课题编号：
国家重点研发计划 课题
2016
年度执行情况报告
课题名称：综合能源配用电系统的一体化规划设计与系统 所属项目：工业园区多元用户互动的配用电系统关键技术研究与示范
所属专项：智能电网技术与装备
项目牵头承担单位：广州供电局有限公司
课题承担单位：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司（盖章）
课题负责人：夏文波
课题执行期限：
2016 年
07 月 至 2020 年 06
月
二〇 一六年
十二 月 2 0 1 6 Y F B 0 9 1 3 0 1 密
级：延期 2 年公开
1
编
报
要
求
一、内容说明 课题年度执行情况报告分为“课题技术总结”和“课题执行情况”两部分。“课题技术总结”部分属于科技报告，着重从研究对象角度，论述各项研究任务的研究方法、过程和结果等详细技术信息；“课题执行情况”属于工作报告，着重从组织实施角度，论述课题总体目标及考核指标实现程度、课题支撑条件落实情况、课题组织管理、运行机制评述等。
其中“课题技术总结”部分将独立于课题年度执行情况报告作为科技报告，面向科研人员提供共享交流服务，内容要求客观真实、准确完整、层次清晰，本领域的专业读者依据这些描述能重复调查研究过程、评议研究结果。
二、格式要求 文字简练；报告的密级与课题规定的密级相同；报告文本统一用 A4 幅面纸，文字内容一律由计算机打印填报；报告文本第一次出现外文名称时要写清全称和缩写，再出现时可以使用缩写。
三、编制程序及时间要求 每年 11 月底前，由课题组根据课题的完成情况编制课题年度执行情况报告，报项目首席专家审核签字同意后，按照填报课题任务书时的用户名和密码，登陆国家科技计划项目申报中心（http://program.most.gov.cn/）在线填写，经单位管理员审核并提交科技部审核确认后，打印装订，由课题责任人（课题负责人）签字，课题承担单位盖章后，报送科技部相关中心（或项目主持单位）。
涉密课题年度执行情况报告请在国家科技计划项目申报中心网站下载 word模板进行填写和打印，不得在线填写。
2
第一部分：课题技术总结
（科技报告）
3 科技报告基本信息表 1.报告名称 中文（40 字以内）：综合能源配用电系统的一体化规划设计与系统 2016 年年度报告 英文（400 字符以内）：2016 Annual project report for integrated planning and design of multi-energy distribution systems 2.报告作者及单位（对报告编写做出直接贡献的研究人员，原则上五人以内）
中文：夏文波，陈盛燃，李勇，刘学智，王路 英文：Xia Wenbo，Chen Shenran, Li Yong, Liu Xuezhi ，Wang Lu 3.使用范围（公开和延期公开，延期公开需明确延期时间）
延期 2 年公开 4.编制时间（YYYY-MM-DD）
2016-12 5.报告编号（单位机构代码+课题编号+/顺序号，XXXXXXXXX -- NNNNUUNNNNNN/NN）
455857967 +2016YFB091301 6.备注（须注明的特殊事项，如延期公开报告的查询权限、免责声明、报告与其它工作或成果的联系等）
7 摘 要 中文（1000 字以内）：本课题重点研究多主体、多用户和多环节的综合能源配用电系统一体化规划和设计方法，开发规划系统。包含：建立随机规划方法与综合评估方法，开发综合能源配用电一体化规划系统，建立园区综合能源配用电系统的规划设计流程与规范。根据园区规划期内冷/热/电/气的能源需求，合理配置可再生能源发电与储能比例，优化冷/热/电/气等储能配比，通过综合能源系统功率与能量平衡和预测分析、冷/热/电/气站与用户布局、综合能源网架与管网构建方法研究，提高示范园区综合能源利用效率和供能可靠性. 英文（2500 字符以内）：
This subject focuses on the integrated planning and design methods, as well as platform development of multi-energy distribution systems. The context includes: establishing a stochastic programming method and a comprehensive evaluation method, developing an integrated planning platform, and establishing a planning and design specification for the integrated energy distribution system of an industrial park. According to the energy demand of cold / heat / electricity / gas during the planning period, the proportion of renewable energy and energy storage as well as other energy conversion technologies will be optimised, cooling/heat/
