李家熙，王 丹，2，賈宏杰，2

（1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072；2. 天津市智慧能源與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072）

0 引言

為解決日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，中國(guó)提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)［1］。能源領(lǐng)域作為碳排放的重點(diǎn)，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、構(gòu)建清潔高效可持續(xù)的能源系統(tǒng)勢(shì)在必行［2］。 綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）在滿足多樣化負(fù)荷供能的同時(shí)，通過多能互補(bǔ)降低損失、提高能效，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的［3-4］。因此，建設(shè)高效、高品質(zhì)的IES 是解決當(dāng)前環(huán)境污染和資源短缺問題的重要舉措。

目前，相關(guān)研究大多基于能量層面建立IES 模型。文獻(xiàn)［5］提出了氣路、水路、熱路模型，建立了統(tǒng)一能路理論，站在能量的角度研究了電-氣-熱互聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)［6］通過能量平衡對(duì)IES 建模，針對(duì)容量規(guī)劃與運(yùn)行耦合問題，提出了一種兩階段優(yōu)化方法；文獻(xiàn)［7］提出了基于Lyapunov 優(yōu)化的IES 事件觸發(fā)在線能流控制策略。上述研究均以系統(tǒng)能量作為研究重點(diǎn)，基于能源集線器模型分析不同能源系統(tǒng)之間的能量交互。

典型IES 通常涉及電力、天然氣、熱力等網(wǎng)絡(luò)化能源系統(tǒng)，傳統(tǒng)能流研究主要關(guān)注能量的“數(shù)量”，而未考慮不同能量的“質(zhì)”的差異，如一般認(rèn)為電能能源品質(zhì)高于熱能。?作為衡量能源品質(zhì)的物理量，兼顧了能量的“量”和“質(zhì)”，被引入能源系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)［8-10］分別研究了雙氣頭多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、地?zé)岚l(fā)電廠和并網(wǎng)水下壓縮空氣儲(chǔ)能能源轉(zhuǎn)換過程中?的變化情況。上述文獻(xiàn)關(guān)于?的研究大多集中在發(fā)電、產(chǎn)熱等具體能源轉(zhuǎn)換過程中?的變化。也有部分研究將IES 視為黑箱模型，以?效率作為評(píng)價(jià)IES 發(fā)展建設(shè)的指標(biāo)。文獻(xiàn)［11-12］將?效率作為目標(biāo)函數(shù)分別引入IES 的規(guī)劃和優(yōu)化調(diào)度研究；文獻(xiàn)［13］基于?效率提出了計(jì)及能源品位的IES 綜合能效評(píng)估方法。在上述文獻(xiàn)中，無論是具體的?變化分析還是?效率研究，均未考慮IES 的網(wǎng)絡(luò)屬性。文獻(xiàn)［14］基于能量公理建立了?在能源網(wǎng)絡(luò)中的管線傳遞分析理論，但并未關(guān)注?在能源網(wǎng)絡(luò)中的分布，即“流”的特性。目前，有部分學(xué)者嘗試將能量、碳排放、信息等變量與IES 的網(wǎng)絡(luò)屬性相結(jié)合，建立能流［15］、碳流［16］、信息流［17］等模型。因此，具有網(wǎng)絡(luò)化特征的IES 同樣需要一種基于“流”的能源品質(zhì)分析理論。

本文將?分析方法應(yīng)用于電力-天然氣-熱力耦合能源系統(tǒng)，提出了IES ?流理論，建立了熱力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、能源站的?流機(jī)理模型，分析了能源系統(tǒng)局部和整體的?平衡關(guān)系和能源品質(zhì)特征。同時(shí)，通過算例驗(yàn)證了?流機(jī)理模型相比于傳統(tǒng)黑箱模型更具優(yōu)越性，并探討了?流模型在系統(tǒng)能源供應(yīng)品質(zhì)提升研究中的優(yōu)勢(shì)。

1 IES ?流的概念和研究范疇

從類比角度出發(fā)，碳流是將碳排放和網(wǎng)絡(luò)屬性相結(jié)合形成的網(wǎng)絡(luò)流，碳排放一般在源端或荷端產(chǎn)生，而在實(shí)際能源網(wǎng)絡(luò)中并不存在真正的碳流動(dòng)，故在碳流理論中，碳流被視為虛擬流［18］。不同于碳流，雖然各能源網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕橘|(zhì)不同，但各種介質(zhì)都承載著負(fù)荷所需能量，該部分能量包含?，即有效能，因此，?在各能源網(wǎng)絡(luò)中作為能量的一部分真實(shí)存在。?是指在周圍環(huán)境條件下理論上能轉(zhuǎn)換為其他形式能量的那部分能量，兼顧了能量的“量”和“質(zhì)”，充分反映了能量的價(jià)值［19-21］。?本身是能量的一部分，因此，在IES 多能流的基礎(chǔ)上建立?流模型是切實(shí)可行的。

本文所討論的典型IES 包括：電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)以及能源站等［22］，供冷系統(tǒng)的?分析方法和熱力系統(tǒng)類似。IES 涉及的能量形式眾多，包括電力系統(tǒng)中的電能、天然氣系統(tǒng)中氣體的靜壓能等。本文重點(diǎn)研究電力系統(tǒng)中的電能?、天然氣系統(tǒng)中的燃料?，以及熱力系統(tǒng)中的熱量?等能量?；而對(duì)于IES 中某一能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)具體的?變化過程、不具有網(wǎng)絡(luò)屬性的?、水和天然氣的壓力?等不被用戶消耗的能量?，本文不予考慮。

