基于二部图理论的区域综合能源系统站-网规划.pdf

基于二部图理论的区域综合能源系统站网规划罗宪民，郭长星，姜林（东北电力大学，吉林吉林 ；国网松原供电公司，吉林松原 ；长春华信电力成套设备有限公司，长春 ；）摘要：针对现有区域综合能源系统站网规划研究中未充分考虑规划方案的合理性和供电可靠性的问题，提出了一种基于二部图理论的区域综合能源系统站网规划方法。首先，根据二部图理论建立了能源站选址定容管网布局联合规划模型，在满足能源站容量上下限约束以及重要电负荷供电可靠性的基础上，实现能源站和管网布局总投资最小；其次，考虑能源站内设备间多能互补特性，建立了设备容量配置规划模型；最后，通过 求解器与粒子群算法相结合的方式对规划模型进行求解，并以典型电热气区域综合能源系统为例，验证了所提模型的合理性。关键词：区域综合能源系统；二部图理论；站网规划；供电可靠性；多能互补特性中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；收稿日期：作者简介：罗宪民（），男，硕士研究生，研究方向为综合能源系统规划。引言近年来，为提高能源利用效率应对化石能源供应不足以及环境日益恶化的问题，合理规划多能互补的区域综合能源系统（，）成为当今研究的热点 。是由能源站、管网、负荷（用户）构成。其中，能源站是由能源产生、存储和转换设备构成，包括热电联产机组（，）、燃气轮机（，）、电锅炉（，）、电储能（，）、光伏（，）、燃气锅炉（，）、电转气技术（，）等。目前，已有研究中能源站网协同规划 较少，文献 在传统中位模型的基础上对站网进行规划。文献 基于混合潮流提出了考虑源荷互动的综合能源系统站网协同规划模型。文献 考虑了负荷特性建立协同规划模型。但上述文献中第 卷第期（总第 期）年月 吉林电力 （）站网规划方案不够经济，因此，本文基于二部图理论提出了 站网规划模型，并考虑了能源站的容 量 约 束，使 能 源 站 规 划 更 加 合 理。另 外，是以电力系统为核心的多能源耦合系统，电力系统运行的首要条件是满足供电可靠性要求，重要电负荷须满足不间断供电的要求。现有研究中负荷均为单端供电模式，单端供电模式仅有一个输入源，一旦线路或设备发生故障可能造成巨大的经济损失，因此，为保证综合能源系统中重要电负荷的供电可靠性，本文对重要电负荷采用双端供电模式。本文基于二部图理论建立了 站网规划模型。首先，基于二部图理论建立能源站选址定容管网布局联合规划模型，以规划总成本最小为目标，并考虑了能源站容量上下限约束和重要电负荷对于供电可靠性的要求；其次，基于能源站选址和管网布局联合规划结果并考虑设备间多能互补特性，建立了设备容量配置规划模型；最后，通过算例分析结果验证了本文所提模型的合理性、有效性。能源站选址定容管网布局联合规划模型 能源站选址定容管网布局联合规划是指同时进行能源站选址定容规划及管网布局规划。联合规划已知条件为待选能源站的位置、各负荷节点最大综合负荷（包括各负荷节点的电负荷、热负荷、气负荷）、已有的街道。根据 城市综合管廊工程技术规范，为避免多种能源管线建设时反复挖开地面，影响市容市貌及居民出行体验，综合能源系统中的管线通常采用综合管线，即电网、热网、气网的管线统一铺设在一个管廊内。负荷普遍存在管道共用现象，即管径由管道相连的负荷量决定，综合管线的管径主要由热负荷决定，得到供能方案后可求得管径。二部图理论二部图是图论模型中的一种（见图）。其定义为：对于一个无向图（，），顶点集合可分为两个子集和，并且子集和中的元素没有交集，为任何一条边的边集合，一个顶点在子集中，另一个顶点在子集中，则称为二部图。根据图论思想，待规划 中的候选能源站和负荷可用节点来表示，已有的街道构成边，由此形成的图记为。设中的负荷节点和候选能源站节点分别为集合和集合，道路节点看作中间节点。候选能源站节点的权值为能源站的容量，负荷节点的权值为负荷量，图中每条边均有对应的权重，即管线投资成本。