4 electricity/gas substation, integrated electricity grid and gas/heat pipeline networks will be planned to improve the energy efficiency and the energy supply reliability of the demonstration park. 8.关键词 中文（3-8 个，以分号隔开）：综合能源系统；一体化规划；多能流；储能 英文（3-8 个，以分号隔开）：multi-energy systems; integrated planning; multi-energy flows; energy storage 9.支持渠道 课题名称 综合能源配用电系统的一体化规划设计与系统 主管部门 工业和信息化部产业发展促进中心 计划名称 国家重点研发计划 课题编号 2016YFB091301 所属专项 智能电网技术与装备 承担单位 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 合作单位（不超过 5 家）
上海交通大学 南方电网科学研究院 广州供电局 广州发展集团股份有限公司 总经费（万元）
1234.17 万元 国拨经费（万元）
339.17 课题负责人 夏文波 起始日期 2016 年 7 月 结束日期 2020 年 6 月 10.联系人 姓名 王路 单位 中国能源建设集团广东省电力设计 研究院有限公司 电话 15888885831 E-Mail wanglu@gedi.com.cn
5 目
录
第一部分：课题技术总结................................................ 2 （科技报告）.......................................................... 2 一、引言.............................................................. 9 1.1 研究背景和意义 .............................................. 9 1.2 前期研究基础................................................ 10 1.3 研究范围和目标.............................................. 10 1.4 研究思路和总体方案.......................................... 11 1.4.1 考虑多能流综合的一体化规划方法 ........................... 11 1.4.2 综合能源配用电系统一体化规划的综合评估方法 ............... 12 1.4.3 综合能源配用电一体化规划系统研发 ......................... 13 1.4.4 综合能源配用电一体化规划设计方法 ......................... 13 二、主体............................................................. 15 2.1 考虑多能流综合的一体化规划方法.............................. 15 2.1.1 研究方案与方法 ........................................... 15 2.1.2 多能流建模与转换 ......................................... 15 2.1.3 一体化规划架构 ........................................... 22 2.2 基于随机约束规划的配电网网架双层规划模型 ................... 27 2.3 冷/热/电/气负荷研究......................................... 38 2.3.1 研究方案与方法 ........................................... 38 2.3.2 电力负荷及冷热负荷情况 ................................... 43 2.4 储能系统技术方案 ........................................... 56 2.4.1 研究方案与方法 ........................................... 56 2.4.2 综合分析与储能容量建议 ................................... 58 2.4.3 电池储能布置位置分析 ..................................... 60 2.4.4 电储能类型选择 ........................................... 61 2.4.5 电储能配置结论 ........................................... 63 2.4.6 总体效益预期 ............................................. 63 2.5 蓄冷技术用于削减电网峰值功率的规划研究...................... 64 三、结论............................................................. 66 3.1 主要研究发现和技术先进性对比................................ 66 3.1.1 主要研究发现 ............................................. 66
6 3.1.2 技术先进性对比 ........................................... 66 参 考 文 献.......................................................... 68 附
录............................................................... 69 承 诺 书............................................................. 74
