一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法

摘要

本发明公开了一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法，包括以下步骤：基于综合能源系统的基本特征，构建综合能源系统的能流图；基于能流图，确定约束条件；基于能流图和约束条件，并以综合成本最低、碳排放量最低和综合能源效率最高为规划前提，构建最优规划方案下的综合能源系统规划模型；基于最优规划方案下的综合能源系统规划模型，为综合能源系统的规划提供指导建议。本发明通过分析综合能源系统的特征，以综合成本最低、碳排放量最低、综合能源效率最高为目标，构建综合能源能系统规划设计模型，为综合能源系统的规划提供指导建议。

说明书

技术领域

本发明涉及综合能源系统规划设计技术领域，更具体的说是涉及一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对清洁能源的需求不断增加，正是在这种背景下，综合能源系统这个概念应运而生。综合能源系统作为能源互联网的主要组成部分，目前被认为是未来人类社会能源的主要运作形式，在不同的能源形式协同优化的情况下，可以更好地提升能源利用率，达到1+1>2的效果。

泛在网字面意义上指的就是面向大众与社会，广泛存在的网络，它以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，同时又不受时间、地点、人员等因素的限制。在综合能源系统的相关规划问题中，当谈到泛在网时，通常来说探讨的是泛在电力物联网，作为“三型两网，世界一流”的战略目标中重要的环节之一，泛在电力物联网围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，为综合能源系统的规划提供了智能、便捷的服务。

因此，如何提供一种能够能够降低综合成本、将低碳排放量和提高综合能源效率的面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法，以建立综合能源系统能流图为前提，通过分析综合能源系统的特征，以综合成本最低、碳排放量最低、综合能源效率最高为目标，构建综合能源能系统规划设计模型，为综合能源系统的规划提供指导建议。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法，包括以下步骤：

基于综合能源系统的基本特征，构建所述综合能源系统的能流图；

基于所述能流图，确定约束条件；

基于所述能流图和所述约束条件，并以综合成本最低、碳排放量最低和综合能源效率最高为规划前提，构建最优规划方案下的综合能源系统规划模型；

基于所述最优规划方案下的综合能源系统规划模型，为综合能源系统的规划提供指导建议。

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，所述能流图包括：所述综合能源系统各环节的耦合性、所述综合能源系统中各个关键设备的运行特征、以及所述综合能源系统中各种形式能源的传输特性。

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，所述约束条件的确定过程包括：能量平衡约束、设备物理约束、投资定额约束和能量交互约束。

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，所述能量平衡约束的表达式为：

其中，P

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，所述设备物理约束的表达式为：

其中，P

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，所述投资定额约束的表达式为：

其中，C

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，所述能量交互约束的表达式为：

其中，

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，基于所述能流图和所述约束条件，并以综合成本最低、碳排放量最低和综合能源效率最高为规划前提，构建最优规划方案下的综合能源系统规划模型；包括：

基于所述约束条件，以综合成本最低、碳排放量最低和综合能源效率最高为考虑前提，构建综合能源系统规划模型；

基于所述能流图的供给侧、传输侧和需求侧的不同特性，生成所述综合能源系统规划模型不同的规划方案；

利用遗传算法，求解所述不同的规划方案下的所述综合能源系统规划模型，获得最优方案。

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，所述综合能源系统规划模型的构建过程为：

分别构建综合成本、碳排放量和综合能源效率的目标函数；其中，综合成本的目标函数如下：

F

其中，C

碳排放量的目标函数如下：

其中，minC

综合能源效率的目标函数如下：

其中，maxEC表示综合能源效率的最大值；P

优选的，在上述一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法中，利用遗传算法，求解所述不同的规划方案下的所述综合能源系统规划模型，获得最优方案，包括：

对所述综合能源系统模型中所涉及的各个设备进行编码处理，得到种群，并确定初始种群大小和最大迭代数；

随机生成规模为N的初始化种群S；

利用下式计算种群的个体适应度；

F＝min(F

fit＝min(F)；

上式中，fit为个体适应度函数的最小值，表示个体适应度最高；

对初始化种群S进行选择、交叉、变异并产生初始化种群S的子代种群Q；

计算子代种群Q的经济和环境目标值，得到子代种群Q的个体适应度；

在父代种群和子代种群的混合种群中选择最优子代，迭代至达到最大迭代次数，则输出最优方案。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法，首先，根据综合能源系统所具备的：有效降低碳排放和其他污染物排放，绿色环保；可以统筹不同供能系统的优点，并实现对不同能源系统的优化调度；可以整合不同能源形式的优化利用等基本特征，并结合综合能源系统的耦合特性(包括经济性、可靠性等方面)、综合能源系统中的关键设备的运行特性、以及综合能源系统的传输特性(包括电、热、气等多种能源形式)，构建其能流图。然后，根据能流图，确定最合适的约束条件，在选择约束条件时，除了考虑能量平衡约束，还要考虑不同能源形式之间，能量交互约束。其次，根据能流图和约束条件建立综合能源系统规划模型，并对其进行优化，最终获得最优方案。最后，在最优方案的指导下，对园区内的供能设备、传输网络等进行一体化规划和建设，在满足系统内综合经济成本最低的同时，有效降低碳排放量，提高综合能源效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法流程图；

