CN115577479B - 一种区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，包括：构建区域综合能源系统能量流计算模型的步骤；以及基于构建的所述能量流计算模型，构建综合能源系统碳素流计算模型的步骤。根据本发明，构建了一种基于比例分担原则结合潮流追踪法的碳素流计算模型；实现了量化多能源系统中伴随能量流的碳排放。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源技术领域，更具体地，涉及区域冷、热、气能量流、碳素流计算模型。
背景技术
为了进一步激励碳排放的减少，避免造成温室效应使全球气温上升，需要构件一种碳排放的计算模型，以进一步降低环境污染问题，提高能源系统管理水平，实现能源系统之间相互协调综合发展。
随着用户需求的多样性增加，供冷、供热、供电和天然气需求设备的独立单元技术不断发展，三者的集成运行技术的发展成为必然。冷-热-气多能流型系统在多领域得到广泛应用，同时也是冷-热-气碳素流计算的基础。综合能源系统中的多种能源的碳素流计算主要是由于一次能源燃烧产生的，而冷-热-电-气多能协同系统中二氧化碳的产生是为消费和运输这些能源而产生的，且冷-热-电-气多种能源的生产与消费具有一定实时性。从需求带动生产方面体现的，综合能源系统的碳排放特征更应该遵循多种能源消费特征，同时，冷、热、天然气这些能源网架结构也能与电网进行耦合，因此其碳素流也同样遵循潮流分析相关理论。
发明内容
本发明的目的是提供一种区域冷、热、气能量流、碳素流计算模型，解决了现有技术中存在的综合能源系统多能源系统间耦合不强；缺乏冷、热和天然气网络的能量流、碳素流和二氧化碳排放计算模型的问题。
根据本发明，提供了一种区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，包括：构建区域综合能源系统能量流计算模型的步骤；以及基于构建的所述能量流计算模型，构建综合能源系统碳素流计算模型的步骤。
根据本发明，所述构建区域综合能源系统能量流计算模型的步骤，还包括：基于统一能路理论构建天然气子系统能量流模型的步骤；以及基于统一能路理论构建热、冷子系统能量流模型的步骤，所述基于统一能路理论构建天然气子系统能量流模型的步骤按照式（1）进行构建，
其中，
为天然气网络的广义节点导纳矩阵，
为每条支路首端气压，
为广义节点注入向量。
根据本发明，所述基于统一能路理论构建热、冷子系统能量流模型的步骤，还包括：构建水路网络模型的步骤；以及构建热路网络方程的步骤，
所述构建水路网络模型的步骤按照式（2）进行构建，
其中，
为水路网络的广义节点导纳矩阵，
为各个节点的水压值组成的列向量，
为广义节点注入向量，
所述构建热路网络方程的步骤按照式（3）进行构建，
其中，
为热路网络的广义节点导纳矩阵，
为各节点加权注入温度构成的列向量，
为广义节点注入向量。
根据本发明，所述构建综合能源系统碳素流计算模型的步骤，包括：构建冷、热和天然气管网碳素流模型的步骤；以及能源转换过程中构建碳素流计算模型的步骤。
根据本发明，所述构建冷、热和天然气管网碳素流模型的步骤，还包括：构建供热、冷管网碳素流计算模型的步骤；以及构建天然气管网碳素流计算模型的步骤。
根据本发明，所述能源转换过程中构建碳素流计算模型的步骤，还包括：构建能量转换设备碳素流计算模型的步骤；以及构建能源枢纽碳素流计算模型的步骤。
根据本发明，所述构建能量转换设备碳素流计算模型的步骤，包括：建立单输入单输出转换器、单输入多输出转换器的碳排放模型的步骤，所述输入单输出转换器的端口碳排放强度用式（4）表示，
其中，
和
表示转换设备i的输入端口和输出端口的端口碳排放强度，
和
分别表示能量输入和能量输出，
为转换效率，
所述单输入多输出转换器的端口碳排放强度用式（5）、（6）表示，
其中，
、
和
分别是输入端口、电力输出端口和热量输出端口的端口碳排放强度，
和
分别表示相应的电和热效率。
根据本发明，所述天然气子系统能量流模型的天然气网络动态潮流解为式（7），
所述天然气子系统能量流模型的支路状态变量的动态潮流解为式（8），
其中，
和
表示天然气网络动态潮流的节点流入和节点压力，
和
表示节点流入和节点压力的
频率分量，
表示频域变换后，再通过傅里叶反变换还原出的正弦分量解的系数，t表示时间变量，
分别为复数变量的实部与虚部；
为支路节点压力的
频率分量。
根据本发明，所述热路网络方程的热路支路末端温度的时域动态潮流解为式（9），
所述热路网络方程的热路首端温度的时域动态潮流解为式（10），
其中，
和
分别表示热路末端温度和热路首端温度，
分别表示热路末端温度变量的
频率分量和热路首端温度变量的
频率分量，
表示频域变换后，再通过傅里叶反变换获得的三角函数系数，t表示时间变量，
分别为复数变量的实部与虚部。
根据本发明，利用所述能量流计算模型，进行基于比例分担原则的结合潮流追踪法的碳素流计算模型构建。
根据本发明，提出了基于统一能路理论的冷、热和天然气网络的动态特性能量流计算模型；构建了一种基于比例分担原则结合潮流追踪法的碳素流计算模型；实现量化多能源系统中伴随能量流的碳排放；能够通过追踪碳排放流量有助于在不同能源部门和不同消费者之间明确分配碳排放减排义务，促进未来能源系统中碳排放的定价和交易；同时也可以计算消费者的负责任碳排放，进而实施综合需求侧管理计划，以有效激励消费者减少碳排放。
