CN114723175A - 一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法 - Google Patents

一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法 Download PDF

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CN114723175A CN202210501786.XA CN202210501786A CN114723175A CN 114723175 A CN114723175 A CN 114723175A CN 202210501786 A CN202210501786 A CN 202210501786A CN 114723175 A CN114723175 A CN 114723175A
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陆帅
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周苏洋
吴志
丁世兴
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Abstract

本发明公开了一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，属于综合能源系统领域。一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，包括：建立综合能源系统能量流模型；建立综合能源系统碳流模型；建立综合能源系统能量流‑碳流协同优化模型；采用加权法求解模型；采用碳排放流分析方法计算网络碳流分布；本发明提出了综合能源系统中异质能流的碳排放流计算方法，获得综合能源系统多能量流对应的碳排放流分布，通过所提出的方法可更加直观地分析多能源网络中碳排放的源头、流动方向与分布情况，可辨识出碳排放强度较高的网络节点，指导低碳政策的制定。

Description

一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法
技术领域
本发明涉及综合能源系统领域，具体涉及一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法。
背景技术
在低碳发展的背景下，电力系统面临一次全面变革。利用多能源耦合互补，旨在提高能源利用效率的综合能源系统受到广泛关注。然而，实现能量流与碳流的协同优化，仍面临着许多挑战。一方面，电力、供热系统在生产、传输、分配和利用等多个环节均存在耦合关系，独立分析、规划与运行无法充分利用系统间的协同互补特性。另一方面，综合能源系统中能量流与碳流在源网荷多个环节均具有复杂的耦合关系，且不同环节耦合机理差异显著。需要系统性分析多能流间的耦合关系与能量流-碳流耦合关系，实现对能量流-碳流耦合关系的数学刻画与分析计算。其次，在低碳背景下，系统的经济运行与碳排放减少之间存在一定矛盾。如何在保证系统经济性的前提下，最大程度降低系统的碳排放，对全系统进行协同，实现综合能源系统能量流与碳流的最优，最大化碳减排量，是工程应用中亟需解决的难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法、系统和装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
以综合能源系统成本和综合能源系统碳排放为目标函数，综合能源系统网络和设备运行为约束和综合能源系统碳排放为约束构建综合能源系统能量流模型；构建以节点碳势和碳流率为输出值的综合能源系统碳流模型；
联合综合能源系统能量流模型和综合能源系统碳流模型构建综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；采用加权法求解综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；采用碳排放流分析方法计算综合能源系统的碳流分布。
进一步地，综合能源系统网络和设备运行的约束包括电网联络线容量约束、热网管道约束、储能装置蓄/放能约束、可再生能源出力约束和建立耦合设备运行约束；
电网联络线容量约束为：
Figure BDA0003634622720000021
其中，
Figure BDA0003634622720000022
表示t时刻支路b上的有功潮流；
Figure BDA0003634622720000023
表示支路b有功潮流上限；
Figure BDA0003634622720000024
Vi 表示节点i电压大小的上下限；
热网管道约束包括热源功率平衡约束、热源与热负荷节点的功率和温度方程、管道传输延时与热损约束、热网节点功率平衡约束、热网节点水温混合约束、热网供回水温度上下限约束；
热源功率平衡约束为：
Figure BDA0003634622720000025
其中，
Figure BDA0003634622720000026
为t时段热网注入热功率变量；Echp、Eeb为热电联产机组与电锅炉的索引集合；
Figure BDA0003634622720000027
