CN113393038B - 一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法，该方法包括：考虑负荷需求响应因素，基于加权等价距离最小的能源站供能范围划分方法；综合考虑负荷需求响应的容量和位置以及能源站设备选型与容量配置，以经济性最优构建能源站负荷联合规划模型并进行求解，确定能源站设备选型与容量配置以及负荷需求响应的位置和容量；基于需求响应对能源站下级管网布局的影响分析，以管网建设成本最小构建管网布局模型并求解，确定管网布局；以改进能矩最小为依据确定最优能源站站址，从而得到最优站址下的最优能源站设备配置和管网规划方案。本发明实施例提供的技术方案考虑了负荷需求响应与能源站网间的协同规划，提升了综合能源站网规划的整体经济性。

Description

一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法

技术领域

本发明实施例涉及综合能源管理技术领域，尤其涉及一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法。

背景技术

全世界能源和环境问题的严重威胁给能源生产和消费方式带来了重大变化。综合能源系统(Integrated Energy Systems，IESs)凭借其多能源互补协同的能力，极大地提高能源利用效率和促进可持续能源的发展，成为了国内外研究热点之一。综合能源系统具有复杂的结构，主要包括能源站、能源配送网络及负荷。能源站由能源产生、转换和存储等设备构成，为负荷提供能量供给。能源配送网络主要是连接负荷和能源站，起到能量传输的作用。合理的IES规划是实现多种能源协同运行的重要前提，是有效地提升能源利用效率的保障。

目前针对综合能源系统规划设计研究主要集中在三个方面：能源站设备容量优化、能源站站址优化以及能源管网的布局优化。这些研究主要存在以下两个问题：(1)现有研究针对能源站站址的研究大多采用的是离散型选址，其选址结果的全局最优性难以保障，此外有关连续型选址的文献在能矩计算中采用负荷与能源站间的直线距离，未能反应实际管网沿道路敷设的拓扑特性。(2)负荷需求响应作为负荷需求侧一种资源，将会影响规划内整体负荷曲线，进而会对能源站设备容量、能源站站址以及下级管网布局产生影响。现有研究在研究能源站规划和管网规划中未考虑需求响应对其影响，或只简单考虑需求响应对于能源站设备运行层面的影响，并未统筹考虑需求响应在规划层面对于能源站设备容量、能源站站址以及下级管网的影响以及需求响应资源的选择优化问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法，以提升综合能源站网规划的整体经济性。

具体的，本申请提出的综合能源站网及需求响应协同规划方法包括：

(1)基于能源站合理供能半径与规划区大小，确定规划区新建能源站数量方案集合；

(2)考虑负荷需求响应因素，基于等价加权距离最小的能源站供能范围划分方法；

(3)综合考虑负荷需求响应的容量和位置以及能源站设备选型与容量配置，以经济性最优构建能源站负荷联合规划模型；

(4)基于需求响应对能源站下级管网布局的影响分析，以管网建设成本最小构建管网布局模型；

(5)基于需求响应对能源站站址选择影响分析，以改进能矩最小为依据得到最优能源站站址。

所述步骤(1)的基于能源站合理供能半径与规划区大小，确定规划区新建能源站数量方案集合，包括：

S表示规划区域的面积；r_min和r_max分别表示综合能源站最小/最大供能半径。

所述步骤(2)的考虑负荷需求响应因素，基于加权距离最小的能源站供能范围划分方法，包括：

1)初始供能范围划分

以等价距离最小为依据进行规划区内能源站初始供能范围划分，其数学模型表示为：

g_ik为能源站k和负荷点i之间的归属因子，d_ik为负荷点i和能源站k的等价距离，d_ik为负荷点i和能源站k的实际距离，r为能源站数量为N_station下的各能源站合理供能半径,S为规划区面积。当负荷点i和能源站k之间的等价距离时是负荷点i到所有能源站的等价距离中最小时，能源站k和负荷点i的归属因子为1，否则为0。

2)供能范围划分修正

以加权等价距离最小为依据进行能源站供能范围划分调整，数学表达式表示为：

g’_ik为修正后的能源站k和负荷点i的归属因子，ω_ik为加权因子，γ为放大系数，ε_k为能源站k供能范围内负荷整体峰谷差，ε_ik为若负荷点i由能源站k供能时，能源站k供能范围内负荷整体峰谷差，ω_ikd_ik为加权等价距离。