附图说明
图1是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的天然气管道的分布参数气路图；
图2是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的天然气管道集总参数等值电路图；
图3是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的分布参数时域水路模型图；
图4是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的集总参数频域等值水路模型图；
图5是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的分布参数时域热路模型图；
图6是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的集总参数频域等值热路模型图；
图7是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的7节点天然气网络及能流模型图；
图8是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的6节点供热（冷）网络及水路、能流模型图；
图9是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的天然气网络中节点注入图；
图10是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的天然气网络中节点压力图；
图11是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的供热（冷）网络支路的末端温度图；
图12是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的电气耦合电网的能量流图；
图13是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的天然气网络碳素流图；
图14是本发明区域冷、热、气碳素流计算模型的热（冷）网碳素流图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
本发明区域冷、热、气能量流、碳素流计算模型，具体包括两个步骤，步骤1：构建区域综合能源系统能量流计算模型的步骤；以及步骤2：基于构建的所述能量流计算模型，构建综合能源系统碳素流计算模型的步骤。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
步骤1具体包括以下步骤，步骤1.1：基于统一能路理论构建天然气子系统能量流模型；步骤1.2：基于统一能路理论的热（冷）子系统能量流模型构建。
步骤1.1、基于统一能路理论构建天然气子系统能量流模型
天然气在管道中的一维流动过程可由质量守恒方程(1)和动量守恒方程(2)描述。
式中：
为天然气的密度、流速和压力；
为管道的摩擦系数、内径和倾角；g为重力加速度；t和x为时间和空间。
向动量守恒方程中的非线性项引入2个常用近似。一是忽略对流项，其数值在流速(工程上通常在10m/s内)远远小于声速时趋近于0。二是对阻力项中的流速平方项进行增量线性化近似。通过对这两个方程近似与整理，可导出管道中天然气流量与压力之间满足一组时空偏微分方程：
式中，A为管道横截面积；G为天然气质量流量；
为管道中天然气流速的基值；R和T为天然气的气体常数和温度；从空间中取出
长度的一个微元，其两端的气流差和气压降根据式(3)和式(4)可表示为
依托式(6)进行表1所示的电路比拟，并抽象出气阻
、气感
、气容
和受控电压源
等气路元件，如式(7)、式（8）、式（9）和式(10)所示。
上述气路元件有明确的物理意义：气阻刻画了管道对天然气流动的摩擦作用；气感刻画了天然气流动在管道中的惯性；气容刻画了天然气管道的“管存”效应，体现了天然气的可压缩性；受控气压源刻画了管道倾角与流速变化对管道摩擦的修正作用。
从而，
长度的管道可以表示为1段包括4个元件的气路，整个管道进而表示为1个分布参数气路，如图1所示。
类比电路理论的推演规律，进一步可令一根长度为
的天然气管道，其管道首端的气流
和气压
，管道末端的气流
和气压
，令阻抗
，导纳
，则该管道可表征为如下式所示的线性二端口网络模型：
其中A、B、C和D为气路网络参数，具体表达式为：
其中
分别类比自电力传输线的传播系数和特征阻抗，称为天然气管道的传播系数和特征阻抗。前者刻画了管道中天然气压力随传播距离发生的衰减与相移程度，后者刻画了天然气管道的传输能力。
式(11)表征的线性二端口网络可用图2所示的型等值气路表示，其中的等值参数为
能路形式的天然气网络表征为由若干气阻、气容、气感以及受控气压源在内的特征元件组成的气路支路根据一定拓扑关系建立连接构成的整个天然气网络图，对应的天然气网络数学模型则由支路特性方程以及拓扑约束方程构成。
首先建立气路支路特性方程，对于一般气路模型，需要另外考虑增压机对应的气压源，令增压机对应的气压源为气路两侧提供的气压增量
，则由
五种特征元件构成的一般气路支路方程可表征为：
式中，
为该条支路两侧的气压差；
为该条支路首端气压、末端气压；
为该条支路中的气流；
为该条支路导纳；