站网规划需要在候选能源站节点集合中选择一个子集，并在所有道路集合中选择一个子集，然后确定供能关系，即规划出子集和中的元素最佳的连接关系，因此，可基于此建立改进联合规划模型。此外，考虑到重要电负荷对供电可靠性的要求，本文对重要电负荷采用双端供电模式。在此基础上，计算管线投资成本与能源站投资成本之和，并选取最经济的供能方案。图二部图模型 联合规划模型 目标函数本文将管线投资成本、能源站投资成本以及失负荷惩罚成本的和作为联合规划模型的目标函数，其表达式为：，（），（）（）式中：为能源站选址定容管网布局联合规划总成本；为负荷节点集合；为候选能源站节点集合；为重要电负荷节点集合，且；为单位容量、单位长度管道建设成本；为节点的综合负荷量，为负荷节点的电负荷需求量，为负荷节点的热负荷需求量，为负荷节点的气负荷需求量；为负荷节点与候选能源站节点之间的最短距离；为或变量，表示候选能源站节点是否为负荷节点供能，若是，否则；为电力线路单位长度投资成本；为或变量，表示候选能源站节点是否为重要电负荷节点供能，若是，则，否则；为能源站的初始投资费用，包括运行维护费用、占地费用、设备投资费用；为能源站的容量；，为能源站单位容量所需投资成本；为或变量，表示候选能源站是否被选中，若是，否则；为典型日数量，取；，为第个典型日失负荷；，为第个典型日罗宪民，等：基于二部图理论的区域综合能源系统站网规划在一个规划年中对应的时间，其中夏季 天，过渡季 天，冬季 天；为单位功率失负荷惩罚成本；为时间步长，本文取。约束条件）负荷需求约束：（）（）式中：为候选能源站节点数量。）能源站容量约束：，（）（）式中：为负荷节点数量；，为负荷节点的重要电负荷需求量；为能源站容量上限；为能源站容量下限。）供能关系约束：（）设备容量配置规划模型 目标函数完成能源站选址定容和管网布局规划后对能源站内设备进行规划，根据选址定容及管网布局结果，每个能源站连接的负荷节点已经确定，但能源站内设备类型及容量未定。设备容量规划的目标函数为最小总投资成本，可用公式（）（）表示：（）（）（），（）（）式中：为设备容量配置规划总成本；为设备投资成本；为设备类型集合；为能源站中设备的容量；为设备单位容量成本；为年运行成本，包括运行维护成本 和购能成本 ；，为时刻能源站中设备的运行功率；为能源站中设备单位功率运行维护成本；为能源在时刻的消耗量；为能源单位消耗量成本。约束条件 设备容量约束设备容量的约束公式为：（）（）式中：为或变量，表示能源站中设备是否被选中，若是，则，否则；为设备规划容量的上限；为待选设备类型数量。功率平衡约束）电功率平衡约束：，（）式中：，为时刻能源站所连负荷节点的电功率总和；，为时刻能源站中 可提供的电功率；，为时刻能源站中 可提供的电功率；，为时刻能源站中 的放电功率；，为时刻能源站中 的充电功率。）热功率平衡约束：，（）式中：，为时刻能源站所连负荷节点的热功率总和；，为时刻能源站中 可提供的热功率；，为时刻能源站中 可提供的热功率；，为时刻能源站中 可提供的热功率。）气功率平衡约束：，（）式中：，为时刻能源站所连负荷节点的气功率总和；，为时刻能源站中 可提供的气功率。）设备运行约束：，（）式中：，为时刻能源站中设备运行因子，取时表示设备运行，取时则表示不运行。）爬坡约束：，（）式中：，为时刻能源站中设备的运行功率；和 为 设 备的 爬 坡 率，在 数 值 上 ；为时间差。）约束：（）（）（）（）（）式中：和 分别为 充、放电功率；和 分别为充、放电因子，取时为充电状态，取时不充电，取时为放电状态，取时不放电；和 分别为充放电功率上限；（）为时刻第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月 的荷电状态；和 分别为荷电状态的上、下限。