7 插
图
清
单
图 1：课题 1 研究内容与技术路线图 ................................................................................. 11 图 2：天然气网、电网与区域供热网的相互作用示意图 ................................................. 17 图 3：综合能源冷/热/电/气交互示意图 ............................................................................. 17 图 4：综合能源系统规划流程 ............................................................................................. 25 图 5：两层规划模型结构 ..................................................................................................... 27 图 6：各专线供电负荷曲线 ................................................................................................. 33 图 7：削峰要求下电池储能容量分析步骤 ......................................................................... 36 图 8：电池储能的放电运行模拟图 ..................................................................................... 36 图 9：储能的放电小时数模拟运行图 ................................................................................. 37 图 10：需要可中断负荷削峰的小时数 ................................................................................ 37
8 附
表
清
单
表 1：电网、区域供热网与天然气网的物理状态变量类比 ...................... 17 表 2：能源转换设备和能源类型的耦合关系 .................................. 18 表 3：示范园区内主要用户基本情况 ................................................................................. 31 表 4：园区各企业 2020 年空调用电负荷预测结果 ........................................................... 33 表 5：园区各企业 2020 年用热蒸汽负荷预测 ................................................................... 33 表 6：园区各企业 2020 年用气负荷预测结果 ................................................................... 34
9 正
文
一、引言
1.1 研究背景和意义
在考虑多能流综合的一体化规划方法方面：综合能源系统(集成的供电/供气/供暖/供冷/供氢/电气化交通等能源系统)近年来在欧美等发达国家迅速发展，成为各国新的战略竞争和合作的焦点。欧洲 ENERGIE 项目寻求多种能源(传统能源和可再生能源)协同优化和互补，以实现未来替代或减少核能使用。2007 年美国颁布能源独立和安全法，明确要求社会主要供用能环节必须开展综合能源规划。加拿大内阁能源委员会提出覆盖全国的社区综合能源系统。然而，真正意义上的多类型能源-多类型负荷系统目前尚未得到实际应用。国外研究主要聚焦于电网规划或天然气网规划，且综合能源系统组成与结构复杂，发展时间短，技术还处于发展阶段，尚未形成关于综合能源系统成熟通用的方法与共识的标准。我国已通过 973、863 研究计划，启动了多项与综合能源技术相关的科技研发项目。目前国内的研究还处于起步阶段，大多数以理论分析为主。现有能源规划模型对于电力系统过于简化处理，难以详细考虑电网运行特性、电网技术参数、投资运行成本等因素，且以电网与天然气网为主，一般未考虑到网络的结构细节，也很少将储能包含进来。
在考虑多能流综合的一体化综合评估方法方面：目前国内外的研究一般仅从各能流自身特点出发，分别建立了电力流、天然气流、热气流和冷气流自身的评估指标和评价体系。然而，在多能流综合的一体化规划时，各能流之间将相互作用和相互影响，目前国内外尚缺少对冷/热/电/气系统间相互关联作用的详细分析和建模。因此，需对冷/热/电/气系统的联合运行特性进行研究，在此基础上建立考虑冷/热/电/气系统间相互关联作用的综合能源评价体系，从经济性、安全性、可靠性和灵活性等方面对多能流综合配用电一体化系统进行评估。
在综合能源配用电一体化规划系统研发方面：国外针对配用电系统开发了多个仿真规划软件，如 CYME 和 DER-CAM 等。此类软件不同时具备冷/热/电/气等多能流和多类型储能基础模型，对其他能源形式的接口多采用等值化处理，难以开
10 展源-网-荷-储及多能流一体化规划设计工作。国内开发的配用电系统规划软件，以天大求实和中国电科院开发的软件较为成熟。这些软件均面向电网，不具备其他能源形式的仿真能力及接口，不具备同时开展多能流、多储能、多网络的一体化规划设计工作的能力。