为该条支路中受控气压源、气压源的元件参数。
从而气路网络所有支路气流方程可表征为矩阵形式：
式中，
为各支路参数及变量构成的列向量；
为各支路导纳构成的对角矩阵。
如图6、7所示，由于电力网络、天然气网络通常均采用节点注入模型，类比电路分析，气路网络拓扑也可通过引入节点-支路关联矩阵建立网络拓扑方程。为不失一般性，假设含m个节点，n条支路的气路网络，可建立m行n列的节点-支路关联矩阵
，令矩阵中任意元素
表示支路j与节点i不相连；
表示支路j从节点i流出；
表示支路j流入节点i。类比基尔霍夫电流定律，流经一个节点的气流应满足质量守恒定律，即气体流出质量应等于流入质量加该节点上气体注入的质量：
式中，
为每个节点上的气流注入构成的列向量。
类比基尔霍夫电压定律，任意节点上的气压应满足保守力做功性质，即气流沿闭合路径一周气压降为零：
式中，
为m行n列的节点-流出支路关联矩阵，即仅保留了矩阵
中的非负元素；
为每条支路首端气压、末端气压构成的列向量。
从而联立气路支路特性方程(21)及拓扑约束方程(22)和(23)即可得到天然气网络方程：
参照电力网络模型的数学形式，定义天然气网络的广义节点导纳矩阵
，其反映了气路各类特征信息及整个网络的拓扑信息，定义广义节点注入向量
，其刻画了整个网络的所有“源”、“流”特征，从而式(24)可进一步表征为能路统一形式：
步骤1.2、基于统一能路理论构建热（冷）子系统能量流模型
由于园区内热能和冷能均通过水力网络进行供给，且供热（冷）网络中水力过程与热（冷）能过程之间存在单向耦合，即水力过程会影响热力过程，而热力过程不会影响水力过程，因此本步骤中以热力子系统为例，首先研究独立的水力过程，并推导出相应的水路模型；然后研究水力过程耦合下的热力过程，推导水力耦合的热路模型，并推导出水力稳态下的热路模型以刻画质调节下的热力过程。
步骤1.2.1、水路网络模型
在时间t和空间x下，水路特性元件包括水阻
、水感
以及水压源
，构成如图3所示水管道的分布参数时域水路模型，水力参数的电力比拟如表2所示。
由于水是不可压缩的流体，所以水路模型中没有水容元件，即水管道中不存在“管存”效应。令
长度管道两端的水流差
和水压差
，根据质量守恒定律和动量守恒定律，水管道中水的一维流动过程满足：
式（26）描述了水流的不可压缩性特征，水管道中不存在“管存”效应，水流质量流为衡量；式（27）描述了水流动量守恒，各元件参数具有明确的物理意义：
描述水流动受管道的摩擦影响；
描述管道中水流动的惯性；
描述管道倾角及水流速的变化对管道摩擦的修正作用，可依据式计算：
式中，
为管道的摩擦系数、横截面积、内径、倾角；
为管道中水流速的基值；
对应的质量流基值；g表示重力加速度；
为水的密度。
水路网络模型除了对管路设备的刻画，还需要考虑流量控制阀装置和增压泵装置。流量控制阀对水流产生摩擦阻力作用，增压泵对水流产生压阻力作用，均可等效为由水阻元件和水压源元件组成，从而建立模型表达式：
式（29）为流量控制阀模型，
为流量控制阀两侧压差，
为其开度系数，前一项为流量控制阀等值水阻阻值，后一项为其等值水压源水压值。式（30）为增压泵模型，
为增压泵两侧压差，
为其固有系数，
为其旋转频率，前一项为增压泵等值水阻阻值，后一项为其等值水压源水压值。
令一根长度为l的水管道，其管道首端的水流
和水压
，管道末端的水流
和水压
，水路参数模型不存在接地支路，全线路水流质量流为常量，故可直接得到水路集总等值参数
，从而集总参数频域等值水路模型如图4，模型表达式如下:
参照气路网络建模，水路网络数学模型也应包含支路特性方程和拓扑约束方程两部分。首先建立水路支路特性方程，由水阻、水感以及水压源特征元件表征的水路支路满足：
式中，
为该条支路两侧的水压差；
为该条支路中的水流；
为该条支路导纳；
为该条支路中水压源的元件参数。
从而水路网络所有支路水流方程可表征为矩阵形式：
式中，
为各支路参数及变量构成的列向量；
为各支路导纳构成的对角矩阵。
类比气路网络拓扑分析，水路网络拓扑也可利用节点-支路关联矩阵表征，为不失一般性，假设含m个节点，n条支路的水路网络，可建立m行n列的节点-支路关联矩阵
，令矩阵中任意元素
表示支路j与节点i不相连；
表示支路j从节点i流出；
表示支路j流入节点i。基于“流”的约束，流经一个节点的水流应满足质量守恒定律，即水流出质量应等于水流入质量加该节点上水流注入的质量：
式中，
为各个节点上的水流注入组成的列向量，由于实际供热水力网络一般为闭合回路，故
通常为0。
基于“势”的约束，任意节点上的水压应满足保守力做功性质，即水流沿闭合路径一周水压降为零：
式中，
为各个节点的水压值组成的列向量。
从而联立水路支路特性方程及拓扑约束方程即可得到水路网络方程：
定义水路网络的广义节点导纳矩阵
，用于反映水路结构特征信息及整个网络的拓扑信息，定义广义节点注入向量
，刻画整个网络的所有“源”“流”特征，则式（36）可进一步表征为能路统一形式：
步骤1.2.2、热路网络方程
与前文所述的模型构建方法类似，在时间t和空间x下，热路特性元件包括热阻
、热导
、热容
及热感
，共同构成如图5所示的分布参数时域热路模型。热路网络参数的电路比拟如表3所示。
各参数可依据下式计算：
式中，
为管道的散热系数、横截面积；c为水的比热值；
为水的密度。
描述热流迁移过程中的热量损失；
描述管道中热流迁移的时延现象。
令长度为
的供热管道，其管道首端温度
和热流
，管道末端温度