为t时段热电联产机组i的热输出功率变量；
Figure BDA0003634622720000028
为t时段电锅炉i的热输出功率变量；
热源与热负荷节点的功率和温度方程为：
Figure BDA0003634622720000029
其中，
Figure BDA0003634622720000031
分别为流出/流入节点k的管道索引集合；Φsn、Φln分别为热网中源节点和负荷节点的索引集合；cw为水的比热容；mj为管道j热媒质量流量；
Figure BDA0003634622720000032
为t时刻供水、回水网络中节点k处的热媒温度变量；
Figure BDA0003634622720000033
为t时段节点k处的热负荷功率变量；
管道传输延时与热损约束为：
Figure BDA0003634622720000034
其中，Φp为热网管道索引集合；
Figure BDA0003634622720000035
为管道j与传输延时相关的系数；参数βj为管道j的保温系数；
Figure BDA0003634622720000036
为t时刻管道环境温度；
Figure BDA0003634622720000037
为t时刻供水管道j的入口和出口处热媒温度变量；
Figure BDA0003634622720000038
为t时刻回水管道j的入口和出口处热媒温度变量；
热网节点功率平衡约束为：
Figure BDA0003634622720000039
其中，Φin为热网中交汇节点的集合；
Figure BDA00036346227200000310
为t时段供水、回水网络中节点k处的热媒温度；
热网节点水温混合约束为：
Figure BDA00036346227200000311
其中，Φin为热网中交汇节点的集合；
Figure BDA00036346227200000312
为t时段供水、回水网络中节点k处的热媒温度；
热网供回水温度上下限约束为：
Figure BDA00036346227200000313
其中，
Figure BDA00036346227200000314
τs为热网供水温度上限和下限；
Figure BDA00036346227200000315
τr为热网回水温度上限和下限。
储能装置蓄/放能约束为：
Figure BDA0003634622720000041
其中，
Figure BDA0003634622720000042
为t时刻第j种储能设备充能和放能标志位0-1变量；
Figure BDA0003634622720000043
为t时刻第j种储能设备充能量或放能量能；
Figure BDA0003634622720000044
为t时刻第j种储能设备充能和放能的最大值；Et,j,Et-1,j为第j种储能设备t时刻及t-1时刻储存的总能量；Emin,j/Emax,j为第j种储能设备最小或最大储存的总能量；ηch,j/ηdis,j为第j种储能设备充能或放能效率。
可再生能源出力约束为：0≤Pt wt≤Pt wind
其中，Pt wind为t时刻风机的预测出力；
耦合设备运行约束为：
Figure BDA0003634622720000045
其中，Pmax,i为第i种耦合设备产能上限；ΔRmax,i为第i种耦合设备的爬坡功率限制；
Figure BDA0003634622720000046
和
Figure BDA0003634622720000047
分别为CHP机组的热电比和电锅炉的电热转换效率。
进一步地，综合能源系统碳流模型包括综合能源系统电网碳流模型和综合能源系统热网碳流模型。
进一步地，综合能源系统电网碳流模型包括电网节点碳势、电网支路碳流率、电网机组碳流率、电网负荷碳流率和电网网损碳流率；
电网节点碳势用于表示节点处的碳流与有功潮流的关系，电网节点碳势表达式为：
Figure BDA0003634622720000051
其中Ps为支路s的有功功率；ρs为支路s的碳流密度；Pi Ge为接入节点i的发电机组的有功出力；
Figure BDA0003634622720000052
为接入节点i的发电机组碳势；
电网支路碳流率为：RB＝diag{EN}·P；其中，EN为电网节点碳势矩阵，P为电网支路潮流分布矩阵；
电网机组碳流率为：RG＝diag{EG}·PGen；其中，EG为电网源节点机组碳势矩阵，PGen为电网机组出力矩阵；
电网负荷碳流率为：RL＝diag{EL}·Pload；其中，EL为电网负荷节点碳势矩阵，Pload为电负荷矩阵；
电网网损碳流率为：RBL＝diag{EN}·Ploss；其中，EN为电网节点碳势矩阵，Ploss为电网支路网损分布矩阵。
进一步地，综合能源系统热网碳流模型包括热网节点碳势、热网管道碳流率、热网机组碳流率、热网负荷碳流率和热网网损碳流率；
热网节点碳势用于表示热网节点处碳流与热能量流的关系，热网节点碳势表达式为：
Figure BDA0003634622720000053
其中，
Figure BDA0003634622720000054
表示热网节点n的节点碳势，kgCO2/kWh；
Figure BDA0003634622720000055
为热网节点n的节点碳流率，kgCO2/h；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；mn为注入节点n的质量流量，kg；Tn为节点n的温度，℃；
