综合能源系统碳流计算方法及系统与流程

本发明属于综合能源系统自动化领域，具体涉及一种综合能源系统碳流计算方法及系统。

背景技术：

1、随着经济技术的发展，综合能源系统已经开始逐步推广。在满足多能负荷供应的基础上，综合能源系统能够通过多能互补协同，提高系统能源的整体效率，从而实现更加高效和环保的能源供应。

2、碳排放计算一直是综合能源系统的运行、调度和评价等工作的重要基础。传统碳排放分析方法基于系统碳排放总量的角度，将碳指标转化为经济指标进行优化，忽视了碳排放在能源网络中的分布特性，难以辨析系统内部各环节的高碳要素。

3、针对传统方案的局限性，有研究基于比例共享原则将电力系统碳流定义为依附于电力潮流的虚拟流，使碳排放具有网络流的特性。在此基础上，可结合高等电力网络分析方法与电力潮流计算方法，提出电力系统碳流矩阵化计算方法。将电力系统碳流理论拓展到综合能源系统，可将综合能源系统碳流定义为依附于能流的虚拟网络流。但是，该类方案中的碳流计算均在能流的基础上进行建模，仅考虑了能量的数量，未考虑不同形式能量品质的差异。而综合能源系统中多源能量之间的品质差异，将极大的降低该类方案的可靠性和精确性。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种可靠性高且精确性好的综合能源系统碳流计算方法。

2、本发明的目的之二在于提供一种实现所述综合能源系统碳流计算方法的系统。

3、本发明提供的这种综合能源系统碳流计算方法，包括如下步骤：

4、s1.获取目标综合能源系统的数据信息；

5、s2.根据步骤s1获取的数据信息，针对目标综合能源系统，建立基于潮流的电力系统流计算模型、基于气流的天然气系统流计算模型、基于等效变换的热力系统流计算模型和标准化集线器模型；

6、s3.根据步骤s1获取的数据信息，将目标综合能源系统中的支路损分摊到支路两端节点，建立考虑能量品质的网络化的能源站碳流模型，并结合步骤s2得到的模型和碳流模型建立考虑能量品质的综合能源系统矩阵化碳流统一计算模型；

7、s4.根据步骤s2和步骤s3构建的模型，完成综合能源系统的碳流计算。

8、步骤s2所述的建立基于潮流的电力系统流计算模型，具体包括如下步骤：

9、设定电力系统的有功分布为流分布，有功损耗为损，则电力系统的流模型表示为：

10、

11、式中ee为电力线路流列向量；pe为电力线路有功流列向量；δee为电力线路损列向量；δpe为电力线路有功损耗列向量。

12、步骤s2所述的建立基于气流的天然气系统流计算模型，具体包括如下步骤：

13、以热值与天然气体积的乘积衡量天然气能量；

14、将天然气的燃料表示为天然气势与气流率的乘积，则天然气系统的流模型表示为：

15、

16、式中eg为天然气管道流列向量；ag,-为然气系统的流出节点-支路关联矩阵；pg为天然气节点势列向量；mg为天然气管道气流率列向量；diag()表示以列向量中的元素构成对角矩阵；δeg为天然气管道损列向量；ag为天然气系统的节点-支路关联矩阵。

17、步骤s2所述的建立基于等效变换的热力系统流计算模型，具体包括如下步骤：

18、以回水网络为参考系对供水网络流模型进行等效变换，消除回水网络流对供水网络流的影响；

19、等效变换后，热力系统流分布包括热力支路流、热力支路损、热源热负荷和热力节点损，表示为：

20、

21、式中uh为热力节点的压列向量；ps为热力节点的供水势列向量；pr为热力节点的回水势列向量；eh为热力支路流列向量；ah,-为供水网络的流出节点-支路关联矩阵；mh为热力支路水质量流率列向量；δeh为热力支路损列向量；ah为供水网络的节点-支路关联矩阵；δeh,s为热源列向量；mh,s为热源水质量流率列向量；δeh,l为热负荷列向量；po为热力节点的出口势列向量；mh,l为热负荷水质量流率列向量；δeh,ll为热力节点损列向量。

22、步骤s2所述的建立标准化集线器模型，具体包括如下步骤：

23、基于集线器的标准化形式对能源站流模型进行建模，以得到能源站内部各能源设备之间的流分布；模型表示为：

24、

25、式中xes为能源站的输入耦合矩阵；ees为能源站流列向量；ein,es为能源站输入列向量；yes为能源站的输出耦合矩阵；eout,es为能源站输出列向量；zes为能源站的转换矩阵；wes为能源站的分配矩阵。

26、步骤s3所述的将目标综合能源系统中的支路损分摊到支路两端节点，具体包括如下步骤：

27、设定电力支路和热力支路存在损，天然气支路不存在损；

28、基于损耗双向平均分摊原理，分摊后的综合能源系统节点流列向量en,nl表示为其中，en为分摊前节点流列向量，abs()为将矩阵或向量中的元素取绝对值操作，a为综合能源系统的节点-支路关联矩阵，δeb为综合能源系统支路损列向量；

29、双向平均分摊后，综合能源系统支路流列向量eb,nl表示为其中eb为分摊前支路流列向量。

30、步骤s3所述的建立考虑能量品质的网络化的能源站碳流模型，具体包括如下步骤：

31、将能源转换设备损对应的碳流分配给能源站；

32、设定eini为第i种能源形式输入能源转换设备的流，cini为第i种能源形式输入能源转换设备所对应的碳流，eoutj为能源转换设备输出第j种能源形式的流，eloss为能源转换设备损，closs为能源转换设备损所对应的碳流；