和热流
，令阻抗
，导纳
，则该管道可表征为如式（39）所示的线性二端口网络模型：
其中，A、B、C和D为热路网络参数，具体表达式为：
其中
为热路管道的传播系数，表征管道中温度随传播距离产生的热损失和时延，
为热路管道的特征阻抗，表征管道的传输性能。
由式（39）刻画的线性二端口网络可建立如图6所示的集总参数频域等值气路，集总等值参数
。
参照统一能路网络建模，热路网络数学模型也应包含支路特性方程和拓扑约束方程两部分。首先建立热路支路特性方程，对于一般热路模型，需要另外考虑换热器设备，换热器元件从“流”的角度可等效为注入节点的热流，从“势”的角度可等效为支路末端的热压源，可引入传热参数来刻画换热器在热量传递过程中的影响，从而一般热路支路方程可表征为：
式中，
为该条支路首端温度、末端温度；
为该条支路首端热流、末端热流；
为该条支路换热器等效传热参数，
为该条支路供热工质经换热器产生的温差。
从而热路网络所有支路热流方程可表征为矩阵形式：
式中，
为各支路变量构成的列向量；
为各支路换热器等效传热参数构成的对角矩阵。
为各支路供热工质经换热器产生的温差构成的列向量。
基于“流”的约束，任一个节点的汇入热流为流入该节点的各支路热流及注入热流之和；流出任一个节点的总热流应按各支路流量进行比例分流，从而有：
式中，
为各节点温度构成列向量；
为各节点加权注入温度构成的列向量；
为节点-流入支路关联矩阵；
为节点-流出支路加权关联矩阵。
基于“势”的约束，任一节点汇流后的温度为各流入支路的水流温度和注入水流的温度依据水流量比例进行加权平均得到；任意节点分流后的温度即为各流出支路的首端温度（各流出支路首端温度相同），从而有：
式中，
为各节点温度构成列向量；
为各节点加权注入温度构成的列向量；
为节点-流入支路加权关联矩阵；
为节点-流出支路关联矩阵。
从而联立热路支路特性方程（42）及拓扑约束方程（43）、（44）即可得到“势”刻画的热路网络方程（45）和“流”刻画的热路网络方程（46）:
同样，定义热路网络的广义节点导纳矩阵
，用于反映热路结构特征信息及整个网络的拓扑信息，定义广义节点注入向量
，刻画整个网络的热流温度状态变化信息，则式（47）可进一步表征为能路统一形式：
下面结合附图具体描述步骤2，步骤2具体按照以下步骤实施。
步骤2具体包括以下步骤，步骤2.1：构建冷、热和天然气管网碳素流模型的步骤；以及步骤2.2：能源转换过程中构建碳素流计算模型的步骤。
步骤2.1具体包括，步骤2.1.1：供热（冷）管网碳素流计算模型；以及步骤2.1.2：天然气管网碳素流计算模型。
步骤2.1.1、供热（冷）管网碳素流计算模型
供热和供冷管网均由水网来进行循环供给，供热管网由热源、热负荷和供热管道组成，供冷网络由冷源、冷负荷和供冷管道组成，两者共用水力网络，因此本发明以下文一热网为例进行分析。热量由热源产生，并通过加热管道中的水循环为负荷提供热量。加热网络的总体结构，其中能量流和碳素流用不同的箭头区分。
每条加热管道的输入碳排放流量等于其支路碳排放强度和输入能量流的乘积：
式中，
和
表示供热网络和回流网络k管道输入的二氧化碳排放量；
表示供热网络和回流网络中k管道的支路碳排放强度；c表示水的热容量；
表示供热管网和回流网络中节点n的混合质量流量；
表示供热管网和回流网络中k管道输入端口温度；
表示供热管网n节点供热管道集合。
相似地，输出端的碳排放流量可以表示为：
式中，
表示供热网络和回流网络k管道输出的二氧化碳排放量；
表示供热管网和回流网络中k管道输出端口温度。
热（冷）网存在的传输损失，每条管道的出水温度低于进水温度：
式中，
表示管道口k中温度耗散值；
管道k中输入和输出的温度。
热损失产生的碳排放可以表示为：
式中，
表示供水管网和回水管网中k管道的进水和出水之间的温度差。
对于热网中的每个节点，从不同管道注入的水是混合的。质量流和能量守恒在每个节点都成立。因此对于供应网络的节点碳排放强度为：
式中，
表示供热管网n节点混合注入温度；
加热过程中节点n的混合质量流量；
表示热和燃气网中的节点集；
表示供热管网n节点输入供热管道集合。
节点n的碳排放流量是每个流入管道的输出口碳排放流量和分配给负荷的管道热损失产生的碳排放的总和：
式中，
表示供热管网中节点n的碳排放量；
表示供热管网中节点n的由于网络耗散产生的碳排放量；X表示网络损耗散系数；
供热管网k管道输出温度；
表示供热管网k管道耗散温度。
因此，节点碳排放强度可以表示为：
式中，
表示供热管网中节点n的节点碳排放强度；
表示供热网络k管道输出温度。
通过以上公式可以推知水力循环系统的返回网络中每个节点的碳排放强度为：
式中，
表示供热管网n节点输出供热管道集合；
表示回流管网中节点n的由于网络耗散产生的碳排放量；
根据能量分配原则，供应网络和回流网络中每条管道的支路碳排放强度等于管道流入节点碳排放强度之和：
式中，
和
供应网络中管道k的流入节点和流出节点。
由于热源向管道注入热量，提高水温，热源节点碳排放为：
式中，
表示热源i的热量输出；
表示回流管网n节点混合注水温度；
表示热源位于节点i；
表示热源负荷。
与注入热量相关的碳排放应分配给热源节点。因此，供应网络中热源节点的碳素流密度是来自回流网络和来自热源的碳素流密度的集合：
式中，
表示热源i的发电机碳排放强度；
表示供热管网中节点n的节点碳排放强度。
热负荷碳排放：热负荷节点从网络中提取热量以满足需求，热负荷的碳排放为：