综上，国内外对于综合能源一体化规划设计方法与系统上存在如下问题：缺乏可再生能源资源及可开发性评估的研究；不考虑源-网-荷-储的时序耦合特性；在多类型能源电力、供热、天然气传输系统的不同时间尺度、储存以及匹配特性精确度不够，特别是缺乏冷/热/电/气负荷曲线异步性以及冷、热输运损失对综合能源系统影响的研究。因此没有真正做到多能流，未形成包含规划策略、评估方法、软件平台和设计实施的一体化方案来解决配用电系统综合能源规划问题。
2 1.2 前期研究基础
在综合能源配用电一体化规划设计方法方面，广东省电力设计研究院等近年开展综合能源规划设计工作，进行规划设计方法的开发与研究，先后开展了珠海万山群岛、广州中新知识城、前海以及深圳低碳城等项目的综合能源规划设计工作。建立了一系列的综合能源规划的相应方法，然而，目前国内外对综合能源配用电一体化的设计对象尚未普遍应用，且设计过程未能全面考虑多能流间的相互作用影响，使得设计方案的综合性能指标受到一定限制。
从上海交通大学相关研究成果来看，在电网及能源规划,可再生能源分层消纳、主动配电网规划、协调互动等方面均取得相应的成果, 在能源与信息流一体化运行控制策略、主动配电网规划、分布式能源运模式研究等方法上取得了很大的成果，承担或参与“以大规模可再生能源利用为特征的智能电网综合示范工程”等国家科技支撑计划、973 和 863 课题 8 项。上海交通大学国家能源智能电网（上海）研发中心拥有国际智能电网行动网络 ISGAN 中国联络办公室和国际能源署IEA 智能电网执行协议中国联络办公室，为开展国家示范打下良好的基础。
3 1.3 研究范围和目标
提出多主体、多用户和多环节的综合能源配用电系统一体化规划和设计方法，开发规划系统。根据园区规划期内冷/热/电/气的能源需求，分析多能流功率与能量平衡，研究分布式能源及储能位置和容量、冷/热/气/电站的协调规划
11 和配电网架与管网连接的随机规划、综合评估方法和一体化规划系统，建立园区综合能源配用电系统的规划设计流程与规范。
4 1.4 研究思路和总体方案
本项目紧密围绕“含高比例可再生能源的工业园区综合供能系统规划设计与运行控制”这一核心问题，在规划设计、互动机制、协调控制与智能调度四个层面取得技术突破，并开展示范应用。项目主要研究内容主要从以下五个课题详细展开。
主要研究内容如下图所示。
图 图 1：
：题 课题 1 研究内容与技术路线图 本课题设置 4 部分研究内容。其中 1.1 多能流综合的一体化规划方法是课题1 的基础与核心，为整个课题提供基础模型与可扩展性框架。1.2 为获得综合能源配用电系统优选规划方案提供评估方法。1.3 根据 1.1规划方法理论研究成果，开发综合能源配用电一体化规划系统。1.4 是课题 1 的系统实现，基于 1.1 规划方法以及 1.3 规划系统的研究成果，采集工业园区工程信息，建立园区综合能源配用电系统的规划设计流程与规范。
1 11 .4.1 考虑多能流综合的一体化规划方法
多能流综合的一体化规划方法的研究内容为构建满足能源与负荷供需匹配的模型，利用功率与能量平衡机理进行分布式能源、储能、变配电站、冷/热/气站与用户能源布局，建立随机规划方法构建综合配电网架与冷/热/气管网。
12 建立综合能源系统电/热/气各独立网络的运行工况模型，以及所有能源转换装备的物理方程模型，建立网络的能流分析与优化模型。研究能源生产、负荷、存储环节在能源品种、品位、数量方面的优化匹配模型。进一步研究 CCHP 运行的冷/热/电/气负荷曲线异步性以及部分负荷特性。
建立冷/热/电/气负荷预测及输运损失特性模型，基于气象预测的可再生能源生产动态模型，构建满足能源与负荷供需匹配的模型，预测能源与负荷需求。
根据园区规划期内冷/热/电/气负荷的能源需求和可再生能源生产预测，考虑综合能源利用效率的最优运行模式，计及三联供与储电、储冷、储热装置等的可调特性、用户侧负荷的调控手段、可再生能源与冷热电负荷匹配特性、多能源与多负荷相关性、配用电系统主动管理，研究分布式能源和储能的布点规划，合理配置可再生能源发电装机容量与储能比例，优化储冷、储热、储电、储气等配比，研究变配电站、冷/热/气站及其储能位置和容量需求的协调规划方法。
研究冷/热/电/气不同能源系统间的耦合方式和动态特性，以及电力、热力、可再生能源系统的互补性和相互作用机理，研究电–热-可再生能源联合系统的最优能量流形式以及调控机理。通过协调规划多种能源形式，利用冷/热/电/气供给系统负荷需求的峰谷交错，实现多能流的功率与能量的实时供应与总量平衡及能源的柔性输送。
分析综合能源系统电网、热网、天然气网、装备的多能流转换，分时段考虑光伏发电等分布式能源发电出力的不确定性及其运行风险。综合考虑园区在规划周期内的供电、供热、供气安全、经济和稳定性目标，建立综合能源配用电系统及冷/热/电/气供需匹配的随机规划方法，研究各类分布式能源不同接入位置与容量后，配电网架接线与冷/热/气管网规划。
2 1.4.2 综合能源配用电系统一体化规划的综合评估方法
研究能源转换技术路径与负荷协调匹配的评估指标。考虑可再生能源、储能、CCHP、电动汽车接入及其与源网协调运行的综合能源配用电系统相互作用的随机多时空特性。在常规的能源系统安全性、经济性、灵活性、环保性评价方法及评价指标基础上，提出多能源系统可靠性、稳定性、能源生产与负荷需求协同互补性、能源综合利用效率等技术评价指标，分析新能源和配电网架投资成本回收周
13 期，配电网、冷/热/气输送网络综合投资收益等经济性评价指标。对所得规划方案进行可靠性、运行效率评估、经济性及其综合评估，为获得综合能源配用电系统优选规划方案提供评估方法。
在可靠性方面，研究可再生能源不确定性、冷/热/电/气存储主要参数对综合能源配用电系统可靠性的影响特性。在运行效率评估方面，从综合能源配用电系统的有功损耗、电压偏移、供电能力等层面分析电网的运行效率，分析可再生能源生产、CCHP 与储能协调运行对提高综合能源系统能源效率的影响规律。在运行经济评估方面，考虑国家对可再生能源相关政策的影响，拟采用不确定性与考虑资金时间价值的动态评价法。在灵活性评估方面，通过站内和站间负荷转移满足用户供电需求；分析外部输入电能、天然气、当地可再生能源等能源供给、能源存储在满足冷/热/电需求的可替代性及转换环节复杂性。
