CN109815629B - 一种面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，包括以下步骤，搭建综合能源系统调度模型；搭建综合需求响应模型；搭建基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型；将柔性负荷、储能以及电动汽车作为长期综合需求响应的参与主体进行需求响应分析。本发明的有益效果：考虑综合能源网络的耦合特性，有助于提高系统调度的经济性；考虑综合能源用户的可替代负荷，有助于对用户用能行为的分析，提升用户效用；考虑用户长期、中期以及短期的需求响应决策，有助于分析长期、中期和短期用户行为之间的耦合关系以及需求侧资源的时间变化特性。

Description

一种面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法

技术领域

本发明涉及购售电方法的技术领域，尤其涉及一种面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法。

背景技术

近年来，为提高总体用能效率，应对生态环境恶化等问题，以电力系统、天然气系统以及可再生能源系统等多种能源网络耦合互联形成的综合能源系统成为应对方案之一，以电力系统为核心，构建多能互联网络，利用不同能源间相互转换能力，实现能源协同互补。在终端消费时，用户可以通过选择不同种类的能源达到同样的效果。能源间相互耦合与相互替代的特点为需求侧提供了在不同能流间改变用能方法的能力，也为综合需求响应(Integrated Demand Response,IDR)提供了研究背景。IDR为实现综合能源网络中供需双方的双向互动，促进能源消费者转换为能源产消者中提供了重要的切入方向。

目前已有多个国家开始了IDR相关的研究，其中欧洲和北美处在该领域的研究前沿，丹麦、英国、德国、加拿大等国家已经进行了社区层面的小范围试验，并在响应类型、参与器件、用户参与方式等各方面获得了一定的研究成果。也有学者提出了多能源网络和多能源市场下的综合需求响应资源协调运行机制和响应的效益评估方法，大多数的综合需求响应分析仍局限在错峰用电、负荷时序转移上，并未充分挖掘多能互补的区域综合能源系统中负荷之间的可替代性。一般来说，用户长期的投资综合用能设备行为会影响其综合需求响应的最大潜力和用能灵活程度，而这个最大潜力会影响用户对于综合需求响应项目的认可和参与程度，从而最终决定了某次综合需求响应事件用户的实际参与效果，系统动力学可以将需求响应资源的长期潜力、中期潜力、响应情况的分析研究融入同一个模型，但目前鲜有从不同时间维度对综合需求响应资源的影响因素进行分析的研究，往往忽略了长期、中期和短期用户行为之间的耦合作用，也没有考虑需求响应资源的时间变化特性。

综上所述，现有的综合需求响应研究，大多是结合综合需求响应资源的协调运行机制，在短时间尺度上进行小范围的试验。但是这些研究很少从不同时间维度对综合需求响应进行建模及分析，也很少考虑柔性负荷、储能以及电动汽车作为参与主体的响应情况。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，包括以下步骤，以区域电-气互联综合能源系统网络为基础，耦合节点通过冷热电三联供设备联结园区级热网，构成园区级冷-热-电-气的综合能源系统结构，并通过分别建立热网模型、气网模型、电网模型和调度模型搭建综合能源系统调度模型；获取节点能源价格建立气-电/热-电替代负荷模型，并通过建立用户效用最大化模型搭建综合需求响应模型；基于不同时间尺度的需求响应水平且运用系统动力学，通过建立长期综合需求响应决策模型、中期综合需求响应决策模型以及短期综合需求响应决策模型搭建基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型；将柔性负荷、储能以及电动汽车作为长期综合需求响应的参与主体进行需求响应分析。

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：建立的所述热网模型、气网模型、电网模型和调度模型，其中，所述热网模型考虑节点流量平衡、节点功率融合、负荷取用特性、供回水温度约束以及管段传热特性；所述气网模型考虑管道流量约束、气源点约束、流量平衡约束、压缩机约束以及节点压力约束；所述电网模型考虑节点功率平衡、机组出力约束、爬坡约束以及支路潮流约束；所述调度模型考虑系统对电和天然气的调度成本，所述调度成本包括火电机组发电成本，天然气气源供气成本以及电转气运行成本。

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：所述获取节点能源价格还包括以下步骤，根据电-气互联网络节点能量平衡约束确定节点能源价格，从而获取节点电价

