CN111582658B - 考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法，方法包括以下步骤：首先，建立待规划分布式能源站综合模型；其次，针对多区域能源站互联协同系统，建立考虑能量损耗的互联电力线路模型与热力管道模型，并拓展了考虑互联协同的分布式能源站综合模型；再次，建立一种基于改进P‑中位模型的分布式能源站选址规划方法，确定了多区域能源站的建设位置、能源站间拟建设互联管线的实际长度以及各能源站供应负荷的大小；进一步，以多区域系统总成本最低为目标建立了一种考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置及管线选型规划方法，实现了分布式能源站集成各类设备配置、站间互联管线的选型规划与多区域系统整体运行优化。

Description

考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法

技术领域

本发明涉及区域综合能源系统、能源站领域，尤其涉及一种考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速发展，能源的消费需求越来越大，推动电能等绿色清洁能源的深化利用，缓解以煤炭为主的能源形式造成的环境问题成为众多国家的面临的难题。多区域能源站互联协同可以实现不同区域间能源的互联互通与互补互济，提升系统整体的经济与环境效益。而建立准确高效的能源站互联管线模型及配置规划模型是关键所在。

目前，考虑多区域能源站互联协同的规划研究相对较少，并且既实现多区域能源站集成能源耦合设备的选型与定容规划，又实现多区域互联系统整体的运行优化，大大增加了问题的求解难度。现有研究建立的分布式能源站模型与互联管线模型较为简单，且多未考虑互联管线的规划问题，对于实际互联管线的建设类型与布局规划研究较少。通过合理的建模、规划，建设多区域能源站互联协调系统，实现区域间能源的互联互通与互补互济，可以减少设备配置冗余，促进可再生能源消纳，优化系统的运行方式，具有良好的经济与环境效益。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法，本发明实现了分布式能源站集成各类设备配置、分布式能源站间互联管线的选型规划与多区域系统整体运行优化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法，包括以下步骤：

(1)借助传统能源集线器模型建立待规划分布式能源站综合模型；

(2)针对多区域能源站互联协同系统，建立考虑能量传输损耗的互联电力线路模型与基于热能流的互联热力管道模型，以及考虑互联协同的分布式能源站综合模型；

(3)建立一种基于改进P-中位模型的分布式能源站选址规划方法，确定多区域能源站的建设位置、能源站间拟建设互联管线的实际长度以及各能源站供应负荷的大小；

(4)以多区域能源站互联协同系统总投资成本最低为目标、考虑约束条件，建立了一种考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置及管线选型规划方法；

(5)通过混合整数线性规划算法对步骤(3)、步骤(4)中所述规划方法进行求解，实现分布式能源站集成各类设备配置、分布式能源站间互联管线的选型规划与多区域能源站互联协同系统整体运行优化。

进一步的，步骤(2)中具体包括以下步骤：

(201)借助电能损耗系数对互联电力线路进行建模：

其中，

为t时段能源站i通过电力线路l传输给能源站j的电功率，

为t时段考虑电力损耗后能源站j接收到的电功率，Γ^e为互联电力线路的集合，Γ^DES为多区域能源站集合；f(σ^e)为电力线路的损耗函数，

为能源站i与能源站j之间电力线路l的长度，σ^e为电力线路的电能损耗系数；

(202)采用如下公式对互联热力管道进行建模：

其中，

和

分别表示t时段流入/流出能源站i、j之间热力管道p的热能流功率，f_p,i-j(ψ_p,i-j)为热力管道p的损耗函数，ψ_p,i-j表示热能在管道p传输过程中的热能流损耗系数；λ_p,i-j表示管道材质保温性能的参数，

表示能源站i、j之间热力管道p的长度(m)，C_shc表示管道传输介质的比热容(Jkg^-1℃^-1)，m_p,i-j(t)管道p的流量，Γ^h为互联热力管道的集合，Γ^DES为多区域能源站集合。

进一步的，步骤(3)中建立基于改进P-中位模型的分布式能源站选址规划方法具体包括：

将分布式能源站供能路径与实际交通网络相结合，以沿道路铺设管线的最短距离作为分布式能源站供能的最短距离；同时，引入多能负荷权重系数ω_n作为各负荷节点的权值，基于改进P-中位模型的分布式能源站选址规划模型表示为：