1. 4.3 3 综合 能源 配用电一体化规划系统研发
根据考虑多能流综合的一体化规划方法理论研究成果，开发综合能源配用电一体化规划系统。开展规划系统的需求分析、应用功能、硬件资源、面临问题，明确一体化规划系统功能需求，确定功能模块，研究并设计一体化规划系统整体架构，研究适用于一体化规划的数据结构和可视化展示技术，为一体化规划系统研发提供依据和基础。
该规划系统实现如下核心功能：包括考虑需求侧管理、负荷预测、新能源与考虑削峰填谷需求的储能定址定容、考虑冷/热/电联合规划的燃气轮机组定址定容、冷/热能供应梯级利用的管网规划、考虑含新能源、储能、需求侧管理等多种新兴元素影响的变配电站定址定容和网架规划等。在规划系统中构建上述核心功能模块，将理论研究固化成一体化规划软硬件系统，实现含多种可再生能源与清洁燃料发电、储能系统、需求侧管理等多种元素并考虑冷、热、电等多种能源形式的一体化规划。
4 1.4.4 综合 能源 配用电一体化规划设计方法
基于本项目一体化规划方法及系统的研究成果，采集工业园区实际工程信息，对规划研究方法和软件的各类参数与算法进行修正与完善。对规划中多能耦合比较、能源配置选址、能效评估等方面提供最新工程设计支持。以设计实例为
14 基础对规划方法和系统的各类模型参数进行改善。同时，将规划方法的研究成果与工程实际集成结合，从规划设计范围、规划原则以及边界条件、参数选定、计算方法、分析流程等方面，构造工业园区适用的分析模型与规划设计方法。对多能协同、配网规划、经济效益评价等方法进行改善，建立园区综合能源配用电系统的规划设计流程与规范。使得规划方法结果能够用于各类园区的实际规划与设计。
15 二、主体
1 2.1 考虑多能流综合的一体化规划方法
2.1.1 研究方案与方法
本项目从理论模型和实际系统两个方面，研究了包含各种能源转换设备（光伏、CCHP、燃气锅炉、热泵、电池储能、冰/水蓄冷、储热装置、空调、吸收式制冷等）的多能流综合的一体化规划方法。通过多能流转换与多能协同为可再生能源消纳提供基础。
1. 建立水蓄冷模型、吸收式制冷模型、转轮除湿复合式空调、蒸气压差发电模型。完成冷/热/气站位置和容量需求的协调规划方法研究。
2. 建立能源系统内各类装备的能流转换模型，形成综合能源系统包含各独立网络与所有装备的统一物理方程模型。构建所有能源转换装备元件的转换效率矩阵，描述不同类型能源的转换关系。构建置换矩阵，描述装备元件所处节点在各独立网络与整体能源系统网络的相对应关系。用矩阵方法进行系统化整体建模，用统一的方式描述不同类型能源的能量转换和流动，形成整体能源系统的物理方程约束。根据联合模型，实现多能流计算，融合随机规划方法，实现综合能源配用电系统的一体化规划。程序实现上，首先完成分布式能源与电池储能规划的算例计算分析，然后逐步将完善的各种能源转换设备模型添加至主程序。根据园区的输入数据作计算分析，将规划成果应用至工业园区。
构建满足能源与负荷供需匹配的模型，利用功率与能量平衡机理进行分布式能源、储能、变配电站、冷/热/气站与用户能源布局，提出多能流综合的随机规划方法，构建综合配电网架与冷/热/气管网。
完成园区规划方案主要包含：冷/热/电/气调研情况和总结、冷/热/电/气负荷预测、发电量及相应关口表计范围分析、电源规划、冰/水蓄冷容量规划、电池储能容量优化、电力网架规划和调整、管网规划和调整、能源转换设备规划、园区各企业用户的节能规划、投资估算与经济效益分析、规划成果分析。
2 2.1.2 多 能流建模与转换
能源系统之间的交互作用越来越多。如：燃气轮机、热电联供 CHP、热泵、
16 燃气锅炉、电热水器、电动汽车、冷/热/电储能、电解制氢、电制冷机、燃气制冷机、吸收式制冷机等同时在源荷侧的应用。
图 图 2：
：
天然气网、电网与区域供热网的相互作用示意图 表 表 1：
：
电网、区域供热网与天然气网 的物理状态变量类比 电力系统
区域供热
天然气网
电压功角 θ
压力 H
压力
有功 P
热功率 Φ
电压幅值| V |
供应温度 T s
无功 Q
返回温度 T r
电流 I
质量流量 (kg/s) 流速 (m3 /h) 构建置换矩阵，描述设备节点在各独立网络与整体能源系统网络的映射关系。
热电联产厂 微型热电联产 热泵 燃气锅炉 电网并网点
电解制氢 天然气网 电网 区域供热网 2 3 4 8 9 6 天然气网并网点 10 热负荷 燃用户侧热泵 5 电用户侧 燃气锅炉 7 气 电 热 能源转换设备的节点 不同能源网络中的节点 7 2 5 6 冷 3 4 1
17 图 图 3 ：综合能源冷/ 热/ 电/ 气交互示意图 根据连接冷/热/电/气的状况，能源转换设备 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 可以是燃气轮机、CHP、电制冷机、燃气制冷机、热泵、燃气锅炉与吸收式制冷机。热泵通过消耗少量的电能将空气或地下的热能转移提高到室内，跟冰箱的原理正好相反。
众多的能源技术和能源类型之间的耦合关系会构成一个复杂的能源网络。统计园区规划的所有能源转换设备，包括存量与增量。构建园区所有能源转换设备的转换表，描述不同类型能源的转换关系。
表 表 2 ：能源转换设备和能源类型的耦合关系 节点位置 设备类型 规划值（转换前）
规划值(转换后) 转换效率 光→电 气→电 气→热 气→冷 电→热 电→冷 热→冷 储电转换 鳌 头能 源站 CCHP
30MW
0.33 0.58
燃气锅炉 25t/h
万 力轮胎
光伏发电 12MW
空调 4.273MW
电池储能 0.6MW 1.2MWh
吸 收 式 制冷机 3489kW
1.41
水蓄冷 4.30 万 kWh
2.7
日立
光伏发电 3.5MW
空调 1.711+ 0.602MW
电池储能 0.3MW 0.8MWh
