以园区定位为导向的园区综合能源网络规划方法及系统
本发明涉及园区综合能源网络规划的技术领域，具体地，涉及一种以园区定位为导向的园区综合能源网络规划方法及系统。
背景技术：
在针对多能互补系统的规划时，目前最基本的方法就是通过能源元件的选址定容和能源网络路径优化来实现系统的能源、经济、环境等目标。然而，园区的产业结构、能源类型、负荷特征、环境因素等都会对多能互补系统的源、网、荷、储的规划产生影响，从而导致规划结果并不是真正意义上的最优，其往往忽略了园区的实际影响因素。
公开号为cn112488495a的中国发明专利公开了一种基于gso和混合整数规划的园区综合能源规划方法及系统，包括：根据固定容量设备、可变容量设备及容量范围确定可行域；以电力功率平衡、供热和供冷平衡为约束条件，以产能和储能效益最优为第一目标函数，采用萤火虫算法求解第一目标函数；其中，对以供电成本最小的第二目标函数求解得到当前设备类型和容量配置下的产能和储能效益，将其作为萤火虫的初始荧光素，根据迭代次数确定萤火虫的决策域，根据决策域和初始荧光素得到萤火虫的相对亮度和吸引度，选择目标邻居，向目标邻居移动后得到萤火虫新位置，更新荧光素，得到可行域内设备类型和容量的最优组合配置。采用内外层相结合的方法，快速计算出最优配置方案，缩短优化时间。
针对上述中的现有技术，发明人认为园区的产业结构、能源类型、负荷特征、环境因素等都会对多能互补系统的源、网、荷、储的规划产生影响，从而导致规划结果并不是真正意义上的最优，其往往忽略了园区的实际影响因素。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种以园区定位为导向的园区综合能源规划方法及。
根据本发明提供的一种以园区定位为导向的园区综合能源网络规划方法，包括如下步骤：
步骤s1：将待规划的园区分类；
步骤s2：对分类的园区进行定位分析；
步骤s3：根据园区定位分析结果构建园区的能源网络物理层构架；
步骤s4：根据所述能源网络物理层构架构建园区定位为导向的双层规划模型；
步骤s5：根据园区定位分析结果和所述双层规划模型对园区内多能源网络进行规划优化。
优选的，所述步骤s1包括如下步骤：
园区分类步骤：按照园区的开发情况将待规划的园区分类，园区包括新建园区和扩建园区；对于所述新建园区，对其进行园区定位，确定新建园区规模及负荷类型；对于所述扩建园区，对其进行扩建园区发展规模的研究及产业结构布局研究，并进行改造升级；
园区类型划分步骤：经历所述园区分类步骤后，根据经营活动的特征将园区划分，园区包括工业园区、农业园区、商业园区、旅游文化园区和公共服务园区。
优选的，所述步骤s2包括从能源因素、环境因素和负荷因素方面对划分后的园区进行定位分析；所述步骤s2包括如下步骤：
能源因素步骤：在园区级能源网络的规划中，合理利用清洁能源能够有效提升能源网络的能源利用率和环境效益；从清洁能源的可利用性和互补性对园区进行定位分析；
环境因素步骤：在园区级能源网络的规划中，从环境因素方面对园区进行定位分析；
负荷因素步骤：针对所述园区类型划分步骤，需要对各个园区进行详细的负荷特性分析。
优选的，所述步骤s3包括：在对园区级能源网络规划时，根据园区定位分析结果来构建园区级能源网络的物理规划架构，确定园区级能源网络中所包含的能源元件及各种能源间的耦合方式及流动方向；所述物理规划架构包括供给侧、转换侧、输送侧、储能侧和负荷侧，并基于园区定位分析结果中的环境因素、能源因素和负荷因素分析，将因素分析的影响精确到物理规划架构中的各个部分。
优选的，所述步骤s4包括双层规划模型，所述双层规划模型包括上层模型和下层模型，上层模型得到的规划结果将参与到下层模型的下层目标函数和下层约束条件的构建当中，而下层模型的优化目标值也将作为上层模型目标中的一部分，上层模型和下层模型间相互制约；经过循环迭代后，能够实现上层模型和下层模型同时优化；双层规划模型的一般表达式如下：
式中，fup为上层模型的目标值，f(x，flow)为上层模型的目标函数，x为上层模型的决策变量，s.t.c(x)为上层模型的约束条件，flow为下层模型的目标值，f(x，y)为下层模型的目标函数，y为下层模型的决策变量，s.t.c(x，y)为下层模型的约束条件。
