CN117371219A - 一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法：依据“枢纽节点‑能流层‑物流‑温度区间”逻辑解构能源系统，定义“能流标签”自动生成系统超结构；通过建立稀疏耦合矩阵构建能源枢纽节点，矩阵元素根据变工况特性确定，并以分段线性和变量替代策略构建线性化模型；以能流层能量平衡实现异质能源的差异化建模，通过细分温度区间刻画热能品位差异，通过冷热流体匹配实现能量综合梯级利用。本方法结合地理信息系统，适用于多能源站交互的区域综合能源系统多能流建模，可实现区域内部能源资源整合利用。本发明可实现多层级综合能源系统的多能流自动化、精细化、线性化和差异化建模，为综合能源系统规划设计和运行优化提供支撑。
Description
技术领域
本发明提供一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，属于综合能源系统建模与优化领域。
背景技术
能源是支撑经济发展和社会进步的基石，在可持续性发展与双碳目标的驱动下，稳步推进能源革命，实现能源系统低碳转型具有重大意义。传统供能系统单独规划设计、独立运行，彼此间缺乏统一协调，造成能源利用率低、供能系统整体安全性弱和自愈能力不足等问题。综合能源系统(IES)通过异质能源之间深度融合、紧密互动，打破了能源系统之间的壁垒，实现了终端多元能源需求的经济高效、安全灵活供应。
综合能源系统在“源—网—荷—储”纵向优化基础上，通过能源设备横向协调优化，实现了能源的综合高效梯级利用。IES在资源侧集成了可再生能源和化石能源，系统内部同时涉及“冷—热—电—气”等多种能源形式，多种异质能源耦合在提高系统性能的同时，也为综合能源系统规划设计、优化运行的多能流建模带来了新挑战。因此，诸多专家学者在多能流建模领域开展了系列研究，其中苏黎世联邦理工学院提出的能源枢纽模型被广泛应用于综合能源系统建模中。
能源枢纽采用紧凑的耦合矩阵方式描述多能源转化、分配、传输和存储关系，矩阵元素分别以转换效率和分配系数表示能量转换和分配过程，调整耦合矩阵的端口，能源枢纽模型可拓展至可再生能源消纳、储能、需求侧响应等应用场景。耦合矩阵能够直观表述固定结构系统设计工况下设备间能量静态流动关系。但是，在能源系统规划中，系统结构不断迭代改进，初始化耦合矩阵不再适用于拓扑优化改变后的新系统；在能源系统运行中，设备频繁处于变工况运行，能源转换效率发生变化，固定的耦合系数不能准确反映系统内部实际能量转换关系。此外，能源枢纽模型中关注能量数量上的变化规律，不能区分能源品质的差异性，无法为综合能源系统规划设计和运行优化提供有效的理论指导和方法支撑。
综合能源系统按照规模分为布置在负荷中心的用户级/园区级综合能源系统和由多个互联互济的用户级综合能源系统组成的区域型综合能源系统。针对区域型综合能源系统，除了上述面临的多能流建模挑战以外，如何建立统筹局域节点用户级综合能源系统内部能量平衡与全域网络能量平衡的系统模型，也需要科学合理的多能流建模基础理论和方法指导。
综上所述，亟需开发适用于综合能源系统规划与运行优化的多能流精准化自动建模方法。2019年9月20日公布的发明专利CN110266004A涉及了一种综合能源系统能量枢纽模型的标准化构建方法，该方法存在以下的缺点：
1、所述方法提供了能源枢纽模型的标准化建模方法，但是耦合矩阵的有序叠乘会引入非线性因素，使综合能源系统模型复杂度增加，难以求解；
2、所述方法未给出设备变工况运行非线性变工况特性的建模方法；
3、所述方法未明确不同能源品位能量梯级利用方法；
4、所述方法未给出结合地理信息系统的区域能源网络建模方法。
2020年5月12日公布的发明专利CN111144707A公开了一种基于能源枢纽的多能源系统协同规划建模方法，该方法存在以下的缺点：
1、所述方法基于能源枢纽基本模型进行建模，适用于固定结构的能源系统，不具有自组织、自适应、自生成特点，无法适用于综合能源系统规划；
2、所述方法未给出设备变工况运行非线性变工况特性的建模方法；
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4、所述方法未给出结合地理信息系统的区域能源网络建模方法。