以及节点气价

如下所示：

上式中的右侧分别为节点电力负荷和节点天然气负荷，每当节点电力负荷

增加1，目标函数值F即系统运行成本，会对应改变，产生一个与电力网络节点对应的边际值，用该值来表示节点电价，记为

同样的，每当节点天然气负荷

增加1，目标函数值同样会对应改变，产生一个与天然气网络节点对应的边际值，用该值来表示节点天然气价格，记为

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：所述建立气-电/热-电替代负荷模型还包括以下步骤，对于用户i，在t时刻，经用能替代项目调节后的电负荷可表示为：

调节后的天然气负荷表示为：

调节后的热负荷表示为：

其中：

为t时刻用户用气替代电的负荷；

为t时刻用户用热替代电的负荷；

为参与用能替代项目前的用户电力负荷值；

为参与用能替代项目前的用户天然气负荷值；

为参与用能替代项目前的用户热负荷值；ρ_eg为气-电替代系数；ρ_e/h为热-电替代系数；

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：所述建立用户效用最大化模型还包括以下步骤，用户效用模型包括用户的用电效用、用气效用以及用热效用，表示为：

其中，U为用户i的综合用能效用，λ_e、λ_g以及λ_h分别为用户用电、用气以及用热效用的权重系数，

以及

分别为用户i的用电、用气以及用热满意度函数，

为用户i的纯用电负荷，

为用户i的纯用气负荷，

为用户i的纯用热负荷，

分别为由冷热电联产系统供给纯热负荷所消耗的电能和天然气，

为由所述综合能源系统调度模型求得的节点电价和节点气价。

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：建立的所述基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型，其中，用户的气电比、热电比随用户负荷增长而变化，综合需求响应收益由综合需求响应模型根据电、气、热负荷给出；中期综合需求响应合同收益和综合用能设备效用由底层综合需求响应模型根据综合需求响应合同时间以及设备使用时间累计给出；用户的期望响应收益、中期期望收益以及长期期望收益受用户自身特性影响，不同的电、气、热负荷比例下的用户的期望响应收益不同，通过所述期望响应收益影响所述中期期望收益，进而所述中期期望收益、设备成本以及不同时期的政策补贴共同影响所述长期期望收益。

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：建立所述长期综合需求响应决策模型还包括以下步骤，用户的长期综合需求响应决策，考虑是否更换高效综合用能设备、增建库存或者改造生产线增加综合需求响应潜力的技改项目；用户长期决策模型考虑综合用能设备容量、设备成本、政策补贴、中期期望收益和长期期望收益变量，其中政策补贴作为长期激励，对用户的决策产生较大影响，用户综合考虑综合用能设备效用和长期期望收益，做出是否投资综合用能设备的长期决策。

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：建立所述中期综合需求响应决策模型还包括以下步骤，考虑是否签订中期综合需求响应合同，用户中期决策模型考虑合同期限、长期综合需求响应潜力、综合需求响应收益和期望响应收益变量，其中所述长期综合需求响应潜力决定所述中期综合需求响应合同的最大容量，用户综合考虑中期综合需求响应合同收益和中期期望收益，做出是否签订综合需求响应的中期决策。

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：建立的所述短期综合需求响应决策模型，其是在短时间尺度上，通过用户的综合需求响应模拟模型，在日调度的时间尺度上，考虑是否参与响应；所述短期综合需求响应决策模型考虑是否签订中期综合需求响应合同、期望能源价格、用户自身偏好、期望响应容量、自身负荷的气电比和热电比、响应容量和能源价格变量，其中不同用户的偏好对气电比、热电比的敏感度不同，用户综合考虑综合需求响应收益和期望响应收益，做出是否参与响应的综合需求响应决策。

作为本发明所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的一种优选方案，其中：所述柔性负荷、储能以及电动汽车作为参与主体的中长期综合需求响应分析还包括以下步骤，所述柔性负荷主动改变用能时间或负荷大小，考虑电、热、气的可替代负荷响应情况，能够从周内负荷变化来分析柔性负荷用户参与短期综合需求响应的响应情况；所述储能作为参与主体，能够从季节间负荷的变化来分析储能用户的中长期决策，且考虑长期的储能设备投资决策；所述电动汽车作为参与主体，所述电动汽车能够作为移动式储能参与综合需求响应，在分析短期综合需求响应情况时，考虑电动汽车用户的行驶里程数的满意度和响应收益的影响。

