农场配电网包括多个配电网节点和多条支路。计算设备200可以基于DistFlow模型构建农场配电网模型。农场配电网模型可以表示为下式：

[0160]

[0161] 式中，Pij,t、Qij,t分别表示t时段支路ij的首端有功功率和无功功率；lij,t表示t时段支路ij的电流的平方；rij、xij分别表示t时段支路ij的电阻和电抗；ui,t表示t时段配电网节点i的电压的平方；Ωb表示农场配电网的配电网节点集合；Iij,max、Iij,min分别表示支路ij的电流上限、下限；Ui,max、Ui,min分别表示配电网节点i的电压上限、下限。

[0162] 在一些实施例中，农场配水网包括多个配水网节点和多条管道，多条管道包括至少一个未接入水泵的普通管道和至少一个接入水泵的水泵管道。本发明构建的农场配水网模型包括配水网节点流量平衡约束条件和管道水头约束条件。在管道约束条件中，根据是否安装有水泵来将管道分为普通管道和水泵管道。具体地，农场配水网模型可以表示为下式：

[0163]

[0164] 式中， 表示t时段配水网节点m处水源提供的流量； 表示t时段配水网节点m处水负荷需要的流量；qmn,t表示t时段管道mn的流量； 和 分别表示t时段普通管道和水泵管道的水头变化量；rmn表示管道mn的摩阻系数； 表示水泵的静扬程；Amn表示水泵的内阻系数；Bmn表示水泵的扬程指数；ωmn,t表示水泵的调速比； 表示水泵的功率；表示水泵的取水效率。

[0165] 此外，农场配水网模型还需满足以下约束条件(包括配水网节点水头约束条件、水泵相对转速约束条件、管道流量约束条件)：

[0166]

[0167] 式中， 分别表示配水网节点m处水头上限、下限； 分别表示水泵相对转速的上限、下限； 分别表示管道流量的上限、下限。

[0168] 在构建农场配电网模型和农场配水网模型之后，可以对农场配电网模型和农场配水网模型进行线性化处理。

[0169] 其中，农场配电网模型存在非线性项式(25)中第4式，对其进行二阶锥转化，得到下式(30)。

[0170]

[0171] 农场配水网模型中的式(28)中第2、3、4式存在非线性项，对管道水头方程进行分段线性化，得到下式(31)。

[0172]

[0173] 式中，K表示分段点数量，通过K个分段点在流量轴上将管道水头方程分为K‑1段；表示线性系数，式(31)中第3式表示t时段管道mn的流量 可以唯一地用若干连续断点k
q线性表示，同时，由于 是关于qmn,t的函数，因此可以用若干连续断点 的线性组合 近似表示 为确保各时段仅使用一个线性段来近似表示原非线性函
数， 需满足以下约束条件：

[0174]

[0175] 式中， 为0‑1变量，表示是否选用第K段线性分段来逼近非线性函数，若表示第K段线性分段被使用，若 表示第K段线性分段未使用。这些公式能确保只有在对应的 为1时， 才能取正值，从而在选中的分段上实现线性化。

[0176] 对于水泵水头方程和功率方程采用同样的方法进行分段线性化，将非线性模型转化为混合整数线性模型，如式(33)所示。

[0177]

[0178] 式中：X、Y表示分段点数量，通过X和Y个分段点在流量轴和转速轴上将水泵水头方程分别为X‑1和Y‑1段；λmn,t,x,y表示线性系数，式(33)中第1式和第2式表示t时段水泵mn的流量； 和转速 分别可以唯一地用若干连续断点 和 线性表示，由于 是关于和 的函数，因此可以用若干连续断点 的线性组合 近似表示
同理， 可由 近似表示。与式(32)类似，λmn,t,x,y还需满足以下约束条
件：

[0179]

[0180] 式中， 和 为0‑1变量。

[0181] 在一些实施例中，在步骤330中，农场用能成本F1分为电网购电成本Cg、购水成本w pv wind bioC、光伏运维成本C 、风电运维成本C 、沼气发电运维成本C 。

[0182] 本发明构建的电‑水耦合供能系统调度模型可以表示为下式(35)‑(37)。其中，下式(35)以农场用能成本和农场供能系统的碳排放成本最低为目标的目标函数。可以通过下式(36)‑(37)来计算农场用能成本F1。

[0183] min F＝F1+F2                       (35)