其中，Γ^N为多能负荷的节点集合，Γ^M为能源站待建位置的集合；

表示负荷节点n沿市政网络至各能源站m的最短距离，

通过Dijkstra算法求解得到；X_m表示待选位置是否被选中，若m节点被选中建设能源站，则其为1，否则为0；Y_nm表示负荷节点n是否通过能源站m供能，若是则其为1，否则为0；

多能负荷权重系数ω_n体现了负荷对于能源需求的多样性，具体表示负荷节点n通过能源站m供能所需建设能源管线的单位成本：

式中，

与

分别表示负荷节点n是否所需要电能或热能的供应，若需要则为1，否则为0；

与

分别表示负荷节点n对应电力线路与热力管线的单位建设成本，与管线的额定容量有关；可以通过拟合得到单位长度管线与额定容量的关系：

式中，为满足能源站对负荷节点的供能，

与

分别为负荷节点n所需的最大电功率与热功率；

通过上述分布式能源站选址规划，能够确定各分布式能源站的建设位置以及其供应多能负荷的大小；同样的，在确定分布式能源站最终建设位置后，分布式能源站间拟建设互联管线的实际长度为能源站间沿道路传输的最短长度，能够通过Dijkstra算法求解得到。

进一步的，步骤(4)中分布式能源站设备配置及管线规划方法所建立的模型以多区域能源站互联协同系统总投资成本最低为目标具体包含分布式能源站等值年投资成本C_inv和分布式能源站等值年运行成本C_oper两部分，目标函数为：

C_cost＝min∑(C_inv+C_oper) (9)

等值年投资成本是在各区域能源站设备投资成本的基础上，还考虑各分布式能源站间互联管线的投资成本；

等值年运行成本考虑多区域互联协同的运行成本，包含各能源站的能源购置成本、设备维护成本以及环境成本三部分，其中环境成本通过等值碳税成本进行表示。

根据权利要求1所述的一种考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法，其特征在于，步骤(4)中多区域能源站互联协同系统的约束条件包括能源站约束、能源站互联管线约束和功率平衡约束三部分。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本文针对分布式能源站互联管线建立了考虑能量传输损耗的互联电力线路模型与基于热能流的互联热力管道模型，所建立模型既能体现能量在互联管线中的传输状态，又能通过线性公式表示，线性公式有助于提升复杂规划模型的求解速度；

2.传统的P中位模型并未考虑实际的网络路径，且假设能源系统中仅有一种能源存在。本发明针对综合能源系统的多能源特征，将能源站供能路径与实际交通网络相结合，并引入多能负荷权重系数体现了负荷对于能源需求的多样性(电、热)；

3.本发明提出的考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置及管线选型规划方法为混合整数线性模型，相比较非线性模型，线性优化算法不易陷入局部最优，具有较高的求解效率。

附图说明

图1为规划模型求解流程图。

图2为多能负荷及能源站候选位置示意图。

图3a为居民区各节点电负荷特性曲线图。

图3b为居民区各节点热负荷特性曲线图。

图3c为办公区各节点电负荷特性曲线图。

图3d为办公区各节点热负荷特性曲线图。

图3e为工业区各节点电负荷特性曲线图。

图3f为工业区各节点热负荷特性曲线图。

图4为分布式能源站拟规划结构示意图。

图5a和图5b分别为光照与风速特性曲线。

图6为能源站选址规划结果示意图。

图7a与图7b分别为各区域能源站供应多能电负荷曲线和多能热负荷曲线。

图8为能源站间互联管线规划结果示意图。

图9为工业区电力运行优化结果。

图10为工业区热力运行优化结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了实现分布式能源站集成各类设备配置、分布式能源站间互联管线的选型规划与多区域系统整体运行优化，本实施例提供了一种考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置及管线选型规划方法，详见以下描述：

101：借助传统的能源集线器模型对图4所示分布式能源站进行建模。

首先借助能源集线器的概念建立多区域分布式能源站i的综合模型。在不考虑可再生能源与电、热储能时，图4所示结构的分布式能源站输入-输出关系可以表示为：

式中，

分别为能源站i的电、热、气负荷，本实施例研究对象气负荷为0；

分别为上级配电网、配气网对能源站i的输入功率；λ_i,1表示能源站i中热泵消耗电能占上级配电网供给电能的比例；μ_i,1、μ_i,2分别表示能源站i中CHP机组、燃气锅炉消耗天然气占上级配气网络供给部分的比例；