本发明的有益效果：考虑综合能源网络的耦合特性，有助于提高系统调度的经济性；考虑综合能源用户的可替代负荷，有助于对用户用能行为的分析，提升用户效用；考虑用户长期、中期以及短期的需求响应决策，有助于分析长期、中期和短期用户行为之间的耦合关系以及需求侧资源的时间变化特性。考虑柔性负荷、储能以及电动汽车作为综合需求响应的参与主体，有助于分析区域综合能源系统下，典型用能用户的用能行为趋势，为区域综合能源系统的规划方案、运行策略等提供建议，有助于本方案的推广与实施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的整体流程图；

图2为本发明第一个实施例所述综合能源系统的结构图；

图3为本发明第一个实施例所述基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型的存量流量图；

图4为本发明第一个实施例所述长期综合需求响应决策模型的存量流量图；

图5为本发明第一个实施例所述中期综合需求响应决策模型的存量流量图；

图6为本发明第一个实施例所述短期用户综合需求响应模拟模型的存量流量图；

图7为本发明第一个实施例所述柔性负荷用户的中长期综合需求响应情况示意图；

图8为本发明第一个实施例所述冬季某一个月内四周的气负荷、热负荷以及电负荷在四周内随时间的增长情况示意图；

图9为本发明第一个实施例所述四周内的用户参与响应情况示意图；

图10为本发明第一个实施例所述取一年中四个季度的电、气、热负荷在一年内随时间变化的情况示意图；

图11为本发明第一个实施例所述取一年中四个季度含储电、储气以及储热(冷)系统的储能用户的中长期综合需求响应情况示意图；

图12为本发明第一个实施例所述用户对电动汽车的决策情况示意图；

图13为本发明第一个实施例所述一个月内用户的行驶里程随机分布情况及响应情况示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1的示意，为本实施例中提出的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法的整体流程图，在具体执行过程中，由以下几个步骤组成：

步骤1、建立综合能源系统调度模型，包括分别建立综合能源系统结构、建立热网模型、气网模型以及电网模型；

步骤2、建立综合需求响应模型，包括获取节点能源价格，建立气-电/热-电替代负荷模型，建立用户效用最大化模型；

步骤3、建立基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型，包括建立长期综合需求响应决策模型，建立中期综合需求响应决策模型以及建立短期用户综合需求响应模拟模型；

步骤4、将柔性负荷、储能以及电动汽车作为参与主体的中长期综合需求响应分析，包括对柔性负荷、储能、电动汽车分别作为综合需求响应项目的参与主体的中长期综合需求响应行为分析。

进一步的更加具体的，其中步骤1中的建立综合能源系统调度模型还包括以下步骤，

1.1建立综合能源系统结构

燃气轮机组与电转气技术实现了电力网络与天然气网络间的双向能量流动，使电–气网络的耦合更加紧密，电转气与燃气轮机一起成为电–气互联综合能源系统的能量枢纽，形成区域电-气互联综合能源系统网络，以区域电-气互联综合能源系统网络为基础，耦合节点通过冷热电三联供设备联结园区级热网，构成园区级冷-热-电-气综合能源系统。区域级的电-气互联网络作为园区级综合能源系统中CCHP(即冷热电联产系统)的输入/输出，为联结园区级综合能源系统提供网络架构。CCHP通过热电联产、燃气锅炉、电制冷机、吸收式制冷机等设备将区域级电-气网络与园区级热网联结起来，为热用户供热的同时，进行供电和供冷。参照图2的示意，示意为本实施例中建立的综合能源系统的结构图。

1.2建立综合能源系统的热网模型

供热系统常用蒸汽和热水作为载热介质。将热网看作流体网络，主要考虑节点流量平衡、节点功率融合、负荷取用特性、供回水温度约束以及管段传热特性。①节点流量平衡，对于热网中任一节点，流入的热水流量之和等于流出的流量之和，即

式中，

和

分别为与节点i相连并从节点i起始和结束管道的集合；

为时段t管道j中的热水质量流量。②节点温度融合，不同温度的热水从不同管道流向相同节点后进行混合，混合后从同一节点流入不同管道的热水温度相同，即

式中，

为时段t管道j中热水出口温度；

为时段t管道k中热水入口温度。③负荷取用特性，对于包含热用户的热网支路，负荷节点i在时段t消耗热量为

流经负荷节点质量流量为

的水由供水温度

降至回水温度

即

④供回水温度约束，为了保证热源和热用户的供热质量，需要对热源和热用户的供、回水温度进行限制，即

⑤管段传热特性，热网依赖热水的流动实现能量传输，热水输送的迟滞可能会导致数分钟到数小时不等的功率传输延迟，这对于综合能源系统的超短期调度可能产生显著影响。稳态传热特性表示为：