式中，
表示热负荷在j节点上，
表示热负荷集合。
对于连接热负荷的管道，其在供应网络中的支路碳排放密度等于在回流网络中的支路碳排放密度之和为：
分配给热负荷的碳排放量等于提取热量的嵌入碳排放量：
式中，
表示热负荷j的碳排放强度；
表示热负荷连接在j管道上。
步骤2.1.2、天然气管网碳素流计算模型
天然气是一种重要能源，其中主要成分为甲烷，而甲烷含有碳，因此气体网络中的碳排放被视为气体的潜在碳排放。其中一部分压缩机被安装在天然气管网中，以补偿摩擦阻力造成的压力损失，并确保天然气的可靠输送，因此压缩机的能耗会导致额外的碳排放。对于电动压缩机产生的碳排放量可通过以下公式计算：
式中，
表示电网中节点b的节点碳排放强度；
表示电动压缩机连接节点m与电网连接的节点；
电动压缩机消耗的电能；
表示燃气管网中的电动压缩机集合。
对于涡轮压缩机，产生的碳排放如下：
（69），
式中，
表示输气管道p的支路碳排放强度；
表示与涡轮压缩机连接的燃气管道的节点m；
表示的是消耗天然气体积；B表示的是天然气的热值，值为10.45
；
表示燃气管网中的涡轮压缩机集合。
燃气管道的碳排放量是嵌入气流的碳排放量和分配给负荷的压缩机的碳排放量之和：
式中，
表示输气管道p的碳排放量；
表示输气管道p的能量流；
表示压缩机与管道p相连；
表示燃气管道集合。
根据能量分配原则，每条管道的支路碳排放强度等于其流入节点的节点碳排放强度之和：
式中，
表示燃气网络中节点g的节点碳排放强度；
表示压缩机与管道p相连。
天然气网络中每个节点均遵循能量合并原则：
式中，
表示将气体注入节点g的气源和气体管道集合；
表示气源w的能量输出；
表示燃气网中的节点集合；
表示单位气体燃烧产生的碳排放量，是一个常数：
式中，E表示天然气的碳排放系数，其典型值为2.09
，
的值为0.20
。
燃气负荷的碳排放量等于燃气需求与负荷节点碳排放强度的乘积：
式中，
表示气体负荷d的碳排放强度；
表示燃气负荷d需求；
表示在d节点上的气负荷；
表示气体负荷集合。
步骤2.2、能源转换过程中构建碳素流计算模型，包括步骤2.2.1：构建能量转换设备碳素流计算模型；步骤2.2.2、能源枢纽碳素流计算模型。
步骤2.2.1、构建能量转换设备碳素流计算模型
为了分析能量转换过程中的碳素流，首先建立了上述能量转换器的碳排放模型。它们可以分为两种类型：单输入单输出转换器，如电锅炉（electric boilers，EB）、辅助锅炉（auxiliary boilers，AB）、吸收式制冷机组（water absorption refrigeration group，WARG）、压缩式制冷机（compression electrical refrigerator group，CERG），以及单输入多输出转换器，如热电联产机组（combined heat and power，CHP）。
1）单输入单输出转换器：对于这种类型的能量转换器，与输入能量相关的所有碳排放都应分配给输出能量。这种设备输入端口的总碳排放密度等于输出端口的碳排放密度，这就是“碳排放平衡定律”。公式为：
式中，
和
表示转换设备i（i=EB、AB、WARG、CERG）的输入和输出端口的端口碳排放强度（Port carbon intensity，PCI）；
和
分别表示能量输入和能量输出。
考虑到能量输出与能量输入成正比，转换效率为
，即
。输入端口和输出端口的PCI之间的关系，即PCI转换关系，可表示为：
2）单输入多输出转换器：以CHP为例，这种能量转换器，当汽轮机处于背压模式时，功率和热量的能量输出与燃气输入成比例：
式中，其中
表示CHP的气体输入。
分别表示电力输出和热量输出。
分别表示相应的电和热效率。
CHP的“碳排放平衡定律”仍然适用：
式中，
分别是输入端口、电力输出端口和热量输出端口的PCI。
需要注意的是，在多个输出转换器之间分配碳排放的方法并不是唯一的。此处采用效率法，其中电输出端口和热输出端口的PCI假设与相应的能效成反比：
结合上式（77）和式（78），我们可以确定CHP的PCI转换关系：
也可以采用多输出转换器的其他分配方法，其中等式（80）对于不同的现象是不同的。
步骤2.2.2、能源枢纽碳排素流计算模型
多能源系统通常包括几个能量转换器和能源产生设备，其中能源产生设备在能量转换过程建模为一个具有多个输入和输出端口的单元。在能源产生设备中，能量耦合矩阵C定义了能量输入向量
和能量输出向量
在特定周期内的能量流稳态关系。
为了描述输入端口PCI和输出端口PCI之间的关系，碳排放耦合矩阵D定义如下：
式中，
表示输入端口的PCI向量；
表示为输出端口的PCI向量。
矩阵D中的每个术语
显示了第i个输出端口
，i和第j个输入端口
，j的PCI之间通过EH内的所有能量转换器的耦合：
这些耦合系数取决于能量转换器的碳素流模型及其连接方式。
能源产生设备每个输出端口的CEFR（用
表示）表示为：
根据CCHP的能源产生设备转换系数和工作特性，制定碳排放耦合矩阵。此EH的输入PCI向量和输出PCI向量为：
式中，
分别表示PCI电力输出端口、热量输出端口和冷却输出端口。
根据CHP和WARG的CEF模型:
利用等式（83）-（88），该EH的碳排放耦合矩阵D可以表示为：
根据得到的碳排放耦合矩阵，可以使用所有输入端口的能量流和PCI计算所有输出端口的CEFR和PCI。
统一能路