目前，IES 多能流研究主要通過已知源注入功率、多能負(fù)荷需求量來求解多能潮流，負(fù)荷所需能量的分析在IES 能流研究中至關(guān)重要。本文重點(diǎn)關(guān)注負(fù)荷、多能耦合環(huán)節(jié)消耗的能量?在能源網(wǎng)絡(luò)中的分布，文中將其稱為?流。此外，IES 多能流研究通?？紤]某一運(yùn)行場(chǎng)景（時(shí)間斷面）下的能量分布，采用功率流表征穩(wěn)態(tài)能流分布。與多能流研究類似，本文建立的?流模型同樣考慮穩(wěn)態(tài)條件，?流與功率流具有相同的量綱［23］，反映系統(tǒng)能源品質(zhì)特征。

2 IES ?流機(jī)理模型

IES 中電力、天然氣、熱力系統(tǒng)涉及的能源形式不同，其中電力、天然氣系統(tǒng)分別傳輸電能和天然氣，熱力系統(tǒng)以水（蒸汽）為介質(zhì)將熱量從熱源傳遞至用戶，能源站為系統(tǒng)多能耦合環(huán)節(jié)。因此，有必要分析建立各個(gè)系統(tǒng)相應(yīng)的?流機(jī)理模型，以獲取整個(gè)IES 的?流分布和?損情況。其中，熱力系統(tǒng)傳遞熱量?的計(jì)算較為復(fù)雜，本章首先分析熱力系統(tǒng)的?流機(jī)理，并將其規(guī)律拓展到其他能源網(wǎng)絡(luò)。

2.1 熱力系統(tǒng)?流機(jī)理模型

熱力系統(tǒng)一般以水為介質(zhì)，由源端向荷端供應(yīng)熱能，系統(tǒng)主要包括供水網(wǎng)絡(luò)和回水網(wǎng)絡(luò)，常見的拓?fù)湫问綖檩椛錉詈铜h(huán)狀?；跓崃ο到y(tǒng)熱流研究［24］，本文重點(diǎn)關(guān)注水承載熱流中的?，不考慮壓力?等不被負(fù)荷消耗的?。

2.1.1 水傳遞熱量?計(jì)算方法

穩(wěn)態(tài)條件下，一定質(zhì)量的水溫度從T2變?yōu)門1吸收（T1變?yōu)門2釋放）的熱量ΔQh可表示為［24］：

式中：cp為水的比熱容（單位J/（kg?K））；mh為水的質(zhì)量流率（單位kg/s）。

由式（1）可知，水溫度從T2變?yōu)門1吸收（T1變?yōu)門2釋放）的熱量?Δeh可表示為［25］：

式中：Ta為環(huán)境溫度；T和Qh分別為變化過程中的水溫和傳遞熱量。

首先，分析熱力系統(tǒng)元件中水傳遞的熱量?，主要涉及元件包括：供水管道、回水管道、熱源和負(fù)荷?？紤]兩端水溫分別為T1和T2的熱力管道，管道中的水向外界釋放的熱量?可由式（2）表示。熱源和負(fù)荷處水吸收和放出的熱量?，同樣可由式（2）得到。

式中：Δeh，S為網(wǎng)絡(luò)中的水在熱源處吸收的熱量?；Δeh，L為負(fù)荷處水通過換熱器向用戶釋放的熱量?；Ts，S和Tr，S分別為熱源的供水和回水溫度；Ts，L和To，L分別為負(fù)荷的供水和出口溫度；mh，S和mh，L分別為流經(jīng)熱源和負(fù)荷的水質(zhì)量流率。

2.1.2 熱力系統(tǒng)?勢(shì)的概念

由式（2）和式（3）可知，元件傳遞熱量?與環(huán)境溫度、元件兩端溫度、水流率、比熱容有關(guān)?；?流理論描述熱力系統(tǒng)中的熱量?，本文定義與元件水溫、環(huán)境溫度有關(guān)的變量p*T用于描述元件水溫和環(huán)境溫度之間的差異性。

在電學(xué)理論中，電場(chǎng)電勢(shì)差為單位正電荷從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)所做的功［26］。由式（2）類比可知，元件兩端水溫對(duì)應(yīng)的p與p之差可表示為單位質(zhì)量水從溫度T1變?yōu)門2傳遞的熱量?。

類比電勢(shì)差的概念［26］，式（5）將不同水溫對(duì)應(yīng)的之差-定義為?勢(shì)差。

進(jìn)一步，考慮到電路理論中電勢(shì)（電位）定義與電勢(shì)差密切相關(guān)，如圖1（a）所示，節(jié)點(diǎn)電勢(shì)為該點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電勢(shì)差（電壓），參考點(diǎn)可取電路中的任何一點(diǎn)，一般選大地為零電勢(shì)點(diǎn)。在熱力學(xué)中，環(huán)境狀態(tài)常被視為?的基準(zhǔn)狀態(tài)，如圖1（b）所示，基于?流理論，類比于電路中的零電勢(shì)點(diǎn)［26］，選取環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的為參考點(diǎn)，定義熱力系統(tǒng)的零?勢(shì)點(diǎn)。

圖1 零?勢(shì)點(diǎn)和零電勢(shì)點(diǎn)類比圖Fig.1 Analogy diagram of zero exergy-potential point and zero potential point

熱力系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的?勢(shì)差，定義為溫度T對(duì)應(yīng)的?勢(shì)pT（單位J/kg），如下式所示：

將T=Ta代入式（6），可得到環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的?勢(shì)pTa為零，即熱力系統(tǒng)參考點(diǎn)的?勢(shì)為零。