式中，x为管段上某一点与管段首端的距离；R为管段单位长度的热阻，Ts，Te，Ta分别为一根管段的首端温度、x处温度和外界温度，f为热水流量。暂态传热特性如下：对于距离热源较近的地方，暂态过程较短，在一次调节之后、下次调节之前，管段温度已经达到稳态，这些点处管段的暂态传热特性可以表示为：

式中，Tⁱ(x,t)为第i时段内，距离热源x处的热网管道在t时刻的温度；

和

分别为ti-1时刻和ti-2时刻热源的温度；i＝1，2，3，…。

对于距离热源较远的地方，暂态过程较长，在一次调节后，温度尚未达到稳态，下一次调节已经开始，这些点处管段的暂态传热特性可以表示为：

式中，Tⁱ(x,t)为第i-1时段内，距离热源x处的热网管道在ti-1时刻的温度；i＝1，2，3…。

1.3建立综合能源系统的气网模型

气网模型主要包括管道流量约束、气源点约束、流量平衡约束、压缩机约束以及节点压力约束。①管道流量约束，天然气管道流量方程与管道两端压力及管道诸多物理特性有关，并无通用的形式，特定情形下的气体流量通常用非线性方程描述。对于理想绝热输气管道，考虑天然气双向流动，其流量方程可表示为：

式中，

表示t时刻流过管道ij的平均流量，其中

分别为t时刻管道ij的首段天然气注入流量和末端天然气输出流量；Cij为管道ij效率、温度、长度、内径、压缩因子等有关的常数；p_i,t、p_j,t分别为t时刻首末节点i、j的压力值。②气源点约束，

其中，

分别为气源点n的天然气供应流量上下限。③流量平衡约束，

其中，

为t时刻节点i上的气源供气流量；

为t时刻节点i上的电转气供气流量；

为t时刻节点i上燃气轮机消耗的天然气流量；

为t时刻节点i上的天然气负荷；

为t时刻节点i上CCHP消耗的天然气流量。④压缩机约束，采用简化的压缩机模型为：p_l,t≤β_comp_i,t，式中，p_l,t为压缩机的压缩系数。⑤节点压力约束，

其中，

分别为节点i压力值的上、下限。

1.4建立综合能源系统的电网模型

电力系统建模主要包括节点功率平衡、机组出力约束、爬坡约束以及支路潮流约束。①节点功率平衡，

其中，

为t时刻节点i上火电机组的有功出力；

为t时刻节点i上风电机组的有功出力；

为t时刻节点i上燃气轮机的有功出力；

为t时刻节点i上的有功负荷；P_ij,t为t时刻线路ij上的有功功率；

为t时刻节点i上火电机组的无功出力；

为t时刻节点i上的无功负荷；Q_ij,t为t时刻线路ij上的无功功率。②机组出力约束，

其中，

分别为节点i上火电机组出力的上下限。③爬坡约束，

其中，RU_i、RD_i为节点i上火电机组的爬坡和降坡幅度。④支路潮流约束，

其中，V_i,t为t时刻节点i上的电压幅值；

分别为节点i上电压幅值的上下限；θ_ij为t时刻节点i、j的电压相角差；

分别为t时刻节点ij电压相角差的上下限；G_ij为节点ij之间的电导；B_ij为节点ij之间的电纳；

分别为节点ij之间线路有功功率传输的上下限。

1.5建立综合能源系统的调度模型

由于园区级热网是通过CCHP设备耦合到区域级电-气互联综合能源系统网络上，热负荷由CCHP消耗电能和天然气供给，因此可以将其看作是电-气网络的负荷，在上层调度时，仅需考虑系统对电和天然气的调度成本，主要包括火电机组发电成本，天然气气源供气成本以及电转气运行成本，即：