冰蓄冷 3.24 万 kWh
2.0
万 宝冰箱 光伏发电 6.92MW
电池储能 0.2MW 0.5MWh
万 洲电气 电池储能 0.5MW 1MWh
绿 安康饲 光伏发电 1.9MW
凯 茵橡胶 光伏发电 1.1MW
18 白 云山 制药厂 燃 气 锅 炉（备用）
20t/h
空调 0.407MW
从 万实业
兴 华电 镀厂
强 盛水 泥厂
华 夏学院 空 气 源 热泵
700kW
3.5
天然气的热值 。
电力系统潮流模型 电力系统的变量有电压幅值|V|(p.u.)，电压角 θ(rad)，有功功率和无功功率。
母线 i 的电压 V，公式如下所示：
(2-1) 其中，|V|(p.u.)是电压幅值，θ(rad)是电压角，j 是虚数单位。
母线 i 的电流，公式如下所示：
输出矩阵 : 电功率、热功率 输入矩阵 : 电功率、热功率、天然气流
能源转换设备节点电功率、热功率、天然气流的向量
节点电功率、热功率、天然气流在各个网络的向量 转换效率矩阵
多能分离 映射
Step 1) Step 2) Step 3) Step 4)
19
(2-2) 其中，Ne 是母线数；Y 是导纳矩阵。
母线 i 的复功率，公式如下所示：
(2-3) 其中，S 是复功率，P 是有功功率，Q 是无功功率。
供热系统热 流 模型 (1) 液压模型 ○ 1流的连续性 流的连续性是指流入一个节点的质量流量等于流出节点的质量流量与在节点损耗的流量。
公式如下所示：
(2-4) 其中，Ah 是热网络关联矩阵，下标 h 表示热网络。
是每个管道的质量流量。
是节点的质量流量，下标 q 表示节点变量。
○ 2水头损失 水头损失是指由于管道摩擦而引起的单位长度压力变化。循环压力方程是指在一个闭合的循环回路中，水头损失的总和必须等于零。
循环压力方程公式如下所示：
(2-5) 其中，Bh 是回路关联矩阵，hf(m)是水头损失。
每个管道的流量和水头损失之间的关系，公式如下所示：
20
(2-6) 其中，Kh 是每个管道的阻力系数。
(2) 热模型 热模型是用来确定每个节点的温度。有供水温度(Ts)，出口温度(To)和回流温度(Tr) 这三种不同温度。
○ 1热功率 热功率与质量流率有关，公式如下所示：
(2-7) 其中，Φ(MW)是热功率；Cp(J kg-1 °C-1)是水的比热，Cp = 4.182 × 10-3MJ kg-1 °C-1。
○ 2管道的出口温度 管道的出口温度，计算公式如下所示：
(2-8) 其中，Tstart(°C) 是管道起点温度，Tend(°C) 是管道终点温度，Ta 是环境温度(°C)；λ(W m-1 °C-1)是管道单位长度总传热系数；Lh(m)是管道长度；是每个管道的质量流率。
管道的出口温度等于管道进口温度的混合温度，公式如下所示：
(2-9) 其中， 是混合温度； 是流出管道的质量流率； 是管道进口温度； 是流入管道的质量流率。
天然气网 气流 模型 (1) 流的连续性
21 公式如下所示：
(2-10) 其中，Ag 是天然气网络的关联矩阵， 是每个管道的气体流速，下标 g 表示天然气网络。
是每个节点的气体流速，下标 q 表示节点变量。
(2) 循环压力方程 循环压力方程是指在一个闭合的循环回路中，压降总和必须等于零。公式如下所示：
(2-11) 其中，Bg 是天然气循环回路的关联矩阵， (bar)是每个管道的压降。
压降和每个管道的流量之间的关系，公式如下所示：
(2-12) 其中，Kg 是每个管道的阻力系数。
根据流的连续性公式，每个管道的压降 与压力 的关系，公式如下所示：
(2-13)
综合系统模型约束 用上述置换矩阵与转换效率矩阵进行系统化整体建模，并统一求解所形成的整体能源系统物理方程模型。基于上述电力系统的有功功率和无功功率，供热系统的液压方程和热功率方程，天然气网络的气压方程，综合系统的物理约束可以表示为
22
(2-14) 2.1.3 一体化规划架构
综合能源一体化规划指包含多能流、多能协同、考虑多能源系统不确定性、多能源与多负荷相关性、综合能源系统电网/热网/气网与能源转换装备的多能流转换、储能与用户侧负荷的可调特性、配用电系统主动管理的综合能源随机规划。
一体化规划方法是综合考虑所选区域内的电、热、气能源分布情况及负荷预测情况，以规划期内的总投资运行成本最小为目标，计及新能源发电、储能、负荷和线路的不确定性，建立基于随机机会约束规划的数学优化模型，对区域内的电站位置和容量、线路型号和接线进行规划的方法。一体化规划的输入为规划区域内的现状电网和能源参数、未来新能源和负荷出力的概率分布等参数，输出为新建变配电站的位置和容量、新能源和储能接入点的位置和容量、新建网架的结构和参数、总的投资和运行成本等结果。随机相关机会约束规划模型将多种不确定因素下系统的线路安全性满足概率作为约束，通过赋予不同的概率数值，得到具有不同可靠性水平的电源和网架规划结果，确保满足给定可靠性条件下实现整体经济性最优。规划模型中计及电、热、气能源在功率和能量的平衡和转化约束，考虑不同储能容量对电网投资运行成本和可靠性水平的影响，求解所建模型可得到的多个待选的优化规划方案，进而可对待选规划方案进行多指标评估，根据评估结果进一步选择最优的规划方案给后续设计使用。
本课题建立的综合能源一体化规划架构如下图所示：
23 用能分析电能 热能 冷能 气能能流转换冷 热电气负荷预测电负荷 热负荷 冷负荷 气负荷电源电站位置及容量规划储能规划 冷/ 热/ 气站规划 变电站规划 新能源规划管网规划电网规划 冷/ 热/ 气网规划规划评估和考核指标测算经济性 安全性 节能性调峰指标 外购电量指标方案满足评估考核指标 ？输出综合能源规划方案是否修正规划方案 图 4 综合能源一体化规划规划总体框架流程图 考虑不确定性的能源转换设备双层规划模型的总体建模思路可归纳为：上层规划模型用于确定规划方案（包括能源转换设备的安装类型、位置、容量和时间等），下层规划模型则用来确定综合能源系统在不同场景下的最优运行方式。模型可写成如下数学表达式：
24 min ,. .