2021年3月19日公布的发明专利CN112531770A提供了一种应用于多能互补系统中的多能流建模方法，该方法存在以下的缺点：
1、所述方法针对所述的特定CHP系统，不具有普适性；
2、所述方法未给出设备变工况运行非线性变工况特性的建模方法；
3、所述方法未明确不同能源品位能量梯级利用方法；
4、所述方法未给出结合地理信息系统的区域能源网络建模方法。
2020年7月28日公布的发明专利CN111461417A涉及了一种基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，该方法存在以下的缺点：
1、所述方法中采用的综合能源系统耦合转换矩阵不适用于精确表征设备变工况特性；
2、所述方法中将综合能源系统细分为冷、热、电、气四种子系统，未考虑不同能源、以及同一种能源品质的差异性；
3、所述方法中未区分单能源站与区域能源网络建模差异性，不能直接得到集成地理信息系统的区域能源网络优化方案。
发明内容
为了应对综合能源系统规划设计和运行优化中的多能流建模挑战，综合考虑能源系统规划阶段能源模型自组织、自适应、结构自动更新需求；能源系统运行阶段设备及系统非线性变工况特性表征；冷—热—电—气等异质能源品位差异化建模；能源系统模型复杂度和求解难度；局域用户级综合能源系统与区域综合能源网络同步建模等多元因素，提出了一种适用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法：
依据“枢纽节点-能流层-物流-温度区间”向内解构能源枢纽模型，进而通过定义“能流标签”自动构建能源系统超结构模型。基于能源系统解构思想，针对系统内部任意独立单元构建能源枢纽节点模型；构建了相应的稀疏耦合矩阵，表示了独立单元输入—输出能流/物流之间的关系；矩阵元素根据单元非线性变工况特性曲线确定，精准反映了不同运行条件下能源系统的实际情况。系统内部不同种类的能量属于不同的能流层，通过构建不同能流层内的能量平衡实现多异质能源的差异化建模；针对热能而言，按照温度标尺进一步细分温度区间，区分不同做功能力和品位的热能，通过冷热流体匹配，实现系统整体能量综合梯级利用。针对系统内部存在的非线性因素，以分段线性手段和变量替代策略消除系统非线性，构建了综合能源系统的线性化模型。最后，通过结合地理信息系统向外构建区域能源网络模型，适用于区域内多个综合能源站能源交互的区域综合能源系统多能流建模。
为了解决上述技术问题，本发明技术方案的核心思想如下：从系统解构思想出发，能源系统由能源设备单元、物质流、能量流组成。能源设备单元输入输出连接不同物流/能流，不同物流对应于不同能流，单股物流可能对应多种能流层内的能量，例如，高温甲烷自身作为燃料具有化学能，同时高温使得其作为热能载体。对于能流，不同能流层之间不可直接进行能量交互，必须通过能源设备单元实现不同能源形式之间的转换；对于储能设备单元而言，实现了能流层内部的能量在时间尺度上的转移；对于热能而言，不同温度压力的工质做功能力和能量品位不同，进一步按照温度划分温度区间。
对于用户级综合能源系统，拓展能源枢纽构建流程如下：
(1)所述综合能量系统中所有独立单元定义为能源枢纽节点(EHN)；
(2)用户级综合能源系统中设备输入/输出中，除电能以外，按照吸热/放热定义为冷/热物流；
(3)用户级综合能源系统中所有设备建立能源枢纽节点的“输入—输出”耦合矩阵，反映输入/输出之间物流/能流之间的转换关系，单一设备输入输出物流数目有限，构建的耦合矩阵本质上是一个稀疏矩阵；
(4)用户级综合能源系统中能源枢纽节点耦合矩阵，其中元素与设备运行工况相关联，为了简化模型、提高模型求解性，采用分段线性和变量替代策略消除模型中的非线性因素；
(5)用户级综合能源系统中所有能量流定义为独立能流层(EFL)，不同能流层内保持能量平衡，以能量平衡为核心重构综合能源系统；
(6)用户级综合能源系统中所有冷/热物流均定义二维连接标签，表征冷/热物流与能流层之间的关系，标签元素为-1/0/1，其中-1表示消耗该能流层能量，0表示无连接，1表示为该能流层提供能量；
(7)用户级综合能源系统中对热流层进行特殊设计，统计所有冷/热物流物性参数，包括温度区间、压力、密度、质量流量、比热和相变潜热；