Figure BDA0003634622720000056
为注入节点n的管道的碳流密度，kgCO2/kWh；mk为注入节点n的管道k的质量流量，kg；Tn为节点n的温度，℃；
Figure BDA0003634622720000057
为注入节点n的管道k的出口温度，℃；
Figure BDA0003634622720000061
为注入节点n的管道k的温度损失，℃；
Figure BDA0003634622720000062
为机组i的机组碳势，kgCO2/kWh；
Figure BDA0003634622720000063
为产热机组i的产热量，kWh；ΩN为热网节点集合。
热网管道碳流率为：RP＝diag{ρN}·H；其中，ρN为热网节点碳势矩阵，H为热网管道潮流矩阵；
热网机组碳流率为：RG＝diag{ρG}·HGen；其中，ρG为热网源节点机组碳势矩阵，HGen为热网机组出力矩阵；
热网负荷碳流率为：RL＝diag{ρL}·Hload；其中，ρL为热网负荷节点碳势矩阵，Hload为热负荷矩阵；
热网网损碳流率为：RBL＝diag{ρN}·Hloss；其中，ρN为热网节点碳势矩阵，Hloss为热网管道热损分布矩阵。
进一步地，综合能源系统能量流-碳流协同优化模型表达式为：
Figure BDA0003634622720000064
s.t.xe∈Xe
xh∈Xh
(xe,xh)∈Xcouple
Figure BDA0003634622720000065
Figure BDA0003634622720000066
Figure BDA0003634622720000067
其中，f1为综合能源系统成本目标函数，f2为综合能源系统碳排放目标函数；Xe、Xh及Xcouple分别为电网、热网和总的变量合集；Me、Mh及Mtotal分别为电力系统、热力系统及综合能源系统碳排放；
Figure BDA0003634622720000068
及
Figure BDA0003634622720000069
分别为电力系统、热力系统及综合能源系统碳排放约束上限。
进一步地,采用加权法求解综合能源系统能量流-碳流协同优化模型包括以下步骤：
对综合能源系统成本目标函数f1与综合能源系统碳排放目标函数f2分别进行单目标优化求解；
对优化目标进行标准化，
Figure BDA00036346227200000610
为标准化后的目标值；
给定成本目标函数及碳排放目标函数前的权重系数，使双目标转化为单目标函数
Figure BDA0003634622720000071
进行优化求解。
进一步地,采用碳排放流分析方法计算综合能源系统的碳流分布包括以下步骤：
求解电网碳排放流分布，包括：
建立节点有功通量矩阵PN：
Figure BDA0003634622720000072
其中，PB为支路潮流分布矩阵；PG为机组有功出力矩阵；ηN(i)＝[0 0 … 1 … 0]，为N维行向量，除第i个元素为1外，其他元素都为0；
电网节点碳势为：
Figure BDA0003634622720000073
求解热网碳排放流分布，包括：
建立节点热能通量矩阵HN：
Figure BDA0003634622720000074
其中，HP为管道热能分布矩阵；HG为热源机组出力矩阵；ηN(i)＝[0 0 … 1 … 0]，为N维行向量，除第i个元素为1外，其他元素都为0；
热网节点碳势：
Figure BDA0003634622720000075
另一方面，本发明还提供一种综合能源系统能量流和碳流分布系统,包括以下模块：
能量流模块：以综合能源系统成本和综合能源系统碳排放为目标函数，综合能源系统网络和设备运行为约束和综合能源系统碳排放为约束构建综合能源系统能量流模型；
碳流模块：构建以节点碳势和碳流率为输出值的综合能源系统碳流模型；
协同优化模型：联合综合能源系统能量流模型和综合能源系统碳流模型构建综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；
加权法模块：采用加权法求解综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；
碳排放流分析模块：采用碳排放流分析方法计算综合能源系统的碳流分布。
第三方面，本发明还提供一种综合能源系统能量流和碳流分布装置，包括存储单元，所述储存单元存储有执行程序，所述执行程序用于进行执行上述任一所述的方法；或者所述执行程序用于进行执行上述的系统。
本发明的有益效果：
本发明的一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法考虑运行成本与碳排放最优运行方案，并计算综合能源系统异质能流的碳排放流分布情况，通过所提出的方法可更加直观地分析多能源网络中碳排放的源头、流动方向与分布情况，可辨识出碳排放强度较高的网络节点，指导低碳政策的制定。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明综合能源系统结构图；
图2是本发明一种基于碳流理论的综合能源系统能量流-碳流协同优化与碳分布计算方法流程图；
图3是本发明实施例2的综合能源系统的配电网结构图；
图4是本发明实施例2的综合能源系统供热网络结构图；
图5是本发明实施例2的综合能源系统配电网在不同时段负荷节点碳势；
