考虑多能耦合的园区综合能源系统顶层设计方法及装置与流程

1.本文件涉及综合能源技术领域，尤其涉及一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法及装置。


背景技术：

2.综合能源系统是将电、气、热、冷等多种能源子系统有机耦合，实现多能互补、能源综合梯级利用的复杂物理平台，包括各个子系统内部和相互之间能源供应、传输、转换、存储等多个环节，其内部能源种类丰富、能量转换方式多样。如何从系统的角度对综合能源系统中多能转换等环节进行统一设计，充分发挥不同能源形式的互补特性和协同效应，进而提升系统灵活性、可再生能源消纳能力和系统综合能效，是当前迫切需要解决的关键问题。
3.当前综合能源系统仍处于发展的初步阶段，在综合能源系统的顶层设计中，如何系统的规划电、气、热、冷等多种能源子系统的耦合关系是关键。从系统的角度对综合能源系统中多能转换等环节进行统一设计，将充分发挥不同能源形式的互补特性和协同效应，进而提升系统灵活性、可再生能源消纳能力和系统综合能效，助力消费侧节能降碳。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法及装置，旨在解决现有技术中的上述问题。
5.本发明提供一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法，包括：
6.步骤s1.根据园区建设的关键影响因素确定园区综合能源影响因子的权重；
7.步骤s2.确定园区综合能源建设模式，根据建设模式确定园区综合能源的供需结构；
8.步骤s3.根据供需结构建立园区内电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及分布式电源时序模型；
9.步骤s4.基于影响因子权重、电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及分布式电源时序模型建立综合能源系统能量供应方案；
10.步骤s5.确定综合能源系统能量供应方案的约束条件，基于约束条件求解所述综合能源系统能量供应方案的最优解。
11.本发明提供一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计装置，包括：
12.权重计算模块，用于根据园区建设的关键影响因素确定园区综合能源影响因子的权重；
13.供需结构确定模块，用于确定园区综合能源建设模式，根据建设模式确定园区综合能源的供需结构；
14.时序模型模块，用于根据供需结构建立园区内电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及分布式电源时序模型；
15.供应方案模块，用于基于影响因子权重、电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及
分布式电源时序模型建立综合能源系统能量供应方案；
16.约束条件模块，用于确定综合能源系统能量供应方案的约束条件，基于约束条件求解综合能源系统能量供应方案的最优解。
17.本发明提供一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计装置，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法的步骤。
18.本发明提供一种存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法的步骤。
19.采用本发明实施例，通过确定综合能源的关键影响因素权重，建立综合能源系统能量供应方案，从系统的角度对综合能源系统中多能转换等环节进行统一设计，将充分发挥不同能源形式的互补特性和协同效应，进而提升系统灵活性、可再生能源消纳能力和系统综合能效，助力消费侧节能降碳。
附图说明
20.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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说明书中记载的一些实施例，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他的附图。
21.图1为本发明实施例的一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法的流程图；
22.图2为本发明实施例的一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计装置的示意图；
23.图3为本发明实施例的装置实施例二的示意图。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
25.方法实施例