(8)用户级综合能源系统所有冷热物流温度从高到底进行排序并划分温度区间，特别注意相变过程设定为独立区间，各温度区间保持热量封闭；
(9)用户级综合能源系统中热能流层内，任意温度区间内热流仅能从高温区段流向低温区段，定义为区段过剩热流
(10)用户级综合能源系统中，冷/热物流在各温度区间内吸热/放热量依据温度区段内焓变与物流质量流量计算得到，物流显热变化近似等于区间温度差值与平均比热乘积，相变过程焓变为潜热；
(11)用户级综合能源系统中，冷/热物流同时是燃料流时，物流携带的化学能依据热值与质量流量乘积计算得到。
用户级综合能源系统构成的能源枢纽中，针对不同设备单元建立能源枢纽节点模型并构建稀疏耦合矩阵；依据设备变工况特性确定耦合矩阵元素，实现了设备模型精细化建模，采用分段线性和变量替换策略消除模型的非线性，降低了模型规模。设备单元边界是能流和冷/热流体，系统内部的能量流归属于不同的能流层，定义连接标签将设备边界物质流与系统内部能流层关联起来；通过构建物质平衡与能流层平衡实现能源系统重构，基于连接标签的能源系统超结构自组织方式突破了固定能源系统拓扑的约束。不同能流层初步体现了能流之间的差异性，冷热流体的温度区间细分充分揭示了热能品位的差异性，通过不同温度区间的封闭实现了能量由高到低的综合梯级利用，通过热集成提高了系统能效。
对于区域综合能源系统，拓展能源枢纽构建流程如下：
(1)所述区域综合能源系统内分布多个用户级综合能源系统，不同综合能源系统之间存在能量交互，可实现区域内部能源资源整合利用，实现能源经济高效、清洁低碳、可靠灵活供应；
(2)基于地理信息系统和图论方法，将所述区域综合能源系统抽象为一系列点线构成的能源网络，所有用户级综合能源系统和道路交叉口均定义为能源网络的节点，沿途布置能源传输管线的道路在图上是节点之间的线段；
(3)对于用户级综合能源系统而言，构建区域综合能源系统时，在输入侧/输出侧新增独立单元，用以接收和供给能量至能源网络，在拓展能源枢纽中增加相应的能源枢纽节点；
(4)所述区域综合能源系统中，通过构建的区域能源网络中各节点能量平衡，实现了整体区域综合能源系统的能量平衡；
(5)所述区域综合能源系统中，用户级综合能源系统所在的节点平衡简述为：接收从其他节点传输而至的能量(存在沿程损失)＝该节点转运至其他网络节点的能量+节点用户级综合能源系统接收的能量–节点用户级综合能源系统供给的能量；
(6)所述区域综合能源系统中，用户级综合能源系统所在的节点平衡简述为：接收从其他节点传输而至的能量(存在沿程损失)＝该节点转运至其他网络节点的能量。
区域综合能源系统多能流建模通过统筹“全域”和“局域”两个层面构建区域能源网络，用户级综合能源系统构建的拓展能源枢纽作为网络节点参与区域能源网络。拓展能源枢纽建模的非线性变工况特性精细化表征、能源系统模型自组织自构建、异质能流差异化建模和热能综合梯级利用、线性化模型易于求解等优点仍然适用于区域综合能源系统多能流建模。
通过定义物流/能流的连接标签，实现综合能源系统模型自组织、自适应与系统超结构自动更新。
通过定义能流层和温度区间刻画不同能量的差异性，实现能量匹配和热能综合梯级利用，深度挖掘系统节能潜力，提高了系统综合利用效率。
通过构建设备单元的拓展能源枢纽节点耦合矩阵，描述设备及系统的非线性变工况特性，通过分段线性化和变量替代策略消除非线性因素，降低了模型复杂度和求解难度，提高了系统全工况综合性能。
区域综合能源系统中，统筹局域用户级能源枢纽能量平衡与全域能源网络多能流平衡，全域网络能量平衡模型中，基于沿途能量损失线性化计算表征方法构建线性模型。
本发明提供的方法具有以下技术效果：
用户级综合能源系统的多能流建模方法，适用于对综合能源系统规划阶段，依据“枢纽节点-能流层-物流-温度区间”向内解构能源枢纽模型，进而通过定义“能流标签”构建能源系统超结构模型，能够实现能源系统模型自组织、自适应、结构自动更新需求。
用户级综合能源系统的多能流建模方法，适用于综合能源系统运行阶段策略优化，通过能源枢纽节点能够清晰表征设备及系统非线性变工况特性；提高系统运行灵活性与经济性，进一步通过分段线性和变量替换策略消除模型非线性因素，构建系统线性模型，降低模型复杂度和求解难度。