图6是本发明实施例2的综合能源系统热网在不同时段负荷节点碳势；
图7是本发明实施例2的综合能源系统源节点10发电和发热碳流率。
图8是本发明实施例2的综合能源系统配电网在不同时段负荷节点碳流率。
图9是本发明实施例2的综合能源系统热网在不同时段负荷节点碳流率。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
本实施例运用于综合能源系统中，该综合能源系统结构如图1所示。
一种基于碳流理论的综合能源系统能量流-碳流协同优化与碳分布计算方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、建立综合能源系统能量流模型：
S11、建立综合能源系统成本的目标函数：
S111、购电成本Cgrid：
Figure BDA0003634622720000091
其中，
Figure BDA0003634622720000092
分别为t时刻IES购电及售电价格；Pt buy、Pt sell分别为t时刻IES购电量及售电量。
S112、设备维护成本Cm：
Figure BDA0003634622720000101
其中，i表示风机、热电联产机组及电锅炉设备；j表示蓄电池及储热罐设备；mi和mj分别为第i种机组或能量耦合设备及第j种储能设备的维护成本；Pt,i为第i种机组或能量耦合设备t时刻出力；
Figure BDA0003634622720000102
和
Figure BDA0003634622720000103
分别为第j种储能设备t时刻充能量及释放的能量。
S113、设备运行成本Crun：
Figure BDA0003634622720000104
其中，a,b,c,d,e,f均为CHP机组运行的成本系数；Pt,CHP、Ht,CHP分别为CHP机组t时刻电出力及热出力。
S12、建立综合能源系统碳排放的目标函数：
S121、电网产生碳排放CO2e：
Figure BDA0003634622720000105
其中，Pt CHP为t时刻CHP机组的发电量；
Figure BDA0003634622720000106
机组发电的二氧化碳排放系数。风机属于清洁能源发电，二氧化碳排放量为0。
S122、热网产生碳排放CO2h：
Figure BDA0003634622720000107
其中，
Figure BDA0003634622720000108
为t时刻CHP机组的产电量及产热量；
Figure BDA0003634622720000109
机组产热的二氧化碳排放系数。
S123、上级电网购售电产生碳排放CO2grid：
Figure BDA00036346227200001010
其中，γgrid为向上级电网购售电等效的二氧化碳排放系数。
S13、建立综合能源系统网络和设备运行约束：
S131、建立电网联络线容量约束：
Figure BDA0003634622720000111
Figure BDA0003634622720000112
其中，
Figure BDA0003634622720000113
为t时刻支路b上的有功功率；
Figure BDA0003634622720000114
表示支路b有功潮流上限；
Figure BDA0003634622720000115
Bi 表示节点i电压大小的上下限。
S132、建立热网管道约束：
建立热源功率平衡约束：
Figure BDA0003634622720000116
其中，
Figure BDA0003634622720000117
为t时段热网注入热功率变量；Echp、Eeb为热电联产机组与电锅炉的索引集合；
Figure BDA0003634622720000118
为t时段热电联产机组i的热输出功率变量；
Figure BDA0003634622720000119
为t时段电锅炉i的热输出功率变量。
建立热源与热负荷节点的功率、温度方程：
Figure BDA00036346227200001110
其中，
Figure BDA00036346227200001111
分别为流出/流入节点k的管道索引集合；Φsn、Φln分别为热网中源节点和负荷节点的索引集合；cw为水的比热容；mj为管道j热媒质量流量；
Figure BDA00036346227200001112
为t时刻供水、回水网络中节点k处的热媒温度变量；
Figure BDA00036346227200001113
为t时段节点k处的热负荷功率变量。
建立管道传输延时与热损约束：
Figure BDA00036346227200001114
其中，Φp为热网管道索引集合；
Figure BDA00036346227200001115
为管道j与传输延时相关的系数；参数βj为管道j的保温系数；
Figure BDA00036346227200001116
为t时刻管道环境温度；
Figure BDA00036346227200001117
为t时刻供水管道j的入口和出口处热媒温度变量；
Figure BDA00036346227200001118
为t时刻回水管道j的入口和出口处热媒温度变量。
建立热网节点功率平衡约束：
Figure BDA0003634622720000121
其中，Φin为热网中交汇节点的集合；
Figure BDA0003634622720000122
