一种基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法与流程

本发明涉及综合能源系统规划的技术领域，尤其涉及一种基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法。

背景技术：

综合能源系统(ies)是多能异质能源集中供给，提高可再生能源消纳能力的有效途径，可再生能源的大量接入导致系统供能不确定性增加，影响能源利用率。合理的综合能源系统规划方案是实现能源梯级，保证系统经济性的有效途径。然而，综合能源系统在能源的生产、传输、利用环节存在复杂的耦合关系，再加上系统长时间尺度的规划、建设、投产等经济行为给系统能量转换效率的合理量化，系统建设经济效益的全面评估增加了难度，使得集中规划面临巨大挑战。能值理论能够统一综合能源系统中多种能源形式的计量方式，生命周期理论能够统筹综合能源系统全生命周期内各阶段经济效益，有利于在规划过程中实现异质能源的统一量化与经济效益的全生命周期评估。因此，在综合能源系统规划过程中针对系统生命周期内的经济行为过程描述不完整，多类型资源统一量化困难的问题，开展基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划研究是有意义的，有利于实现资源合理配置、提高能源利用效率。

综合能源系统是通过能源站耦合各个能源子系统，能源站的选址选型对系统的经济效益与能源利用效率有重大影响。因此，目前综合能源系统规划方面的研究大多基于不同能源的不同耦合方式，考虑经济效益、能源利用效率等因素，对能源站进行选址选型。针对不同耦合方式，现有研究能够基于典型场景的运行情况，建立电-气耦合、电-热-气多能耦合的规划模型并对比分析不同耦合方式规划方案的优劣。在规划目标方面，能够基于中长期负荷预测，针对电-气-热多能耦合的网络，以系统年运行成本、系统投资运行成本、碳交易成本、环境污染成本、系统能源转换效率等为目标，建立综合能源系统的规划模型，提出区域综合能源系统能源站的规划方法；也能够基于典型运行场景，结合系统通用性能流模型，建立多目标或多层的能源站规划模型。

现阶段关于综合能源系统规划的研究大多基于不同能源耦合方式，利用基于理论的能质系数对不同能量形式进行统一量化，通过量化后的能量值来描述能源转换效率，或根据系统内设备、能源的市场价值确定系统经济效益，建立能源站的设备选型、容量配置模型，较少考虑系统规划、建设、运行、报废的全生命周期经济效益，且较少将系统生命周期中涉及的社会资源进行量化，较少将生命能源(人力资源)计入能源供给总量中。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法存在的综合能源系统规划结果欠考虑生命周期和能量问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法，。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法，包括，

构建综合能源系统模型；

根据系统模型搭建双层规划模型；

输入数据，求解双层规划模型；

其中，所述数据区分为网络数据、设备数据和负荷数据。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述综合能源系统模型区分为网络模型、全生命周期成本模型和能值产出率模型。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述全生命周期成本模型为：

其中，n为ies中设量；pn为设备n的装机容量；rn为设备n的重置次数；i为利率；tr为税率；lp为项目设计寿命；m为系统年维护成本；b为系统年用能成本；s为设备废弃处理成本；d为设备年折旧费用；rn为设备n的重置次数；cn为设备n的单位容量初始投入成本；tn为设备n的设计寿命；j为设备当前的重置次数；n为设备序号。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述系统年维护成本m为：

其中，rm为设备维护率；n为ies中设备数量；cc为单位容量设备c的初始投资成本；pc为设备c的装机容量。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述系统年用能成本b为：

其中，为第d天t时刻的火电机组发电量；πe(t)为t时刻煤炭价格；为第d天t时刻的天然气使用量；πgas为天然气价格。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述设备废弃处理成本s为：

其中，n为ies中设备数量；cs,c为第c个设备的单位容量废弃处理价格；pc为设备c的装机容量。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述设备年折旧费用d：