优选的，所述步骤s5包括根据双层规划模型对园区内多能源网络进行规划优化，所述上层模型以年度总费用为目标，能源元件参数为决策量，所述下层模型以年度运行费用为目标，能源元件调度量为决策量；所述步骤s5包括如下步骤：
上层模型步骤：所述上层模型包括上层目标函数，上层模型的目标是年度费用fup最少，年度费用包括能源元件的投资费用cinv、年运行费用cope、清洁能源补贴费用callo和环境维护费用cep，年运行费用为下层模型的目标，具体表达式如下：
fup＝cinv+cope+cep-callo-csave
式中，r为年贴现率，l为元件寿命年限，c0，i、
下层模型步骤：所述下层模型包括下层目标函数，下层模型的目标为年运行费用最少，年运行费用包括能源交易费ctrade、维护费cman、碳排放成本cco2和可再生能源利用率提升导致的成本节省费用csave，其表达式如下：
式中，dt，i为t时刻的调度量，
所述下层模型包括下层约束条件：下层约束条件包括能量平衡和元件容量限制；能量平衡指在t时刻园区级能源网络中的所有能量的输入和输出相等，其具体表达式如下：
式中，
元件容量限制指元件在t时刻的调度量不能超过其容量限制；
dmin≤dt，i≤dmax。
根据本发明提供的一种以园区定位为导向的园区综合能源网络规划系统，包括如下模块：
模块m1：将待规划的园区分类；
模块m2：对分类的园区进行定位分析；
模块m3：根据园区定位分析结果构建园区的能源网络物理层构架；
模块m4：根据所述能源网络物理层构架构建园区定位为导向的双层规划模型；
模块m5：根据园区定位分析结果和所述双层规划模型对园区内多能源网络进行规划优化。
优选的，所述模块m1包括如下模块：
园区分类模块：按照园区的开发情况将待规划的园区分类，园区包括新建园区和扩建园区；对于所述新建园区，对其进行园区定位，确定新建园区规模及负荷类型；对于所述扩建园区，对其进行扩建园区发展规模的研究及产业结构布局研究，并进行改造升级；
园区类型划分模块：经历所述园区分类模块后，根据经营活动的特征将园区划分，园区包括工业园区、农业园区、商业园区、旅游文化园区和公共服务园区。
优选的，所述模块m2包括从能源因素、环境因素和负荷因素方面对划分后的园区进行定位分析；所述模块m2包括如下模块：
能源因素模块：在园区级能源网络的规划中，合理利用清洁能源能够有效提升能源网络的能源利用率和环境效益；从清洁能源的可利用性和互补性对园区进行定位分析；
环境因素模块：在园区级能源网络的规划中，从环境因素方面对园区进行定位分析；
负荷因素模块：针对所述园区类型划分模块，需要对各个园区进行详细的负荷特性分析。
优选的，所述模块m3包括：在对园区级能源网络规划时，根据园区定位分析结果来构建园区级能源网络的物理规划架构，确定园区级能源网络中所包含的能源元件及各种能源间的耦合方式及流动方向；所述物理规划架构包括供给侧、转换侧、输送侧、储能侧和负荷侧，并基于园区定位分析结果中的环境因素、能源因素和负荷因素分析，将因素分析的影响精确到物理规划架构中的各个部分。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明以能源、经济、环境效益最高为目标，综合考虑园区的产业结构、能源类型、负荷特征、环境因素等都会对多能互补系统的源、网、荷、储的规划，从而找到真正意义上的最优；
2、本发明针对园区进行详细分析，构建适合园区的能源网络物理层架构；针对园区的不同运营方案在不同的规划结果基础上也会产生不同的能源、经济、环境效益而选取出最优的规划方案；
3、考虑到园区实际的影响因素，对于目标园区制定具体的运营方案优化，对能源利用率达到最大化，环境保护达到最优化，经济效益达到最优化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请以园区综合能源网络规划方法及系统的园区分类图；
图2为本申请以园区综合能源网络规划方法及系统的园区生物质能分析图；
图3为本申请以园区综合能源网络规划方法及系统的园区级能源网络物理规划架构图；