分别表示CHP的电、热效率，以及热泵、燃气锅炉的能量转换效率。

考虑到本实施例所规划分布式能源站还包含了可再生能源、储能等能源设备。因此，需要对式(1)所示等式的输入端及输出端进行扩展，具体如下：

式中，

分别为能源站i电、热储能的蓄能以及释能功率；P_i,pv、P_i,wt分别为能源站i光伏以及风机的输出功率，这里不再赘述。

102：针对多区域能源站互联协同系统，建立考虑能量传输损耗的互联电力线路模型与基于热能流的互联热力管道模型，以及考虑互联协同的分布式能源站综合模型。

建立准确的能源站互联管线模型是实现多区域能源站互联协同的关键，本发明以电热互联的多区域能源站互联协同系统为例进行研究，建立了考虑能量损耗的电、热互联管线模型。

首先，考虑到一般电力线路在能量传输时损耗相对较小，故本发明借助电能损耗系数对电力互联线路进行建模：

其中，

为t时段能源站i通过电力线路l传输给能源站j的电功率，

为t时段考虑电力损耗后能源站j接收到的电功率，Γ^e为互联电力线路的集合，Γ^DES为多区域能源站集合；f(σ^e)为电力线路的损耗函数，

为能源站i与能源站j之间电力线路l的长度，σ^e为电力线路的电能损耗系数。

热力管道是分布式能源站互联协同的重要组成部分，不同于电力线路，热力管道存在的能量损耗一般较大。为了更为精确的描述热能在管道中传输的状态，本发明基于热能流模型进行互联热力管道模型建模。同时，还可以借助热能流模型推导出热力管道在标准环境下的最大传输功率上限。

与传统热力系统潮流相同，能源站互联热力管道中考虑热能损失的水流温度变化可以通过下式描述：

其中：

和

分别表示t时段流入/流出能源站i、j之间热力管道p的水流温度，

表示t时段管道p外部土壤温度，λ_p,i-j是管道材质保温性能的参数，

为能源站i与能源站j之间电力线路l的长度，

表示能源站i、j之间热力管道p的长度，C_shc为管道传输介质的比热容，m_p,i-j(t)表示t时刻管道p的水流量，Γ^h为互联热力管道的集合。

同时，管道中t时段的工质水流所传输的热能流功率H_p,i-j(t)可定义为：

其中，T_p,i-j(t)表示t时段管道p的工质水流温度，C_shc为管道传输介质的比热容，m_p,i-j(t)表示t时刻管道p的水流量，

表示t时段管道p外部土壤温度。

由于质调节模式下区域热力网络各管道水流质量流量是恒定的，若假定各类型管道均运行在其推荐流量

且给定管道所传输介质的最高温度与标准环境下的管道外部土壤温度，就可以计算出管道在标准环境下的最大传输功率。

同时，由于质调节模式下区域热力网络各管道水流质量流量是恒定的，假定各类型管道均运行在其推荐流量，将式(6)带入式(5)可得如下式：

其中，

和

分别表示t时段流入/流出能源站i、j之间热力管道p的热能流功率，f_p,i-j(ψ_p,i-j)为热力管道p的损耗函数，ψ_p,i-j表示热能在管道p传输过程中的热能流损耗系数。

相对于步骤101中单一能源站综合模型，多区域能源站互联协同相当于给单一的分布式能源站增加了某种能源的输入、输出。在传统能源集线器模型的基础上，考虑分布式能源站间的互联协同可以将其它分布式能源站类比于储能模型，对其它分布式能源站供能相当于“储能存储能量”，其它分布式能源站对外供能相当于“储能释放能量”。基于上述原则，在公式(2)的基础上进行扩展，考虑互联协同的分布式能源站综合模型可以表达为：