统一能路理论来源于电力网络从“电磁场”到“分布参数时域电路”，再到“分布参数频域电路”，最后到“集总参数频域电路”的推演规律。
电力网络输送的能量是电磁能量，其传播以电磁波为媒介，刻画为时间与三维空间中一组偏微分方程描述的电磁场模型。该电磁场模型过于复杂而不适合电力网络分析。为简化分析，从电磁场中抽取出电磁能流传播方向（即坡印廷矢量方向，也即线路方向），忽略其正交方向上的电磁过程，再由电磁场方程推导出电阻、电感、电容等元件模型，并用这些元件来刻画电磁能流的传递，形成了基础电路理论。借助该理论，电力网络被建模为分布参数时域电路，由时间与一维空间中的一组偏微分方程描述。为进一步简化交流电力网络的分析，引入相量方法将电路从时域映射到频域，从而将电力网络建模为分布参数频域电路，由一维空间中的一组常微分方程描述。最后，通过求解该常微分方程得到长传输线路的二端口等值模型，整个电力网络进一步简化为一组代数方程描述的集总参数频域电路。这极大地降低了电力网络分析的难度，从根本上推动了电力网络分析发展出潮流分析、灵敏度分析、短路电流计算和安全约束经济调度等一系列网络分析应用。
基于上述推演规律，其他能源网络也可通过类比，导出包括气路、水路、热路在内的统一能路。以气路模型的推导为例，天然气网络中的天然气流动由于管道约束也可被简化为沿管道方向的一维流动，并刻画为时间与一维空间中的一组偏微分方程。从这组偏微分方程中可抽象出气阻、气感与气容等气路元件，建立天然气网络在时域中的分布参数气路模型。然后，采用傅里叶变换将气路映射至频域进行分析，得到分布参数频域气路，数学上偏微分方程也相应变换为常微分方程。需要说明的是，气网中的激励并不像交流电网中的激励那样都是工频正弦激励，针对此问题本发明采用傅里叶变换，将气网中任意形状的激励变换为不同频率的正弦激励之和，根据线性网络的叠加定理，将各分量作用下的响应叠加得到任意激励作用下的网络响应，所以时域中的气路对应一组频域中的气路。针对每个频率分量下的分布参数频域气路，通过求解其对应的空间常微分方程可得到管道的二端口等值模型，从而建立起天然气网络的集总参数频域气路，在数学上由一组代数方程刻画，这极大地简化了天然气网络的分析难度。
在建立能路模型之后，其他能源网络也可表示为一张由若干包含阻、容、感等能路元件的支路按一定拓扑关系连接而成的能路图。通过分析能路图中的支路特性与拓扑约束，可导出各能源网络的网络矩阵和网络方程，从而建立综合能源系统分析的统一能路理论。
综合能源系统动态能量流计算
不同于稳态潮流计算，各支路流量是一个定值，线性化误差可完全消除；动态潮流计算中，线性化误差只能尽可能减小，无法消除，本方法基于统一能路的潮流计算方法统一了同一能源网络的稳态潮流计算与动态潮流计算，将二者归结为不同数量频域分量网络方程的求解，有利于后期系统碳素流相关计算的复用。
动态潮流的数学模型是在短时间尺度、时变运行状态下，利用时序边界条件，基于时空维度建立的一组刻画网络状态变量的时域偏微分方程。基于统一能路的多能流网络动态潮流模型，形式上表征为相量复数代数方程组，由于天然气网络和供热（冷）网络中激励波形相对平滑，各频率方程求解相互独立，因此可直接通过求解较少的频域分量并进行时频变换及分量叠加即可得到原时域动态潮流。对于供热（冷）网络，动态潮流通常指水力稳态下的工质调节热力动态，故本节仅对气路网络和热路网络进行动态潮流分析。
天然气网络的动态潮流计算
式（25）刻画的含m节点气路网络，根据等值气路图2，网络两条接地支路连接实际与大地节点形成通路，因此需建立m+1维复频方程组，令
分别为各变量的
频率分量，则气路网络的复频域网络方程（动态潮流方程）为：
这里，由于大地节点是气压值为0的特殊定压力节点，即保证网络中至少存在一个定压力节点，使得节点导纳矩阵
始终为非奇异矩阵，即方程组满足可解条件，从而将时域边界条件进行频域变换后联立得到：
然后再通过傅里叶反变换还原出各时域潮流正弦分量解，叠加得到原网络的动态潮流解：
同理，可得支路状态变量的动态潮流解：
供热（冷）网络的动态潮流计算
式（47）刻画的含n条支路热路网络，令
分别为各变量的频率分量，则热路网络的复频域网络方程（动态潮流方程）为：
由稳态分析可知节点导纳矩阵满足非奇异性，即方程组总满足可解条件，从而直接逆变换得到的支路末端温度的频域潮流解：
然后由傅里叶反变换还原出各时域潮流正弦分量，叠加得到热路支路末端温度的时域动态潮流解：
同理，可得支路首端温度的动态潮流解：
基于比例分担原则的碳素流追踪法
关键参数
碳排放流量（Carbon emission flow rate，CEFR）表示单位时间内，与通过网络中节点或分支或能量转换器端口的能量流相对应的实际/虚拟碳排放。通过节点的能量流被定义为注入节点的能量的聚集。CEFR的单位是
。
碳排放强度（Carbon intensity，
）碳排放嵌入了一个单位的相应能量流。碳排放强度的单位是
。多能源系统不同设备的碳排放强度定义如下：
（1）发电侧碳排放强度（Generation carbon intensity，GCI）表示与发电机产生的单位能量相关的碳排放。
（2）支路碳排放强度（Branch carbon intensity，BCI）表示与沿支路（即输电线、天然气管道或供暖管道）流动的单位能量相关的碳排放。
（3）节点碳排放强度（Node carbon intensity，NCI）：当来自不同分支的能量注入一个节点时，嵌入的碳排放被混合和聚集。节点碳排放强度表示与每单位注入能量流相关的平均碳排放量，等于总碳排放量与总注入能量流之间的比率。