其中，n为ies中设备数量；rd为设备折旧率；cc为单位容量设备c的初始投资成本；pc为设备c的装机容量。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述能值产出率模型为：

maxeyr＝y/f

其中，y为综合能源系统的经济输入(反馈)能值；f为系统产出能值。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述建立双层规划模型包括步骤：

以系统全生命周期成本最小为上层规划目标；

以能值产出率最大为下层优化目标；

建立综合能源系统双层规划模型。

作为本发明所述基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的一种优选方案，其中：所述求解双层规划模型还包括以下步骤，

通过将待选设备数据、待选节点数据、综合能源系统网络数据、负荷数据及历史风速等数据代入所述综合能源系统规划模型，利用gams软件求解双层规划模型，最终求得能源站内选择的设备型号、容量、安装地址、系统能值产出率及全生命周期成本。

本发明的有益效果：本发明在含可再生能源的综合能源系统上，引入生命周期理论量化全生命周期经济效益，考虑能源站建设、报废阶段的经济效益，完善系统全生命周期成本描述，同时引入能值理论，考虑系统的社会资源输入，精确化系统能源转换效率，对目标函数激进行了修正与完善，为综合能源系统规划提供辅助决策，有助于综合能源系统规划结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的整体流程图。

图2为本发明基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法所述的综合能源系统模型结构示意图。

图3为本发明基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法所述的网络模型结构示意图。

图4为本发明基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法所述的根据系统模型搭建双层规划模型结构示意图。

图5为本发明基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的综合能源系统示意图。

图6为本发明基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的各方案风电消纳率与全生命周期成本对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1，提供了一种基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法的整体结构示意图，如图1，一种基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法包括构建综合能源系统模型；根据系统模型搭建双层规划模型；输入数据，求解双层规划模型。

在具体执行过程中，由以下三个步骤组成：

s1：构建综合能源系统模型；

s2：根据系统模型搭建双层规划模型；

s3：输入数据，求解双层规划模型；

其中，构建综合能源系统模型需考虑能源站，需强调的是，能源站包括电锅炉(eb)、燃气锅炉(gb)、电制冷(ec)、吸收式制冷(ac)和热电联产设备(chp)，其能源站考虑能量平衡约束，其能量平衡方程为：

式中：li(i＝1,2,…,n)为eh的第i种能源形式的输出量；pj(j＝1,2,…,m)为能源站内的第j种能源形式的输入量；cij为能源站将第j种能源转换为第i种能源的转换效率；

进一步的，如图2所示，综合能源系统模型区分为：1、网络模型、2、全生命周期成本模型，3、能值产出率模型。

如图3所示，其1、网络模型包括：1.1热网模型、1.2气网模型、1.3电网模型。

其中，1.1、热网模型热网模型需考虑节点流量平衡约束、节点功率融合约束和供回水温度约束；

需说明的是，(1)节点流量平衡约束：

式中，和分别为与节点i相连并从节点i起始和结束管道的集合；为时段t管道j中的热水质量流量。

(2)节点功率融合约束：

式中，为时段t管道j中热水出口温度；为时段t管道k中热水入口温度。

(3)供回水温度约束：

式中，为负荷节点i在时段t的供水温度，为负荷节点i在时段t的回水温度。

1.2、气网模型需要考虑管道流量约束、气源点约束、流量平衡约束、压缩机约束以及管存约束；

需说明的是，(1)管道流量约束：

其中，表示t时刻流过管道ij的平均流量，其中分别为t时刻管道ij的首段天然气注入流量和末端天然气输出流量；cij为管道ij效率、温度、长度、内径、压缩因子等有关的常数；pi,t、pj,t分别为t时刻首末节点i、j的压力值。

(2)气源点约束：

式中，分别为气源点n的天然气供应流量上下限以及气源t时刻的出力。

(3)流量平衡约束：

式中，为t时刻节点i上的气源供气流量；为t时刻节点i上能源站消耗的天然气流量。

(4)压缩机约束：

pj,t≤βcompi,t(8)