图4为本申请以园区综合能源网络规划方法及系统的园区级能源网络物理规划架构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例公开了一种以园区定位为导向的园区综合能源网络规划及系统，包括如下步骤：
步骤s1：将待规划的园区分类。如图1所示，步骤s1包括如下步骤：园区分类步骤：按照园区的开发情况将待规划的园区分类，园区包括新建园区和扩建园区。对于新建园区，对其进行园区定位，确定新建园区规模及负荷类型。对于扩建园区，对其进行扩建园区发展规模的研究及产业结构布局研究，并进行改造升级。按园区开发情况将待规划的园区分类。
园区类型划分步骤：经历园区分类步骤后，根据经营活动的特征将园区划分，园区包括工业园区、农业园区、商业园区、旅游文化园区和公共服务园区。
首先按园区开发情况将待规划的园区分类，如图1所示按照园区的开发情况可以将待规划的园区分为两类，分别为新建园区和扩建园区。新建园区指需要从零开始规划的园区，而扩建园区指在现有基础上进行升级改造的园区。其中，根据经营活动的特征，园区还可以细分为工业园区、农业园区、商业园区、旅游文化园区和公共服务园区。
对于新建园区，首先对其进行园区定位，确定园区规模及负荷类型。园区定位从所处区域的能源、经济、环境、负荷、政策等因素出发，发挥出区域的优势，合理确定园区的能源供需架构。能源、环境、政策等构成了一个园区的资源禀赋，园区要充分发挥资源优势，以有效利用为前提，进行园区定位。
对于扩建园区有必要进行园区发展规模的研究及产业结构布局研究，随着园区的发展，园区内原有设施逐步无法满足，需要进行改造升级，这也是园区规划和发展中需要注意的内容。
园区的类型：农业园区：现代农业园区主要功能和服务的对象为农业及相关产业。一般而言，农业园区就是集约化农业园，以获得经济效益、生态效益和社会效益为目标，同时促进地区农业的可持续发展。典型农业园区有果园、农场等。
居住园区：居住园区是近年来出现的，其成因是现代城市功能结构和居住生活方式的变化，其本质还是一种人类居住聚落结构。居住园区的核心是以人为本，因此其相较于以往的居住地，更加地强调居住的主体性、生态性、社会性、文化性和现代性。典型居住园区有公寓小区、高档别墅区等。
旅游文化园区：旅游文化园区是指一定区域内，建立统一有效管理机构，以旅游业为统筹，以产业融合为特征，以旅游生产要素和消费服务业态集聚为核心。典型旅游文化园区如景区、文化艺术中心等。
商业园区：商业园区的发展出现在工业园区之后，其与工业园区是互补关系，是生产与消费间矛盾的产物。其形成过程可以表述如下：在购买力增长的刺激下，地区内会出现商业中心区，而中心区的出现必会带来商业发展所引发的成本激增问题，从而将其他产业挤出。典型商业园区如中央商务区、办公区等。
工业园区：全球的园区始于工业园区。工业园区通过规划建设的合理区位环境，来吸引工业企业入驻，从而缓解了工业与城市间的矛盾问题，如环境污染、管理混乱等。工业园区的一般特征是企业在地理上的聚集。但是如果企业间缺少产业关联，必会导致整个工业园区的生产和交易成本很高，产品市场竞争优势不强，企业发展受到抑制。因此，新兴工业园区的构建都基于企业专业的分工与协作和产业协同效应。典型的工业园区有化工园区、生物科技园区、电子科技园区等。
公共服务园区：公共服务园区涉及到政治、经济、教育、卫生等多个领域，其发展理念是满足公民生活发展的各类需求。公共服务园区有利于缓解我国当前面临的各种社会突出矛盾，是国家发展必不可少的园区。典型的公共服务园区有固废处理园区、高校区、污水处理区、政府行政区等。
步骤s2：对分类的园区进行定位分析。从能源、环境、负荷等对某园区进行定位分析。步骤s2包括从能源因素、环境因素和负荷因素方面对划分后的园区进行定位分析。步骤s2包括如下步骤：能源因素步骤：在园区级能源网络的规划中，合理利用清洁能源能够有效提升能源网络的能源利用率和环境效益；从清洁能源的可利用性和互补性对园区进行定位分析。环境因素步骤：在园区级能源网络的规划中，从环境因素方面对园区进行定位分析。负荷因素步骤：针对园区类型划分步骤，需要对各个园区进行详细的负荷特性分析。