所述步骤(3)的综合考虑负荷需求响应的容量和位置以及能源站设备选型与容量配置，以经济性最优构建能源站负荷联合规划模型，包括：

1)目标函数

minF＝C+F_s+F_o

C_op,k＝C_op,k,GB+C_op,k,CCHP+C_op,k,EC+C_op,k,TS+C_op,k,CS

F为联合优化成本，C为需求响应成本，F_S为设备容量规划成本，F_O为设备运行成本，N表示规划区负荷点数量，u_i为0-1变量，表示该负荷点是否进行需求响应，α₁表示可削减负荷单位需求响应容量费用，P_ci表示负荷点i的需求响应容量，α₂表示可削减负荷单位灵活性成本即单位电量成本，D为一年中典型日的天数，T为一天的时段数，P_1i,d,t负荷点i实际的需求响应功率，Y表示能源站设备类型集合，Y_j表示能源站类型j设备的型号集合，x_k,j,s为0-1变量，表示能源站k设备j的第s种类型的设备是否选取，若选取则为1，否则为0，a_k,j,s为能源站k设备j的第s种类型设备的等年值系数，e_k,j,s为能源站k设备j的第s种类型设备的单位设备容量费用，W_rate,k,j,s为能源站k设备j的第s种类型的设备容量，C_op,k为能源站k的设备运维费用，C_ele,k为能源站k的外购电费用，C_gas,k为能源站k的外购天然气费用，C_op,k,GB为能源站k热泵运维费用，C_op,k,CCHP为能源站k燃气三联供运维费用，C_op,k,EC为能源站k制冷机运维费用，C_op,k,TS为能源站k储热设备运维费用，C_op,k,CS为能源站k储冷设备运维费用。

2)约束条件

①负荷需求响应功率约束

0≤P_1i,d,t≤P_ci

②负荷需求响应容量约束

0≤P_ci≤P_cmax

P_cmax为负荷需求响应容量的最大值

③设备选型约束

0≤W_rate,k,j,s≤x_k,j,sW_{rate,k,j,s,max}

x_k,i,1+x_k,i,2+...+x_k,i,s≤1

x_k,j,s为0-1变量，表示能源站k设备j的第s种型号是否选取，若选择则为1，否则为0，W_{rate,k,j,s,max}为能源站k设备j的第s种型号设备的容量最大值。

④功率平衡约束

q_k,t,GB为能源站k热泵t时刻的出力，q_k,t,CCHP为能源站k燃气三联供t时刻的出力，q_k,t,TS为能源站k储热设备t时刻的出力，大于0表示放热，小于0表示吸热。

⑤负荷需求响应时间约束

t∈T_d＝[t_str,t_end]

T_d为负荷需求响应时段，t_str为负荷峰值段的起始时刻，t_end为负荷峰值段的终止时刻式中。

⑥负荷需求响应意愿约束

m_i为负荷点i的满意度，m_i,min为最小满意度。

3)求解方法

上述模型属于混合整数线性规划模型，优化决策变量为能源站设备选型变量、设备容量、设备出力、负荷需求响应点选择变量、负荷需求响应容量以及负荷需求响应功率变量，采用CPLEX软件对模型进行求解。

所述步骤(4)的基于需求响应对能源站下级管网布局的影响分析，以管网建设成本最小构建管网布局模型，包括：

1)目标函数

F_n为管线建设费用，c为单位流量单位长度费用，x_ij表示节点i和节点j之间是否建立管线，Q_ij表示节点i和节点j之间流过的管流量，l_ij表示节点i和节点j之间的管线长度，A表示规划区内节点集合。

2)约束条件

①负荷节点流量约束

Г_out,j为节点n_j的邻接节点集合，且流量是从n_j流向该邻接节点，Г_in,j为节点n_j的邻接节点，且流量是从该邻接节点流入节点n_j，Q_j为负荷节点n_j所需的原始管流量，Q_DR,j为节点n_j需求响应的管流量；A_L为负荷节点集合。

