一种考虑时变性的多能功率流综合能源规划方法与流程

本发明涉及综合能源系统规划，更具体地说涉及一种考虑时变性的多能功率流综合能源规划方法。

背景技术：

1、综合能源系统是指一定区域内利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济。在满足系统内多元化用能需求的同时，要有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统。特指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、传输与分配（能源网络）、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统。它主要由供能网络（如供电、供气、供冷/热等网络）、能源交换环节（如cchp机组、发电机组、锅炉、空调、热泵等）、能源存储环节（储电、储气、储热、储冷等）、终端综合能源供用单元（如微网）和大量终端用户共同构成，如图2所示。

2、随着“二氧化碳排放达峰”和“碳抵消”目标的实现，中国各行各业都面临着巨大的转型升级压力。综合能源系统（ies）作为能源互联网的重要物理载体，旨在通过信息通信和智能技术，将各类能源的生产、转换、储存和利用深度融合，从而实现可再生能源的显著消耗和综合利用效率的显著提高。综合能源系统的构建将加速能源技术创新，突破技术创新瓶颈。如何因地制宜，合理规划并利用多种能源构建综合能源系统成为一大技术难题。利用软件技术对多种能源进行规划，建设满足目标条件的合理高效时变性的综合能源系统是进一步提升能源利用的重要举措。

3、现有技术中的综合能源规划方法存在以下缺陷：

4、1、多能功率流模型建立时没有考虑时变性，会导致无法准确捕捉能源系统在不同时间尺度上的动态变化，从而无法满足不同时间段的能源需求，降低了能源系统的稳定性和适应性。

5、2、搭建规划设备时没有体现出设备与负荷之间的拓扑结构，会导致能源流动路径的不合理，使系统的能源传输与利用效率降低，增加运行成本。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种考虑时变性的多能功率流综合能源规划方法，本发明首先按照工程要求对冷热电气多能的设备以及负荷进行系统性建模，利用python语言搭建所需的模型；其次，在搭建模型时，考虑设备的母线接口，同时考虑了效率参数，以及设备运行过程中的设备参数的时变性，在规划设备时体现出设备与负荷之间的拓扑结构，实现多能耦合的功率流向；最后，开发综合用能成本最低的目标函数，同时考虑投资与运行成本以及碳排放，按照要求灵活的选择经济成本与碳排放之间的系数。该规划方法可以搭建多能耦合的园区拓扑结论，实现冷热电气多能互补规划，综合考虑经济与环境因素，从而为企业制定综合能源规划的配置方案提供参考。

2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

3、一种考虑时变性的多能功率流综合能源规划方法，包括以下步骤：

4、一、数据采集

5、s1、采集综合能源规划场地的典型风光资源数据和典型负荷数据；

6、上述步骤中，采集典型风光资源数据和典型负荷数据的目的是：进行综合能源系统规划和优化，确保所构建的系统在不同时间尺度上能够满足能源需求，实现高效的能源利用和供应。

7、采集的方法为：通过气象测量站、气象卫星数据等手段采集规划场地的风、光资源数据，通过能源监测设备、历史用能数据、用户调研等手段采集规划场地的能源负荷数据。

8、典型风光资源数据包括：不同时间段内的风速、风向等数据，用于分析风能的可利用程度；不同时间段内的太阳辐射强度、日照时数等数据，用于分析光能的可利用程度。

9、典型负荷数据包括：不同时间段内的制冷、制热、电力、燃气需求数据，用于综合能源系统的规划管理。

10、二、模型建模

11、s2、利用采集的数据，建立冷热电气多能的设备以及负荷的综合能源规划模型；其中，在建立所述综合能源规划模型时，基于设备运行过程中的设备参数的时变性、设备与负荷之间的拓扑结构建立所述综合能源规划模型；

12、本发明中，“冷热电气多能的设备以及负荷”具体是指：制冷设备、制热设备、电力设备、燃气设备等多种用于能源生产传输的设备，以及表征不同时段各种能源需求的电负荷、气负荷、热负荷、冷负荷等各种用能负载。

13、本发明中，“时变性”具体是指：设备参数随时间变化的特性，包括设备效率随负荷变化的情况、设备启停过程中的效率变化以及设备在不同工况下的能耗和输出变化等。

14、优选的，所述s2步骤中，利用python语言搭建所述综合能源规划模型。

15、上述方法中，按照工程要求对冷热电气多能的设备以及负荷进行时变性模型建模，利用python语言搭建所需的模型。

16、优选的，所述s2步骤中，所述综合能源规划模型为基于风光出力与负荷的不确定参数模型，其考虑设备的时变性基于igbt配置设备。

17、上述方法中，建立风光出力与负荷的不确定参数模型，考虑设备的时变性基于igbt配置设备的模型。其中，风光出力是指风电和光伏的机组发电功率；负荷是指能源系统的总需求功率；风光出力与负荷的不确定参数是指天气等因素导致的风光出力和负荷的波动；设备是指各种能源设备，如发电机组、热泵、燃机等；igbt是指绝缘栅双极型晶体管，一种常用于能源设备的功率开关元件。