0 min ,. .
, 0
, 0uulllstst 上层规划：下层规划：f E Xh Ef E Xh E Xg E X
式中：uf 和lf 分别为上、下层规划的目标函数； 0u h E 为上层规划模型的不等式约束，包括能源转换设备的待选节点安装容量上限约束、能源转换设备的渗透率约束、可靠性约束等； , 0l h E X 为下层规划模型的不等式约束，包括节点电压约束、支路功率约束、能源转换设备的出力约束、发电机的功率因数约束、无功补偿容量约束、有载调压变压器抽头约束和容量约束、切负荷量约束等； , 0l g E X 为下层规划的等式约束，包括多能流方程约束、能源转换设备出力的功率关系约束等。
智能算法是整个混合算法的框架，用于确定上层规划中能源转换设备的安装类型、位置、容量和时间等；在智能算法的每次迭代过程中，需要确定综合能源系统在每个场景中的最优运行方式。上层规划将能源转换设备的规划方案传递给下层，下层规划则在此基础上对每个场景的综合能源系统进行考虑主动管理措施的优化运行模拟，并将相应结果传递回上层，上层规划再利用下层规划传递来的结果计算目标函数值和适应度值，如此交替迭代直至收敛。
25 光伏、负荷等不确定性因素的建模和预处理输入规划基础数据：包括规划水平年、综合能源系统参数、冷/热/电/气负荷数据、贴现率、能源转换设备待选安装节点等求解算法输出能源转换设备规划方案多时段最优潮流法能源转换设备规划模型（双层）目标函数：综合费用最小或网损最小或收益最大约束条件：能源转换设备投资约束目标函数：各场景的网络运行费用最小或能源转换设备切除量最小或切负荷量最小约束条件：主动管理约束、电气限制上层规划模型下层规划模型求解算法智能优化算法、混合求解算法能源转换设备规划模型（单层）网损最小DG渗透容量最大DG发电量消纳最大能源转换设备容量约束潮流方程约束节点电压约束支路功率约束目标函数约束条件 图 图 4 ：综合能源系统 规划流程 综合能源系统中考虑不确定性的能源转换设备规划流程可以概括为如图 1-2所示。1）首先是输入规划的基础数据。2）其次是对不确定性因素进行建模和预处理。3）建立能源转换设备的规划模型：根据所考虑约束的特点，建立单层规划模型或者双层规划模型。4）根据所建立的能源转换设备规划模型的特点，寻找合适的算法对模型进行求解。5）输出最终的能源转换设备规划方案。
综合能源系统中考虑不确定性的能源转换设备的单层规划方法和能源转换设备的双层规划方法特点和对比如下所述：
能源转换设备的单层规划模型采用的基于内点法的多时段最优潮流法具有计算速度快的优点，但是该方法难以处理离散变量，故难以计及能源转换设备的安装容量的离散性约束。因此，该方法在应用中具有一定的局限性。
能源转换设备的双层规划采用了分层协调的思想，将能源转换设备的模型划
26 分为规划主问题和运行子问题，并采用交替迭代的思想对模型进行求解。能源转换设备双层规划模型的两类求解方法各有优缺点：智能算法具有编程易实现的优点，但是采用该方法求解能源转换设备的双层规划模型时，待优化变量非常多，尤其是当系统规模增大时，算法计算时间长、收敛速度慢且精度低，因此该求解方法具有一定的局限性；混合求解算法采用智能算法优化离散变量、用内点法优化连续变量，能够充分发挥各自的优点，是目前求解能源转换设备的双层规划模型较为有效的一种方法。
第一层模型是综合能源系统中能源转换设备的规划主问题，用于 确定能源转换设备的安装类型、位置和容量，目标函数是最小化年综合费用(包括能源转换设备投资费 C I 、能源转换设备运行维护费 C OM 、能源转换设备燃料成本 C F 和综合能源系统向上级电网购电费 C P )。约束条件包括待选节点能源转换设备装机容量约束、能源转换设备容量的离散性约束。第二层模型是 综合能源系统在每个场景的运行优化子问题，用于获得 综合能源系统 在每个场景下满足各种约束条件的最优运行方式；其中第二层模型用于优化综合能源系统在每个场景的网络结构，目标函数是使综合能源系统在场景 i(i=1~N s )的运行费最小化，约束条件包括潮流方程约束、节点电压约束、支路功率约束、能源转换设备的运行约束、OLTC的运行约束和可中断负荷的中断量约束，属于典型的最优潮流问题。