然后从能源、环境、负荷等对某园区进行定位分析，能源因素：在园区级能源网络的规划中，合理利用清洁能源可以有效提升能源网络的能源利用率和环境效益，符合社会发展的轨迹。园区能源禀赋因地而异，其决定着园区清洁能源的使用选择，需要在园区级能源网络的规划中予以考虑。清洁能源可利用性：清洁能源的可利用性决定着其是否有足够的潜力来支撑能源网络的开发利用，同时也进一步影响到清洁能源利用方式及相关设备的选择。不同类型的清洁能源具有时空差异性，例如，风能存在枯风期，太阳能存在昼夜交替。同时，清洁能源的可靠性、环境和经济效益各不相同，不同清洁能源在不同的方面有着自身的优势和缺陷，它们之间可以在形成优势互补的同时尽可能弥补缺陷。清洁能源在某些园区中存在其特殊的源端，例如农业园区都具有动物粪便等，城市固废处理园区有固废垃圾等特有资源可进行生物质能的转化。
清洁能源的互补性包括以下三点：(a)时空互补：不同的清洁能源在时空层面上表现为不同的特性。我国的清洁能源在空间上总体表现为西多东少的局面：其中，风能资源在青藏高原、新疆北部、内蒙古及沿海等地区丰富，而在西南、华中等地区相对贫乏；太阳能资源则表现为从西往东、从北往南依次递减的态势；天然气也是主要分布在西部和北部地区，但因为“西气东输”、“川气东送”、“北气南下”、“海气登陆”等管网工程的推进，天然气已经实现了全国范围内的输送流动。在时间层面上，可再生能源存在随时间波动的特性，如风能资源中的枯风期、水能资源中的枯水期以及最为明显的太阳能资源中的昼夜交替。然而，清洁能源可以在时空层面上达到互补状态，那么针对园区能源的时空特性，合理分配及利用清洁能源，在园区级能源网络的规划中显得尤为重要。
(b)可靠性、环境和经济效益互补：清洁能源的可靠性、环境和经济效益各不相同，不同清洁能源在不同的方面有着自身的优势和缺陷，它们之间可以在形成优势互补的同时尽可能弥补缺陷，从而实现园区级能源网络在可靠性、环境和经济三方面的互补，达到园区级能源网络规划目标。例如，天然气在供能可靠性和经济性上优于风光，但在环境效益上却明显不足。
(c)清洁能源的园区特有性：如图2所示，清洁能源在某些园区中存在其特殊的源端，因此，在园区级能源网络的规划中，除了需要考虑普遍共有的清洁能源因素外，还需要对于各类园区的源端进一步分析。园区特有的清洁能源大多都属于生物质能，其表现出的形式多种多样，如沼气、乙醇、固体燃料等。
环境因素：园区作为城市的重要组成部分，其能源消费结构起到了关键影响。在园区级能源网络的规划中，环境因素的需要偏重考虑。园区碳排放和pm2.5排放的减少取决于环境目标的权重的设置，其直接受天然气、风、光等能源设备的容量和运营影响。
负荷因素：园区因为其不同的功能特性呈现出不同的产业结构，因此其内部的能源消费特征会各不相同，具体为对能源需求的品种、数量、时间、方式等方面都不尽相同，从而表现为负荷特性的差异。针对上节的园区分类，需要对各个园区进行详细的负荷特性分析。此外，园区内部因为多能系统间的耦合，导致其负荷之间存在一定的耦合特性，因此在面对这类负荷时需要解耦或多元综合考虑。
步骤s3：根据园区定位分析结果构建园区的能源网络物理层构架。构建适合园区的能源网络物理层构架。步骤s3包括：在对园区级能源网络规划时，根据园区定位分析结果来构建园区级能源网络的物理规划架构，确定园区级能源网络中所包含的能源元件及各种能源间的耦合方式及流动方向；物理规划架构包括供给侧、转换侧、输送侧、储能侧和负荷侧，并基于园区定位分析结果中的环境因素、能源因素和负荷因素分析，将因素分析的影响精确到物理规划架构中的各个部分。
构建以园区定位为导向的能源网络物理层构架：在对园区级能源网络规划时，首先根据园区的定位来构建园区级能源网络的物理规划架构，确定园区级能源网络中所包含的能源元件及各种能源间的耦合方式及流动方向。物理规划架构具体的构建流程如图3所示，将物理规划架构分为供给侧、转换侧、输送侧、储能侧和负荷侧，并基于园区定位中的环境、能源和负荷因素分析，将因素分析的影响精确到架构中的各个部分。环境因素主要与能源的产生和转换相关，所以影响了供给侧和转换侧的元件。能源因素涉及到了能源的产生、转换、输送和储存整个流程，所以其影响到除了负荷侧之外的全部。负荷因素为整个架构中的最后一环，其可以回溯到架构中的每一部分，因此负荷因素影响到了整个物理规划架构。此外，在搭建物理规划架构时，要确定园区级能源网络是新建还是扩建。新建的园区其物理规划架构可以依据园区定位来确定，但是扩建园区必须考虑到其原有的物理架构。
