劉敦楠，張婷婷，李華，齊彩娟，馬艷霞，張瑋琪，許小峰

面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型

劉敦楠1，張婷婷1，李華1，齊彩娟2，馬艷霞2，張瑋琪2，許小峰1

（1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，寧夏回族自治區(qū) 銀川市 750001）

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)一個重要方面便是實(shí)現(xiàn)更多終端小微設(shè)備的接入，使得數(shù)據(jù)的獲取更加海量和多元化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流和能量流的深度融合，而綜合能源系統(tǒng)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)價值的重要實(shí)現(xiàn)形式。綜合能源系統(tǒng)在其規(guī)劃運(yùn)行中涉及多種能源類型和海量數(shù)據(jù)，是一項(xiàng)復(fù)雜工程，因此面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃思考，提出綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和區(qū)域差異性原則，建立了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的基本模型，以及系統(tǒng)綜合效益評價指標(biāo)體系，并對系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行的數(shù)據(jù)需求進(jìn)行了分析，提出一套完整的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃思路方法。研究成果為我國綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)施提供理論依據(jù)。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(UPIoT)；綜合能源系統(tǒng)(IES)；綜合效益；規(guī)劃；模型

0 引言

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，滿足人民美好生活用能需要。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是基于互聯(lián)網(wǎng)思維，運(yùn)用新一代信息技術(shù)，將電力發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)相關(guān)設(shè)備泛在接入，實(shí)現(xiàn)信息的廣泛交互和充分共享[1-2]。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)通過對多能流進(jìn)行多級利用和整體調(diào)度，能夠有效提升可再生能源消納率，提高綜合能源利用水平。通過建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備廣泛接入，推動電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級，并最終進(jìn)一步推動綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展[3]。

長久以來，化石能源隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而被過度開采利用，伴隨而來的是資源緊張、環(huán)境破壞等一系列全球性問題，許多國家開始意識到，單一依賴少量的能源種類不僅不利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，而且會對國家能源安全帶來威脅，因此逐漸開始向多種能源并重、相互補(bǔ)充的能源系統(tǒng)過渡。各國從政策層面對綜合能源系統(tǒng)發(fā)展與利用、綜合能源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)節(jié)以及帶動產(chǎn)業(yè)聯(lián)動發(fā)展給予了高度關(guān)注和支持。美國是最早開展區(qū)域綜合能源系統(tǒng)研究的發(fā)達(dá)國家之一[4]，并通過國會立法要求新建和改造的用戶側(cè)供能項(xiàng)目提交綜合能源規(guī)劃，否則不予實(shí)施。歐盟最早提出綜合能源系統(tǒng)的概念并將其付諸實(shí)踐，其制定的政策都體現(xiàn)出對綜合能源項(xiàng)目的重點(diǎn)關(guān)注與資金支持[5]。加拿大政府通過立法，將綜合能源系統(tǒng)建設(shè)搭載于智能社區(qū)建設(shè)，并在全國范圍內(nèi)推廣，實(shí)現(xiàn)全民低碳、綠色的生活用能；澳大利亞政府通過宏觀政策引導(dǎo)市場資本投資方向，高效率地實(shí)現(xiàn)社區(qū)能源系統(tǒng)不斷進(jìn)行優(yōu)化升級，促進(jìn)可再生能源大范圍安全消納；日本、韓國等政府積極引導(dǎo)居民自發(fā)構(gòu)建可再生能源綜合利用項(xiàng)目，推廣智慧能源社區(qū)[6]。2016年7月4日，國家發(fā)展改革委、國家能源局《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》明確提出，通過建設(shè)終端一體化集成功能系統(tǒng)與風(fēng)光水火儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)[7]，提高綜合能源系統(tǒng)綜合效率。

綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和評價是綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。文獻(xiàn)[8]對綜合能源系統(tǒng)中電-氣-冷-熱等多種能源的靜/動態(tài)耦合和相互約束關(guān)系進(jìn)行了描述。文獻(xiàn)[9]將模糊集理論用于算法設(shè)計來處理熱電聯(lián)供系統(tǒng)的不確定性，并提供了一種優(yōu)化聯(lián)供設(shè)備與燃?xì)忮仩t容量配置的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10-11]對各種供能單元和儲能單元的容量配置以及轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]將電動汽車作為綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃主體，建立了包含電動汽車充電系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)同規(guī)劃模型。在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略下，學(xué)者們在綜合能源規(guī)劃與評估方面也進(jìn)行了研究與探索。文獻(xiàn)[13]以初始投資與功率波動最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了一種優(yōu)化系統(tǒng)配置的數(shù)學(xué)模型，并基于風(fēng)光儲多能系統(tǒng)場景進(jìn)行分析驗(yàn)證。文獻(xiàn)[14]利用潮流分析法對包含水–天然氣–電的綜合能源系統(tǒng)中各元素最優(yōu)配置比例進(jìn)行了研究。