其中，

分别为t时刻能源站i传输给能源站j的电能或热能，以及能源站i收到能源站j传输的电能或热能，

表示与能源站i互联的分布式能源站集合。

103：建立一种基于改进P-中位模型的分布式能源站选址规划方法，确定了多区域能源站的建设位置、能源站间拟建设互联管线的实际长度以及各能源站供应负荷的大小。

可以看出，分布式能源站互联管线模型是实现多区域互联协同的重要环节。同时，步骤102中电力损耗函数f_l,i-j(σ^e)与热力损耗函数f_p,i-j(ψ_p,i-j)的计算均需要首先确定互联管线的长度。现有研究多假设互联管线长度为各能源站间的直线距离，且已提前确定。但实际应用过程中，需要首先基于负荷需求，确定各能源站实际的建设位置，进而得出特定负荷需求与地理环境下的能源站间互联管线的建设长度。并且一般的，为了节约城市地下空间，减少能源管线建设过程中反复开挖路面对环境交通带来的影响，工程管线通常需要沿交通道路的边缘进行敷设。

因此，实施例给出了一种基于改进P-中位模型的分布式能源站选址方法。该方法将分布式能源站供能路径与实际交通网络相结合，以沿道路铺设管线的最短距离作为分布式能源站供能的最短距离。同时，不同于传统P-中位模型只考虑一种能源形式，同时，本发明引入了多能负荷权重系数ω_n作为各负荷节点的权值，基于改进P-中位模型的分布式能源站选址规划模型可以表示为：

式中，Γ^N为多能负荷的节点集合，Γ^M为能源站待建位置的集合；

表示负荷节点n沿市政网络至各能源站m的最短距离(通过Dijkstra算法进行求解)；X_m表示待选位置是否被选中，若m节点被选中建设能源站，则其为1，否则为0；Y_nm表示负荷节点n是否通过能源站m供能，若是则其为1，否则为0。

多能负荷权重系数ω_n体现了负荷对于能源需求的多样性，具体表示负荷节点n通过能源站m供能所需建设能源管线的单位成本：

式中，

与

分别表示负荷节点n是否所需要电能或热能的供应，若需要则为1，否则为0；

与

分别表示负荷节点n对应电力线路与热力管线的单位建设成本，与管线的额定容量有关。可以通过拟合得到单位长度管线与额定容量的关系：

式中，为了满足能源站对负荷节点的供能，

与

分别为负荷节点n所需的最大电功率与热功率。

可以看出，通过上述分布式能源站选址规划，可以确定各分布式能源站的建设位置以及其供应多能负荷的大小。同样的，在确定分布式能源站最终建设位置后，分布式能源站间拟建设互联管线的实际长度为能源站间沿道路传输的最短长度，可以通过Dijkstra算法进行求解。

104：通过建立总成本最低的目标条件，以及引入规划类决策变量与约束条件，建立了一种考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置及管线选型规划方法。

与单一能源站设备配置规划类似，本发明所建立规划模型以多区域系统整体等值年总成本C_cost最低为目标，包含投资成本C_inv和运行成本C_oper两部分，目标函数为：

C_cost＝min∑(C_inv+C_oper) (14)

a.等值年投资成本

与单一能源站设备配置规划不同的是，考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置规划与互联管线规划，在各区域能源站设备投资成本的基础上，还需要考虑各分布式能源站间互联管线的投资成本：

其中，

为能源站i集成的各类设备等值年投资成本，

为能源站i、j之间的能源管线考虑折旧的等值年投资成本；

与

分别为设备k第s种类型的规划容量与单位容量成本；r为设备的折旧率，T_k、T_l、T_p分别为设备k、线路l、管道p的使用年限；Γ^DES为各区域能源站的集合，Γ^equ为能源站内部集成各种设备集合；

为各种设备包含的类型集合；

为各种线路或管道包含的类型集合；

表示能源站i、j之间第x种线路或管道选型系数，为0-1整型变量；

分别为第x种电力线路与热力管道的单位长度成本。

b.等值年运行成本

同单一能源站运行成本类似，考虑多区域互联协同的运行成本包含了各能源站的能源购置成本，设备维护成本以及环境成本三部分，其中环境成本通过等值碳税成本进行表示，具体如下：