如图4所示，园区级能源网络物理规划架构显示了系统整体的能源耦合流动的关系。其中，供给侧和转换侧的能源元件都分为典型能源元件和园区特有能源元件，储能侧默认为电、热/冷、气都予以考虑，输送侧为园区内部的电、热/冷、气管道，负荷侧为园区内部负荷。除了这些元件，因为园区级能源网络的运行状态可以分为孤岛和并网两种。需要注意的是，图中只是将供给侧、转换侧、负荷侧、储能侧和输送侧在能流关系上聚合在一起表示，并不说明这些元件在园区级能源网络内部是地理位置上的聚合。
步骤s4：根据构建能源网络物理层构架构建园区定位为导向的双层规划模型。构建园区定位为导向的双层规划模型。步骤s4包括双层规划模型，双层规划模型包括上层模型和下层模型，上层模型得到的规划结果将参与到下层模型的下层目标函数和下层约束条件的构建当中，而下层模型的优化目标值也将作为上层模型目标中的一部分，上层模型和下层模型间相互制约；经过循环迭代后，能够实现上层模型和下层模型同时优化；双层规划模型的一般表达式如下：
式中，fup为上层模型的目标值，f(x,flow)为上层模型的目标函数，x为上层模型的决策变量，s.t.c(x)为上层模型的约束条件，flow为下层模型的目标值，f(x,y)为下层模型的目标函数，y为下层模型的决策变量，s.t.c(x,y)为下层模型的约束条件。
步骤s5：根据园区定位分析结果和双层规划模型对园区内多能源网络进行规划优化。园区级能源网络规划模型如图1所示。根据园区定位，对园区内多能源网络进行规划优化。上层模型以年度总费用为目标，能源元件参数为决策量，下层模型以年度运行费用为目标，能源元件调度量为决策量；步骤s5包括如下步骤：
上层模型步骤：上层模型包括上层目标函数，上层模型的目标是年度费用fup最少，年度费用包括能源元件的投资费用cinv、年运行费用cope、清洁能源补贴费用callo和环境维护费用cep，年运行费用为下层模型的目标，具体表达式如下：
fup＝cinv+cope+cep-callo-csave
式中，r为年贴现率，l为元件寿命年限，c0，i、
下层模型步骤：下层模型包括下层目标函数，下层模型的目标为年运行费用最少，年运行费用包括能源交易费ctrade、维护费cman、碳排放成本cco2和可再生能源利用率提升导致的成本节省费用csave，其表达式如下：
式中，dt，i为t时刻的调度量，
下层模型包括下层约束条件：下层约束条件包括能量平衡和元件容量限制；能量平衡指在t时刻园区级能源网络中的所有能量的输入和输出相等，其具体表达式如下：
式中，
元件容量限制指元件在t时刻的调度量不能超过其容量限制；
dmin≤dt，i≤dmax。
最后通过双层规划模型求解出规划结果，通过结合园区能源数据和上述公式，便可求得园区综合能源网络最优规划方法。双层模型规划：本发明选择的双层规划模型中，上层模型得到的规划结果将参与到下层模型的目标函数和约束条件的构建当中，而下层模型的最优目标值也将作为上层目标中的一部分，上下层规划模型间相互制约。经过循环迭代后，就可以实现上下层同时最优。
本发明按园区开发情况将待规划的园区分类；从能源、环境、负荷等对某园区进行定位分析；构建适合园区的能源网络物理层构架；构建园区定位为导向的双层规划模型；根据园区定位，对园区内多能源网络进行规划优化；本发明以能源、经济、环境效益最高为目标，综合考虑园区的产业结构、能源类型、负荷特征、环境因素等都会对多能互补系统的源、网、荷、储的规划，从而找到真正意义上的最优。
本发明首先针对园区进行详细的分析，构建适合园区的能源网络物理层构架。此外，园区的不同运营方案在不同的规划结果基础上也会产生不同的能源、经济、环境效益。本发明构建园区定位为导向的双层规划模型，同时考虑园区级综合能源网络的能源规划和运营方案优化。其中，双层模型的上层为能源元件及网络的规划，下层为运营方案优化。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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