工业园空压机储气罐的分时电价调度器

1 · 创新命题

中 面向执行峰谷电价的中小工厂空压站，用现有储气罐压力余量和机器生产计划做日前启停建议， 在总耗电不增加超过 3%、末端压力越界为零的前提下把购电成本降低 ≥ 8%，相对新增电池储能只利用已安装的气罐。 EN A tariff-aware scheduler that treats an existing compressed-air receiver as short-duration storage, cutting electricity cost by at least 8% with no pressure violations and less than 3% extra energy—without buying a battery.

2 · 背景与空白

压缩空气系统优化、模型预测控制和 AIRMaster+ 已成熟；峰谷电价调度也不是新算法。困难在于储气效率低、泄漏和压力提高会增加能耗，纯“谷充峰用”可能省钱却浪费电。 空白在：中国地方分时电价与小厂真实分钟级用气共同约束下，同时报告成本、总能耗和压力服务质量的可行域。 产业园内同类工厂、地方电价公开和国产压力/电表接口让中国队伍能获得真实调度资产。 这里的“省钱”也可能只是把生产风险推给下一班。模型要保存每个末端设备的最低压力与不可中断窗口，并由设备主管签字确认；没有这个具名服务约束，最优解往往会关闭压缩机，却不是可执行创新。地方电价文件若赛季中调整，需版本化重跑。 设备磨损费用若没有厂商维护记录，应单列为需核实的敏感性参数，不用任意启停成本替算法制造优势。

3 · 可检验假设

H1 在不改变设备与最高许可压力下，日前调度使购电成本下降 ≥ 8%，总电耗增加 < 3%，末端压力低于工艺门槛的累计分钟数为 0。 H2 收益主要来自避免峰价时段无负载运行，而非把大量空气提前压到更高压力；若泄漏率超过实测阈值，储气套利收益归零。

4 · 量化验收标准

1. 【方法学校验 · 硬门槛】 用自建储气模型复现 ≥ 3 个DOE AIRMaster+ 或已发表空压储罐动态算例，压力轨迹偏差 ≤ 5%、能耗偏差 ≤ 8%。此条不过，后续全部结论无效。
2. ≥ 21 个生产日分钟级压力、功率与产量；前 14 日拟合，后 7 日按时间留出，禁止随机切分。
3. 额外做随机划分 vs 时间划分对照，量化对负荷预测的高估幅度。
4. 成本、kWh、压力越界分钟、启停次数四指标同时报告；不得只报电费。
5. 数值优化做时间步长减半收敛扫描，成本变化 < 2%；储气质量守恒残差 < 3%。
6. 先历史回放和影子建议，任何自动控制须由厂方 PLC 工程师实施；代码、电价表版本和负结果公开。

5 · 数据与工具

用途	来源 / 工具
功率/压力	Modbus 三相电表 + WIKA A-10 压力变送器或厂内 PLC 历史库
工况	产量、班次、设备开停；去标识化后只保留时间和负荷
电价	当地发改委/电网公司当期分时电价文件，执行类别与日期需核实
模型	Python scipy.optimize/Pyomo；需自行实现储气守恒、压缩机效率与启停约束
对照基准	DOE AIRMaster+ 与固定压力带控制——仅用于校验与对比，不计入本项目数据贡献

能力边界：储气罐不是无损电池；提高压力会增加泄漏和压缩比，必须显式扣除。 致命错误是只证明电费下降，却让 kWh、启停磨损或工艺欠压上升。

6 · 赛季执行路径

1. 第 1–2 周：取得空压站只读数据和当地电价适用类别。
2. 第 3 周：公开算例硬门槛与压力传感器校准。
3. 第 4–7 周：采 14 日训练数据，识别泄漏和效率曲线。
4. 第 8 周：时间留出预测、随机划分高估对照。
5. 第 9 周：优化收敛与守恒检查。
6. 第 10–11 周：7 日影子建议，不改 PLC；与实际账单回放。
7. 第 12–15 周：厂方评审、调度沙盘和答辩材料。
8. 第 16 周后：若获准才做小范围自动试验，否则影子证据即终稿。

7 · 新颖性边界

已有工作：DOE AIRMaster+、Atlas Copco 等已有空压优化；工业 MPC 与需求响应研究成熟。 不声称发明储气、优化算法或电价套利，不声称影子回放等于长期实控节能。 本项目贡献是中国地方电价、真实小厂负荷与泄漏共同决定的“何时不值得调度”可行域。 护城河类型：工作流替换（D）+ 存量改造（C）；工厂负荷与地方规则适配库构成 E 型资产。

8 · go/no-go

第 7 周末须有 ≥ 14 个完整生产日且压力模型误差 ≤ 5%；不足则具名降级为“单日确定性账单回放器”，不做预测，仍比较固定控制与最优事后下界。 第 10 周末若影子成本下降 < 3% 或总能耗增加 > 3%，则降级为 只优化空载停机、不做跨时储气，主框架仍是成本—能耗—压力三重约束。