用户级综合能源系统的多能流建模方法，能够区分不同冷热物流携带的热能品位差异性，挖掘系统集成节能潜力上限，实现系统整体能量综合梯级利用，提高系统效率，降低系统供能成本。
用户级综合能源系统的多能流建模方法，通过结合地理信息系统向外构建区域能源网络模型，适用于区域内多个综合能源站能源交互的区域综合能源系统多能流建模，通过统筹“全域”和“局域”两个层面能量平衡，实现区域内部能源资源整合利用，实现能源经济高效、清洁低碳、可靠灵活供应。
附图说明
图1是用户级综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法示意；
图2是区域级综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法示意；
图3是实施例1综合能源系统各设备构成的系统图示例；
图4是实施例2综合能源系统拓展能源枢纽建模示例。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图和实施例，对本发明提出的适用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法的技术方案进行详细说明。所述实施例仅仅是本发明一个的应用案例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种适用于综合能源系统多能流建模的拓展能源枢纽建模方法，该方法依据解构思想，将综合能源系统按照“设备—物流—能流—温度区间”进行分解；通过建立拓展能源枢纽节点对设备进行建模，构筑相应的稀疏耦合矩阵表征设备“输入—输出”能流与物流的关系；通过建立设备变工况特性函数表征设备非线性变工况特性，通过分段线性化消除了变工况曲线的非线性特性，通过变量替代策略消除了布尔变量与连续变量乘积项的非线性；通过定义连接标签，将设备—物流—能流联系起来，基于系统内部物质的质量守恒和各能流层内的能量平衡，实现了能量系统的自组织自适应自动构建；通过对不同能量形式单独构建能流层，以及构建不同温度区间内的热量平衡，实现系统内部多异质能源建模和能量的综合梯级利用，通过设备协同和系统热集成实现更高的系统效率；对于区域综合能源系统，采用改写的拓展能源枢纽模型构建区域能源网络节点的用户级综合能源系统模型，通过统筹局域拓展能源枢纽内部能量平衡和全域能源网络平衡，构建区域能源网络系统。
采用拓展能源枢纽方法对具体一个用户级综合能源系统的建模过程如下：
如图1所示，综合能源系统由各种独立的单元组成，所有单元共同构建了集合U，其中如终端用户能源需求等具有固定大小或容量的单元构成了公用事业单元集合UU，如容量待优化的能源生产、转换、存储及传输等能源技术设备构成了过程单元集合PU。
每个独立单元的输入输出端口与各种能量载体s相连，能量载体可以是燃料流、电流或者是具有不同温度的冷热流体，所有能量载体组成了集合S。
不同的能量载体属于不同的能流层l，比如电流层、热流层、甲烷化学能等，所有的能流层共同构成了集合L在能源系统规划与运行优化阶段，系统各能流层内能量供需时刻保持平衡。
热流层是一种特殊的能流层，单独以能流层区分无法充分反映不同条件的能量载体携带的热能品质的差异性。以冷热流体的温度为标尺划分温度区间，不同的温度区间以区间温度从高到低按照1到nk顺序排布，所有温度区间构成了集合K。
在温度区间k内，热流体i通过释放热量使温度从T(k)降低到T(k+1)，冷流体j温度通过吸收热量使温度从T(k+1)升高到T(k)，温度区间k接受从更高温度区间剩余的热量，冷热流体热交换后，剩余的热量流向下一温度区间。
依据以上说明，针对用户级综合能源系统，其具体的标准化数学建模如下：
针对任意能源转换设备单元，建立能源枢纽节点数学模型，其输入的能量载体i功率与输出的能量载体j功率/>间的关系如下：
其中，表示能量输入输出之间的耦合系数。
针对任意储能设备单元，其储能状态变化与储能功率输入/输出间关系可以表示为：
其中，是设备通过能量载体w释放的能量，/>是设备存储的来自能量载体v携带的能量，/>和/>分别是释能与储能效率相关的耦合系数，/>和/>分别是释能与储能过程中储能设备的储能状态变化量。
设备单元进出口能量载体与系统内部的不同能流层相互连接，通过定义输入能量载体的能流连接矩阵CMin(s,l)和输出能量载体的能流连接矩阵CMout(s,l)构建各能流层内的能量平衡，具体计算公式如下：