26.本发明实施例提供了一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法，图1为本发明实施例的一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法的流程图，如图1所示，一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法包括：
27.骤s1.根据园区建设的关键影响因素确定园区综合能源影响因子的权重，步骤s1具体包括：
28.a.分析园区建设的关键影响因素，包括经济特性、环保特性、技术先进性，得到集
合k＝{α、β、γ}；
29.b.采用专家打分法，对关键影响因素进行打分，如设置满分10分，最低0，最小间距1分；
30.c.针对打分情况，得到园区具体的各影响因素排序，确定园区综合能源设计的发展思路，其中关键因素ki的得分为
[0031][0032]
d.根据得分，采用归一法，计算得到每类影响因子的权重；
[0033]
ω
α
＝k
α
/(k
α
k
β
k
γ
k
δ
)
[0034]
ω
β
＝k
β
/(k
α
k
β
k
γ
k
δ
)
[0035]
ω
γ
＝k
γ
/(k
α
k
β
k
γ
k
δ
)
[0036]
其中，ω
α
为经济特性影响因子权重，ω
β
为环保特性影响因子权重，ω
γ
为技术先进性影响因子权重。
[0037]
步骤s2.确定园区综合能源建设模式，根据建设模式确定园区综合能源的供需结构，步骤s2具体包括：
[0038]
对于新建园区，综合能源系统建设模式采取自上而下的方式，即统一规划、统一设计，分步实施，首先设计园区级综合能源系统管控平台，其次设计各能源接入管控平台的方式及能源间的转化模式；对于老旧园区，综合能源系统建设模式采取自下而上的方式，首先在园区能源需求总量q中减去不参与综合能源的能源总量q0，得到可进行多能耦合转换的能源总量q1，其次q1可按照新建园区设计；
[0039]
统计园区能源需求总量、终端消费结构；
[0040]
统计园区内分布式能源和受入能源情况，包括分布式风电光伏、地热能、天然气、电能等。
[0041]
步骤s3.根据供需结构建立园区内电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及分布式电源时序模型，步骤s3具体包括：
[0042]
a.建立园区内电负荷时序模型，具体包括：
[0043]
选取典型园区的典型电负荷(如空调、公共照明、电梯、应急电池等)，按照每分钟/点的采样频率，分别采集365天的数据，形成全年的典型设备的电负荷时序曲线ei；
[0044]
统计区域内参与综合能源系统设计的各典型电负荷设备的数量，将各典型设备的电负荷时序曲线进行叠加，形成全年园区内电负荷时序曲线e。
[0045]
曲线e上每个点ei的获得方法如下：
[0046]ei
＝∑k
iei
，其中ki为各典型电负荷设备的数量；
[0047]
b.建立区域内冷热负荷时序模型，具体包括：
[0048]
选取典型园区的典型热、冷负荷(如锅炉、热泵等)，按照每分钟/点的采样频率，分别采集365天的数据，形成全年的典型设备的热、冷负荷时序曲线hi；
[0049]
统计区域内参与综合能源系统设计的各典型热、冷负荷设备的数量，将各典型设备的热、冷负荷时序曲线进行叠加，形成全年园区内热、冷负荷时序曲线h；
[0050]
曲线h上每个点hi的获得方法如下：
[0051]hi
＝∑k
ihi
，其中ki为各典型热、冷负荷设备的数量；
[0052]
c.建立区域内分布式电源时序模块，具体包括：
[0053]
选取典型园区内参与综合能源系统建设的全部分布式电源(如屋顶光伏、风力发电机、燃气机组、生物质能等)，按照每分钟/点的采样频率，分别采集365天的数据，形成全年的典型分布式电源出力的时序曲线gi。
[0054]
步骤s4.基于影响因子权重、电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及分布式电源时序模型建立综合能源系统能量供应方案，步骤s4具体包括：
[0055]
a.以经济性为最优的供应方案确定
[0056]
经济性是以综合能源系统全寿命周期内总成本为目标函数，总成本涉及综合能源设备初期费用(设备购置和安装)、维护费用、运行费用以及设备残值，运行费用主要是园区运行所购入能源费用，同时考虑可再生能源发电补贴收益，经济性目标函数为：
[0057][0058]
其中bi为第i种供储能源设备的初始投资费用；fi为第i种供储能设备每年的运行维护费用；y为整个系统的工程寿命/年；rvi为第i种供储能设备残值；n
p
为一年内第p类能源需求的天数；为第p类能源需求期的第j种能源在经济性准则下系统典型日运行成本，模型为
[0059][0060]
其中t为综合能源系统优化日调度总区间数，一般设为t＝24；h为每个调度区间的小时数，此时h＝1；c
t,j