站网规划模型求解方法能源站选址定容管网布局联合规划问题是复杂的非线性混合整数规划问题，现有研究中多采用枚举法 对该类问题进行求解，即遍历所有可行解以寻求最优解，其优点是易于理解，能够遍历到所有可行解，但枚举法计算量大，求解时间长。因此本文采用 求解器与粒子群算法相结合的方式求解此问题。设备容量配置规划模型是典型的非线性混合整数规划问题，可将非线性约束线性化后直接用 求解器求解。算例分析 算例简介本文选取了某一典型电热气 为例验证所提出模型和算法的合理性。由于系统内各负荷和光伏出力均呈现较强的季节性，选取个规划年中的个典型季节进行算例分析，分别为过渡季（月至月，月至 月）、夏季（月至月）、冬季（月至月），由此构成个典型日场景。根据光照强度、温度计算得出个典型日下的光伏出力。各节点间的连接关系及供能路径见图，图中有个候选能源站节点、个负荷节点、个路网节点；表为负荷数据，表为候选能源站数据，表为管道数据，表为设备数据，表为设备爬坡率数据，表为分时电价数据。表负荷数据负荷节点编号最大综合负荷量负荷节点编号最大综合负荷量 图候选能源站及负荷节点连接关系及供能路径表候选能源站数据能源站标号单位容量成本（元）表管道数据管道型号经济管流量（）建设费用（元）管道厚度管道保温层厚度 表设备数据类别容量范围单位容量成本（元）使用寿命机组 罗宪民，等：基于二部图理论的区域综合能源系统站网规划表设备爬坡率数据类型爬坡率（）常规机组 燃气机组 机组 表分时电价时段电价（元）：，：，：规划结果分析 能源站选址定容管网布局联合规划结果分析在种场景下，分别基于不同的建模方法对能源站选址定容及管网布局规划进行算例分析，并对不同场景规划方案进行对比，见表。）场景：中位模型，能源站拟建设数量设为个。）场景：二部图规划模型不考虑容量约束以及供电可靠性。）场景：二部图规划模型考虑容量约束但不考虑供电可靠性。）场景：二部图规划模型。）场景：中位模型，同时考虑能源站的容量约束和重要电负荷的供电可靠性约束。表不同场景规划方案对比参考项目场景场景场景场景场景总成本（元）是否考虑容量上限否否是是是是否考虑最小出力要求否否是是是是否考虑供电可靠性否否否是是失负荷惩罚成本（元）从表可以看出，场景相比场景更佳经济，场景、场景由于规划约束的增加，使得规划成本有所增加，场景较场景成本增加。各场景的能源站容量规划结果见图。从图可以看出：场景规划的能源站 超过其应有的容量上限，能源站、超过其应有的容量下限，不符合实际；场景规划的能源站 没有满足容量下限要求。场景、场景规划的能源站均符合实际。在能源站网规划中考虑容量约束具有一定的必要性，虽然场景规划成本有所增加，但规划方案更加合理、更加符合实际。场景能源站规划容量均符合实际，与场景相比，场景的规划总成本高，由此验证了本文所提基于二部图理论建立的模型相较于中位模型具有更好的经济性。图各场景的能源站容量规划结果综上所述，考虑能源站容量上下限约束、重要电负荷的供电可靠性约束时，本文模型总成本相较于中位模型降低了 ，其规划方案更加合理、供电可靠性更高、失负荷概率更低。系统中节点和节点 中的电负荷为重要电负荷，选择的另一个输入源分别是能源站、，虽然增加了能源站投第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月资成本，但是减少了重要负荷断电造成的政治经济损失，规划方案更加合理可靠。本文所提方法求解的能源站节点与负荷节点间的供能路径（即综合负荷供能方案）见图，能源站规划结果信息见表。结合表及供能路径可确定该区域能源站最终选择的位置、容量以及管网布局。表能源站规划结果能源站标号所连负荷节点，设备容量配置规划结果分析在满足各负荷节点需求的基础上，实现最优的设备容量配置，对以下种场景设备容量配置规划结果进行分析：）场景：不考虑 ，仅考虑燃气机组、，不考虑爬坡约束；）场景：考虑 ，考虑爬坡约束。场景的规划成本为 元；场景的规划成本为 元。可以看出：相比场景，加入 的场景的规划方案经济性更好。场景各能源站内设备配置见表。