其中，是设备u通过能量载体s传递到能流层l的能量；/>是能流连接矩阵的元素，表明能量载体s与能流层l之间的连接关系，取值为-1/0/1。
根据能量载体携带的热流，可以进一步计算不同温度区间k内能量
其中，表示当前能量载体s在温度区间k内焓值变化与其整体焓值变化的比例系数。针对除热流以外的其他能流层，参数默认为1。
针对用户级综合能源系统，构建的拓展能源枢纽模型内部各能流层(热流层除外)能量平衡方程如下：
综合能源系统中热流，在每个温度区间k内实现能量平衡，基于热力学第二定律可知，热量只能从较高温度区间传递到较低温度区间，每个温度区间内部冷/热流体通过热交换实现热量平衡，余热将多余的热量从较高的温度区间(k-1)级联到较低的温度区间(k)，因此拓展能源枢纽模型内热流在不同温度区间内的能量平衡如下：
需要注意的是，在没有任何外部能量驱动的情况下，热量不能从较低的温度区间传递到较高的温度区间，所有温度区间热量大于或等于零，并且热量不能级联至最高的温度区间，因此为零。
在拓展能源枢纽中，通过同时构建能量平衡与质量平衡重构能量系统，对于单元出口能量载体是燃料流时，燃料流质量-能量表示如下：
其中和/>分别是单元u入口/出口除燃料s的质量流量，LHVs是燃料s的低位热值。
冷/热流体s提供或需要的任意温度区间k中的热量，是其质量流量和该温度区间内焓值变化的乘积
冷/热流体的焓值变化由显热(比热乘以温差/>)和潜热/>组成，将冷热流体的相变过程视为单独的温度区间，通过布尔型参数/>(0-1)区分显热和潜热变化：
针对多时段建模，通过定义储/释能过程中储能单元输入/输出能量与其储能状态之间的关系，约束储能设备单元参与系统整体能量平衡。每一个时刻储能单元只能处于充电或者放电状态，储能单元在t时刻的储能状态取决于上一时刻(t-1)的储能状态、单位时间内的能量
损失、以及考虑输入/输出效率计算得到的t时刻的能量输入/输出流量，计算公式如下：
其中，表示能量存储损失系数；/>和/>分别是储能单元u的输入和输出效率；/>表示t时刻内存储单元u的充电状态/>同时储能单元设备的状态变化还受到单元
设备储/释能速率的约束，具体约束条件如下：
其中，是储能单元可用容量与配置容量之间的比值；/>和/>表示完成完全充电/放电的时间。
针对设备单元运行时的非线性变工况特性，直接采用分段线性化方法进行处理。假设单元设备的额定效率在一定的容量范围内保持不变，t时刻单元设备u输入/输出能量载体s的质量流量表示如下：
其中是SOS类型变量，表示设备单元u的运行负荷，其中最多有一个变量可以是非零的(以上标e表示顺序)；/>(Fu)是设备单元变工况特性曲线线性化之后区段e的截距和斜率；/>是表明t时刻内设备单元运行在哪一个线性化区段内，需要满足下列约束：
假设在允许的容量范围内单元设备的变工况特性保持不变，定义参数用以表征额定状态下能量载体s质量流量与负荷率(或其他标定负荷率的变量)间的比值，则上述两项系数可以改写为单元设备容量的函数：
其中，和/>是表示线性化模型各区段内截距和斜率相关的常数；类比于单元设备能量转换效率，t时刻内能量载体s的质量流量计算公式可以改写为：
此时公式中存在布尔变量与连续变量乘积构成的非线性项通过变量替代策略消除此非线性项：首先引入时间属性定义/>代替公式中原有的单元设备容量(Fu)，然后定义变量/>代替非线性相/>最后通过引入以下两项线性约束消除模型的非线性：
采用拓展能源枢纽方法对一个区域综合能源系统的建模过程如下：
如图2所示，首先，借助地理信息系统和图论等方法，将区域综合能源系统抽象为由一系列节点g(道路交叉口和用户级综合能源系统)和道路连接的网络，所有网络节点构成了集合G。
然后，针对区域能源网络系统中的用户级综合能源系统，建立改写的拓展能源枢纽模型，拓展能源枢纽模型内部各能流层内能量平衡为：
热流层内各温度区间内热量平衡为：
其中，是网络节点g与区域能源网络之间通过能量载体s在能流层l交互的能量。
之后，分别建立区域能源网络中的节点能量平衡，具体公式如下：
其中，是经由管线Ng',g从节点g’输送至g的能量载体s传递到能流层l的能量，/>为沿程损失，/>是经由管线Ng',g从节点g输送至g’的能量载体s传递到能流层l的能量，/>表示节点g’至g之间的管线安装情况(布尔型变量)。