式中，βcom为压缩机的压缩系数，pi,t、pj,t为节点i、j的压力值。

(5)管存约束：

式中，lij,t为t时刻管道ij的管存；mij为与管道ij长度、半径、温度及气体密度、压缩因子等有关的常数；表示t时刻管ij的平均压力。

其中，1.3、电网模型需考虑节点压力约束、功率平衡约束、节点相角约束、线路功率约束和火电机组约束。

(1)节点压力约束：

其中，为节点i压力值的上、下限。

(2)功率平衡约束：

其中，p^gi,t为t时刻接点i上火电机组的有功出力；p^wi,t为t时刻节点i上风电机组的有功出力；p^li,t为t时刻节点i上的有功负荷；pij,t为t时刻线路ij上的有功功率；q^gi,t为t时刻节点i上火电机组的无功出力；q^li,t为t时刻节点i上的无功负荷；qij,t为t时刻线路ij上的无功功率。

(3)节点相角约束：

vi^min≤vi,t≤vi^max(15)

其中，vi,t为t时刻节点i上的电压幅值；vi^max、vi^min分别为节点i上电压幅值的上下限；θij为t时刻节点i、j的电压相角差；θij^max、θij^min分别为t时刻节点ij之间电压相角差的上下限；gij为节点ij之间的电导；bij为节点ij之间的电纳。

(4)线路功率约束：

其中，pij^max、pij^min分别为节点ij之间线路有功功率传输的上下限。

(5)火电机组约束：

式中，p^gi,max、p^gi,min分别为节点i上火电机组出力的上下限；rui、rdi为节点i上火电机组的爬坡和降坡幅度。

2、全生命周期成本模型为：

式中，n为ies中设量；pn为设备n的装机容量；rn为设备n的重置次数；i为利率；tr为税率；lp为项目设计寿命；m为系统年维护成本；b为系统年用能成本；s为设备废弃处理成本；d为设备年折旧费用；rn为设备n的重置次数；cn为设备n的单位容量初始投入成本；tn为设备n的设计寿命；j为设备当前的重置次数；n为设备序号。

其中，系统年维护成本m为：

式中，rm为设备维护率；n为ies中设备数量；cc为单位容量设备c的初始投资成本；pc为设备c的装机容量。

系统年用能成本b为：

式中，为第d天t时刻的火电机组发电量；πe(t)为t时刻煤炭价格；为第d天t时刻的天然气使用量；πgas为天然气价格。

设备废弃处理成本s为：

式中，n为ies中设备数量；cs,c为第c个设备的单位容量废弃处理价格；pc为设备c的装机容量。

设备年折旧费用d：

式中，n为ies中设备数量；rd为设备折旧率；cc为单位容量设备c的初始投资成本；pc为设备c的装机容量。

3、能值产出率模型为：

maxeyr＝y/f

式中，y为综合能源系统的经济输入(反馈)能值；f为系统产出能值。

需说明的是，综合能源系统的经济输入(反馈)能值包括输出电力的能值、天然气的能值和冷热水的总能值。

其综合能源系统输出电力的能值y1，计算公式为：

式中，r1为系统消耗风能的能值；f1为火电机组产生的电量能值；f2为发电消耗天然气的能值；f3为系统运维消耗能值；f4为系统消耗人力资源能值；n1为火力发电设备资产折损能值；n2为风力发电设备资产折损能值；n3为能源站内设备资产折损能值；n5为配电设备资产折损能值；为ies内用户所消耗的电能；为能源站内耦合设备消耗的电能。