图2附图为本发明提供的典型场景下综合能源系统的能流图；

图3附图为本发明提供的遗传算法的流程图；

图4附图为本发明提供的全年8760小时冷符合曲线、热负荷曲线和电荷曲线；

图5附图为本发明提供的全年8760小时的风速曲线和光照强度曲线；

图6附图为本发明提供的帕累托的结果示意图；

图7附图为本发明提供的典型日用户负荷曲线；

图8附图为本发明提供的点系统供需平衡示意图；

图9附图为本发明提供的热系统供需平衡示意图；

图10附图为本发明提供的冷系统供需平衡示意图；

图11附图为本发明提供的投资定额敏感性分析结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明实施例公开了一种面向多元主体接入的综合能源系统的规划方法，包括以下步骤：

S1、基于综合能源系统的基本特征，构建综合能源系统的能流图。

其中，综合能源系统本身具有以下基本特征：(1)综合能源系统的使用可以有效降低碳排放和其他污染物排放，绿色环保；(2)综合能源系统可以统筹不同供能系统的优点，并实现对不同能源系统的优化调度；(3)综合能源系统可以整合不同能源形式的优化利用。

能流图在构架过程中，首先，研究综合能源系统的耦合特性，包括经济性、可靠性等方面；其次，研究综合能源系统中的关键设备的运行特性；最后，研究综合能源系统的传输特性，包括电、热、气等多种能源形式。

S2、基于能流图，确定约束条件。

在考虑综合能源系统规划约束条件时，除了考虑能量平衡约束，还要考虑不同能源形式之间，能量交互约束。具体为：能量平衡约束、设备物理约束、投资定额约束和能量交互约束。

其中，能量平衡约束的表达式为：

其中，P

设备物理约束的表达式为：

其中，P

投资定额约束的表达式为：

其中，C

其中，

S3、基于能流图和约束条件，并以综合成本最低、碳排放量最低和综合能源效率最高为规划前提，构建最优规划方案下的综合能源系统规划模型。具体为：

S31、基于约束条件，以综合成本最低、碳排放量最低和综合能源效率最高为考虑前提，构建综合能源系统规划模型；

S32、基于能流图的供给侧、传输侧和需求侧的不同特性，生成综合能源系统规划模型不同的规划方案；

S33、利用遗传算法，求解不同的规划方案下的综合能源系统规划模型，获得最优方案。

其中，S31中，综合能源系统规划模型的构建过程为：

分别构建综合成本、碳排放量和综合能源效率的目标函数；其中，综合成本的目标函数如下：

F

其中，C

碳排放量的目标函数如下：

其中，minC

综合能源效率的目标函数如下：

其中，maxEC表示综合能源效率的最大值；P

根据图3所示S33具体包括：

S331、数据初始化，对综合能源系统模型中所涉及的各个设备进行编码处理，得到种群，并确定初始种群大小和最大迭代数；

S332、随机生成规模为N的初始化种群S；

S333、利用下式计算种群的个体适应度；

F＝min(F

目标函数是综合能源系统经济性和环保性的目标值，可直接反映染色体的优劣，所以直接选用目标函数作为评价适应度高低的标准。也就是说直接把目标函数看作适应度函数。个体的目标函数，适应度函数的表达式为：

fit＝min(F)；

对于该方法适应度的评价规则是：个体的目标函数值越小，说明其适应度函数越高；反之，个体的目标函数值越大，说明其适应度越低。fit为个体适应度函数的最小值，表示个体适应度最高。

S334、对初始化种群S进行选择、交叉、变异并产生初始化种群S的子代种群Q；

S3341、个体选择，在个体不可重复选择的前提下，随机选择两个个体；

S3342、交叉方式选择，随机分配个体交叉方式，该操作有行交叉和列交叉两种交叉方式；

S3343、交叉操作，对两个个体在交叉位置后面的列进行互换，组合生成两个新的个体；

S3344、变异操作，对上述子代染色体按照变异概率Pm进行下述变异操作，Pm取值为0.001～0.1。

S335、计算子代种群Q的经济和环境目标值，得到子代种群Q的个体适应度；

S336、在父代种群和子代种群的混合种群中选择最优子代，迭代至达到最大迭代次数，则输出最优方案。

S4、基于最有规划方案下的综合能源系统规划模型，为综合能源系统的规划提供指导建议。

为验证本发明综合能源系统规划模型的有效性，选取我国某园区为案例进行仿真。如图能流图所示，由于本发明构建的综合能源系统负荷需求导向是冷、热、电负荷，故此选取该园区全年8760小时冷、热、电负荷作为负荷数据输入参数。案例输入参数还包括设备的技术经济参数、能源价格等参数。另外，在满足园区内冷、热、电三类负荷数据的条件下，对每次投资定额限制，采用“余电不上网、缺电购入”的模式，时间调度周期T＝24h，时间单位间隔为Δt＝1h。