实施例1
为了进一步说明本发明提出的方法，以图3展示的用户级综合能源系统对拓展能源枢纽建模方法进行例证。该系统输入侧包括太阳能(NS)、风能(NW)、天然气(NG)和电网电力(PG)；能源生产&转换&存储设备单元包括光伏阵列(PV)、风机(WT)、电动汽车(EV)、电动热泵(EHP)、锂电池(Li-ion)、燃气轮机(GT)、电锅炉(EB)、热水储罐(HWST)、电动制冷机(EC)、吸收式制冷机(AC)等；输出至终端用户的能源服务包括电力(EUDE)、热力(EUDH)和制冷服务(EUDC)。针对独立单元：
光伏阵列：入口处输入太阳能ses，出口处输出电能ees；
风机：入口处输入风能wes，出口处输出电能ees；
电动汽车：入口处输入电能ees，出口处输出电能ees；
电动热泵：入口处输入电能ees，出口处输出工质hsehp；
锂电池：入口处输入电能ees，出口处输出电能ees；
燃气轮机：入口处输入天然气ngs，出口处输出电能和工质hsgt；
电锅炉：入口处输入电能ees，出口处输出工质hseb；
热水储罐：入口处输入工质cshwst，出口处输出工质hshwst；
电动制冷机：入口处输电能ees，出口处输出工质cwec；
吸收式制冷机：入口处输入工质csac，出口处输出工质cwac；
电力需求：入口处输入电能ees；
热力需求：入口处输入工质cseud；
制冷需求：入口处输入工质cwac。
实施例2
如图4所示，采用拓展能源枢纽模型对用户级综合能源系统进行建模，则用户级综合能源系统内部单元集合U＝{NS，NW，NG，PG，PV，WT，EV，EHP，Li-ion，GT，EB，HWST，EC，AC，EUDE，EUDH，EUDC}，其中公用事业单元集合UU＝{NS，NW，NG，PG，PV，WT，EV，EHP，Li-ion，GT，EB，HWST，EC，AC}，过程单元集合PU＝{EUDE，EUDH，EUDC}。根据设备进出口物流/能量流，构建的能量载体集合S＝{ses,wes,ngs,ees,hsehp,hsgt,hseb,cshwst,hshwst,cwec,csac,cwac,cseud,cweud}；系统内部的所有能量流构建的能流层集合L＝{SEL，WEL，NGL，EEL，HEL，CEL}；不同能量载体与不同能流层之间通过连接标签关联起来。所述综合能源系统14种能量载体与6种能量层之间构成的所有能流连接标签构建的输入连接矩阵如下：
类似与输入连接矩阵，其输出连接矩阵如下：
/>
Claims (8)
1.一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，包括以下过程：
依据“枢纽节点-能流层-物流-温度区间”逻辑解构能源系统，进而通过定义“能流标签”自动构建能源系统超结构模型；
基于能源系统解构思想，针对系统内部任意独立单元构建能源枢纽节点模型；构建相应的稀疏耦合矩阵，表示能源设备单元输入—输出能流/物流之间的关系；矩阵元素根据能源设备单元非线性变工况特性曲线确定，精准反映了不同运行条件下能源系统的实际情况；
系统内部不同种类的能量归属于不同的能流层，通过构建不同能流层内的能量平衡实现多异质能源的差异化建模；针对热能而言，按照温度标尺进一步细分温度区间，区分不同品位的热能，通过冷热流体匹配，实现系统整体能量综合梯级利用；
针对系统内部存在的非线性因素，以分段线性方法和变量替代策略消除系统非线性，构建综合能源系统的线性化模型；
通过结合地理信息系统向外构建区域能源网络模型，适用于区域内多个综合能源站能源交互的区域综合能源系统多能流建模。
2.根据权利要求1所述的一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，对于用户级综合能源系统，拓展能源枢纽构建方法具体包括以下步骤：
(1)用户级综合能源系统中所有独立单元定义为能源枢纽节点EHN；
(2)用户级综合能源系统中设备输入/输出中，除电能以外，按照吸热/放热定义为冷/热物流；
(3)用户级综合能源系统中所有设备建立能源枢纽节点的“输入—输出”耦合矩阵，反映输入输出之间物流/能流之间的转换关系，单一设备输入输出物流数目有限，构建的耦合矩阵本质上是一个稀疏矩阵；