3.2、系统输出的天然气的能值y2，计算公式为：

式中，为综合能源系统内用户所消耗的天然气量；为能源站内耦合设备消耗的天然气量。

3.3计算系统输出冷热水的总能值y3+y4，计算公式为：

式中，r3为系统消耗氧气的能值；r4为系统消耗水资源的能值；n4为电制冷及电锅炉设备资产折损能值；n7为系统冷热配送设备资产折损能值。

进一步的，如图4所示，s2：建立双层规划模型包括步骤：

s21：以系统全生命周期成本最小为上层规划目标；

s22：以能值产出率最大为下层优化目标；

s23：建立综合能源系统双层规划模型；

其中，将得到的各设备出力情况反馈到s1的容量优化配置与选址规划中，对综合能源系统中能源站的设备类型与安装地点进行重新选择和规划

进一步的，数据区分为网络数据、设备数据和负荷数据，求解双层规划模型还包括以下步骤，

通过将待选设备数据、待选节点数据、综合能源系统网络数据、负荷数据及历史风速等数据代入所述综合能源系统规划模型，利用gams软件求解双层规划模型，最终求得能源站内选择的设备型号、容量、安装地址、系统能值产出率及全生命周期成本。

本基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法在含可再生能源的综合能源系统上，引入生命周期理论量化全生命周期经济效益，考虑能源站建设、报废阶段的经济效益，完善系统全生命周期成本描述，同时引入能值理论，考虑系统的社会资源输入，精确化系统能源转换效率，对目标函数激进行了修正与完善，为综合能源系统规划提供辅助决策，有助于综合能源系统规划结果。

实施例2

本实施例利用本发明的方法，以如图5所示的综合能源系统实际场景的例子进行实际测试；

具体的，该综合能源系统中主要由以下3部分构成：修改的ieee14节点配电网系统、11节点天然气配气系统、11节点热力管网系统；能量流通过能源站进行耦合与能量交互，能源站接入的备选节点为：配电网系统的4、9、11节点，天然气配气系统的1、7节点，热力管网系统的8、11节点，能源站内待选设备参数如表1所示。

表1eh待选设备参数表

最终得到本发明在综合能源系统测试算例中的配置结果，所得不同场景下的能源站选型选址结果。

根据表2可见，由于电负荷波动性较大，需要及时平衡，再加上潮流约束，配电网络上远离火电机组的节点负荷仍需要其他设备及时供给，由于可再生能源出力不确定性，不能及时满足负荷需求，因此在配电网络的节点4接入了能源站。

表2本发明在测试算例中的配置结果

4节点接有一台风电机组，在可再生能源出力大于负荷需求时，利用能源站中耦合设备消纳富余电力；在可再生能源出力无法满足负荷需求时，通过能源站获取由其他能源网络供给的电能；由于电-冷耦合设备、电-热耦合设备具有能源转换效率高，设备建设成本相对较低的特性，在满足系统负荷需求的情况下会更倾向于选择使用电能进行能源转换与供给的耦合设备；由于能源站中待选是利用天然气进行能源转换与供给的耦合设备为主，因此在天然气网络的1节点接入了能源站；除了季节因素的影响，热负荷需求较为稳定，同时，由于热力管网系统本身具有一定的能量存储能力，能够充分利用管存，加入能源站为热力管网增加了能源转换能力，因此优先考虑利用天然气网络与热力管网中富余热能进行能量供给，选择大容量的ac与gb在天然气网络的8节点接入。

同样在如图2所示的综合能源系统中，以全生命周期成本最低为上层目标，以能基于能质系数的系统能源转换效率最大为下层目标的目标模式s2下进行能源站的选址选型配置，配置结果如表3所示。

表3目标模式s2在测试算例中的配置结果

由于在基于能质系数的能源转换效率中不考虑系统的经济因素影响，系统在运行时未考虑经济效益，导致运行成本增加；然而，s1中能值产出率是考虑经济输入与人力资源输入的系统能源转换效率，能够统筹能源转换效率与经济效益。由于eps上4节点接入风电机组容量较大，但负荷较小，s2的eh仍在eps的4节点接入；dhs的8节点是重要冷/热负荷点，为保证能量转换效率与负荷需求，因此仍在dhs的8节点接入；因此，在表3中，s2的eh规划结果与s1的结果相比，接入位置与s1的结果相同，部分设备选择能源转换效率较大型号，但生命周期成本增大。