（4）端口碳排放强度（Port carbon intensity，PCI）表示与能量转换器或EH的单位能量输入或能量输出相关的平均碳排放量。
基于比例分担原则的碳素流追踪法基本原则
能量合并原则：在多能源系统中，当来自不同分支的能量注入一个节点时，不同来源的碳排放被混合，该节点的碳排放强度
被视为流入分支的所有碳排放
的加权平均值：
式中，
表示为节点n的流入分支集合，
表示流入分支i的能量流。
能源调度原则：本发明中采用基于比例分担原则的潮流跟踪法，从节点流出的能量以相等的比例分享该节点的能量注入。以节点n为例，来自第i个流入分支的第j个流出分支的能量流份额可以表示为：
式中，
表示流入节点n的分支子集。
结合方程（102）和（103），我们可以得出节点n的每个流出分支的支路碳排放强度等于该节点的碳排放强度：
其中，若有发电机将能量流注入节点n，则每个发电机都可以被视为一个流入分支，其中支路碳排放强度会被发电机碳排放强度替换，并且上述两个原则仍然成立。
实施例1
本实施例以某地区综合能源系统为例验证本发明所提出的基于统一能路理论的区域综合能源系统热、冷、气动态能量流计算方法的准确性，该综合能源系统包括7节点天然气子系统和6节点供热（冷）子系统。
7节点天然气子系统包含总长度为130km的6根管道，在节点4、7处设有2个气源，在节点1、3、5处设有3个负荷，在节点2与节点6之间的支路上设有一个压气机。2处气源均按照定压力模式运行，3处负荷则按照定流量方式模拟。
节点供热（冷）子系统包含对称的6节点供水网和6节点回水网，单侧管道总长度为19km。在节点1、7之间设有1处热源，在节点6、12、4、10、5、11 之间各设有1处热负荷；支路2-6上设有1个调节阀；支路3-4、3-5上各设有1个增压泵。热源运行在定出口压力、定出口温度的运行模式；负荷处的流量由压力决定，换热功率给定；调节阀运行在定开度模式；增压泵运行在定转速模式。
在动态潮流计算中，保持气源1、负荷1、压气机处于稳态运行，设置气源2进行1次压力调整，设置负荷2、负荷3在20%范围内以1小时为间隔进行阶梯跃变。网络的初始条件设置为稳态运行断面；时间窗长度取为12小时。
为等效初始条件，在0时刻之前附加了6小时的历史边界条件（因为初值是稳态断面，所以历史边界条件取稳态激励）。从图10与图11中可以看出，由于激励被周期延拓，06:00时刻系统中各状态变量并未处于稳态值；在06:00至04:00区间内，各状态变量存在向稳态值迁移的过程。在历史边界条件作用下，系统各状态变量在0时刻达到了预设的稳态初值。
通过本发明提出的动态能量流计算方法计算得到的2个气源节点的注入和 3个负荷节点的压力分别如图9、图10和图11中所示。为体现精度，使用时、空步长为0.5s、1.25km的有限差分方法进行对比。以有限差分解为基准，所有状态变量的统一能路解的平均误差在0.33%内；有限差分方法的用时为48.72s，而统一能路方法的6次迭代用时共计仅1.89s。统一能路方法在计算性能上的巨大优势来源于时域偏微分方程向频域代数方程的化简。除了计算速度上的提升，统一能路方法还避免了有限差分方法面临的差分稳定性问题：当时、空步长不匹配（如0.5s、1km）时，有限差分计算会出现发散的问题。
图11展示了供水网中支路1-2、支路3-5和回水网中支路11-9、支路8-7的末端温度曲线。从图中可以观察到，经过约9小时的历史边界条件作用，系统各状态变量达到稳态初值，这一时间实际上对应了管网的最大时延。使用时、空步长为1s、10m的有限差分方法进行了精度校验，以有限差分解为基准，由统一能路方法计算的各状态变量潮流解的平均误差在0.29%以内，这样的精度是符合工程需要的。在计算效率方面，有限差分方法用时363.27s，而统一能路方法仅用时1.03s。供热网络动态潮流计算的有限差分方法同样存在涉及时、空步长选取的计算稳定性问题，当二者不匹配时会导致有限差分计算出现发散的问题。
实施例2
通过简单的六节点测试系统和大规模系统的案例分析，验证了该模型的有效性。在以下所有情况下，传输损耗产生的碳排放被分配给网络，而不是负荷。此外，本发明还采用了交流潮流模型来验证该模型在基于交流潮流的系统中的有效性。
图12显示了简单的6节点测试集成系统的拓扑结构。它由一个带有6节点电力网络和6节点燃气网络的电-气耦合电网、三个EHs和区域供暖网络组成。电-气耦合电网、供热网络和EHs的结果如下所示，其中功率流由实心黑色箭头表示，气体流由蓝色虚线箭头表示。
对于节点4，所有流入功率都来自G1，因此其NCI等于G1的GCI。在节点4也可以看到同样的结果，因为其NCI等于G3的GCI。节点2的NCI非常低，因为注入它的功率来自G1和G2，而且两台发电机的GCI都很低。这与节点6相同；对于节点3和节点5，其节点碳排放较高，因为其部分流入功率来自发电机碳排放较高的G3。
燃气管网碳素流中在图13中展示，由于网络损耗（压缩机能耗）产生的碳排放被分配给网络，因此燃气网络中所有节点的节点碳排放密度都是相同的。所有这些都等于单位气体流量中所含的碳，即0.2
。这一小时内，两个气源的总碳素流为987.06
，气体负荷（三个EHs和燃气电厂）的总CEFR为976.8 
，压缩机气体消耗产生的CEFR为10.26 
。因此，碳排放平衡。