綜上所述，雖然國內(nèi)外在綜合能源系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量的研究，但關(guān)于綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和評估并沒有形成過完善配套的理論思路。為此，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，提出當(dāng)前階段面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的綜合能源規(guī)劃基本模型理論與評價指標(biāo)體系，包括綜合能源系統(tǒng)從設(shè)計規(guī)劃原則、方法至運(yùn)行評價所需考慮的影響因素及基本數(shù)學(xué)模型，能夠提供一套綜合能源規(guī)劃思路方法。

1 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃原則

1）可靠性。

保障能源的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)是人們對能源系統(tǒng)最基本要求。人們對能源供給可靠性要求隨著生活水平的提升而逐漸提高，綜合能源系統(tǒng)會涉及到風(fēng)、光、氣、冷、熱、電等不同能源形式[15]，電、氣、熱、冷等多種負(fù)荷在物理上直接與綜合能源系統(tǒng)相連接，系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備種類更加多樣，相較于單一能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[16]，因此確保綜合能源系統(tǒng)達(dá)到可靠性標(biāo)準(zhǔn)十分重要。

2）經(jīng)濟(jì)性。

光伏和風(fēng)電出力不確定性與波動性強(qiáng)，水電出力呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)性等特性，使得綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行面臨極大的復(fù)雜性與不確定性?？稍偕茉磁c火電的互補(bǔ)效果在不同時期會存在明顯的差異性，如果系統(tǒng)容量配置較小，則系統(tǒng)的可控性弱，出力互補(bǔ)效果難以保證；而擴(kuò)大容量配置將會抬高投資成本，影響系統(tǒng)整體收益率。因此應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性與能源效率之間的平衡，在系統(tǒng)充分可控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性[17]。

3）區(qū)域差異性。

綜合能源這一能源開發(fā)利用模式具有較為明顯的區(qū)域差異性，是基于對所在地區(qū)的資源稟賦情況與負(fù)荷特性進(jìn)行深入研究之后，充分利用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢資源，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計最優(yōu)綜合能源系統(tǒng)建設(shè)方案，通過不同能源的多種組合方式，達(dá)到滿足區(qū)域內(nèi)服務(wù)對象的能源需求，并能夠在極大程度上減少能源消耗與污染物排放[18]。

2 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃基本模型

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)表征模型

考慮可再生能源的高比例接入，本文對包含風(fēng)、光、火電的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，建立各元素出力及成本模型。

2.1.1 發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型

1）風(fēng)電數(shù)學(xué)模型。

風(fēng)速直接決定風(fēng)電機(jī)組的出力，機(jī)組輸出功率WT與風(fēng)速之間關(guān)系為：

式中：in、n、out分別為出力下限風(fēng)速、額定風(fēng)速、出力上限風(fēng)速；T為風(fēng)電機(jī)組的額定功率；WT、WT、WT通過擬合風(fēng)速–功率曲線得到。

2）光伏數(shù)學(xué)模型。

其中：

式中：STC、STC和STC分別為既定標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的輸出功率、光強(qiáng)和溫度，其中STC一般可取1kW/m2，STC一般可取25℃；為測量時間內(nèi)實(shí)際的光照強(qiáng)度；為功率溫度系數(shù)；為太陽能板的表面溫度；G(?)為Gamma函數(shù)；max為該時間段內(nèi)的最大光照強(qiáng)度；參數(shù)、與所測時間段內(nèi)的光照強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。

2.1.2 成本模型

1）風(fēng)電機(jī)組成本。

風(fēng)電機(jī)組在綜合能源系統(tǒng)中的總運(yùn)行成本包括單位運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和折舊。折舊是根據(jù)機(jī)組設(shè)備使用年限與各部分運(yùn)行時間占比，將設(shè)備成本分?jǐn)偟絾挝还β手腥?。風(fēng)電的發(fā)電總成本為

2）光伏機(jī)組成本。

光伏發(fā)電在發(fā)電過程中無燃料消耗，只需考慮在系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的運(yùn)維費(fèi)用和設(shè)備折舊費(fèi)用。光伏機(jī)組成本可表示為