2.1.3 熱力系統(tǒng)?流的定義

根據(jù)規(guī)劃，2011—2020年，湖南省水利建設(shè)市場(chǎng)主要分布在防洪、治澇、供水、灌溉、水力發(fā)電、水資源保護(hù)、水生態(tài)與環(huán)境治理和保護(hù)、水土保持、航運(yùn)、水利血防、河道治理及岸線開發(fā)利用等11個(gè)領(lǐng)域。

由熱力學(xué)第二定律可知，環(huán)境具有的能量都是?［19］，因此，在環(huán)境溫度下水承載熱流中的?為零。定義熱力系統(tǒng)中某一位置熱流中的?為：水從環(huán)境溫度加熱到當(dāng)前溫度T吸收的熱量?，該部分?隨水在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)，本文將其稱為熱力系統(tǒng)的?流。

電力系統(tǒng)潮流常以線路首末端功率描述支路潮流，基于?流理論，本文采用元件首端?流描述元件?流，根據(jù)首端?流和元件傳遞的熱量?可得到末端?流。如圖2 所示，熱力系統(tǒng)中元件的首端和末端通過各種節(jié)點(diǎn)相連，這些節(jié)點(diǎn)主要包括：熱源供水節(jié)點(diǎn)、熱源回水節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷供水節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷出口節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷回水節(jié)點(diǎn)、供水網(wǎng)絡(luò)和回水網(wǎng)絡(luò)的連接節(jié)點(diǎn)等。

圖2 簡(jiǎn)單熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和?流示意圖Fig.2 Schematic diagram of nodes and exergy flow of a simple heat system

元件?流與所連節(jié)點(diǎn)的?勢(shì)有關(guān)，節(jié)點(diǎn)附近?流即為周圍直接相連的元件?流。由式（2）可知，節(jié)點(diǎn)附近的水由環(huán)境溫度Ta加熱到溫度T時(shí)，吸收的熱量?可表示為：

基于?流理論，熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)附近?流可由式（7）計(jì)算。結(jié)合式（6）中?勢(shì)定義可得，節(jié)點(diǎn)水溫為T時(shí)，節(jié)點(diǎn)附近?流可表示為節(jié)點(diǎn)?勢(shì)與水質(zhì)量流率的乘積。

由式（2）、式（5）和式（6）可知，元件傳遞的熱量?可表示為元件兩端水溫對(duì)應(yīng)的?勢(shì)之差與流過元件的水質(zhì)量流率的乘積。

式中：pT1和pT2分別為水溫T1和T2對(duì)應(yīng)的?勢(shì)。

根據(jù)歐姆定律，電路中電阻元件消耗的功率等于電勢(shì)差與電流的乘積。由式（9）可知，?勢(shì)和電路中的電勢(shì)具有一定的相似性，熱力系統(tǒng)中元件傳遞的熱量?等于?勢(shì)差與水質(zhì)量流率的乘積。類比電勢(shì)的物理意義，?勢(shì)即為單位質(zhì)量水由環(huán)境溫度變?yōu)閷?shí)際溫度傳遞的熱量?，?勢(shì)高低決定了相同質(zhì)量的水在系統(tǒng)不同位置承載的?值大小，可視為?流的一種量度。?勢(shì)差的含義為溫度變化過程中單位質(zhì)量水傳遞的熱量?的大小。

圖2 所示為一個(gè)典型雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熱力系統(tǒng)，具有對(duì)稱的供水和回水網(wǎng)絡(luò)，負(fù)荷和熱源可視為供回水網(wǎng)絡(luò)之間的元件。本文涉及的熱力系統(tǒng)?流分布包括3 個(gè)部分：1）?損，包括供回水管道?損和負(fù)荷?損；2）熱源?和負(fù)荷?；3）元件?流，包括供回水管道?流、流入熱源?流、流入負(fù)荷?流和流出負(fù)荷?流。

1）供回水管道?損

水在供回水管道傳輸過程中存在熱量損失，伴隨著?損。由式（9）可知，供水和回水管道?損Δeh，sl和Δeh，rl可表示為兩端節(jié)點(diǎn)?勢(shì)之差與管道水流率mh的乘積。

式中：ps1和ps2分別為供水管道兩端節(jié)點(diǎn)的?勢(shì)；pr1和pr2分別為回水管道兩端節(jié)點(diǎn)的?勢(shì)。

2）熱源?和負(fù)荷?

水在熱源處吸收的熱量?（熱源?）以及在負(fù)荷處放出的熱量?（負(fù)荷?）與管道?損類似，均由溫差產(chǎn)生。由式（9）可知，熱源?Δeh，S可表示為供水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)ps和回水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)pr之差與熱源水流率的乘積，負(fù)荷?Δeh，L可表示為供水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)ps和出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)po之差與負(fù)荷水流率的乘積：

熱源?、負(fù)荷?與管道?損存在差異，其中管道?損未被利用。熱源?為向系統(tǒng)內(nèi)部提供的熱量?，負(fù)荷?為負(fù)荷消耗的熱量?，均可視為可利用的?而非?損。

3)負(fù)荷?損

如圖2 所示，當(dāng)回水節(jié)點(diǎn)為混合節(jié)點(diǎn)時(shí)，流出負(fù)荷的水與回水網(wǎng)絡(luò)中的水混合后，水溫發(fā)生變化，出口節(jié)點(diǎn)和回水節(jié)點(diǎn)的?勢(shì)存在差異，進(jìn)而產(chǎn)生?的變化，該部分?不被負(fù)荷使用。因此，本文將它視為一種由水流混合引起的?損。由式（9）可知，該部分?損Δeh，Ll可表示為：