热网碳排放流量：热网由6个节点和2个热负荷组成，热网碳排放流量如图14所示，节点5和节点6的热负荷分别为120MW和100MW。HS1和HS2的GCI分别为0.222
和0.267 
。该区域供暖系统的CEF也如图14所示。从热源注入的总CEFR为68.63
，热负荷产生的总CEFR为53.14 
，分配给热损失的总CEFR为15.49 
。因此，CEFR是平衡的。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)
1.一种区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，包括：
构建区域综合能源系统能量流计算模型的步骤；
基于构建的所述能量流计算模型，构建综合能源系统碳素流计算模型的步骤；以及
利用所述能量流计算模型，进行基于比例分担原则的结合潮流追踪法的碳素流计算模型的构建的步骤，其中，所述碳素流计算模型用于利用式(104)计算在多能源系统中，当来自不同分支的能量注入一个节点处的碳排放强度，
其中，
表示节点n的流入分支集合，
表示流入节点n的分支子集，Ei表示流入分支i的能量流，Es表示流入分支s的能量流，Ej表示流出分支j的能量流，Ej，i表示第i个流入分支的第j个流出分支的能量流份额，
表示节点n的碳排放强度，
表示流入分支i的碳排放强度。
2.根据权利要求1所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，所述构建区域综合能源系统能量流计算模型的步骤，还包括：
基于统一能路理论构建天然气子系统能量流模型的步骤；以及
基于统一能路理论构建热、冷子系统能量流模型的步骤，
所述基于统一能路理论构建天然气子系统能量流模型的步骤按照式(1)进行构建，
其中，
为天然气网络的广义节点导纳矩阵，pm为每条支路首端气压，
为广义节点注入向量。
3.根据权利要求2所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，所述基于统一能路理论构建热、冷子系统能量流模型的步骤，还包括：
构建水路网络模型的步骤；以及
构建热路网络方程的步骤，
所述构建水路网络模型的步骤按照式(2)进行构建，
其中，
为水路网络的广义节点导纳矩阵，pm为各个节点的水压值组成的列向量，
为广义节点注入向量，
所述构建热路网络方程的步骤按照式(3)进行构建，
其中，
为热路网络的广义节点导纳矩阵，Tm为各节点加权注入温度构成的列向量，
为广义节点注入向量。
4.根据权利要求1所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，所述构建综合能源系统碳素流计算模型的步骤，包括：
构建冷、热和天然气管网碳素流模型的步骤；以及
能源转换过程中构建碳素流计算模型的步骤。
5.根据权利要求4所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，所述构建冷、热和天然气管网碳素流模型的步骤，还包括：
构建供热、冷管网碳素流计算模型的步骤；以及
构建天然气管网碳素流计算模型的步骤。
6.根据权利要求4所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，所述能源转换过程中构建碳素流计算模型的步骤，还包括：
构建能量转换设备碳素流计算模型的步骤；以及
构建能源枢纽碳素流计算模型的步骤。
7.根据权利要求6所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，所述构建能量转换设备碳素流计算模型的步骤，包括：
建立单输入单输出转换器、单输入多输出转换器的碳排放模型的步骤，
所述单输入单输出转换器的端口碳排放强度用式(4)表示，
其中，
和
表示转换设备i的输入端口和输出端口的端口碳排放强度，
和
分别表示能量输入和能量输出，ηI为转换效率，
所述单输入多输出转换器的端口碳排放强度用式(5)、(6)表示，
其中，
和
分别是输入端口、电力输出端口和热量输出端口的端口碳排放强度，ηW和ηQ分别表示相应的电和热效率。
8.根据权利要求2所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，
所述天然气子系统能量流模型的天然气网络动态潮流解为式(7)，
所述天然气子系统能量流模型的支路状态变量的动态潮流解为式(8)，
其中,pg，g(t)和Gg，p(t)表示天然气网络动态潮流的节点流入和节点压力，
和
表示节点流入和节点压力的ω频率分量，xω表示频域变换后，再通过傅里叶反变换还原出的正弦分量解的系数，t表示时间变量，Re()、Im()分别为复数变量的实部与虚部；
为支路节点压力的ω频率分量，m为天然气网络中的节点数量。
9.根据权利要求3所述的区域冷、热、气碳素流计算模型的构建方法，其特征在于，
所述热路网络方程的热路支路末端温度的时域动态潮流解为式(9)，
所述热路网络方程的热路首端温度的时域动态潮流解为式(10)，
其中，Tt(t)和Tf(t)分别表示热路末端温度和热路首端温度，
和
分别表示热路末端温度变量的ω频率分量和热路首端温度变量的ω频率分量，xω表示频域变换后，再通过傅里叶反变换获得的三角函数系数，t表示时间变量，Re()、Im()分别为复数变量的实部与虚部。
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