②道路节点与管道接入节点流量约束

A_R为接入节点和道路节点的集合。

③管道流量上下限约束

-x_ijQ_ij,max≤Q_ij≤x_ijQ_ij,max

Q_ij,max为管道最大流量。

④负荷接入方向唯一约束

α_ij为0-1变量，表示是否负荷节点n_i是否与某一邻接接入节点建设管线，若为1则表示建设管线，否则为0。

3)求解方法

上述模型属于混合整数线性规划模型，优化决策变量为管道选择变量和管流量变量，故采用CPLEX软件对模型进行求解。

所述步骤(5)的考虑能源站与负荷点间的曼哈顿距离，基于曼哈顿距离的改进能矩最小为依据得到最优能源站站址，包括：

1)改进能矩计算方法

CP_i{|x_i-x_k|+|y_i-y_k|}

x_i为负荷点i的横坐标，y_i为负荷点i的纵坐标，x_k为能源站k的优化前的横坐标，y_k为能源站k优化前的纵坐标。

2)最优能源站站址确定方法

x_k,op为能源站k优化后的横坐标，y_k,op为能源站k优化后的纵坐标，P_i为考虑需求响应后负荷点i所需的平均管流量。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明考虑负荷需求响应资源规划和其对能源站与管网规划的影响，实现源网荷规划的协调互动和优势互补，从而提升了综合能源站网规划的整体经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的综合能源站网及需求响应协同规划求解流程图；

图2为本实施例中规划区内不同类型的冷热负荷曲线图；

图3为本实施例中不同方案下的能源站与管网布局规划结果图；

图4为本实施例中各能源站不同方案下的冷负荷峰谷差率图；

图5为本实施例中各能源站下级管网在不同方案下的管网建设长度图；

图6为本实施例中各能源站下级管网在不同方案下的平均管径图

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

结合图1详细阐述本发明所提一种综合能源站网及需求响应协同规划方法的整体求解流程，具体步骤如下：

Step1:输入规划区域信息；

Step2:确定新建能源站数量方案集合；

Step3:选择一个数量方案并确定能源站初始站址；

Step4:基于所述初始供能范围划分确定能源站初始供能范围；

Step5:基于所述综合考虑负荷需求响应的容量和位置以及能源站设备选型与容量配置，以经济性最优构建能源站负荷联合规划模型确定能源站设备容量和负荷需求响应位置和容量；

Step6:基于所述需求响应对能源站下级管网布局的影响分析，以管网建设成本最小构建管网布局模型确定能源站下级管网布局；

Step7:基于所述供能范围划分修正调整能源站供能范围；

Step8:判断供能范围划分是否收敛，若收敛则继续步骤9，否则基于步骤7的供能范围划分结果重新进行步骤6；

Step9:基于需求响应对能源站最优站址选择的影响分析，以改进能矩最小为依据确定最优能源站站址方法调整能源站站址使能源站处在最优供能位置；

Step10:判断调整后的能源站站址是否收敛，若收敛则进行步骤11，否则基于调整后的能源站站址重新进行步骤5

Step11:判断是否遍历所有数量方案，若遍历完所有数量方案，则输出总费用最小的方案，否则重新进行步骤3。

规划区域中冷、热负荷分别为326.7MW和277.8MW，共包含57个负荷点，各负荷点的信息见表1，该规划区主要包含商业、行政及居住三类负荷，不同类型负荷的冷、热需求典型时序曲线如图2所示。综合规划区面积及能源站的供能半径范围，预计建设2～5座能源站进行集中供冷/供热。管道的供回水温度差为45℃，可选用的标准管道型号如表2。能源站设备类型主要包含燃气轮机、溴化锂制冷机、电锅炉、电制冷机、蓄水池以及蓄热罐，具体参数如表3。不同类型的负荷需求响应参数如表4。设置两个方案说明本发明所提内嵌需求响应的综合能源站网协同规划模型的合理性，方案一中不考虑负荷需求响应对于综合能源站网协同规划影响；方案二中考虑负荷需求响应对于综合能源站网协同规划影响，即所提的内嵌需求响应的综合能源站网协同规划方法。

表1规划区负荷分布情况

表2管道型号参数

表3能源站设备参数

表4负荷需求响应参数

表5各能源站削峰和负荷需求响应容量

表6各能源站不同方案下经济成本对比

多能源站场景下不同方案的能源站与管网规划结果如图3所示，对比规划结果可知，区块25负荷原先由能源站D供能，在考虑需求响应后改由能源站A供能。区块34和区块24原本分别是由能源站B和能源站C供能，在考虑需求响应后，分别改由能源站C和能源站D供能。据此可得，考虑需求响应的方案一将会使得各能源站供能范围发生变化。结合图4可知方案二相较于方案一将会降低各能源站供能范围内的负荷峰谷差率，以冷负荷为例，最高能降低冷负荷峰谷差率约4.94％。