同样在如图2所示的综合能源系统中，以系统年均运行建设成本最低为上层目标，以能值产出率最大为下层目标的目标模式s3下进行能源站的选址选型配置，配置结果如表4所示。

表4目标模式s3在测试算例中的配置结果

s3下层目标仍为系统能值产出率，已考虑部分经济因素，导致eh的接入位置与s1一致；在满足负荷需求的前提下，为追求更低的建设运行成本，由于利用电能进行能源转换、供给的耦合设备建设成本较高，选择容量相对较小的价格较低的设备；由于在上层模型中不考虑系统的在建设、报废阶段的成本，但在下层模型中通过能值利用率对系统内大部分经济行为提出一定要求，保证了系统运行的经济效益；因此，在表4中，目标模式3中的规划结果与s1的结果相比，接入位置与目标s1相同，但由于上层目标中考虑因素的经济行为少于下层模型，导致部经济效益优于s1的同时，能值产出率低于s1。

同样在如图2所示的综合能源系统中，以系统年均运行建设成本最低为上层目标的目标模式s4下进行能源站的选址选型配置，配置结果如表5所示。

表5目标模式s4在测试算例中的配置结果

电能能源品位最高，因此利用电能进行耦合的耦合设备转换效率较高，由于s4为仅考虑系统能源转换效率，系统规划运行成本，在保证系统运行成本尽可能低的前提下，选择容量更大的电耦合设备，eh选择在eps上接有火电机组的6节点接入；11节点是多供水管道的连接枢纽，且管道直径大，传输速度快，能有效提高供热效率，因此选择在ngs的11节点接入eh；该模式为最传统的规划模型，目标函数中缺乏对系统全生命周期能经济行为的规划，导致在eh的规划过程中忽略了部分成本；因此，在表5中，s4的规划结果与s3相比，全生命周期成本高于s3，同时，由于s3的经济效益与s1相比较差，表明s4的规划结果的经济效益相较于s1较差。

图6展示了不同场景下，综合能源系统规划方案的风电消纳能力率与全生命周期成本的对比情况。如图所示，s1的风电消纳率高于其余所有场景，全生命周期成本低于其余所有场景。可见本发明提出的基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法，可以有效地对综合能源系统中能源站的设备选型与选址进行合理规划，对于综合能源系统的建设规划具有重要意义。

本发明针综合能源系统，基于生命周期与能值理论，进行系统中能源站内设备的选型与选址规划。具体内容如下：

根据综合能源系统各网络特性与设备特性建立综合能源系统网络模型；

充分考虑综合能源系统的设备购置成本、设备重置成本、物料运输成本、年维护成本、年运行成本、残余价值与设备废弃处理成本，以系统全生命周期成本最小为上层设备选型选址规划目标，以待选设备及节点特性为约束条件，建立综合能源系统上层规划模型；

对综合能源系统进行能值分析，充分考虑系统内能量、物质和经济流动，以系统能值产出率为下层运行优化目标，以网络及设备特性为约束条件建立综合能系统下层规划模型；

利用上层约束获得若干规划方案，代入下层模型中求得最优运行结果后代回上层模型，得出最优规划结果。

采用本发明的技术方案，可实现如下有益效果：在综合能源系统能源站的选型选址的过程中利用生命周期理论核算系统规划、建设、运行、报废的全生命周期成本，有利于提高系统全生命周期经济效益；在综合能源系统规划过程中利用能值理论精确量化能源转换效率，有利于提高系统能源利用；提出了基于生命周期与能值理论的综合能源系统规划方法，在能源站的选址选型的过程中，有利于保证系统在提高能源利用率的同时，保证其在生命周期内各阶段的经济效益，则能有效地规划综合能源系统能源站，有助于本方案的推广与实施。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。