18、上述方法中，考虑设备的时变性基于igbt配置设备的优点是：

19、1）igbt作为功率开关元件，能够快速切换，使设备能够快速响应负荷变化，从而实现高效能调节。

20、2）igbt具有高耐压、高开关速度和低开关损耗等优点，能够提高设备的运行稳定性和可靠性。

21、3）igbt配置设备能够精确控制能源输出，适应不同的能源需求，实现综合能源的优化利用。

22、4）igbt配置设备的控制逻辑可以根据实际情况进行调整和优化，适应不同的运行模式和场景。

23、优选的，所述s2步骤中，所述综合能源规划模型为基于设备出力与运维成本之间的非线性关系建立的模型。

24、上述方法中，考虑设备出力与运维成本之间的非线性关系。设备出力是指能源设备的输出功率；运维成本是指设备运行、维护和管理的费用；考虑两者的非线性关系的目的是在规划能源系统时更精确地考虑设备运行成本，实现经济性和可行性的平衡，从而优化能源系统的配置。优点是能够更准确地反映设备运行的成本特征，使得规划的能源系统更符合实际情况，能够更好地支持决策制定和资源分配。

25、优选的，所述s2步骤在建立综合能源规划模型时，考虑设备的母线接口，在规划设备时体现设备与负荷之间的拓扑结构，实现多能耦合的功率流向。

26、本发明中，考虑设备的母线接口具体是指在建模时考虑设备与能源网络中的母线之间的连接点及连接方式，其目的是将设备与能源系统的拓扑结构相对应起来，确保设备能够按照正确的方式接入能源系统。

27、在规划设备时体现出设备与负荷之间的拓扑结构具体是指在规划模型中将设备与负荷之间的连接关系呈现出来。其目的是保证能源在不同设备之间、设备与负荷之间的传输与分配路径是合理的，避免不必要的能源损耗和浪费，使能源流动更加高效。优点是能够提高综合能源系统的效率，减少能源损失，实现能源的协同利用，同时提升系统的稳定性和可靠性。

28、优选的，所述s2步骤建立的综合能源规划模型中包括了设备模型的接口参数、电力线路模型和传热管道模型。

29、上述方法中，构造设备模型时，考虑设备模型的接口参数，电力线路模型以及传热管道模型。

30、其中：设备模型是指对各种能源设备进行数学建模，考虑其运行特性和响应规律，以模拟设备在不同工况下的性能。考虑设备模型的接口参数具体是指在建模时考虑设备与能源系统中不同组成部分之间的参数，如设备输出的电功率、热功率等，其目的是建立设备与系统之间的耦合关系，实现多能源协同工作。

31、电力线路模型具体是指对电力传输线路进行建模，考虑线路的电阻、电感、电容等参数，以模拟电力输送过程中的电压降、功率损耗等影响。考虑电力线路模型是因为电力输送是综合能源系统中重要的能源流动方式，需要准确模拟电能在各个组件之间的传输情况。

32、传热管道模型具体是指对热能传输管道进行建模，考虑管道的热传导、对流、辐射等参数，以模拟热能在管道中的传输和损耗。考虑传热管道模型是因为热能在综合能源系统中的传输也十分重要，需要考虑热量在管道中的传递过程和效率。

33、优选的，所述s2步骤在建立综合能源规划模型时，利用python开源语言搭建空白图纸，添加不同设备时标明清楚不同设备间接口的连接方式。

34、上述方法中，我们利用python开源语言，搭建空白图纸，添加不同设备时只需标明清楚不同设备间接口的连接方式。设置该方法是因为利用python开源语言搭建图纸具有灵活性和可视化的优势，可以直观地呈现综合能源系统的拓扑结构和组件连接关系。通过添加设备并标明接口连接方式，可以更容易地构建和修改系统模型，实现多能源设备的耦合。

35、优选的，所述s2步骤在建立综合能源规划模型过程中，规划时首先添加所需的电、气、热母线，再添加所需的设备、负荷。

36、上述方法中，规划时首先添加所需的电、气、热母线。以热泵为例，热泵的输入接口母线标明所需的电母线，出口标明所需的热母线。依次添加所需的母线、设备、负荷构成园区内的综合能源规划拓扑结构。设置该方法是因为这种逐步添加的方式能够清晰地表达能源在系统中的流动路径，确保能源的合理分配和利用，同时便于后续的调整和优化。此外，这种模块化的构建方法有助于系统的可维护性和扩展性。