4)元件?流

如圖2 所示，假設(shè)供回水網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)稱，忽略水在管道中的損失，為滿足水流的連續(xù)性，對(duì)應(yīng)供回水管道中的水流率數(shù)值相同、方向相反［22］。元件?流與水流方向相同，對(duì)應(yīng)供回水管道中的?流方向相反。由式（8）可知，供回水管道?流eh，s和eh，r可表示為首端節(jié)點(diǎn)?勢(shì)與水流率的乘積。

同理，如圖2 所示，流入負(fù)荷?流eh，sL可視為負(fù)荷?流，可表示為負(fù)荷供水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)與負(fù)荷水流率的乘積；流入熱源?流eh，rS可視為熱源?流，表示為熱源回水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)與熱源水流率的乘積，此處不再贅述。

若將負(fù)荷?損視為出口節(jié)點(diǎn)和回水節(jié)點(diǎn)間的元件放出的熱量?，則流出負(fù)荷?流eh，oL可視為此元件的?流，從負(fù)荷出口節(jié)點(diǎn)流出，可表示為負(fù)荷出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)與負(fù)荷水流率的乘積。eh，oL一部分為負(fù)荷?損Δeh，Ll，另一部分與回水網(wǎng)絡(luò)的?流交匯。

從以上分析可看出，熱力系統(tǒng)?流分布與節(jié)點(diǎn)?勢(shì)、水流率有關(guān)，?勢(shì)可由溫度計(jì)算獲得。因此，基于量測(cè)或多能潮流計(jì)算獲取水流率和溫度，進(jìn)而由式（10）—式（13）計(jì)算熱力系統(tǒng)的?流分布。

2.2 電力系統(tǒng)?流機(jī)理模型

在能源品質(zhì)分析中，電能可以全部轉(zhuǎn)換為功或其他形式能量，屬于高品質(zhì)能源，可全部視為?［19］。因此，電力系統(tǒng)的有功潮流即為?流，有功損耗即為?損。三相對(duì)稱交流電力系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱電力系統(tǒng)）?流和?損可表示為：

式中：ee和Pe分別為流過電力線路的?流和有功功率；Δee和ΔPe分別為線路的?損和有功損耗。

基于量測(cè)或電力潮流計(jì)算可獲取電力系統(tǒng)的有功潮流分布和有功損耗情況，進(jìn)而由式（14）、式（15）計(jì)算?流分布。

本文將電流視為電力系統(tǒng)的介質(zhì)流率，?流和?損可以表示為：

式中：Re [·]表示復(fù)數(shù)取實(shí)部；U?為電力線路首端的線電壓相量；?為流過線路的線電流相量的共軛；和分別為線路兩端的線電壓相量。

由式（16）、式（17）可知，線路?流可由線電壓和線電流表示，?損可由線電壓差和線電流表示?；?流理論，本文將節(jié)點(diǎn)電壓視為電力系統(tǒng)?勢(shì)，反映單位電流所承載的?流。?勢(shì)差反映單位電流在線路上產(chǎn)生的?損。

2.3 天然氣系統(tǒng)?流機(jī)理模型

天然氣系統(tǒng)通過管網(wǎng)向用戶供氣，中國(guó)現(xiàn)行天然氣能量計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22723—2008《天然氣能量的測(cè)定》和GB/T 18603—2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》等提出，一定量天然氣的能量可表示為氣體量與發(fā)熱量的乘積，發(fā)熱量即為熱值，此能量計(jì)量公式被廣泛運(yùn)用到工程實(shí)際中［27-28］。IES 多能流研究中將天然氣視為傳輸能量的介質(zhì)，采用上述能量計(jì)量公式衡量天然氣的能量，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷、多能耦合環(huán)節(jié)包含的氣功率與氣流率之間的換算［29］。因此，采用熱功率衡量穩(wěn)態(tài)下天然氣能量即氣功率，不關(guān)注壓力能等不被多能耦合環(huán)節(jié)、負(fù)荷消耗的能量。氣功率可由氣流率和總熱值計(jì)算得到：

式中：?g和mg分別為天然氣管道傳輸?shù)奶烊粴夤β屎土髀?；G為天然氣的總熱值。

以熱功率衡量天然氣能量，氣負(fù)荷消耗的燃料?可等效為天然氣燃燒過程中由環(huán)境溫度加熱到理論燃燒溫度產(chǎn)生的熱量?［30-31］。天然氣的?流eg可表示為天然氣的能質(zhì)系數(shù)λg與氣功率的乘積［11，13］。

式中：Tb為天然氣理論燃燒溫度。

基于?流理論，在環(huán)境溫度、天然氣理論燃燒溫度和總熱值恒定的情況下，天然氣?流由氣流率決定。在忽略管道天然氣流失和氣質(zhì)改變的條件下，天然氣系統(tǒng)可視為無?損網(wǎng)絡(luò)，無?損是指負(fù)荷、多能耦合環(huán)節(jié)消耗的熱量?在傳輸過程中沒有損耗。穩(wěn)態(tài)條件下的管道壓降決定了系統(tǒng)中氣流的分布［32］，進(jìn)而決定了?流的分布。因此，在天然氣?流分析中雖然不考慮壓力對(duì)?損的影響，但需要考慮其對(duì)?流分布的影響。由式（19）可知，?流可視為天然氣流率mg與常數(shù)pg的乘積。