其中，C_i,fuel、C_i,main、C_i,envi分别为能源站i的能源购置费用、设备维护费用以及环境费用；td表示不同季节的典型日，其取值为1～3分别表示夏季、过渡季以及冬季典型日；τ_td为各典型日在一年中的权重，当td值为1或3时，τ_td取365/4，当td值为2时，τ_td取365/2；

为能源站i在t时刻电力或天然气的消耗功率；π^o为o种能源的单位耗量成本，o表示电力或天然气；

为能源站i中设备k的第s种类型在t时刻的输出功率；

为设备k的第s种类型输出单位功率的运行维护成本；E_grid为发电厂单位产能的CO₂排放，η_grid为电力网络的传输效率；E_gas为天然气系统单位产能的CO₂排放；ω^Ctax为等值碳税系数。

多区域能源站互联协同系统的约束条件可以分为能源站约束、能源站互联管线约束，功率平衡约束三部分。

(1)能源站约束

为了实现各区域能源站的选型与定容规划，需要引入如下选型系数以及选型与定容规划约束：

其中，

为能源站i集成设备k第s种类型的选型系数，表示设备k的第s种类型是否被选择。每种选型系数相加小于等于1可使设备i最多选择一种类型，同时也可以改变选型系数和的数值，起到控制选型结果的作用。

其中，

为各种设备的运行功率上限，可以使各种设备的运行功率不能超过其规划容量。

同时，为了使能源站集成的各种设备运行在合理的范围内，还需要设置CHP机组、燃气锅炉、热泵运行上下限约束，爬坡率约束以及电储能、热储能的蓄、释能约束等相关约束，这里不再赘述。

(2)能源互联管线约束

类似能源站设备选型，互联网络投建与选型规划也可以通过引入选型系数，起到判断管线是否投建、选择管线投建类型的作用：

其中，

为t时刻第x种线路或管道传输的功率；

为第x种线路或管道允许通过的最大功率，d表示电或热；

表示能源站i、j之间第x种线路或管道选型系数，为0-1整型变量，1表示线路或管道被选择、0表示不被选择。每种选型系数相加等于1小于等于1可使线路或管道最多选择一种类型，或者均不被选择。若各类型线路或管道均不被选择，则视为能源站i、j之间不投建相应互联网络。

为了保证能源站互联协调不超过线路或管道的传输功率，并且各能源站不能同时给对方传输同种能源，能源站互联协调还需要满足以下约束：

其中，max(P_i-j)为一任意较大的正数；

分别表示t时刻能源站i、j之间不同方向电能或热能的传输系数，为0-1整型变量，1表示能量传输、0表示能量不传输。

(3)多区域能源站互联协同系统功率平衡约束

根据步骤102公式(10)给出的考虑互联协同的分布式能源站综合模型，可以得到多区域能源站互联协同系统整体应该满足以下功率平衡约束：

其中，考虑到每种设备具有不同的类型，对于能源站i设备来说，

为t时刻设备k各种类型s对于能源q总的输入或输出功率，q表示电、气或热，即待选型设备功率

的值由各类型设备功率求和表示：

对于互联网络来说，式中

分别为t时刻能源站i传输给能源站j的电能或热能以及能源站i接收到能源站j的电能或热能，

为与能源站i互联的能源站集合。考虑到每种线路也具有不同的类型，还需要引入如下约束，即能源站j收到的能量由各类型线路输入的功率乘以相应的损耗系数并求和表示：

其中，

分别为能源站i通过第x种线路或管道传输的电、热功率，

表示能源站j接收到的电、热功率，f_l,i-j(σ^e)为电力线路对应的电能损耗函数，

表示不同类型热力管道对应的损耗函数，

为各种线路或管道包含的类型集合。

105：通过混合整数线性规划算法对上述模型进行求解，实现了分布式能源站集成各类设备配置、分布式能源站间互联管线的选型规划与多区域系统整体运行优化。

可以看出，为了实现上述考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置规划，需要对分布式能源站选址规划与能源站、互联管线配置规划两部分进行求解。其中，分布式能源站选址规划为配置规划提供互联管线的拟建设长度与各能源站供应多能负荷的大小。同时，可以发现上述两部分规划均为线性优化。对比于一般的非线性优化，线性优化有利于降低规划问题的求解难度，使多区域能源站互联规划与协同优化成为可能。