其中，F为系统综合运行成本；T为时间断面数；Ω_G为火电机组集合；Ω_N为气源点集合；Ω_G2P为燃气轮机集合；Ω_p2G为电转气集合；

为t时刻火电机组g的发电成本函数，表示为：

式中，a_g、b_g、c_g为火电机组g耗量特性曲线参数，

为t时刻火电机组g的有功出力。

为t时刻气源点n的供气成本函数，表示为：

其中，

为t时刻气源点n的天然气价格，

为t时刻气源点n的天然气供应流量。

为t时刻电转气l的发电成本函数，表示为：

其中，

为t时刻电转气l的发电成本系数，

为t时刻电转气l转化的有功功率。

进一步更加具体的，步骤2中的建立综合需求响应模型还包括以下步骤，

2.1获取节点能源价格

根据电-气互联网络节点能量平衡约束确定节点能源价格，如下所示：

可见上式中的右侧分别为节点电力负荷和节点天然气负荷，每当节点电力负荷

增加1，目标函数值F(系统运行成本)会对应改变，产生一个与电力网络节点对应的边际值，用该值来表示节点电价，记为

同样的，每当节点天然气负荷

增加1，目标函数值同样会对应改变，产生一个与天然气网络节点对应的边际值，用该值来表示节点天然气价格，记为

2.1气-电/热-电可替代负荷建模

综合能源系统的多能协同特性拓展了用户参与综合需求响应的形式，用户可以根据能源价格的差异，选择不同的能源供应方式来满足同样的需求，根据用能替代的方式不同，本文将可替代的需求负荷表示为气-电替代负荷和热-电替代负荷。

对于用户i，在t时刻，经用能替代项目调节后的电负荷可表示为：

调节后的天然气负荷表示为：

调节后的热负荷表示为：

需要说明的是，此处的用户i与上述节点i并不冲突，本领域技术人员可以理解的是，二者属于不同模型公式中运算字母，同时i也仅不局限于本实施例中所用的字母，不属于附图标号，因此并不属于相同的标号用于标注不同的特征。

其中：

为t时刻用户用气替代电的负荷；

为t时刻用户用热替代电的负荷；

为参与用能替代项目前的用户电力负荷值；

为参与用能替代项目前的用户天然气负荷值；

为参与用能替代项目前的用户热负荷值；ρ_eg为气-电替代系数；ρ_eh为热-电替代系数。

2.3综合需求响应用户效用最大化模型

最大化用户效用表示为：

其中，U为用户i的综合用能效用，λ_e、λ_g以及λ_h分别为用户用电、用气以及用热效用的权重系数，

以及

分别为用户i的用电、用气以及用热满意度函数，

为用户i的纯用电负荷，

为用户i的纯用气负荷，

为用户i的纯用热负荷，

分别为由CCHP供给纯热负荷所消耗的电能和天然气，

为由综合能源系统调度模型求得的节点电价和节点气价。

进一步具体的，步骤3中建立基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型，还包括以下步骤，

3.1基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型

模型需要研究基于不同时间尺度的需求响应水平，所以采用可以有效刻画不同时间维度和步长的系统动力学模型，存量流量图参照图3的示意。

其中，用户的气电比、热电比随用户负荷增长而变化，综合需求响应收益由综合需求响应模型根据电、气、热负荷给出，中期综合需求响应合同收益和综合用能设备效用由底层综合需求响应模型根据综合需求响应合同时间以及设备使用时间累计给出，用户的期望响应收益、中期期望收益以及长期期望收益受用户自身特性影响，不同的电、气、热负荷比例下的用户期望响应收益不同，期望响应收益又会影响中期期望收益，进而和设备成本以及不同时期的政策补贴共同影响长期期望收益。

3.2长期综合需求响应决策模型

用户的长期综合需求响应决策，考虑是否更换高效综合用能设备、增建库存或者改造生产线等增加综合需求响应潜力的技改项目。用户长期决策模型考虑综合用能设备容量、设备成本、政策补贴、中期期望收益、长期期望收益等变量，其中政策补贴作为长期激励，会对用户的决策产生较大影响，用户综合考虑综合用能设备效用、长期期望收益，做出是否投资综合用能设备的长期决策。具体的存量流量图参照图4的示意。

3.3中期综合需求响应决策模型

用户的中期决策，考虑是否签订中期综合需求响应合同。用户中期决策模型考虑合同期限、长期综合需求响应潜力、综合需求响应收益、期望响应收益等变量，其中长期综合需求响应潜力决定了中期综合需求响应合同的最大容量，用户综合考虑中期综合需求响应合同收益、中期期望收益，做出是否签订综合需求响应的中期决策具体的存量流量图参照图5的示意。

3.4短期用户综合需求响应模拟模型

在短时间尺度上，用户的综合需求响应模拟模型，在日调度的时间尺度上，考虑是否参与响应。用户综合需求响应决策模型考虑是否签订中期综合需求响应合同、期望能源价格、用户自身偏好、期望响应容量、自身负荷的气电比和热电比、响应容量、能源价格等变量，其中不同用户的偏好对气电比、热电比的敏感度不同，用户综合考虑综合需求响应收益和期望响应收益，做出是否参与响应的综合需求响应决策。具体的存量流量图参照图6的示意。