[0184]

[0185]w pv wind bio

[0186] 式中，F2表示碳排放成本； 表示t时段电网购电价格，a、a 、a 和a 分别表示pv wind购水价格、单位光伏维护成本、单位风电维护成本和单位沼气发电维护成本。Pt 和Pt 分pvc windc
别表示t时段光伏发电量和风力发电量；Pt 和Pt 分别表示t时段的弃光量和弃风量。

[0187] 在一些实施例中，在步骤330中，利用年度基准值法确定沼气发电机组的碳排放配额的具体方式如下：将沼气发电机组年度因沼气物理泄漏导致的排放量、沼气燃烧导致的排放量、沼气工程运营所消耗电力的碳排放量、运输粪便导致的排放量、粪便储存导致的排放量进行求和，可得到沼气发电机组的年度基准值。进而，可以基于沼气发电机组的年度基准值、沼气发电机组的年平均发电量、冷却方式修正系数和负荷修正系数，来确定沼气发电机组的碳排放配额。

[0188] 具体地，利用年度基准值法确定沼气发电机组的碳排放配额的具体方式如下式(38)所示。其中，可以按照下式(39)来计算沼气发电机组的年度基准值。

[0189]

[0190] 式中，ξbio表示沼气发电机组的碳排放配额，单位是kgCO2/kWh； 表示沼气发电机组的年度基准值，其中， 和 分别表示第y年沼气物理泄漏导致的排放量、沼气燃烧导致的排放量、沼气工程运营所消耗电力的碳排放量、运输粪便导致的排放量和粪便储存导致的排放量； 表示沼气发电机组的年平均发电量。

[0191] FI和Ff分别表示冷却方式修正系数和负荷修正系数，若冷却方式为水冷，FI＝1；若冷却方式为空冷，FI＝1.05。

[0192] 负荷修正系数Ff计算方式如上式(40)所示，其中，F表示沼气发电机组出力系数。

[0193] 在一些实施例中，还可以在沼气发电机组的碳排放系数中增加一个补偿系数，基于补偿系数来衡量沼气发电机组的碳减排效益，具体计算方式如下：

[0194]

[0195] 式中， 表示沼气发电机组进行沼气发电的综合碳排放量；pfbio表示沼气完全燃烧的碳排放量； 和 分别表示CO2和CH4的摩尔质量；ηm表示沼气中甲烷的质量分数。

[0196] Cf表示补偿系数，用来衡量沼气发电机组的碳减排效益，即沼气发电对于减轻温室效应的贡献，计算方式如式(43)所示。其中，Mbio表示沼气发电机组生产单位电能所需的生物质质量； 表示甲烷相对于二氧化碳的全球变暖潜势，本发明实施例中可以取21；‑1/τ
τ表示生物质自然分解的时间常数；(1‑e )用于描述单位质量生物质自然分解状态下挥发到大气中的甲烷质量。

[0197] 在一些实施例中，农场供能系统的多类电源包括电网购电、光伏、风电、沼气发电机组。农场用能成本可以包括电网购电成本、购水成本、光伏运维成本、风电运维成本、沼气发电运维成本。基于此，在步骤330中，可以基于电网购电成本、购水成本、光伏运维成本、风电运维成本、沼气发电运维成本，来确定农场用能成本。另外，可以基于综合碳排放因子来量化农场供能系统的碳排放情况，以确定农场供能系统的碳排放量，然后可以基于农场供能系统的碳排放配额、农场供能系统的碳排放量以及碳交易价格，来确定农场供能系统的碳排放成本。进而，可以以农场用能成本和农场供能系统的碳排放成本最低为目标函数，建立电‑水耦合供能系统调度模型。

[0198] 具体地，为衡量农场供能系统在各时段内的碳排放强度，可以采用综合碳排放因子来量化农场供能系统在各时段的碳排放情况，综合碳排放因子的计算方式如式(44)‑(45)所示，由此可得出农场供能系统在各时段(t时段)的碳排放量 即，可以根据下式来确定农场供能系统的碳排放量：

[0199]

[0200] 式中， 表示t时段第z类电源出力在该时段占各类电源总出力的比例；Ptz表示t时段第z类电源的出力；电源类型z包括电网购电、光伏、风电和沼气发电机组，本发明实施例中假设电网购电均为火电。θt表示t时段的综合碳排放因子；αz表示第z类电源的碳排放系数； 表示农场供能系统在t时段的碳排放量。