为第j种能源在第t时刻的价格；为区域内第j种能源在第t时间间隔内的平均功率；cn为第n种可再生能源发电补贴价格；为第n种可再生能源在t时段的发电功率。
[0061]
b.以环保性为最优的供应方案确定
[0062]
环保性是以综合能源系全寿命周期内污染物排放量最低为目标函数。环保性目标函数为
[0063][0064]
其中为第p类能源需求期第j种能源在环保性准则下系统典型日运行环节成本，模型为：
[0065][0066]
其中为第j种能源的污染排放量
[0067]
c.得到最终的综合能源系统能量供应方案
[0068]
ω
α
·feco
ω
β
·fenv
[0069]
步骤s5.确定综合能源系统能量供应方案的约束条件，基于约束条件求解所述综合能源系统能量供应方案的最优解，步骤s5具体包括：
[0070]
确定初期投资成本约束：
[0071][0072]
其中，i
max
为最大初期投资成本；
[0073]
确定环节成本约束；
[0074]
e≤e
max
[0075]
其中。e为环境污染治理费用，e
max
为最大允许环境污染治理费用；
[0076]
确定最大负荷约束；
[0077][0078]
其中，l
dmax
为区域内设计电负荷，s为安全系数，p
jmax
为第j种供电设备的最大供电功率；
[0079][0080]
其中，l
hmax
为区域内设计热负荷，s为安全系数，q
jmax
为第j种制热设备的最大供热功率；
[0081][0082]
其中，l
cmax
为区域内设计冷负荷，s为安全系数，q
jmax
为第j种制冷设备的最大供冷功率；
[0083]
备用容量约束
[0084]
r≥r
min
[0085]
其中，r为系统备用容量，r
min
为系统最小备用容量，备用容量负荷包括冷、热、电负荷；
[0086]
可靠性约束
[0087][0088]
其中σ
lolp
为系统失负荷概率，为系统最大失负荷概率。
[0089]
装置实施例一
[0090]
本发明实施例提供了一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计装置，图2为本发明实施例的一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计方法的流程图，如图2所示，一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计装置包括：
[0091]
权重计算模块20，用于根据园区建设的关键影响因素确定园区综合能源影响因子的权重，权重计算模块20具体用于：
[0092]
a.分析园区建设的关键影响因素，包括经济特性、环保特性、技术先进性，得到集
合k＝{α、β、γ}；
[0093]
b.采用专家打分法，对关键影响因素进行打分，如设置满分10分，最低0，最小间距1分；
[0094]
c.针对打分情况，得到园区具体的各影响因素排序，确定园区综合能源设计的发展思路，其中关键因素ki的得分为
[0095][0096]
d.根据得分，采用归一法，计算得到每类影响因子的权重；
[0097]
ω
α
＝k
α
/(k
α
k
β
k
γ
k
δ
)
[0098]
ω
β
＝k
β
/(k
α
k
β
k
γ
k
δ
)
[0099]
ω
γ
＝k
γ
/(k
α
k
β
k
γ
k
δ
)
[0100]
其中，ω
α
为经济特性影响因子权重，ω
β
为环保特性影响因子权重，ω
γ
为技术先进性影响因子权重。
[0101]
供需结构确定模块21，用于确定园区综合能源建设模式，根据建设模式确定园区综合能源的供需结构，供需结构确定模块21具体用于：
[0102]
对于新建园区，综合能源系统建设模式采取自上而下的方式，即统一规划、统一设计，分步实施，首先设计园区级综合能源系统管控平台，其次设计各能源接入管控平台的方式及能源间的转化模式；对于老旧园区，综合能源系统建设模式采取自下而上的方式，首先在园区能源需求总量q中减去不参与综合能源的能源总量q0，得到可进行多能耦合转换的能源总量q1，其次q1可按照新建园区设计；
[0103]
统计园区能源需求总量、终端消费结构；
[0104]
统计园区内分布式能源和受入能源情况，包括分布式风电光伏、地热能、天然气、电能等。
[0105]
时序模型模块22，用于根据供需结构建立园区内电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及分布式电源时序模型，时序模型模块具体用于：
[0106]
a.建立园区内电负荷时序模型，具体包括：
[0107]
选取典型园区的典型电负荷(如空调、公共照明、电梯、应急电池等)，按照每分钟/点的采样频率，分别采集365天的数据，形成全年的典型设备的电负荷时序曲线ei；
[0108]
统计区域内参与综合能源系统设计的各典型电负荷设备的数量，将各典型设备的电负荷时序曲线进行叠加，形成全年园区内电负荷时序曲线e。