表场景各能源站内设备容量配置能源站标号 容量 容量 容量 容量 容量 下面以冬季典型日能源站 中设备实时出力为例进行分析，场景设备出力见图。由于冬季热负荷较大，和 出力均处于较高的水平，而 出力受到光照、温度等因素的影响出力较少，只在：时段向系统提供电能。此外，由于场景未考虑设备爬坡约束，出力波动较大，从而导致在实际中 出力不能满足负荷需求。场景设备实时出力见图。场景因为考虑图场景能源站 中设备实时出力了设备爬坡率约束，燃气机组出力须满足该设备的爬坡约束要求，相比场景，场景下的燃气机组出力波动幅度有所降低，能够满足实际要求。此外，在：时进行充电，：时 进行放电，由于光照强度很小时 出力较小，此时可通过 放电来满足电负荷需求，白天通过 出力可以促进可再生能源消纳，、和燃气机组的配合使系统运行更加灵活，更能保障负荷的供电可靠性。综上，通过多能互补设备的规划，能够更加合理地分配资源，促进可再生能源消纳。图场景能源站 中设备实时出力结论本文基于二部图理论提出了 能源站网规划模型，算例结果表明，本文所提方法能够实现能源站选址定容管网布局联合规划以及设备容量配置规划，得出以下主要结论。）本文基于二部图理论提出的 站网规划模型实现了能源站选址定容和管网布局的协同规划，其中，能源站的规划均能够满足容量上下限约束，更符合实际，规划方案更加合理，且总成本相较于中位模型降低了 ，提升了系统的经济性，通过双端供电降低了失负荷惩罚成本，使系统的罗宪民，等：基于二部图理论的区域综合能源系统站网规划供电可靠性有所提高。）计及设备的多能互补特性降低了能源站内设备的总投资成本，促进了可再生能源的消纳，通过考虑爬坡约束能够有效降低燃气机组的出力波动，使设备出力和容量配置更加合理，多能设备出力配合使系统运行更加灵活高效。综上所述，本文基于二部图理论建立的 站网规划模型具有更好的经济性和可靠性。参考文献：贾宏杰，王丹，徐宪东，等区域综合能源系统若干问题研究电力系统自动化，（）：，（）：，：，（）：徐成司，董树锋，吴金城，等考虑区域综合能源系统拓扑特性的能源 站 和 管 线 规 划 电 力 系 统 自 动 化，（）：陈娟，黄元生，鲁斌区域能源互联网“站网”布局优化研究中国电机工程学报，（）：易文飞，俞永增，张艺伟，等基于 中位模型的区域综合能源系统能 源 站 优 化 规 划 电 力 系 统 自 动 化，（）：黄伟，刘文彬基于多能互补的园区综合能源站网协同优化规划电力系统自动化，（）：黄伟，柳思岐，叶波考虑源荷互动的园区综合能源系统站网协同优化电力系统自动化，（）：刘洪，郑楠，葛少云，等考虑负荷特性互补的综合能源系统站网协同规划中国电机工程学报，（）：姚志力，王志新考虑负荷特性的区域冷热电联供系统站网协同优化设 计 方 法 电 工 技 术 学 报，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部城市综合管廊工程技术规范：北京：中国计划出版社，李世武，苏莫明热水管网布置的优化设计方法煤气与热力，（）：櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗 写作知识非公知公用的缩略语须给出中文及英文全称本专业或相邻专业科技人员公知公用的缩略语可用于题名或文章中，例如：（，脱氧核糖核酸），（，激光），（，地理信息系统）；其他非公知公用的缩略语首次出现时须给出中文及英文全称，例如，（，旁路控制系统），（，协调控制系统），（，分散控制系统），文章以后再次出现该词时可用英文缩略语代替中文全称，并且尽量使用 年全国科学技术名词审定委员会公布的 电力名词 或 现代汉语词典（第版）的标准电力行业专业词语，同一术语若有多种称谓（如电势电位，反应速度反应速率），全文应予统一。（本刊编辑部）第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月