为t时段供水、回水网络中节点k处的热媒温度。
建立热网节点水温混合约束：
Figure BDA0003634622720000123
其中，Φin为热网中交汇节点的集合；
Figure BDA0003634622720000124
为t时段供水、回水网络中节点k处的热媒温度。
建立热网供回水温度上下限约束：
Figure BDA0003634622720000125
其中，
Figure BDA0003634622720000126
τ s为热网供水温度上限和下限；
Figure BDA0003634622720000127
τ r为热网回水温度上限和下限。
S133、建立储能装置蓄/放能约束：
Figure BDA0003634622720000128
其中，
Figure BDA0003634622720000129
和
Figure BDA00036346227200001210
分别为t时刻第j种储能设备充能和放能标志位0-1变量；
Figure BDA00036346227200001211
为t时刻第j种储能设备充能量或放能量能；
Figure BDA00036346227200001212
和
Figure BDA00036346227200001213
分别为t时刻第j种储能设备充能和放能的最大值；Et,j和Et-1,j分别为第j种储能设备t时刻及t-1时刻储存的总能量；Emin,j/Emax,j为第j种储能设备最小或最大储存的总能量；ηch,j和ηdis,j分别为第j种储能设备充放能效率。
S134、建立可再生能源出力约束：
0≤Pt wt≤Pt wind
其中，Pt wind为t时刻风机的预测出力。
S135、建立耦合设备运行约束：
Figure BDA0003634622720000131
其中，Pmax,i为第i种耦合设备产能上限；ΔRmax,i为第i种耦合设备的爬坡功率限制；
Figure BDA0003634622720000132
和
Figure BDA0003634622720000133
分别为CHP机组的热电比和电锅炉的电热转换效率。
S14、建立综合能源系统碳排放约束：
Figure BDA0003634622720000134
其中，
Figure BDA0003634622720000135
表示系统碳排放上限。
S2、建立综合能源系统碳流模型：
S21、建立综合能源系统电网碳流模型：
S211、电网节点碳势用于表示节点处的碳流与有功潮流的关系，单位一般为kgCO2/(kW·h)，数值上等于所有注入节点n的支路的碳流密度ρi以有功潮流Pi为权重的加权平均值。节点碳势eN的物理意义为在该节点消费单位电力时所引起的发电侧的碳排放，具体计算公式为：
Figure BDA0003634622720000136
其中：Ps为支路s的有功功率；ρs为支路s的碳流密度；Pi Ge为接入节点i的发电机组的有功出力(若该节点无发电机组或机组出力为0，则Pi Ge＝0)；
Figure BDA0003634622720000137
为接入节点i的发电机组碳势。
S212、支路碳流率RB：
RB＝diag{EN}·P
其中，EN为电网节点碳势矩阵，P为电网支路潮流分布矩阵。
S213、机组碳流率RG：
RG＝diag{EG}·PGen
其中，EG为电网源节点机组碳势矩阵，PGen为电网机组出力矩阵。
S214、负荷碳流率RL：
RL＝diag{EL}·Pload
其中，EL为电网负荷节点碳势矩阵，Pload为电负荷矩阵。
S215、网损碳流率RBL：
RBL＝diag{EN}·Ploss
其中，EN为电网节点碳势矩阵，Ploss为电网支路网损分布矩阵。
S22、建立综合能源系统热网碳流模型：
S221、热网节点碳势用于表示热网节点处碳流与热能量流的关系，单位一般为kgCO2/(kW·h)，数值上等于所有注入节点n的管道的碳流密度ρk以热能Hk为权重的加权平均值，其物理意义为在该节点消费单位热力时所引起的热源侧的碳排放，具体计算公式为：
Figure BDA0003634622720000141
其中，
Figure BDA0003634622720000142
表示热网节点n的节点碳势，kgCO2/kWh；
Figure BDA0003634622720000143
为热网节点n的节点碳流率，kgCO2/h；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；mn为注入节点n的质量流量，kg；Tn为节点n的温度，℃；
Figure BDA0003634622720000144
为注入节点n的管道的碳流密度，kgCO2/kWh；mk为注入节点n的管道k的质量流量，kg；Tn为节点n的温度，℃；
Figure BDA0003634622720000145
为注入节点n的管道k的出口温度，℃；
Figure BDA0003634622720000146
为注入节点n的管道k的温度损失，℃；
Figure BDA0003634622720000148
为机组i的机组碳势，kgCO2/kWh；
Figure BDA0003634622720000147
为产热机组i的产热量，kWh；ΩN为热网节点集合。
S222、管道碳流率Rp：
RP＝diag{ρN}·H
其中，ρN为热网节点碳势矩阵，H为热网管道潮流矩阵。
S223、机组碳流率RG：