仿真所需数据主要包括电力负荷、热力负荷、冷力负荷、能源价格、以及设备的技术经济参数等。全年电力负荷、热力负荷、冷力负荷如图4所示，光照强度和风速曲线如图5所示。

设备的技术经济参数如表1所示，设备性能系数如表2所示。

表1设备技术经济系数

表2设备性能系数

在上述初始数据和参数设置的基础上，通NWSFA(牛顿加权和弗里希法)在MATLABR2019b中执行本发明规划优化模型。根据3个目标函数得到帕累托解的结果，设种群大小为200，帕累托解中的目标函数的可行解，如图6所示：

从优化结果中可以看出，3个目标函数之间存在不规律性关系。当年化等值综合成本过高或过低时，二氧化碳排放量呈现较高或较低的状况，综合能源效率也呈现忽高忽低的情况；当低碳性出现过高、过低的情况时，综合能源效率大都处于过低的情况下。由此说明综合能源系统若是想实现经济性好、环境性优、社会效益高3重目标，需要将年化等值成本控制在一定范围内。

由于帕累托前沿中的每个解均为可行解，因此本发明利用VIKOR方法寻求多目标帕累托集中的最优解。为验证寻求的最优解的准确性，故本发明选择单目标最优的3种方案与最优结果进行对比，方案1:VIKOR下的最优方案；方案2：年化等值综合成本(F1)最低的方案；方案3：碳排放量(F2)最低的方案；方案4：综合能效(F3)最高的方案。

上述4种情况的规划结果和设备容量配置如表3、表4所示：

表3.基于VIKOR的规划结果

表4.不同方案下容量配置结果

为了检验规划模型的可靠性，选取夏季典型日数据对方案1进行了运行仿真分析，负荷曲线如图7所示：

图8为典型日电力系统供需平衡情况。电系统中，除了用户电负荷外，还需要满足地源热泵、双工况制冷机、常规制冷机供冷的用能需求，以及地源热泵、电锅炉供热的用能需求。系统中，光伏、风机优先供给系统负荷，剩余部分主要市政电网满足。

图9为热系统供需平衡情况。其中1:00～7:00、22:00～24:00主要由地源热泵和燃气锅炉满足热负荷，蓄热罐在8:00～12:00峰时电价下优先供热，剩余部分由燃气锅炉补足。

图10为冷系统供需平衡情况。系统冷负荷主要由双工况制冷机组和常规制冷机组满足，蓄冰槽在低谷电价下进行蓄冰，在08:00～12:00高峰电价下优先供冷。

如图11所示，对于能源综合效率而言，当投资定额从4000万元增加到6000万元时，呈现出上升态势；当投资定额从4000万元增加到6500万元时，系统年化等值综合成本呈现下降趋势，当投资定额从4000万元增到6500万元时，系统年化等值综合成本呈现下降趋势，当投资定额从4000万元增加到7000万元时，系统碳排放量呈现下降趋势。这主要是因为用户拥有较充裕的资金投资能源设备时，可建设更大容量的风机、光伏和储能设备，减少外部购电量，降低对外部能源网络的依赖，从而降低系统的碳排放量。

当投资定额分别大于6500万元、7000万元和6000万元后，针对投资定额进行敏感性分析。

因此，系统年化等值综合成本、碳排放量和能源综合效率逐渐呈现稳定趋势，对经济效益、环境效益和社会效益不会产生明显的提升。并且可以看出，相对于经济效益和社会效益而言，环境效益受投资定额的影响更大，同时也说明该场景下的综合能源系统合理的投资需求在6000万元到7000万元之间。即在面对泛在电力物联网时，面对投资带来的收益分配，应多倾斜关注经济效益与社会效益，来补足短板。根据综合能源系统规划的效益性的需求，面对泛在接入电力联网的情景，提出了基于投资定额的综合能源系统规划模型。规划结果分析如下：

(1)对定额投资的综合能源系统规划做出了初步的框架，保证了该综合能源规划模型在泛在接入时，能够保证实现经济效益、环境效益、社会效益。

(2)对年化等值综合成本、碳排放量、综合能效等多目标进行优化并对投资定额进行了敏感性分析，得出了最适合实现各种收益的投资定额。

(3)从投资者的角度进行分析，阐述分析了综合能源系统规划时考虑定额投资条件的必要性。随着综合能源系统的发展和各类价格机制的不断发展和完善，未来在综合能源系统的规划中还要加入更多的优化手段，使规划配置方案更加经济环保。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。