本发明在MATLAB中借助YALMIP求解器调用CPLEX算法对分布式能源站选址规划模型以及能源站、互联管线配置规划模型进行求解。具体求解流程如图1所示，首先考虑实际管线的建设路径与负荷多能需求，从能源站候选建设位置中求出能源站的最终建设位置。进而计算出能源站间拟建设互联管线的实际长度、以及各能源站供应多能负荷的大小；其次，将上述结果带入考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置及管线选型规划模型当中，通过算法求解，得到分布式能源站集成各类型能源设备配置规划、分布式能源站间互联管线的选型规划与多区域系统整体运行优化结果。

下面以具体的实验来验证本发明实施例提供的优化方法的可行性，详见下文描述：

以北方某地区为例进行研究，该地区可大体分为居民、办公、工业三个区域，各区域交通网络布局及多能负荷分布情况如图2所示。各负荷节点能源需求如附录图3a至图3f所示。本发明拟规划三座能源站以满足各区域负荷对于电、热的能源需求，结合当地资源禀赋与用地规划性质得到的能源站候选位置如图2所示。各能源站待规划结构如图4所示，其中各设备规划容量待定，并且CHP机组、锅炉、热泵规划类型待定。结合区域地理条件与实际安装环境，各设备规划容量上限略有差异，特别是对于光伏、风机，差异较为明显，且仅工业区地理条件适宜建设风机。各设备级互联管线规划参数信息由附录表1、表2、表3、表4给出。

表1

表2

表3

表4

实施过程中，可再生能源特性曲线如附录图5a和图5b所示。电价为分时电价，峰时为0.9640元/kWh(8h-11h，18h-23h)、平时0.6785元/kWh(7h-8h，11h-18h)、谷时0.4090元/kWh(23h-7h)，天然气价格按照单位热值折合为0.34元/kWh。燃煤电厂、天然气燃烧CO2排放系数分别为0.80kg/kWh和0.19kg/kWh。电网的线损率取7％，等值碳税为0.3元/kg。

通过算法求解，可以得到相应的规划结果。

首先是分布式能源站选址规划，基于该地区负荷特性曲线，采用第二节中所述的分布式能源站选址方法对该区域拟建设三座能源站的位置进行选址，其结果如图6所示。其中，能源站1、2、3分别对居民区、办公区、工业区进行能源供应。同时，基于各负荷归属能源站的规划结果，也可以得出各能源站供应多能负荷的大小，如图7a和图7b所示。可以看出，各区域多能负荷需求由于用户用能行为的不同而存在差异，例如，办公区夜间基本无用电需求，而其它区域夜间还存在一定的用电需求。居民区与办公区在夏季和过渡季基本无供热需求，但工业区各季度均存在较为稳定的供热需求，且需求较大。这些负荷的用能特性差异均为多区域能源站互联协同创造了可能。

同时，为了研究多区域能源站互联协同规划相对于单一区域能源站规划以及传统各能源系统分立规划的优势，本实施例设计了以下三种场景。场景1为各能源系统分立运行方式，即各区域由电网供电，燃气锅炉-1型供热；场景2为单一能源站规划方式，即各区域能源站间无互联协同，仅负责各自区域的能源供应；场景3为本发明研究的多区域能源站互联协同规划。

通过本实施例中提出的规划方法进行求解，场景3中的多区域能源站互联管线选型规划结果如图8所示，其中给出了各能源站间互联管线的长度、种类、型号以及沿道路建设的最优路径。通过上述结果可以看出，在互联管线规划方面，各区域间均规划了能源互联，只是由于负荷特性的不同，各区域间的互联形式存在差异。例如居民区与办公区间并未规划电力互联、办公区与工业区间规划了不同类型的热力管道。这表明，为了实现经济最优，并非各区域间均适合建立各类型的能源互联，而是应该结合区域各自的多能负荷需求，通过科学的规划方法，确定合理的能源互联形式与规划管线类型。