进一步的，步骤4中的将柔性负荷、储能以及电动汽车作为长期综合需求响应的参与主体进行需求响应分析，具体还包括以下步骤，

4.1柔性负荷作为参与主体的中长期综合需求响应分析

柔性负荷可主动改变用能时间或负荷大小，主要考虑电、热、气的可替代负荷响应情况。

本实施例中柔性负荷用户的中长期综合需求响应情况如图7所示，参照图中的示意，图中由左侧往右依次的数据柱为政策补贴、用户1长期决策、用户1中期决策、用户2长期决策、用户2中期决策。在图7中，最左侧的柱块为补贴水平，用户1和用户2的长期决策为1时表示投资综合用能设备，为0时则不投资，中期决策为1时表示签订中期综合需求响应合同，为0时表示不签订合同。由图7可知，用户1在第二年补贴政策上调之后，开始投资综合用能设备，并且签订中期综合需求响应合同，但其对政策补贴的敏感度不高，即使第三年补贴稍有下降，其对综合用能设备的投资决策依然不变，也依然签订综合需求响应合同。用户2在第一年就开始投资综合用能设备，积极参与综合需求响应项目并签订中期综合需求响应合同，但其对政策补贴的敏感度较高，在第三年补贴下降时，就决策不投资综合用能设备，但依然签订中期合同，保证综合需求响应参与度。

对于用户短期响应情况的分析，对柔性负荷而言，响应情况与时间的关系更密切，工作日与节假日负荷的变化使得用户对期望响应收益改变较明显，因此本实施例中从周内负荷变化来分析柔性负荷用户参与综合需求响应的响应情况。

取第二年冬季某一个月内4周的负荷来分析柔性负荷用户对综合需求响应项目的响应情况，其气负荷、热负荷以及电负荷在1个月内随时间的增长情况如图8所示。图8反映了一个月内商业用户四周的气负荷、热负荷以及电负荷变化情况，由图8可知，周一至周五的增长相对平稳，而每逢周末负荷则出现明显增长。四周内的响应情况如图9所示，图9中，纵坐标中的“1”表示用户参与响应，横坐标为天数。分析可知，在图9中的四周内，用户在周一至周五响应度较高，周末相对较少，主要是用户在周末对能源的消费要求较高，对综合需求响应项目的期望收益较高，因此响应次数较少。

4.2储能作为参与主体的中长期综合需求响应分析

电储能系统、储气系统以及储热(冷)系统均可参与综合需求响应，可通过切换充放模式来实现响应，而储能的响应情况与季节的变化关联较大，冬季和夏季的变化使得储能的响应收益有明显差异，因此本实施例中从季节间负荷的变化来分析储能用户的中长期决策。

取1年中4个季度的负荷来分析储能用户对综合需求响应项目的参与情况，其电、气、热负荷在一年内随时间变化的情况如图10所示。为了更清楚的示意，参照图10中横坐标为2时，纵坐标由上往下依次对应的线段为电负荷、气负荷和热负荷。

同时由于储能设备本身的连续使用特性，将储能设备投资周期设置为半年，投资设备即开始使用，因此主要考虑长期的储能设备投资决策。含储电、储气以及储热(冷)系统的储能用户的中长期综合需求响应情况如图11所示，图11中右侧的图例由上外下的顺序依次对应图中由左向右的柱块。结合图10和图11可知，用户1对电负荷的用能偏好较高，从第一年开始就一直投资电储能设备，而在热负荷和气负荷较小的季节则不投资储热和储气设备，随着后期政策补贴大幅上涨后才开始不区分季节的投资储能设备。而用户2对电、热、气的用能偏好相对均衡，面对第一年的政策补贴水平也为投资储能设备，在第二年补贴上涨之后则一直投资储能设备，积极响应。

4.3电动汽车作为参与主体的中长期综合需求响应分析

电动汽车可作为移动式储能参与综合需求响应，其响应情况与出行规律密切相关，在实现储能的同时，可以满足用户的出行要求，其期望收益与行驶里程关系密切，因此考虑用户行驶里程随时间变化的关系来分析电动汽车用户的中长期综合需求响应情况。