RG＝diag{ρG}·HGen
其中，ρG为热网源节点机组碳势矩阵，HGen为热网机组出力矩阵。
S224、负荷碳流率RL：
RL＝diag{ρL}·Hload
其中，ρL为热网负荷节点碳势矩阵，Hload为热负荷矩阵。
S225、网损碳流率RBL：
RBL＝diag{ρN}·Hloss
其中，ρN为热网节点碳势矩阵，Hloss为热网管道热损分布矩阵。
S3、基于碳排放流理论建立综合能源系统能量流-碳流协同优化模型，其数学形式如下如式：
Figure BDA0003634622720000151
s.t.xe∈Xe
xh∈Xh
(xe,xh)∈Xcouple
Figure BDA0003634622720000152
Figure BDA0003634622720000153
Figure BDA0003634622720000154
其中，f1为综合能源系统成本目标函数，f2为综合能源系统碳排放目标函数；Xe、Xh及Xcouple分别为电网、热网和总的变量合集；Me、Mh及Mtotal分别为电力系统、热力系统及综合能源系统碳排放；
Figure BDA0003634622720000155
及
Figure BDA0003634622720000156
分别为电力系统、热力系统及综合能源系统碳排放约束上限。
S4、采用加权法求解模型：
S41、对综合能源系统成本目标函数f1与综合能源系统碳排放目标函数f2分别进行单目标优化求解；
S42、对优化目标进行标准化，
Figure BDA0003634622720000157
为标准化后的目标值；
S43、给定成本目标函数及碳排放目标函数前的权重系数，使双目标转化为单目标函数
Figure BDA0003634622720000161
进行优化求解。
S5、采用碳排放流分析方法计算网络碳流分布：
S51、求解电网碳排放流分布：
S511、建立节点有功通量矩阵PN：
Figure BDA0003634622720000162
其中，PB为支路潮流分布矩阵；PG为机组有功出力矩阵；ηN(i)＝[0 0 … 1 … 0]，为N维行向量，除第i个元素为1外，其他元素都为0。
S512、电网节点碳势EN：
Figure BDA0003634622720000163
S52、求解热网碳排放流分布。
S521、建立节点热能通量矩阵HN：
Figure BDA0003634622720000164
其中，HP为管道热能分布矩阵；HG为热源机组出力矩阵；ηN(i)＝[0 0 … 1 … 0]，为N维行向量，除第i个元素为1外，其他元素都为0。
S522、热网节点碳势ρN：
Figure BDA0003634622720000165
实施例2
本实施例的多能流系统由一个33节点配电系统和一个51节点供热系统组成，如图3所示，系统包含1台4MW的热电联产机组，1台2MW电锅炉，4台额定功率为1MW的风机，优化周期为24h，调度时间间隔取1h，建筑物室内温度上下限分别设置为27℃和17℃，权重法中成本目标函数及碳排放目标函数前的权重设置分别为0.5与0.5。
根据本发明的步骤进行综合能源系统经济低碳协同优化，综合能源系统运行时，不同时段负荷节点碳势如图4所示，综合能源系统源节点10发电和发热碳流率如图5所示，综合能源系统不同时段负荷节点碳流率如图6所示。可见，综合能源系统不同节点的碳势及碳流率存在明显差别。所提出的方法可更加直观地分析多能源网络中碳排放的源头、流动方向与分布情况，辨识出碳排放强度较高的网络节点，指导低碳政策的制定。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
以综合能源系统成本和综合能源系统碳排放为目标函数，综合能源系统网络和设备运行为约束和综合能源系统碳排放为约束构建综合能源系统能量流模型；构建以节点碳势和碳流率为输出值的综合能源系统碳流模型；
联合综合能源系统能量流模型和综合能源系统碳流模型构建综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；采用加权法求解综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；采用碳排放流分析方法计算综合能源系统的碳流分布。
2.根据权利要求1所述的综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于，综合能源系统网络和设备运行的约束包括电网联络线容量约束、热网管道约束、储能装置蓄/放能约束、可再生能源出力约束和建立耦合设备运行约束；
电网联络线容量约束为：
Figure FDA0003634622710000011
其中，
Figure FDA0003634622710000012
表示t时刻支路b上的有功潮流；
Figure FDA0003634622710000013
表示支路b有功潮流上限；
Figure FDA0003634622710000014
表示节点i电压大小的上下限；
热网管道约束包括热源功率平衡约束、热源与热负荷节点的功率和温度方程、管道传输延时与热损约束、热网节点功率平衡约束、热网节点水温混合约束、热网供回水温度上下限约束；
热源功率平衡约束为：
Figure FDA0003634622710000015
其中，
Figure FDA0003634622710000016