37、三、目标函数建立

38、s3、利用综合能源规划模型建立全寿命周期内总成本最低的目标函数，在建立目标函数时基于投资与运行成本以及碳排放，按照要求灵活的选择经济成本与碳排放成本之间的系数；

39、优选的，所述s3步骤中，所述目标函数为：

40、

41、其中，为全寿命周期内总成本最低的目标函数;为经济成本系数，为碳排放成本系数；为系统投资建设成本;x为规划建设的决策变量，即各种设备的台数，由内层方法寻优获得;为寿命期内系统运行成本，即系统购买天然气、向电网购电费用;为系统的维护费用;为政府对综合能源系统发电的补贴效益;p为系统运行的决策变量，即各个设备的出力；为第i种能源的总消耗量;为消耗能源i所产生污染物j的排放系数;为污染物j的治理费用。

42、优选的，所述经济成本包括设备初投资成本、设备运行维护成本、运行能耗购入成本和报废成本。

43、本发明中，开发综合用能成本最低的目标函数，同时考虑投资与运行成本以及碳排放，按照要求灵活的选择经济成本与碳排放之间的系数。经济成本主要包括：设备初投资成本、设备运行维护成本与运行能耗购入成本（燃料成本）、报废成本几个部分组成。

44、本发明中，目标函数和前面建立的综合能源规划模型之间的关系是：综合能源规划模型将各种设备的数量和出力作为决策变量，通过内层方法优化，代入优化结果，从而得到一个关于决策变量的经济性成本目标函数，该函数考虑了设备投资、运行和维护等方面的成本，能够反映出综合能源系统在全寿命周期内的总经济成本。

45、污染物的当量排放系数是衡量不同类污染物对环境所造成的不同影响程度，当量排放系数的引入可以统一表征综合能源系统对环境造成的综合危害。

46、污染物的当量排放系数和目标函数的关系是：污染当量排放系数乘以系统排放量即为系统对环境造成的综合影响，该影响被考虑在综合用能成本目标函数中，从而在优化过程中综合平衡经济效益和环境影响。

47、优选的，所述s3步骤中，所述碳排放成本包括全生命周期的总碳排放量，具体为：

48、

49、其中，fc为总碳排放量，y为整个系统寿命周期，为第i类设备的规划最优台数，为单位周期内第i台设备的碳排放量，i为设备类型序号，n为设备类型个数。

50、本发明中，采用权重系数设置方法，设置污染排放税及碳税，从而将多目标优化问题转化为单目标问题进行求解。

51、四、求解非线性优化问题

52、s4、将综合能源规划模型和目标函数输入求解器中，对非线性优化问题进行求解，得到全局最优的决策变量和能源分配方案，以及对应的全寿命周期内总成本。

53、s4步骤的具体方法包括：

54、（1）将建立好的综合能源规划模型和目标函数导入gurobi求解器。

55、（2）配置gurobi求解器的参数，如收敛容限、最大迭代次数等。

56、（3）利用gurobi求解器对非线性优化问题进行求解，以获得最优的决策变量和能源分配方案。

57、上述s4步骤中，输入综合能源规划模型和目标函数，gurobi求解器通过优化算法搜索最优解，得到全寿命周期内总成本最低的最优解，即在满足能源需求、经济成本和环境影响等约束条件下，最优的决策变量和能源分配方案。

58、s4步骤最终得到优化问题的解，包括全局最优的决策变量和能源分配方案，以及对应的全寿命周期内总成本，也就是本发明综合能源规划方法所需确定的内容。

59、本发明中，非线性优化问题具体是指：综合能源规划中目标函数或约束条件里包含非线性数学表达式的优化问题，包括决策变量、能源分配、减少成本和碳排放等。

60、本发明的有益效果：

61、本发明建立了考虑拓扑规划的区域综合能源系统优化配置模型。其关键点有两个，第一个关键点是考虑非线性化特征，在搭建模型时考虑了设备出力与运维成本之间的非线性关系，建立了风光出力与负荷的不确定参数模型，考虑基于igbt配置设备的时变性模型。第二个关键点是体现了设备与负荷之间的拓扑结构，在搭建模型时虑设备模型的接口参数，电力线路模型以及传热管道模型，添加了所需的母线、设备、负荷，共同构成园区内的综合能源规划拓扑结构。

62、本发明建立了考虑拓扑规划的区域综合能源系统优化配置模型。在传统的单能源站规划模型的基础上，引入了输电线路（电力线路模型）和输热管道（传热管道模型）选择和容量分配的约束条件（s2步骤建模），同时考虑了输电损耗、容量上限运行范围（s2步骤建模），形成了以最优经济性为目标的最优配置模型。与传统模型相比，该模型在不仅考虑非线性化特征的同时，还在建立模型时（s2步骤）综合考虑了各种技术、经济和可行性方面的因素，因此具有约束完整、结构紧凑的特点。