在不同的地理位置存在两类用户，并且用户2对出行的满意度要求要高于用户1，其对电动汽车的决策情况如图12所示，图12的图例由上往下对应图中由左往右的柱块。由图12可知，由于用户1对出行满意度的要求相对用户2较低，面对第一年的政策补贴时，已经开始投资电动汽车，直到第三年补贴下滑，停止对电动汽车的更新换代，但在补贴上涨之后又重新恢复投资。而用户2对出行满意度的要求较高，面对第一年到第三年的补贴时，都不愿意投资电动汽车，直到第四年补贴大幅上涨之后，开始投资电动汽车。

电动汽车用户的日响应情况受行驶里程数的满意度和响应收益影响，每日行驶里程近似为对数正态分布，一个月内用户1的行驶里程随机分布情况及响应情况如图13所示。由图13可知，当行驶里程不超过58km时，用户的出行满意度在接受范围之内，则选择响应，而当行驶里程超过58km时，响应的收益不足以弥补用户对出行满意度的要求时，则不响应。

本发明建立了综合能源系统调度及综合需求响应模型为用户模拟参与综合需求响应项目的响应收益，并作为合同累计收益以及设备累计效用的数据来源；运用系统动力学，从不同时间维度着手，分析需求响应资源的水平和调用，综合考虑用户的长期投资更新换代综合用能设备行为、中期是否签订综合需求响应合同以及短期是否响应等因素，建立了基于中长期时间维度的综合需求响应仿真模型。算例基于政策补贴的长期激励，分析了综合能源系统背景下柔性负荷、储能以及电动汽车用户在不同时间维度的响应行为特点，不同阶段的政策补贴变化情况、用户用能偏好、区域位置以及气候变化对用户长期决策、中期决策以及短期决策的影响。

采用本发明的技术方案，可实现如下有益效果：考虑综合能源网络的耦合特性，有助于提高系统调度的经济性；考虑综合能源用户的可替代负荷，有助于对用户用能行为的分析，提升用户效用；考虑用户长期、中期以及短期的需求响应决策，有助于分析长期、中期和短期用户行为之间的耦合关系以及需求侧资源的时间变化特性。考虑柔性负荷、储能以及电动汽车作为综合需求响应的参与主体，有助于分析区域综合能源系统下，典型用能用户的用能行为趋势，为区域综合能源系统的规划方案、运行策略等提供建议，有助于本方案的推广与实施。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：包括以下步骤，

以区域电-气互联综合能源系统网络为基础，耦合节点通过冷热电三联供设备联结园区级热网，构成园区级冷-热-电-气的综合能源系统结构，并通过分别建立热网模型、气网模型、电网模型和调度模型搭建综合能源系统调度模型；

获取节点能源价格建立气-电/热-电替代负荷模型，并通过建立用户效用最大化模型搭建综合需求响应模型；

基于不同时间尺度的需求响应水平且运用系统动力学，通过建立长期综合需求响应决策模型、中期综合需求响应决策模型以及短期综合需求响应决策模型搭建基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型；

将柔性负荷、储能以及电动汽车作为长期综合需求响应的参与主体进行需求响应分析。

2.如权利要求1所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：建立的所述热网模型、气网模型、电网模型和调度模型，其中，

所述热网模型考虑节点流量平衡、节点功率融合、负荷取用特性、供回水温度约束以及管段传热特性；

所述气网模型考虑管道流量约束、气源点约束、流量平衡约束、压缩机约束以及节点压力约束；

所述电网模型考虑节点功率平衡、机组出力约束、爬坡约束以及支路潮流约束；

所述调度模型考虑系统对电和天然气的调度成本，所述调度成本包括火电机组发电成本，天然气气源供气成本以及电转气运行成本。

3.如权利要求1或2所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：所述获取节点能源价格还包括以下步骤，

根据电-气互联网络节点能量平衡约束确定节点能源价格，从而获取节点电价

以及节点气价

如下所示：

上式中的右侧分别为节点电力负荷和节点天然气负荷，每当节点电力负荷

增加1，目标函数值F即系统运行成本，会对应改变，产生一个与电力网络节点对应的边际值，用该值来表示节点电价，记为

同样的，每当节点天然气负荷

增加1，目标函数值同样会对应改变，产生一个与天然气网络节点对应的边际值，用该值来表示节点天然气价格，记为

为t时刻节点i上的气源供气流量；

为t时刻节点i上的电转气供气流量；

为t时刻节点i上燃气轮机消耗的天然气流量；

为t时刻节点i上的天然气负荷；

为t时刻节点i上CCHP消耗的天然气流量；

为t时刻节点i上火电机组的有功出力；

为t时刻节点i上风电机组的有功出力；

为t时刻节点i上燃气轮机的有功出力；

为t时刻节点i上的有功负荷；P_ij,t为t时刻线路ij上的有功功率。

4.如权利要求3所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：所述建立气-电/热-电替代负荷模型还包括以下步骤，