式中：PV為光伏在測量時間段D內(nèi)的運(yùn)行總成本；PV_op為機(jī)組的單位運(yùn)維費(fèi)用；PV_de為折算到單位功率的設(shè)備折舊；PV為光伏補(bǔ)貼。

3）火電機(jī)組出力成本。

2.2 綜合能源系統(tǒng)配置規(guī)劃模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文基于風(fēng)力、光照歷史數(shù)據(jù)根據(jù)中長期冷熱電負(fù)荷預(yù)測曲線，目標(biāo)是使系統(tǒng)運(yùn)行總成本最低的同時可再生能源消納量最大。

式中：sys為綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)一天的總運(yùn)行成本；renew為可再生能源吸納量。

2.2.2 約束條件

為了使得函數(shù)目標(biāo)能夠完成，還需要滿足以下約束條件：

1）火電機(jī)組出力約束。

2）機(jī)組爬坡約束。

式中：houi和houi分別是火電機(jī)組的爬坡速率與降坡速率。

3）功率平衡約束。

假設(shè)基于本地負(fù)荷簽訂的中長期合同的分解量，合理設(shè)置系統(tǒng)容量配置，使綜合能源系統(tǒng)能以最低成本滿足中長期合同電量。對于這一約束條件，也就是要求單位時間之內(nèi)綜合能源系統(tǒng)出力不小于中長期合同分解負(fù)荷需求load：

4）供電可靠性約束。

供電可靠性約束指綜合能源系統(tǒng)在運(yùn)行中要保證其穩(wěn)定性與可靠性達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，參考相關(guān)文獻(xiàn)與數(shù)據(jù)，需要將系統(tǒng)安全運(yùn)行可靠性控制在98%以上，其公式為

式中：run為在測量時間段D內(nèi)系統(tǒng)正常運(yùn)行的時間。

3 綜合能源系統(tǒng)綜合效益評價

3.1 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

隨著綜合能源系統(tǒng)推進(jìn)，評估其綜合效益已經(jīng)成為一項(xiàng)必須的工作，而建立綜合能源評價指標(biāo)體系是開展評估的重要依據(jù)。結(jié)合綜合能源系統(tǒng)的概念與典型特征，從系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營等多個環(huán)節(jié)，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會3個角度，建立了一個多因子指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 綜合能源系統(tǒng)綜合效益評價指標(biāo)體系

1）單位能耗利用指標(biāo)。

能源利用效率是節(jié)能減排重要評價指標(biāo)之一，反映能源消耗水平，可以從社會角度反映綜合能源的利用效率。

能源強(qiáng)度計算公式為：

電力強(qiáng)度表示單位產(chǎn)值所消耗的電能，研究表明，電力使用效率是電力強(qiáng)度變化的主要影響因子，其計算公式為

2）萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗降低率指標(biāo)。

萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗降低率是目前節(jié)能降耗考核的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，計算公式為：

3.2 社會效益指標(biāo)

1）人均綜合能耗。

人均綜合能耗反映一個地區(qū)能源消費(fèi)水平，它可以反映一個地區(qū)能效管理水平，將該指標(biāo)用于綜合能源系統(tǒng)可以使能效管理更加精細(xì)化。計算公式如下：

2）非化石能源消費(fèi)占比。

非化石能源主要包括新能源以及可循環(huán)使用的能源，通過節(jié)能提效與電能替代可以有效提高該指標(biāo)，其計算公式為

3.3 環(huán)境效益指標(biāo)

3.3.1 污染物減排評價指標(biāo)

1）溫室氣體排放量。

核算范圍中的溫室氣體主要包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫。本文引入二氧化碳當(dāng)量來統(tǒng)一度量各類氣體產(chǎn)生的溫室效應(yīng)增強(qiáng)程度。

2）單位地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量。

3）單位地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量降 低率。

3.3.2 主要污染物排放指標(biāo)