由式（19）、式（20）可知，常數(shù)pg可視為天然氣系統(tǒng)的?勢(shì)，表示單位氣流率承載的?，單位為(kW·h)/m3。燃?xì)夤艿?流可表示為天然氣流率與?勢(shì)的乘積，燃?xì)夤艿纼啥?勢(shì)差為零，?損可視為兩端?勢(shì)差與氣流率的乘積。因此，在忽略管道天然氣流失和氣質(zhì)改變的條件下，天然氣系統(tǒng)滿足無?損的條件。基于量測(cè)或多能潮流計(jì)算獲取氣流率，進(jìn)而由式（19）計(jì)算天然氣系統(tǒng)的?流分布。

2.4 能源站?流機(jī)理模型

能源站作為IES 中關(guān)鍵的多能耦合環(huán)節(jié)，涉及多種不同品質(zhì)能源形式的轉(zhuǎn)換，是IES 能源品質(zhì)研究的重點(diǎn)［33］。傳統(tǒng)多能流研究通常采用能源集線器模型描述能源站，通過輸入和輸出端口電功率、氣功率、熱功率之間的平衡關(guān)系，確定能源網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系［34］。因此，能源站的?分析同樣考慮電能?、天然氣的燃料?和水傳遞的熱量?。類比于電力系統(tǒng)潮流計(jì)算中PQ、PV節(jié)點(diǎn)的建模思路，本文不關(guān)注能源站內(nèi)部能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)具體的?變化過程，而是關(guān)注能源轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的?損［19］，采用?損表示能源站等值節(jié)點(diǎn)的?流。這部分?損eEH，l可由下式求解：

式中：eEH，e、eEH，g、eEH，h分別為能源站在電力系統(tǒng)中消耗或供應(yīng)的電能?、天然氣系統(tǒng)中消耗或供應(yīng)的燃料?、熱力系統(tǒng)中消耗或供應(yīng)的熱量?。eEH，e、eEH，g、eEH，h為消耗?時(shí)，對(duì)應(yīng)元素取正值；為供應(yīng)?時(shí)，對(duì)應(yīng)元素取負(fù)值；其他情況取零。

2.5 IES ?平衡分析

?平衡是?分析的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)IES ?分析方法將系統(tǒng)視為黑箱模型，無法有效分析系統(tǒng)內(nèi)部有效能的分布規(guī)律。對(duì)于具有網(wǎng)絡(luò)化特征的IES，本文基于上述?流機(jī)理模型分析了系統(tǒng)局部和整體的?平衡關(guān)系，可量化分析能源系統(tǒng)內(nèi)部有效能分布規(guī)律，故新模型更具優(yōu)越性，系統(tǒng)局部和整體?平衡關(guān)系的分析過程如附錄A 所示。

2.6 基于?流機(jī)理模型的典型能源品質(zhì)評(píng)估參數(shù)

類比于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)研究，通過多能流計(jì)算或測(cè)量方式，可獲取IES 中電流、氣流和水流及溫度等參數(shù)，進(jìn)而獲得IES 的?流分布，依據(jù)?流分布可分析IES 能源品質(zhì)特征。

?本身可評(píng)價(jià)能量?jī)r(jià)值，兼顧了不同能量“量”和“質(zhì)”的差異［19］。基于IES 的?流分布，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)有效能的直接觀測(cè)。通過計(jì)算能源管線、能源站等環(huán)節(jié)的?損，揭示系統(tǒng)能源品質(zhì)薄弱環(huán)節(jié)，采取優(yōu)化控制等手段，從整體或局部改善系統(tǒng)能源品質(zhì)。

節(jié)點(diǎn)?勢(shì)反映節(jié)點(diǎn)附近單位流率介質(zhì)承載的?，?勢(shì)差反映單位流率介質(zhì)傳遞?的能力，因此，?勢(shì)反映了系統(tǒng)局部提供高品質(zhì)能源的能力。例如，對(duì)于熱源供水溫度及負(fù)荷出口溫度恒定的熱力系統(tǒng)，熱源供回水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)差反映了單位質(zhì)量水在單位時(shí)間內(nèi)吸收熱量?的能力。

?流分析可與傳統(tǒng)能源品質(zhì)評(píng)估指標(biāo)相結(jié)合。例如，能質(zhì)系數(shù)λ反映了單位能量所包含的?［11］，可由?勢(shì)計(jì)算得到。

式中：?e和λe分別為電功率和對(duì)應(yīng)的能質(zhì)系數(shù)；λh為水傳遞熱量的能質(zhì)系數(shù)。

其次，?效率ηe反映了?的有效利用程度［13］，可由?流計(jì)算得到。

式中：ein和eout分別為系統(tǒng)整體或局部輸入和輸出的?流。

綜上所述，基于?流分布，可計(jì)算系統(tǒng)管線傳輸、源荷供應(yīng)或消耗能量的能質(zhì)系數(shù)，同時(shí)可計(jì)算單一能源系統(tǒng)、能源站或某片區(qū)域的?效率，為復(fù)雜系統(tǒng)能源品質(zhì)分析提供更多技術(shù)手段。

3 IES 介質(zhì)流、能流、?流類比

如圖3 和表1 所示，IES 中各能源網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕橘|(zhì)不同，電流、氣流、水流等介質(zhì)參數(shù)可以描述能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，電壓、氣壓和水壓等參數(shù)決定了介質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)情況。本文中電壓、氣壓和水壓等參數(shù)稱為介質(zhì)分析中的節(jié)點(diǎn)參數(shù)。

圖3 IES 流研究之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between flow research in IES