从表5可知，虽然方案二下的能源站A所供负荷增加了区块25，但是其对能源站A内负荷峰值影响仍小于能源站A内所规划的需求响应容量，故而能源站A整体峰值仍是降低的。此外，由于能源站B所规划的需求响应容量最多，其供能范围内负荷削峰比例最高。故而在考虑需求响应后，能源站B由于规划的需求响应容量最高，其负荷削峰率和源荷匹配系数最高，结合表6可知，能源站B设备容量减少的最多，故而能源站B设备建设费用较其他能源站减少的最多，减少约310万元。

管网布局方面，结合图5可知，能源站B方案二下的管网建设长度相比较于方案一减少了64.3km，相比较于他各能源站，能源站B的管网建设长度减少最多。其次，从管道选型角度，由于能源站B的负荷需求响应容量最大，参与需求响应的数量最多，从而将降低管道整体规格。结合图6可知，能源站B方案二的平均管径相比较于方案一降低了1.5mm，是各个能源站中平均管径降低最多的。综合管网建设长度和平均管径两方面分析可知，由于能源站B的负荷需求响应容量最多，相比较于各能源站，能源站B管网建设长度和平均管径降低的最多，结合表6可知，能源站B的管网建设费用自然也是最多的。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法，其特征在于，所述方法包括：

考虑负荷需求响应因素，基于等价加权距离最小的能源站供能范围划分方法；其中，所述考虑负荷需求响应因素是指在能源站供能范围划分的过程中计及负荷需求响应位置以及容量的影响，所述等价加权距离中的等价是将距离标幺化，从而与加权因子统一为无量纲数，以等价加权距离最小的供能范围划分表示为：

其中，d^* _ik为负荷点i和能源站k的等价距离，d_ik为负荷点i和能源站k的实际距离，r为能源站数量为N_station下的各能源站合理供能半径，S为规划区面积，ω_ik为加权因子，ε_j为计及负荷需求响应后能源站j供能范围内负荷整体峰谷差，ε_ik为计及负荷需求响应后，若负荷点i由能源站k供能时，能源站k供能范围内负荷整体峰谷差，γ为放大系数，ω_ikd^* _ik为能源站k和负荷点i的等价加权距离；g_ik表示能源站k和负荷点i之间的归属因子，当负荷点i和能源站k之间的等价加权距离时是负荷点i到所有能源站的等价加权距离中最小时，能源站k和负荷点i的归属因子为1，即负荷点i有能源站k进行供能，为0则表示负荷点i不由能源站k供能；

综合考虑负荷需求响应的容量和位置以及能源站设备选型与容量配置，以经济性最优构建能源站与负荷需求响应联合规划模型；

根据所述能源站与负荷需求响应联合规划模型确定能源站设备配置与负荷需求响应配置方案，所述负荷需求响应配置方案包括确定负荷需求响应位置和容量；其中，所述能源站与负荷需求响应联合规划模型的目标函数为：

minF＝C+F_s+F_o

其中，F为能源站总成本；C为负荷需求响应费用；u_i为0-1变量，表示负荷点i是否参与需求响应，若参与则为1，否则为0；N为规划区负荷点数量；α₁为负荷需求响应单位容量费用；P_ci为负荷需求响应容量；α₂为负荷需求响应单位电量费用；D为典型日场景数；T为调度时段数；P_1i,d,t为负荷点i需求响应功率；F_s为能源站设备投资费用；F_o为能源站设备运行费用；

所述能源站与负荷需求响应联合规划模型的约束条件为：

负荷响应容量约束为：

-P_ci≤P_1i,d,t≤P_ci

负荷响应功率约束为：

0≤P_ci≤P_cmax

其中，P_cmax为负荷最大需求响应容量；

功率平衡约束

q_k,t,GB为能源站k热泵t时刻的出力，q_k,t,CCHP为能源站k燃气三联供t时刻的出力，q_k,t,TS为能源站k储热设备t时刻的出力，大于0表示放热，小于0表示吸热，P_i,d,t为负荷点i所需的负荷大小，P_1i,d,t为负荷点i需求响应功率；

可削减负荷响应时间约束为：

其中，T_d为可削减负荷的响应时段；

为可削减负荷的响应起始时刻；

为可削减负荷的响应终止时刻；

用能满意度约束为：

其中，m_i为负荷点i的用能满意度；m_i,min为负荷点i的最小用能满意度；

基于需求响应对能源站下级管网布局的影响分析，以管网建设成本最小构建管网布局模型；其中，所述需求响应对能源站下级管网布局的影响是通过在负荷节点的流量平衡约束中引入需求响应的管流量加以实现，所述管网布局模型的目标函数为：