[0109]
曲线e上每个点ei的获得方法如下：
[0110]ei
＝∑k
iei
，其中ki为各典型电负荷设备的数量；
[0111]
b.建立区域内冷热负荷时序模型，具体包括：
[0112]
选取典型园区的典型热、冷负荷(如锅炉、热泵等)，按照每分钟/点的采样频率，分别采集365天的数据，形成全年的典型设备的热、冷负荷时序曲线hi；
[0113]
统计区域内参与综合能源系统设计的各典型热、冷负荷设备的数量，将各典型设备的热、冷负荷时序曲线进行叠加，形成全年园区内热、冷负荷时序曲线h；
[0114]
曲线h上每个点hi的获得方法如下：
[0115]hi
＝∑k
ihi
，其中ki为各典型热、冷负荷设备的数量；
[0116]
c.建立区域内分布式电源时序模块，具体包括：
[0117]
选取典型园区内参与综合能源系统建设的全部分布式电源(如屋顶光伏、风力发电机、燃气机组、生物质能等)，按照每分钟/点的采样频率，分别采集365天的数据，形成全年的典型分布式电源出力的时序曲线gi。
[0118]
供应方案模块23，用于基于影响因子权重、电负荷时序模型、冷热负荷时序模型以及分布式电源时序模型建立综合能源系统能量供应方案，供应方案模块具体用于：
[0119]
经济性是以综合能源系统全寿命周期内总成本为目标函数，总成本涉及综合能源设备初期费用(设备购置和安装)、维护费用、运行费用以及设备残值，运行费用主要是园区运行所购入能源费用，同时考虑可再生能源发电补贴收益，经济性目标函数为：
[0120][0121]
其中bi为第i种供储能源设备的初始投资费用；fi为第i种供储能设备每年的运行维护费用；y为整个系统的工程寿命/年；rvi为第i种供储能设备残值；n
p
为一年内第p类能源需求的天数；为第p类能源需求期的第j种能源在经济性准则下系统典型日运行成本，模型为
[0122][0123]
其中t为综合能源系统优化日调度总区间数，一般设为t＝24；h为每个调度区间的小时数，此时h＝1；c
t,j
为第j种能源在第t时刻的价格；为区域内第j种能源在第t时间间隔内的平均功率；cn为第n种可再生能源发电补贴价格；为第n种可再生能源在t时段的发电功率。
[0124]
b.以环保性为最优的供应方案确定
[0125]
环保性是以综合能源系全寿命周期内污染物排放量最低为目标函数。环保性目标函数为
[0126][0127]
其中为第p类能源需求期第j种能源在环保性准则下系统典型日运行环节成本，模型为：
[0128][0129]
其中为第j种能源的污染排放量
[0130]
c.得到最终的综合能源系统能量供应方案
[0131]
ω
α
·feco
ω
β
·fenv
[0132]
约束条件模块24，用于确定综合能源系统能量供应方案的约束条件，基于约束条
件求解所述综合能源系统能量供应方案的最优解，约束条件模块具体用于：确定初期投资成本约束：
[0133][0134]
其中，i
max
为最大初期投资成本；
[0135]
确定环节成本约束；
[0136]
e≤e
max
[0137]
其中。e为环境污染治理费用，e
max
为最大允许环境污染治理费用；
[0138]
确定最大负荷约束；
[0139][0140]
其中，l
dmax
为区域内设计电负荷，s为安全系数，p
jmax
为第j种供电设备的最大供电功率；
[0141][0142]
其中，l
hmax
为区域内设计热负荷，s为安全系数，q
jmax
为第j种制热设备的最大供热功率；
[0143][0144]
其中，l
cmax
为区域内设计冷负荷，s为安全系数，q
jmax
为第j种制冷设备的最大供冷功率；
[0145]
备用容量约束
[0146]
r≥r
min
[0147]
其中，r为系统备用容量，r
min
为系统最小备用容量，备用容量负荷包括冷、热、电负荷；
[0148]
可靠性约束
[0149][0150]
其中σ
lolp
为系统失负荷概率，为系统最大失负荷概率。
[0151]
装置实施例二
[0152]
本发明实施例提供一种考虑多能耦合转换的园区综合能源系统顶层设计装置，如图3所示，包括：存储器30、处理器32及存储在所述存储器30上并可在所述处理32上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器32执行时实现如方法实施例中所述的步骤。
[0153]
装置实施例三
[0154]
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传输的实现程序，所述程序被处理器32执行时实现如方法实施例中所述的步骤。
[0155]
本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：rom、ram、磁盘或光盘等。
[0156]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。