表1 各能源網(wǎng)絡(luò)流率研究參數(shù)Table 1 Research parameters of flow rate of each energy network

能流研究反映了供應(yīng)負(fù)荷的能量在能源網(wǎng)絡(luò)中的分布，介質(zhì)是承載能流的媒介。IES 多能流研究通常考慮氣流、氣壓、水流、水壓等介質(zhì)參數(shù)，能流分析建立在介質(zhì)流率分析的基礎(chǔ)上。本文認(rèn)為能流節(jié)點(diǎn)參數(shù)應(yīng)反映單位介質(zhì)流率包含的能量，因此，將電壓、熱值、溫度分別作為電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)能量層面的節(jié)點(diǎn)參數(shù)，可與介質(zhì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)應(yīng)。IES 研究通常忽略水流、氣流等介質(zhì)的損失，重點(diǎn)關(guān)注能量的損耗。電力系統(tǒng)存在線損，熱力管道和部分負(fù)荷存在熱量損失，能源站也存在能量損耗。

?作為能量的一部分，?流反映了供應(yīng)負(fù)荷有價(jià)值的能量在能源網(wǎng)絡(luò)中的分布。與能流分析類似，本文重點(diǎn)關(guān)注電力系統(tǒng)的電能?、天然氣系統(tǒng)的燃料?、熱力系統(tǒng)中水承載的熱量?。?勢(shì)可視為表征?流特征的節(jié)點(diǎn)參數(shù)，反映節(jié)點(diǎn)附近單位介質(zhì)流率承載的?，與能流分析中的節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)應(yīng)。

在不涉及能源轉(zhuǎn)換的單一能源網(wǎng)絡(luò)中，?流可視為能流的一部分，負(fù)荷?也可視為負(fù)荷能量的一部分，單一能量的損耗伴隨?損，該部分?損可視為能量損耗的一部分；在能源站等涉及能源形式轉(zhuǎn)化的情況下，能量除了有“量”的損耗，還會(huì)存在“質(zhì)”的損耗，此時(shí)?損并非能量損耗的一部分。

如表1 所示，不同能源網(wǎng)絡(luò)的?流特征存在差異，電力和天然氣系統(tǒng)在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)注入?流，該部分?流不再返回網(wǎng)絡(luò)。熱力系統(tǒng)負(fù)荷?與管道?損類似，?流中一部分熱量?為供給負(fù)荷從網(wǎng)絡(luò)放出，剩余的?流返回回水網(wǎng)絡(luò)，最終形成閉合回路。在?損方面，天然氣網(wǎng)絡(luò)視為無損，電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)均存在管線?損，熱力系統(tǒng)中部分負(fù)荷因?yàn)槌隹诤突厮?jié)點(diǎn)的?勢(shì)差存在?損，而電力系統(tǒng)不存在負(fù)荷?損。

介質(zhì)流率可以描述系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能流可以描述能量的大小。目前，統(tǒng)一的能流研究以各自的網(wǎng)絡(luò)特性建模分析為主，而?流可以描述有價(jià)值能量的大小，在統(tǒng)一框架下量化表示不同形式的能源。因此，?流分析在IES 研究體系中極其重要，更具有普適意義。

4 算例分析

4.1 算例介紹

分析附錄B 圖B1 所示的小規(guī)模IES。圖中，藍(lán)色網(wǎng)絡(luò)為修改后的5 節(jié)點(diǎn)低壓配氣系統(tǒng)［32］，氣源氣壓為30 mbar，天然氣熱值為45.574 MJ/m3，理論燃燒溫度為1 973 ℃［35］；紅色網(wǎng)絡(luò)為熱力系統(tǒng)供水網(wǎng)絡(luò)，熱源的供水溫度為100 ℃；紫色網(wǎng)絡(luò)為回水網(wǎng)絡(luò)，負(fù)荷的出口溫度為50 ℃；環(huán)境溫度為10 ℃［24］；綠色網(wǎng)絡(luò)為6 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)，改編自IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)［36］，源端電壓為12.66 kV。能源站結(jié)構(gòu)與外部節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系如圖B2 所示，采用的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備為燃?xì)忮仩t（GB）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機(jī)組，其中GB的氣-熱轉(zhuǎn)換效率為0.9，CHP 的氣-電和氣-熱轉(zhuǎn)換效率分別為0.3 和0.4。能源站采取以熱定電的運(yùn)行模式，CHP 的天然氣分配系數(shù)為0.5。能源站在天然氣系統(tǒng)中為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)G5，在熱力系統(tǒng)中為唯一熱源H1，在電力系統(tǒng)中為電源節(jié)點(diǎn)E6。

4.2 IES ?流分析

基于附錄B 所示的電力、天然氣、熱力系統(tǒng)的能流、介質(zhì)流參數(shù)，計(jì)算IES 的?流分布。

根據(jù)附錄B 表B1 和表B2 中的電力潮流結(jié)果，計(jì)算電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)?勢(shì)如表2 所示，?流和?損如表3 所示。由環(huán)境溫度和天然氣理論燃燒溫度計(jì)算天然氣的能質(zhì)系數(shù)為0.70，天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)?勢(shì)結(jié)果如表4 所示，均為8.88（kW·h）/m3。根據(jù)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)和表B3、表B4 所示的天然氣流量分布，計(jì)算天然氣系統(tǒng)的?流分布如表5 所示。

表2 電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)Table 2 Node exergy-potential of power system

表3 電力系統(tǒng)?流分布Table 3 Exergy flow distribution of power system

表4 天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)Table 4 Node exergy-potential of natural gas system