其中，l_ij与Q_ij分别为节点n_i和节点n_j之间的道路长度和管道流过的管流量；x_ij为节点i和节点j之间道路是否建设管道，若建设则为1，否则为0；c为单位长度管流量费用；A为规划区域节点集合；

所述管网布局模型中的负荷节点流量约束和道路节点流量约束为：

其中，Г为集合，Г_out,j为节点n_j的邻接节点集合，且流量是从n_j流向该邻接节点，Г_in,j为节点n_j的邻接节点，且流量是从该邻接节点流入节点n_j，Q_j为负荷节点n_j所需的原始管流量，Q_DR,j为节点n_j需求响应的管流量；A_L为负荷节点集合，A_R为接入节点和道路节点的集合；

管道流量上下限约束

-x_ijQ_ij,max≤Q_ij≤x_ijQ_ij,max

Q_ij,max为管道最大流量；

基于需求响应对能源站最优站址选择的影响分析，以改进能矩最小为依据确定最优能源站站址方法；其中，所述需求响应对能源站最优站址选择的影响是通过计及负荷需求响应后的负荷功率来实现的，所述改进能矩是将传统能矩中的站荷间直线距离改进为站荷间的曼哈顿距离，具体表示为：

CP_i{|x_i-x_k|+|y_i-y_k|}

其中，P_i为考虑负荷需求响应后的负荷功率；x_i为负荷点i的横坐标；x_k为能源站k的横坐标；y_i为负荷点i的纵坐标；y_k为能源站k的纵坐标。

2.根据权利要求1所述的一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法，其特征在于，所述考虑负荷需求响应因素，基于等价加权距离最小的能源站供能范围划分方法在划分之前需要先划定能源站的初始供能范围；

所述划定能源站的初始供能范围是以等价距离最小为依据进行划分，具体表示为：

其中，g_ik表示能源站k和负荷点i之间的归属因子，d_ik为负荷点i和能源站k的等价距离，d_ik为负荷点i和能源站k的实际距离，r为能源站数量为N_station下的各能源站合理供能半径,S为规划区面积,当负荷点i和能源站k之间的等价距离时是负荷点i到所有能源站的等价距离中最小时，能源站k和负荷点i的归属因子为1，否则为0。

3.根据权利要求1所述的一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法，其特征在于，所述的综合考虑负荷需求响应的容量和位置以及能源站设备选型与容量配置，以经济性最优构建能源站与负荷需求响应的联合规划模型，目标函数还包括能源站的投资运行成本，具体表示如下：

其中，Y为设备类型集合；Y_j为设备j的型号集合；x_k,j,s为0-1变量，若能源站k设备j的第s种型号的设备被选中则为1，否则为0；α_k,j,s为能源站k设备j的第s种型号的等年值系数；e_k,j,s为能源站k设备j的第s种型号的设备单位容量费用；W_rate,k,j,s为能源站k设备j的第s种型号的设备容量；

其中，C_op,k为能源站k运行费用；C_ele,k为能源站k购电费用；C_gas,k为能源站k购气费用；

其中，

为能源站k的燃气锅炉运行成本；

为能源站k的燃气三联供设备运行成本；

为能源站k的电制冷机运行费用；

为能源站k的蓄热罐运行费用；

为能源站k的蓄水池运行费用；

所述联合规划模型的约束条件还包括设备选型与容量约束，具体表示为：

0≤W_rate,k,j,s≤x_k,j,sW_{rate,k,j,s,max}

x_k,i,1+x_k,i,2+…+x_k,i,s≤1

其中，W_{rate,k,j,s,max}为能源站k设备j的第s种型号的设备的最大容量。

4.根据权利要求1所述的一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法，其特征在于，所述的基于需求响应对能源站下级管网布局的影响分析，以管网建设成本最小构建管网布局模型，模型中的约束条件还包括负荷接入管道唯一性约束，表示为：

其中，α_ij为0-1变量，表示是否负荷节点n_i是否与某一邻接接入节点建设管线，若为1则表示建设管线，否则为0。

5.根据权利要求1所述的一种综合能源站网及需求响应协同的规划方法，其特征在于，所述基于需求响应对能源站最优站址选择的影响分析，以改进能矩最小为依据确定最优能源站站址方法，最优站址的坐标表示为：

其中，x_k,op为能源站k优化后的横坐标，y_k,op为能源站k优化后的纵坐标，x_i为负荷点i的横坐标，y_i为负荷点i的纵坐标，x_k为能源站k的优化前的横坐标，y_k为能源站k优化前的纵坐标。

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