1）單位地區(qū)生產(chǎn)總值化學(xué)需氧量排放量。該指標(biāo)指化學(xué)需氧量排放總量與地區(qū)生產(chǎn)總值之比，即

2）單位地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化硫排放量。

3）單位地區(qū)生產(chǎn)總值可吸入顆粒物(PM10)排放量。

4）單位地區(qū)生產(chǎn)總值氮氧化物排放量。

4 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行數(shù)據(jù)需求分析

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的主要內(nèi)容之一是推動感知層的建設(shè)，其主要價值是可以實(shí)現(xiàn)更多終端設(shè)備乃至元件的接入，不僅僅是電力系統(tǒng)設(shè)備元件，而是集合了包括電、冷、熱、氣等各類能源子系統(tǒng)的終端設(shè)備，末端信息采集后由數(shù)據(jù)層進(jìn)行歸集處理和管理，實(shí)現(xiàn)能源流與信息流融合，從而打破能源壁壘，其部署建設(shè)將推動電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級，推動綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展，可以說泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的延伸也落腳于綜合能源系統(tǒng)。

同時，綜合能源系統(tǒng)的合理規(guī)劃與高效運(yùn)行不僅僅對能源數(shù)據(jù)有較高的要求，還在氣象、社會經(jīng)濟(jì)等方面提出了數(shù)據(jù)需求。為支撐上文構(gòu) 建的綜合能源系統(tǒng)初步建設(shè)規(guī)劃，梳理了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行數(shù)據(jù)需求，如表2所示。

表2 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行數(shù)據(jù)需求

由表2可知，綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃運(yùn)行所需數(shù)據(jù)種類多樣、涵蓋范圍廣，涉及能源行業(yè)、氣象、能源營銷服務(wù)等數(shù)據(jù)，但當(dāng)前尚處于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)部署初期，智能檢測滲透率不高，難以獲得理想數(shù)據(jù)，給本文模型實(shí)例驗(yàn)證帶來困難。進(jìn)一步的研究則需要獲取足量的完整數(shù)據(jù)，基于對用戶實(shí)行用戶畫像，進(jìn)行聚類分析的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲一體化互動；另一方面，不同能源行業(yè)之間要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享，破除數(shù)據(jù)壁壘才能實(shí)現(xiàn)橫向多能互動，達(dá)到能源綜合利用效果，支撐綜合能源系統(tǒng)的初步規(guī)劃與運(yùn)行。

5 結(jié)論

面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃思考，從綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃需要遵守的原則、系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計時的基本模型方法，到綜合能源系統(tǒng)綜合效益評價體系，提出了一套完整的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃思路方法，旨在為我國綜合能源系統(tǒng)建設(shè)落地提供理論支撐。但在研究中假設(shè)系統(tǒng)沒有外部能源進(jìn)入，且僅僅是基于可預(yù)測負(fù)荷分解，尚未考慮用戶側(cè)對多種能源需求，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對客戶進(jìn)行聚類分析，從而針對用戶分類對能源的綜合需求反饋來影響綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計，對系統(tǒng)內(nèi)部組件容量配置比例進(jìn)行規(guī)劃，并提出一套綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的模型，下一步需要基于開放的能源系統(tǒng)豐富能源供應(yīng)來源，完善系統(tǒng)規(guī)劃模型，并基于所提出的數(shù)據(jù)需求獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對模型的驗(yàn)證。

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Integrated Energy System Planning Model for Ubiquitous Power Internet of Things

LIU Dunnan1, ZHANG Tingting1, LI Hua1, QI Caijuan2, MA Yanxia2, ZHANG Weiqi2, XU Xiaofeng1

(1.School of Economics and Management, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2.Economic and Technological Research Institute,State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd., Yinchuan 750001, Ningxia Hui Autonomous Region, China )

One important aspect of ubiquitous power internet of things (UPIoT) construction is to realize the access of more terminal small and micro devices, make the data acquisition more massive and diversified, and realize the deep integration of data flow and energy flow, while the integrated energy system (IES) is an important value realization form of UPIoT. The IES planning for the UPIoT was studied, from the principles to be followed in the IES planning, the basic model method in the system planning and design, to the comprehensive benefit evaluation system of IES, and a complete set of IES planning system methods was put forward, aiming to provide theoretical support for the construction and implementation of the IES in China

ubiquitous power internet of things (UPIoT); integrated energy system (IES); comprehensive benefit evaluation; planning; model

10.12096/j.2096-4528.pgt.19158

TM 715

2019-10-30。

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(B18021)。

Project Supported by Overseas Expertise Introduction Project for Discipline Innovation (B18021).

劉敦楠(1979)，男，博士后，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌觥⒛茉椿ヂ?lián)網(wǎng)，liudunnan@163.com；

劉敦楠

張婷婷(1997)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)，本文通信作者， ztt18810113851@126.com。

張婷婷

(責(zé)任編輯 辛培裕)