(4)用户级综合能源系统中能源枢纽节点耦合矩阵，其中元素是与设备运行工况相关联，为了简化模型、提高模型求解性，采用分段线性和变量替代策略消除模型中的非线性因素；
(5)用户级综合能源系统中所有能量流定义为独立能流层EFL，不同能流层内保持能量平衡，以能量平衡为核心重构综合能源系统；
(6)用户级综合能源系统中所有冷/热物流均定义有二维连接标签，表征冷/热物流与能流层之间的关系，标签元素为-1/0/1，其中-1表示消耗该能流层能量，0表示无连接，1表示为该能流层提供能量；
(7)用户级综合能源系统中对热流层进行特殊设定，统计所有冷/热物流物性参数；
(8)用户级综合能源系统所有冷热物流温度从高到底进行排序并划分温度区间，特别注意相变过程设定为独立区间，各温度区间保持热量封闭；
(9)用户级综合能源系统中热能流层内，任意温度区间内热流仅能从高温区段流向低温区段，定义为区段过剩热流
(10)用户级综合能源系统中，冷/热物流在各温度区间内吸热/放热量依据温度区段内焓变与物流质量流量计算得到，物流显热变化近似等于区间温度差值与平均比热乘积，相变过程焓变为潜热；
(11)用户级综合能源系统中冷/热物流同时是燃料流时，物流携带的化学能依据热值与质量流量乘积计算得到。
3.根据权利要求2所述的一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，步骤(7)中，冷/热物流物性参数，包括温度区间、压力、密度、质量流量、比热和相变潜热。
4.根据权利要求1所述的一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，对于区域综合能源系统，拓展能源枢纽构建方法具体包括以下步骤：
(1)所述区域综合能源系统内分布多个用户级综合能源系统，不同综合能源系统之间存在能量交互，可实现区域内部能源资源整合利用，实现能源经济高效、清洁低碳、可靠灵活供应；
(2)基于地理信息系统和图论方法，将所述区域综合能源系统抽象为一系列点线构成的能源网络，所有用户级综合能源系统和道路交叉口均定义为能源网络的节点，沿途布置能源传输管线的道路在图上是节点之间的线段；
(3)对于用户级综合能源系统而言，构建区域综合能源系统时在输入侧/输出侧新增独立单元，用以接收和供给能量至能源网络，在拓展能源枢纽中增加相应的能源枢纽节点；
(4)所述区域综合能源系统中，通过构建的区域能源网络中各节点能量平衡实现了整体区域综合能源系统的能量平衡；
(5)所述区域综合能源系统中，用户级综合能源系统所在节点的能量平衡简述为：接收从其他节点传输而至的能量＝该节点转运至其他网络节点的能量+节点用户级综合能源系统消耗的能量–节点用户级综合能源系统供给的能量；
(6)所述区域综合能源系统中，道路节点的能量平衡简述为：接收从其他节点传输而至的能量＝该节点转运至其他网络节点的能量。
5.根据权利要求1所述的一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，通过定义物流/能流的连接标签，实现综合能源系统模型自组织、自适应与系统超结构自动更新。
6.根据权利要求1所述的一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，通过定义能流层和温度区间刻画不同能量的差异性，实现能量匹配和热能综合梯级利用，深度挖掘系统节能潜力，提高了系统综合利用效率。
7.根据权利要求1所述的一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，通过构建设备单元的拓展能源枢纽节点耦合矩阵，描述设备及系统的非线性变工况特性，通过分段线性化和变量替代策略消除非线性因素，降低了模型复杂度和求解难度，提高了系统全工况综合性能。
8.根据权利要求1所述的一种应用于综合能源系统的拓展能源枢纽建模方法，其特征在于，区域综合能源系统中，统筹局域用户级能源枢纽能量平衡与全域能源网络多能流平衡，全域网络能量平衡模型中，基于沿途能量损失线性化计算表征方法构建线性模型。
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