表5 天然氣系統(tǒng)?流分布Table 5 Exergy flow distribution of natural gas system

基于附錄B 表B5 所示的熱力系統(tǒng)供水、出口、回水溫度，選取環(huán)境溫度10 ℃對(duì)應(yīng)的?勢(shì)為零?勢(shì)點(diǎn)，計(jì)算供水、出口、回水節(jié)點(diǎn)的?勢(shì)如表6 所示。

表6 熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)Table 6 Node exergy-potential of heat system

根據(jù)熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)以及附錄B 表B5 和表B6 所示的水質(zhì)量流率，計(jì)算整個(gè)熱力系統(tǒng)的?流分布，得到元件?流、管道?損計(jì)算結(jié)果如表7 所示，熱源?、負(fù)荷?、負(fù)荷?損計(jì)算結(jié)果如表8 所示。

表7 熱力系統(tǒng)?流和管道?損分布Table 7 Exergy flow and pipeline exergy loss distribution of heat system

表8 熱源?、負(fù)荷?及負(fù)荷?損Table 8 Heat source exergy, load exergy and load exergy loss

根據(jù)電力、天然氣、熱力系統(tǒng)的E6、G5和H1的節(jié)點(diǎn)?流結(jié)果，計(jì)算能源站?損為597.83 kW。由以上全部?流計(jì)算結(jié)果得到各個(gè)能源系統(tǒng)的?流分布如圖4（a）所示。圖中，藍(lán)色網(wǎng)絡(luò)代表配氣系統(tǒng)，紅色和紫色網(wǎng)絡(luò)分別代表供水和回水網(wǎng)絡(luò)，綠色網(wǎng)絡(luò)代表配電系統(tǒng)，紫色數(shù)字表示源端供應(yīng)或負(fù)荷消耗的?（kW），黑色數(shù)字表示元件?流（kW），紅色數(shù)字表示?損（kW）。由表3 和圖4（a）可知，電力系統(tǒng)存在線路?損，不存在負(fù)荷?損。圖4（a）數(shù)據(jù)表明，針對(duì)電力系統(tǒng)，流入節(jié)點(diǎn)的線路?流與節(jié)點(diǎn)電源供應(yīng)的?之和，等于流出節(jié)點(diǎn)的線路?流、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷消耗的?、線路?損之和，滿足局部?平衡關(guān)系。同時(shí)，電力系統(tǒng)源端供應(yīng)的?為1 516.22 kW，負(fù)荷消耗的?為1 512.33 kW，?損為3.89 kW，源端供應(yīng)的?等于負(fù)荷消耗的?與?損之和，滿足整體?平衡關(guān)系。

圖4 算例系統(tǒng)?流和節(jié)點(diǎn)?勢(shì)分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of exergy flow and node exergy-potential distribution of test system

由表5 和圖4（a）可知，天然氣系統(tǒng)不存在?損，?流在數(shù)值上為氣流率的8.88 倍。圖4（a）數(shù)據(jù)表明，針對(duì)天然氣系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)，流入節(jié)點(diǎn)的管道?流與節(jié)點(diǎn)氣源供應(yīng)的?之和，等于流出節(jié)點(diǎn)的管道?流、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷消耗的?之和，滿足局部?平衡關(guān)系。同時(shí)，系統(tǒng)氣源?為3 912.52 kW，負(fù)荷?為3 912.52 kW，滿足整體?平衡關(guān)系。

由表6 和圖4（a）可知，H2的回水節(jié)點(diǎn)為混合節(jié)點(diǎn)，H2的出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)與回水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)不相等，因此，熱力系統(tǒng)在H2的回水節(jié)點(diǎn)處存在?損。圖4（a）數(shù)據(jù)表明，對(duì)于熱力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)，流入節(jié)點(diǎn)的元件首端?流與節(jié)點(diǎn)所連熱源?之和，等于流出節(jié)點(diǎn)的元件末端?流、節(jié)點(diǎn)所連負(fù)荷消耗的?、元件?損之和，滿足局部?平衡關(guān)系。同時(shí)，系統(tǒng)的熱源?為166.25 kW，負(fù)荷?為158.95 kW，供水和回水網(wǎng)絡(luò)的?損分別為5.94 kW 和1.03 kW，負(fù)荷?損為0.33 kW，熱源?等于負(fù)荷?與系統(tǒng)?損之和，滿足整體?平衡關(guān)系。

類比于電力系統(tǒng)電壓分布，圖4（b）展示了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)的分布。電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)?勢(shì)采用幅值（kV）和相角（rad）表示；天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)?勢(shì)均為8.88（kW·h）/m3；熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)的單位為kJ/kg。

對(duì)于熱力系統(tǒng)，熱源H1和負(fù)荷H3的供水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)分別為49.55 kJ/kg 和47.58 kJ/kg，即節(jié)點(diǎn)附近單位質(zhì)量水承載的?分別為49.55 kW 和47.58 kW，表明H1附近水承載高品質(zhì)能量的能力高于H3。算例數(shù)據(jù)說明，熱力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)?勢(shì)越高，所處位置的能源品質(zhì)越高。