3种场景下的能源站设备选型与定容规划结果如表5所示。在多能设备规划方面，场景1规划了不同容量的燃气锅炉以满足负荷的热能需求，负荷的电能需求则全部由电网提供。场景3与场景2由于能源站的建设，各区域均规划了多种类型的能源耦合设备。对于能源转换设备，由于CHP机组能够同时产生电、热两种能源，能源综合利用率较高，成为了各区域能源站主要的供能设备，且场景2与场景3中各区域均规划了能源转换效率较高的“CHP-3型”机组。同时，由于CHP机组热电比与负荷热电比存在偏差，仅投建CHP机组并不能实现供能的经济性最优。因此场景2与场景3均规划了一定容量的热泵与CHP机组进行配合，只是工业区选择了效率较高的地源热泵而其它区域选择了价格较低的空气源热泵。这是由于工业区各季度均存在较高的热力需求，虽然地源热泵价格较高，但是其较高的转换效率可以节省更多的电能消耗，因此也更为经济。而居民区与办公区仅夏季存在较高的热能需求，因此选择价格更低的空气源热泵更为经济。不同的是，场景3中各区域设备配置容量与场景2均有不同，且场景3中各区域均并未配置转换效率相对较低的燃气锅炉。这是由于场景3考虑了各区域能源站互联协同，使得各能源设备不仅可以为本区域负荷供能，还可以通过互联管线传递至其它区域。通过区域间的协调互济，充分发挥CHP机组、热泵等设备的供能优势，减少多区域总体的配置冗余，提升规划的经济性。例如，虽然场景3中办公区CHP机组容量配置较大，但其可以在满足自身用能需求的同时为工业区提供能量，从而降低工业区CHP机组以及地源热泵的容量配置。

表5

本发明在完成能源站设备配置及互联管线选型规划的同时，也实现了多区域系统整体的典型日运行优化。本实施例以工业区为例进行区域间互联协同优化分析，其中工业区各典型日电力、热力系统运行优化结果如图9、图10所示。在电力方面，由于可再生能源在运行过程中仅产生运行维护成本，因此成为工业区各季节首选供电方式。当可再生能源无法满足负荷或热泵用电需求时，再由电网及CHP机组进行补充，于此同时，电储能在电价较低时充电，电价较高时放电实现经济运行。对于区域间的电力协同，当工业区可再生能源与CHP机组供电总量大于其电负荷及热泵耗电总量时，过剩的电能可以通过互联线路传输给具有电负荷需求的居民区与办公区，从而减少多区域系统整体对于电能的生产与购置需求，如图9中夏季13h、20h-21h，过渡季13h-22h，冬季7h-9h所示。当其它区域可再生能源产生的电能大于其自身的电能需求时。富余的电能则通过互联线路传递给工业区，从而减少工业区的供电成本，如居民区夏季12h-15h、过渡季10h-12h、冬季1h-5h所示。因此，多区域间电能的互联协同，有助于优化系统整体的用能方式，促进可再生能源的消纳，提高能源的综合利用效率。

在热力方面，热负荷主要由CHP机组、热泵结合区域间热力协同进行热能供应，热储能配合CHP机组优化运行。虽然工业区各季节热力需求较为稳定，但结合其它互联区域的用能特性，各季节运行情况存在较大差异。如图10所示，在夏季和过渡季，当夜间电价较低时(23h-6h)，工业区热负荷主要通过热泵供热，同时通过与办公区域间的热力协同，减少工业区热泵的容量配置，降低投资成本。日间(7h-22h)电价较高时，为了实现系统最优运行，虽然居民区与办公区基本无热力需求，但其仍可通过供能经济性较高的CHP机组供电，随之产生的过剩热能通过热力管道传输至工业区，在满足工业区热力需求的同时，降低工业区对于CHP机组的容量配置，进一步提升系统的经济性。在冬季，由于居民区、办公区、工业区能源站均具有较高的热力需求，区域间的热力协同相对较少。仅个别时段其它区域供能不足或供能富余时与工业区协调少量热能。

本实施例表明，本发明所提出的规划方法可以实现分布式能源站集成各类能源设备配置及分布式能源站间互联管线长度、种类、型号以及沿道路建设的最优路径规划。同时，通过三种场景下的算例对比可以看出，多区域能源站互联协同可以充分利用各区域负荷特性差异，通过区域间能源的互联互通与互补互济，减少设备配置冗余，促进可再生能源消纳，优化系统的运行方式，具有良好的经济与环境效益。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑多区域互联协同的能源站设备配置及管线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)借助传统能源集线器模型建立待规划分布式能源站综合模型；