[0201] 进而，根据碳交易机制，可以基于农场供能系统(在各时段)的碳排放配额、农场供能系统(在各时段)的碳排放量以及碳交易价格，来计算农场供能系统运行过程中的碳排放成本(即，农场供能系统的碳排放成本)。可以理解，当农场供能系统的碳排放量超过农场供能系统的碳排放配额时，农场需要在碳交易市场基于碳交易价格购买额外的碳排放配额；当农场供能系统的碳排放量低于农场供能系统的碳排放配额时，农场可以在碳交易市场基于碳交易价格出售多余的碳排放配额。

[0202] 农场供能系统的碳排放配额 和农场供能系统的碳排放成本F2，可以通过下式(47)和(48)确定。即，可以根据下式来确定农场供能系统的碳排放成本F2：

[0203]

[0204] 式中， 表示农场供能系统的碳排放配额；F2表示农场供能系统的碳排放成本；z
ξ 表示t时段第z类电源的碳排放配额； 表示碳交易价格。

[0205] 在一些实施例中，除上述各个农场设备模型约束和网络模型约束之外，电‑水耦合供能系统调度模型还应遵循以下约束条件(包括电‑水耦合约束条件、弃光弃风量约束条件、弃沼量约束条件)。

[0206] 图4示出了根据本发明实施例中的农场电‑水耦合关系示意图。

[0207] 其中，接入农场配水网的管道的管道水泵和接入牛舍水槽的水槽进水泵是农场电水耦合枢纽，其中，水泵的流量和转速决定了水泵的运行功率，水泵的运行功率决定了农场配电网中相应的配电网节点的负荷值。如图4所示，四台管道水泵分别接入农场配电网的2，6，11，13号配电网节点，十个牛舍各配有一组水槽进水泵，分别接入农场配电网的4至13号配电网节点。电‑水耦合约束条件如下式所示：

[0208]

[0209] 式中，Pj,t表示t时段配电网节点j处的有功功率；Ppump,t，Ptrough,t分别表示管道水泵和水槽进水泵在t时段的有功功率；Prest,t表示配电网节点j处除水泵外的其余负荷的功率：Ωpump表示管道水泵节点集合；Ωtrough表示水槽进水泵节点集合。

[0210] 弃光弃风量约束条件和弃沼量约束条件分别可以表示为下式(50)和(51)。

[0211]

[0212] 式(50)表示t时段的弃光量和弃风量不应超过该时段的光伏发电量和风力发电量。式(51)表示t时段的弃沼量不应超过该时段的输气管道的最大输气量。

[0213] 也就是说，弃光弃风量约束条件用于表示各时段的弃光量和弃风量不应超过该时段的光伏发电量和风力发电量。弃沼量约束条件用于表示各时段的弃沼量不应超过该时段的输气管道的最大输气量。

[0214] 基于此，根据本发明构建的电‑水耦合供能系统调度模型，需符合各农场设备模型约束条件、农场配电网模型约束条件、农场配水网模型约束条件、电‑水耦合约束条件、弃光弃风量约束条件、弃沼量约束条件。

[0215] 还需要说明的是，在前述实施例中，通过对农场配电网模型和农场配水网模型进行线性化处理，可以将电‑水耦合供能系统调度模型转化为混合整数线性规划问题，以便对电‑水耦合供能系统调度模型进行求解。

[0216] 根据本发明的电‑水协同的农场供能系统运行优化方法300，首先针对农场实际生产过程中的各个用能环节进行建模，并构建农场电‑水耦合供能网络模型，进而构建的电‑水耦合供能系统调度模型，全面考虑了农场生产各个用能环节，能够从电‑水耦合角度提供农场供能系统的低碳经济调度方案，而且将沼气发电机组纳入了碳交易机制，能够以经济性和低碳性为目标来调节农场供能系统中各个设备的运行方式，这样，能够有效降低农场用能成本和碳排放量，实现农场供能系统的低碳经济运行。

[0217] 以示例而非限制的方式，可读介质包括可读存储介质和通信介质。可读存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在可读介质的范围之内。

[0218] 在此处所提供的说明书中，算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与本发明的示例一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

[0219] 在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

[0220] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

[0221] 本领域那些技术人员应当理解在本发明所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

[0222] 除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。