为t时段热网注入热功率变量；Echp、Eeb为热电联产机组与电锅炉的索引集合；
Figure FDA0003634622710000017
为t时段热电联产机组i的热输出功率变量；
Figure FDA0003634622710000018
为t时段电锅炉i的热输出功率变量；
热源与热负荷节点的功率和温度方程为：
Figure FDA0003634622710000021
其中，
Figure FDA0003634622710000022
分别为流出/流入节点k的管道索引集合；Φsn、Φln分别为热网中源节点和负荷节点的索引集合；cw为水的比热容；mj为管道j热媒质量流量；
Figure FDA0003634622710000023
为t时刻供水、回水网络中节点k处的热媒温度变量；
Figure FDA0003634622710000024
为t时段节点k处的热负荷功率变量；
管道传输延时与热损约束为：
Figure FDA0003634622710000025
其中，Φp为热网管道索引集合；
Figure FDA0003634622710000026
为管道j与传输延时相关的系数；参数βj为管道j的保温系数；
Figure FDA0003634622710000027
为t时刻管道环境温度；
Figure FDA0003634622710000028
为t时刻供水管道j的入口和出口处热媒温度变量；
Figure FDA0003634622710000029
为t时刻回水管道j的入口和出口处热媒温度变量；
热网节点功率平衡约束为：
Figure FDA00036346227100000210
其中，Φin为热网中交汇节点的集合；
Figure FDA00036346227100000211
为t时段供水、回水网络中节点k处的热媒温度；
热网节点水温混合约束为：
Figure FDA00036346227100000212
其中，Φin为热网中交汇节点的集合；
Figure FDA00036346227100000213
为t时段供水、回水网络中节点k处的热媒温度；
热网供回水温度上下限约束为：
Figure FDA00036346227100000214
其中，
Figure FDA00036346227100000215
τ s为热网供水温度上限和下限；
Figure FDA00036346227100000216
τ r为热网回水温度上限和下限。
储能装置蓄/放能约束为：
Figure FDA0003634622710000031
其中，
Figure FDA0003634622710000032
为t时刻第j种储能设备充能和放能标志位0-1变量；
Figure FDA0003634622710000033
为t时刻第j种储能设备充能量或放能量能；
Figure FDA0003634622710000034
为t时刻第j种储能设备充能和放能的最大值；Et,j,Et-1,j为第j种储能设备t时刻及t-1时刻储存的总能量；Emin,j/Emax,j为第j种储能设备最小或最大储存的总能量；ηch,j/ηdis,j为第j种储能设备充能或放能效率。
可再生能源出力约束为：0≤Pt wt≤Pt wind
其中，Pt wind为t时刻风机的预测出力；
耦合设备运行约束为：
Figure FDA0003634622710000035
其中，Pmax,i为第i种耦合设备产能上限；ΔRmax,i为第i种耦合设备的爬坡功率限制；
Figure FDA0003634622710000036
和
Figure FDA0003634622710000037
分别为CHP机组的热电比和电锅炉的电热转换效率。
3.根据权利要求1所述的综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于，综合能源系统碳流模型包括综合能源系统电网碳流模型和综合能源系统热网碳流模型。
4.根据权利要求4所述的综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于，综合能源系统电网碳流模型包括电网节点碳势、电网支路碳流率、电网机组碳流率、电网负荷碳流率和电网网损碳流率；
电网节点碳势用于表示节点处的碳流与有功潮流的关系，电网节点碳势表达式为：
Figure FDA0003634622710000041
其中Ps为支路s的有功功率；ρs为支路s的碳流密度；Pi Ge为接入节点i的发电机组的有功出力；
Figure FDA0003634622710000042
为接入节点i的发电机组碳势；
电网支路碳流率为：RB＝diag{EN}·P；其中，EN为电网节点碳势矩阵，P为电网支路潮流分布矩阵；
电网机组碳流率为：RG＝diag{EG}·PGen；其中，EG为电网源节点机组碳势矩阵，PGen为电网机组出力矩阵；
电网负荷碳流率为：RL＝diag{EL}·Pload；其中，EL为电网负荷节点碳势矩阵，Pload为电负荷矩阵；
电网网损碳流率为：RBL＝diag{EN}·Ploss；其中，EN为电网节点碳势矩阵，Ploss为电网支路网损分布矩阵。
5.根据权利要求1所述的综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于，综合能源系统热网碳流模型包括热网节点碳势、热网管道碳流率、热网机组碳流率、热网负荷碳流率和热网网损碳流率；