对于用户i，在t时刻，经用能替代项目调节后的电负荷可表示为：

调节后的天然气负荷表示为：

调节后的热负荷表示为：

其中：

为t时刻用户用气替代电的负荷；

为t时刻用户用热替代电的负荷；

为参与用能替代项目前的用户电力负荷值；

为参与用能替代项目前的用户天然气负荷值；

为参与用能替代项目前的用户热负荷值；ρ_e/g为气-电替代系数；ρ_e/h为热-电替代系数；

5.如权利要求1、2或4任一所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：所述建立用户效用最大化模型还包括以下步骤，

用户效用模型包括用户的用电效用、用气效用以及用热效用，表示为：

其中，U为用户i的综合用能效用，λ_e、λ_g以及λ_h分别为用户用电、用气以及用热效用的权重系数，

以及

分别为用户i的用电、用气以及用热满意度函数，

为用户i的纯用电负荷，

为用户i的纯用气负荷，

为用户i的纯用热负荷，

分别为由冷热电联产系统供给纯热负荷所消耗的电能和天然气，

为由所述综合能源系统调度模型求得的节点电价和节点气价。

6.如权利要求5所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：建立的所述基于中长期时间维度的综合需求响应系统动力学模型，其中，

用户的气电比、热电比随用户负荷增长而变化，综合需求响应收益由综合需求响应模型根据电、气、热负荷给出；中期综合需求响应合同收益和综合用能设备效用由底层综合需求响应模型根据综合需求响应合同时间以及设备使用时间累计给出；

用户的期望响应收益、中期期望收益以及长期期望收益受用户自身特性影响，不同的电、气、热负荷比例下的用户的期望响应收益不同，通过所述期望响应收益影响所述中期期望收益，进而所述中期期望收益、设备成本以及不同时期的政策补贴共同影响所述长期期望收益。

7.如权利要求6所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：建立所述长期综合需求响应决策模型还包括以下步骤，

用户的长期综合需求响应决策，考虑是否更换高效综合用能设备、增建库存或者改造生产线增加综合需求响应潜力的技改项目；

用户长期决策模型考虑综合用能设备容量、设备成本、政策补贴、中期期望收益和长期期望收益变量，其中政策补贴作为长期激励，对用户的决策产生较大影响，用户综合考虑综合用能设备效用和长期期望收益，做出是否投资综合用能设备的长期决策。

8.如权利要求6或7所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：建立所述中期综合需求响应决策模型还包括以下步骤，

考虑是否签订中期综合需求响应合同，用户中期决策模型考虑合同期限、长期综合需求响应潜力、综合需求响应收益和期望响应收益变量，

其中所述长期综合需求响应潜力决定所述中期综合需求响应合同的最大容量，用户综合考虑中期综合需求响应合同收益和中期期望收益，做出是否签订综合需求响应的中期决策。

9.如权利要求8所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：建立的所述短期综合需求响应决策模型，其是在短时间尺度上，通过用户的综合需求响应模拟模型，在日调度的时间尺度上，考虑是否参与响应；

所述短期综合需求响应决策模型考虑是否签订中期综合需求响应合同、期望能源价格、用户自身偏好、期望响应容量、自身负荷的气电比和热电比、响应容量和能源价格变量，其中不同用户的偏好对气电比、热电比的敏感度不同，用户综合考虑综合需求响应收益和期望响应收益，做出是否参与响应的综合需求响应决策。

10.如权利要求9所述的面向综合能源系统的中长期综合需求响应建模方法，其特征在于：所述柔性负荷、储能以及电动汽车作为参与主体的中长期综合需求响应分析还包括以下步骤，

所述柔性负荷主动改变用能时间或负荷大小，考虑电、热、气的可替代负荷响应情况，能够从周内负荷变化来分析柔性负荷用户参与短期综合需求响应的响应情况；

所述储能作为参与主体，能够从季节间负荷的变化来分析储能用户的中长期决策，且考虑长期的储能设备投资决策；

所述电动汽车作为参与主体，所述电动汽车能够作为移动式储能参与综合需求响应，在分析短期综合需求响应情况时，考虑电动汽车用户的行驶里程数的满意度和响应收益的影响。

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