負(fù)荷H2和H3供水和出口節(jié)點(diǎn)的?勢(shì)差分別為38.01 kJ/kg 和36.77 kJ/kg，即H2和H3中單位質(zhì)量水向負(fù)荷供應(yīng)的?分別為38.01 kW 和36.77 kW，若以當(dāng)前?勢(shì)供應(yīng)相同?負(fù)荷，則H3需要更大的水流率。算例數(shù)據(jù)說明，供水和出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)差越高，向負(fù)荷供應(yīng)高品質(zhì)能量的能力越高。負(fù)荷的出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)相等，供水和出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)差由供水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)決定，供水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)越高，向負(fù)荷供應(yīng)高品質(zhì)能量的能力越高。此外，分析H2和H3的出口和回水節(jié)點(diǎn)的?勢(shì)差可知，回水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)也反映了負(fù)荷?損的程度。

綜上可以看出，節(jié)點(diǎn)?勢(shì)可作為反映熱力系統(tǒng)局部能源品質(zhì)的重要參數(shù)。

整個(gè)IES 的輸入?為5 220.84 kW，輸出?為4 611.81 kW，網(wǎng)絡(luò)?損、負(fù)荷?損、能源站?損之和為609.03 kW，?效率為88.33%，整個(gè)系統(tǒng)滿足?平衡關(guān)系。因此，各個(gè)能源系統(tǒng)和整個(gè)IES 均滿足局部和整體?平衡關(guān)系，與傳統(tǒng)的黑箱模型相比，基于?流機(jī)理的模型可量化分析能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有效能的分布情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的量質(zhì)協(xié)同研究。受設(shè)備型號(hào)與運(yùn)行方式影響，能源站?損占比為98.16%，在系統(tǒng)總?損中所占比例最大。GB 和CHP 為滿足供熱需求，將大量中等品質(zhì)的天然氣轉(zhuǎn)換為較低品質(zhì)的熱能，雖然也產(chǎn)生部分高品質(zhì)電能，但上述能源轉(zhuǎn)換模式使總?損呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

基于傳統(tǒng)黑箱模型的IES ?分析，通常采用基于能質(zhì)系數(shù)的?計(jì)算方法得到系統(tǒng)輸入和輸出的電能?、燃料?、熱量?，進(jìn)而以?效率作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行其他計(jì)算，較少關(guān)注IES 網(wǎng)絡(luò)中?的分布［13］。算例采用基于黑箱模型的?分析法，得到各源荷能質(zhì)系數(shù)和?值如表9 所示?？梢钥闯?，源端和負(fù)荷?與本文?流機(jī)理模型計(jì)算結(jié)果相同，系統(tǒng)?效率求解結(jié)果也相同。通過式（22）同樣可以得到表9 所示的能質(zhì)系數(shù)結(jié)果。

表9 基于能質(zhì)系數(shù)的源端及負(fù)荷?計(jì)算結(jié)果Table 9 Calculation results of source and load exergy based on energy quality coefficient

由圖4 可知，相比于傳統(tǒng)黑箱模型的?分析方法，?流機(jī)理模型不僅可以求解源端和負(fù)荷?、系統(tǒng)?效率，還能清晰地呈現(xiàn)IES 網(wǎng)絡(luò)中各環(huán)節(jié)、各管線的?流分布和?損情況。?作為衡量能量品質(zhì)的一種量度，反映了當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)整體及局部的能源品質(zhì)特征，節(jié)點(diǎn)?勢(shì)的建立為局部能源品質(zhì)分析提供了思路?；?流分布建立源、網(wǎng)、荷中?的聯(lián)系，可為未來?計(jì)量、定價(jià)、交易提供理論基礎(chǔ)，而基于黑箱模型的?分析法難以實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用。此外，?流機(jī)理模型還能結(jié)合?效率等概念，實(shí)現(xiàn)整體或某類能源系統(tǒng)、能源站、系統(tǒng)內(nèi)某片區(qū)域、節(jié)點(diǎn)、管線的能源品質(zhì)分析，為建設(shè)高品質(zhì)能源系統(tǒng)提供思路。

5 結(jié)語

相比于基于黑箱模型的IES ?效率分析，?流機(jī)理模型呈現(xiàn)了IES 網(wǎng)絡(luò)中?流和?損的分布，且?流分析方法可與當(dāng)前眾多IES 研究技術(shù)相結(jié)合，形成新的研究思路。

首先，?流分布反映了?流的空間特性，基于?流分布可計(jì)算系統(tǒng)源、荷端供應(yīng)和消耗的?，建立源、網(wǎng)、荷中?的聯(lián)系，分析整體或局部的?效率、?損等能源品質(zhì)參數(shù)，為規(guī)劃、運(yùn)行控制、交易層面的?分析提供依據(jù)，為構(gòu)建高品質(zhì)能源系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)；其次，?流分析可拓展到不同時(shí)間斷面，反映?流研究的時(shí)間特性。在未來新型電力系統(tǒng)高比例可再生能源集成的背景下，根據(jù)研究對(duì)象的時(shí)間尺度，可進(jìn)行日前、月（季）、年度、中長(zhǎng)期等各類時(shí)間尺度的?流研究，獲取各時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的系統(tǒng)能源品質(zhì)特征。

后續(xù)研究工作將圍繞IES 的?流理論，從能量的量質(zhì)協(xié)同角度，分析高比例可再生能源接入對(duì)系統(tǒng)的影響，建立考慮可再生能源的整體和局部能源品質(zhì)評(píng)估參數(shù)；基于系統(tǒng)?流、?損分布，考慮不同能源環(huán)節(jié)以及整體、局部的能量品質(zhì)差異，提出有利于能源品質(zhì)提升的系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行方法；深入剖析系統(tǒng)?流產(chǎn)生、傳輸、消費(fèi)機(jī)理，結(jié)合?經(jīng)濟(jì)學(xué)等方法，開展系統(tǒng)?交易理論與市場(chǎng)機(jī)制等研究。

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