热网节点碳势用于表示热网节点处碳流与热能量流的关系，热网节点碳势表达式为：
Figure FDA0003634622710000043
其中，
Figure FDA0003634622710000044
表示热网节点n的节点碳势，kgCO2/kWh；
Figure FDA0003634622710000045
为热网节点n的节点碳流率，kgCO2/h；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；mn为注入节点n的质量流量，kg；Tn为节点n的温度，℃；
Figure FDA0003634622710000046
为注入节点n的管道的碳流密度，kgCO2/kWh；mk为注入节点n的管道k的质量流量，kg；Tn为节点n的温度，℃；Tk out为注入节点n的管道k的出口温度，℃；Tk Loss为注入节点n的管道k的温度损失，℃；
Figure FDA0003634622710000051
为机组i的机组碳势，kgCO2/kWh；Hi Ge为产热机组i的产热量，kWh；ΩN为热网节点集合。
热网管道碳流率为：RP＝diag{ρN}·H；其中，ρN为热网节点碳势矩阵，H为热网管道潮流矩阵；
热网机组碳流率为：RG＝diag{ρG}·HGen；其中，ρG为热网源节点机组碳势矩阵，HGen为热网机组出力矩阵；
热网负荷碳流率为：RL＝diag{ρL}·Hload；其中，ρL为热网负荷节点碳势矩阵，Hload为热负荷矩阵；
热网网损碳流率为：RBL＝diag{ρN}·Hloss；其中，ρN为热网节点碳势矩阵，Hloss为热网管道热损分布矩阵。
6.根据权利要求1所述的综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于，综合能源系统能量流-碳流协同优化模型表达式为：
Figure FDA0003634622710000052
s.t.xe∈Xe
xh∈Xh
(xe,xh)∈Xcouple
Figure FDA0003634622710000053
Figure FDA0003634622710000054
Figure FDA0003634622710000055
其中，f1为综合能源系统成本目标函数，f2为综合能源系统碳排放目标函数；Xe、Xh及Xcouple分别为电网、热网和总的变量合集；Me、Mh及Mtotal分别为电力系统、热力系统及综合能源系统碳排放；
Figure FDA0003634622710000056
及
Figure FDA0003634622710000057
分别为电力系统、热力系统及综合能源系统碳排放约束上限。
7.根据权利要求1所述的综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于,采用加权法求解综合能源系统能量流-碳流协同优化模型包括以下步骤：
对综合能源系统成本目标函数f1与综合能源系统碳排放目标函数f2分别进行单目标优化求解；
对优化目标进行标准化，
Figure FDA0003634622710000061
为标准化后的目标值；
给定成本目标函数及碳排放目标函数前的权重系数，使双目标转化为单目标函数
Figure FDA0003634622710000062
进行优化求解。
8.根据权利要求1所述的综合能源系统能量流和碳流分布的计算方法，其特征在于,采用碳排放流分析方法计算综合能源系统的碳流分布包括以下步骤：求解电网碳排放流分布，包括：
建立节点有功通量矩阵PN：
Figure FDA0003634622710000063
其中，PB为支路潮流分布矩阵；PG为机组有功出力矩阵；ηN(i)＝[0 0 … 1 … 0]，为N维行向量，除第i个元素为1外，其他元素都为0；
电网节点碳势为：
Figure FDA0003634622710000064
求解热网碳排放流分布，包括：
建立节点热能通量矩阵HN：
Figure FDA0003634622710000065
其中，HP为管道热能分布矩阵；HG为热源机组出力矩阵；ηN(i)＝[0 0 … 1 … 0]，为N维行向量，除第i个元素为1外，其他元素都为0；
热网节点碳势：
Figure FDA0003634622710000066
9.一种综合能源系统能量流和碳流分布系统，其特征在于,包括以下模块：
能量流模块：以综合能源系统成本和综合能源系统碳排放为目标函数，综合能源系统网络和设备运行为约束和综合能源系统碳排放为约束构建综合能源系统能量流模型；
碳流模块：构建以节点碳势和碳流率为输出值的综合能源系统碳流模型；
协同优化模型：联合综合能源系统能量流模型和综合能源系统碳流模型构建综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；
加权法模块：采用加权法求解综合能源系统能量流-碳流协同优化模型；
碳排放流分析模块：采用碳排放流分析方法计算综合能源系统的碳流分布。
10.一种综合能源系统能量流和碳流分布装置，其特征在于，包括存储单元，所述储存单元存储有执行程序，所述执行程序用于进行执行权利要求1-8任一所述的方法；或者所述执行程序用于进行执行权利要求9的系统。
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