33、能源转换设备的流平衡方程表示为m为输入能源转换设备的能源形式的总数，n为能源转换设备输出能源的总数；

34、能源转换设备的碳流平衡方程表示为

35、将能源转换设备输出第j种能源形式的流所承载的碳流coutj按照对应部分流所占输出流与损之和的比例进行分配，损所承担的碳流closs按照所占输出流与损之和的比例进行分配，则coutj和closs表示为

36、

37、定义pout为能源站输出流与损的碳势，且则

38、

39、对于包含若干种类型能源设备的能源站，将每个能源设备均等效为节点，将能源设备之间的流路径等效为支路，此时能源站被等效为节点数为能源设备数目、支路数为流路径数目的网络。

40、步骤s3所述的结合步骤s2得到的模型和碳流模型建立考虑能量品质的综合能源系统矩阵化碳流统一计算模型，具体包括如下步骤：

41、定义综合能源系统源端碳排放强度向量cs为源端供应单位产生碳排放构成的向量，其中元素个数为ns，ns为能量供应源的数目；

42、综合能源系统源端碳排放强度向量cs表示为cs＝fsλs，fs为能量的碳排放因子，λs为能量的能质系数；

43、定义综合能源系统支路流分布矩阵eb为nn阶方阵，nn为电力、天然气、热力节点以及能源站内部能源转换设备数目的总数；当支路的流是由节点i流向节点j时，eb中第i行第j列元素为对应的流数值，其他情况下元素为0；

44、定义综合能源系统源端供应流分布矩阵es为ns×nn阶矩阵，若第i个源节点为节点j，则es中第i行第j列元素为源端向该节点供应的流数值，其他情况下元素为0；

45、定义综合能源系统节点消耗流分布矩阵ec为nc×nn阶矩阵，nc为消耗流的节点数目；当第i个消耗流的节点为节点j，则ec中第i行第j列元素为节点消耗流的数值，其他情况下元素为0；

46、定义综合能源系统节点流通量矩阵en为nn阶对角方阵，其中第i行对角线元素为源端以及周边支路向第i个节点注入的流之和；en表示为其中为nn+ns维由元素1构成的行向量；

47、定义综合能源系统节点碳势列向量cn为nn维列向量，元素的含义为节点周围设定范围内单位流所承载的碳排放；源节点的碳排放强度为碳势；cn表示为cn＝[en-(eb)t]-1(es)tcs；

48、通过cn＝[en-(eb)t]-1(es)tcs得到节点碳势后，计算综合能源系统的碳流分布：

49、定义支路碳流分布矩阵cb为nn阶方阵，当某条支路的碳流是由节点i流向节点j时，cb中第i行第j列元素为对应的碳流数值，其他情况下元素为0；cb表示为cb＝diag(cn)eb；

50、结合节点消耗流分布矩阵，定义节点消耗碳流列向量cc为ec维列向量，元素含义为源端供应节点消耗流所产生的碳排放；cc表示为cc＝eccn。

51、步骤s4所述的根据步骤s2和步骤s3构建的模型，完成综合能源系统的碳流计算，具体包括如下步骤：

52、数据获取：获取的数据包括综合能源系统的网架拓扑、多能源荷、管线参数、运行方式、能源站参数和源端能源碳排放因子；

53、潮流计算：通过水力-热力模型交替迭代法计算得到热力系统参数；所述热力系统参数包括水流率和水温；基于能源集线器模型计算得到能源站的输入和输出能流，从而更新能源站对应电力与天然气网络节点的源荷功率；求解电力系统潮流；基于牛顿节点法求解天然气系统气流分布；

54、流分布计算：基于步骤s2建立的热力系统流计算模型求解热力系统的流与损分布；基于步骤s2建立的标准化集线器模型求解能源站内部的流与损分布；基于步骤s2建立的电力系统流计算模型求解电力系统流与损分布；基于步骤s2建立的天然气系统流计算模型计算天然气系统流分布；

55、碳流计算：基于步骤s3构建的模型，求解得到支路碳流分布矩阵与节点消耗碳流列向量；

56、数据输出：根据碳流计算结果，完成目标综合能源系统的碳流计算。

57、本发明还提供了一种实现所述综合能源系统碳流计算方法的系统，包括数据获取模块、流计算模型构建模块、碳流计算模型构建模块和碳流计算模块；数据获取模块、流计算模型构建模块、碳流计算模型构建模块和碳流计算模块依次串接；数据获取模块用于获取目标综合能源系统的数据信息，并将数据信息上传流计算模型构建模块；流计算模型构建模块用于根据接收到的数据信息，针对目标综合能源系统，建立基于潮流的电力系统流计算模型、基于气流的天然气系统流计算模型、基于等效变换的热力系统流计算模型和标准化集线器模型，并将数据信息上传碳流计算模型构建模块；碳流计算模型构建模块用于根据接收到的数据信息，将目标综合能源系统中的支路损分摊到支路两端节点，建立考虑能量品质的网络化的能源站碳流模型，并结合得到的模型和碳流模型建立考虑能量品质的综合能源系统矩阵化碳流统一计算模型，并将数据信息上传碳流计算模块；碳流计算模块用于根据接收到的数据信息，根据构建的模型完成综合能源系统的碳流计算。

58、本发明公开的这种综合能源系统碳流计算方法及系统，分析了碳排放在系统的传输机理建立源-网-荷之间的联系，同时考虑了能量的“量”和“质”之间的关系，实现了碳排放在系统中的分布的计算；因此本发明不仅能够实现综合能源系统的碳流计算，而且可靠性更高，精确性更好。