(2)针对多区域能源站互联协同系统，建立考虑能量传输损耗的互联电力线路模型与基于热能流的互联热力管道模型，以及考虑互联协同的分布式能源站综合模型；具体包括以下步骤：

(201)借助电能损耗系数对互联电力线路进行建模：

其中，

为t时段能源站i通过电力线路l传输给能源站j的电功率，

为t时段考虑电力损耗后能源站j接收到的电功率，Γ^e为互联电力线路的集合，Γ^DES为多区域能源站集合；f_l，i-j(σ^e)为电力线路的损耗函数，

为能源站i与能源站j之间电力线路l的长度，σ^e为电力线路的电能损耗系数；

(202)采用如下公式对互联热力管道进行建模：

其中，

和

分别表示t时段流入或流出能源站i、j之间热力管道p的热能流功率，f_p,i-j(ψ_p,i-j)为热力管道p的损耗函数，ψ_p,i-j表示热能在管道p传输过程中的热能流损耗系数；λ_p,i-j表示管道材质保温性能的参数，

表示能源站i、j之间热力管道p的长度，单位是米，C_shc表示管道传输介质的比热容，单位是Jkg^-1℃^-1，m_p,i-j(t)管道p的流量，Γ^h为互联热力管道的集合，Γ^DES为多区域能源站集合；

(3)建立一种基于改进P-中位模型的分布式能源站选址规划方法，确定多区域能源站的建设位置、能源站间拟建设互联管线的实际长度以及各能源站供应负荷的大小；具体包括：

将分布式能源站供能路径与实际交通网络相结合，以沿道路铺设管线的最短距离作为分布式能源站供能的最短距离；同时，引入多能负荷权重系数ω_n作为各负荷节点的权值，基于改进P-中位模型的分布式能源站选址规划模型表示为：

其中，Γ^N为多能负荷的节点集合，Γ^M为能源站待建位置的集合；

表示负荷节点n沿市政网络至各能源站m的最短距离，

通过Dijkstra算法求解得到；X_m表示待选位置是否被选中，若m节点被选中建设能源站，则其为1，否则为0；Y_nm表示负荷节点n是否通过能源站m供能，若是则其为1，否则为0；

多能负荷权重系数ω_n体现了负荷对于能源需求的多样性，具体表示负荷节点n通过能源站m供能所需建设能源管线的单位成本：

式中，

与

分别表示负荷节点n是否所需要电能或热能的供应，若需要则为1，否则为0；

与

分别表示负荷节点n对应电力线路与热力管线的单位建设成本，与管线的额定容量有关；可以通过拟合得到单位长度管线与额定容量的关系：

式中，为满足能源站对负荷节点的供能，P_n ^e与P_n ^h分别为负荷节点n所需的最大电功率与热功率；

通过上述分布式能源站选址规划，能够确定各分布式能源站的建设位置以及其供应多能负荷的大小；同样的，在确定分布式能源站最终建设位置后，分布式能源站间拟建设互联管线的实际长度为能源站间沿道路传输的最短长度，能够通过Dijkstra算法求解得到；

(4)以多区域能源站互联协同系统总投资成本最低为目标、考虑约束条件，建立了一种考虑多区域互联协同的分布式能源站设备配置及管线选型规划方法；具体包含分布式能源站等值年投资成本C_inv和分布式能源站等值年运行成本C_oper两部分，目标函数为：

C_cost＝min∑(C_inv+C_oper) (9)

等值年投资成本是在各区域能源站设备投资成本的基础上，还考虑各分布式能源站间互联管线的投资成本；

等值年运行成本考虑多区域互联协同的运行成本，包含各能源站的能源购置成本、设备维护成本以及环境成本三部分，其中环境成本通过等值碳税成本进行表示；

多区域能源站互联协同系统的约束条件包括能源站约束、能源站互联管线约束和功率平衡约束三部分；

(5)通过混合整数线性规划算法对步骤(3)、步骤(4)中所述规划模型进行求解，实现分布式能源站集成各类设备配置、分布式能源站间互联管线的选型规划与多区域能源站互联协同系统整体运行优化。

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