两层规划模型的参数传递关系为：
第一层规划模型将能源转换设备规划方案（能源转换设备 的类型 、 位置和容量 ）
传递给第二 层的运行子问题，第二层则在此基础上对 综合能源系统的 每个场景进行优化运行模拟，并将计算结果（每个场景的运行费）返回第一层，第一层规划再计算最终的目标函数值（年综合费用）。
27 能源转换设备和储能协调规划问题约束条件：
(1) 待选节点能源转换设备装机容量约束(2) 能源转换设备容量的离散性约束(3) DG渗透率约束目标函数：最小化年综合费给定储能出力情况下的综合能源网优化运行问题(1) 能源转换设备方案(2) 储能出力综合能源网在决策1下的运行费约束条件：(1) 能流方程约束(2) 节点电压约束(3) 支路电流约束(4) 能源转换设备的运行约束(5) 有载调压变压器的运行约束(6) 可中断负荷的中断量约束目标函数：最小化决策1下的综合能源网运行费... ...约束条件：目标函数：最小化决策i下的综合能源网运行费约束条件：目标函数：最小化决策N d 下的综合能源网运行费综合能源网优化运行问题——储能出力优化约束条件：
(1) 储能剩余电量约束(2) 储能充放电深度约束(3) 储能充放电率约束(4) 储能运行状态约束(5) 储能初始化约束目标函数：最小化综合能源网的日运行费能源转换设备和储能规划方案综合能源网日运行费综合能源网在决策i下的运行费综合能源网在决策N d 下的运行费(1) 能源转换设备方案(2) 储能出力(1) 能源转换设备方案(2) 储能出力给定储能出力情况下的综合能源网优化运行问题给定储能出力情况下的综合能源网优化运行问题(1) 能流方程约束(2) 节点电压约束(3) 支路电流约束(4) 能源转换设备的运行约束(5) 有载调压变压器的运行约束(6) 可中断负荷的中断量约束(1) 能流方程约束(2) 节点电压约束(3) 支路电流约束(4) 能源转换设备的运行约束(5) 有载调压变压器的运行约束(6) 可中断负荷的中断量约束
图 图 5 ：两层规划模型结构
2.2 基于 随机约束规划的配电网 网架 双层 规划 模型
（1）研究方案：
研究考虑不确定性因素的配电网规划方法，基于 2020 年示范园区内负荷、新能源和储能的预测结果，使用所提规划方法对示范园区进行不确定性因素建模和配电网架规划，得到满足负荷增长和新能源消纳要求的示范园区配电网架规划方案。
（2）研究方法：
本项目采用基于随机约束规划的随机优化方法进行研究。针对所研究问题，引入双层非线性理论，建立了基于随机约束规划和双层规划的配电网规划数学模 典型日的
优化运行子问题
规划主问题
28 型，其中，上层规划以配电网架投资费用最小为目标，以走廊最大架线条数和最大投资成本为约束。下层规划以配电网总运行费用最小为目标，运行费用包括系统的线损和电源出力成本，以潮流平衡方程作为等式约束，引入电压和线路潮流越限概率的限值约束作为不等式约束。通过上下层模型求解迭代过程中的参数传递，得到最优的配电网架规划方案。
（3）研究过程
本项目的研究过程如下：首先，根据预测结果，对示范园区内存在的各种不确定性因素进行建模，具体包括负荷的不确定性、电源出力和故障的不确定性、线路的不确定性等；其次，建立基于随机约束规划和双层规划的配电网规划数学模型，模型以系统的投资成本和运行费用总和最小为目标，同时考虑一定的电压线路越限概率数值；然后，使用改进的遗传算法求解所建立的规划模型，得到最优的示范园区配电网架规划方案，该方案能够满足示范园区负荷增长和新能源消纳的需求；最后，对所得规划方案进行指标评估，根据评估结果对规划方案进行修正，直到满足园区配电网经济性、可靠性和考核指标的要求。
（4）研究成果
已录用 EI 核心期刊论文（电力系统自动化）一篇，已撰写完成一项发明专利，近期将进行专利申报；
已完成示范园区配电网架基础数据的搜集和配电网架的等值简化，完成配电网架初始潮流的计算分析；
正在进行示范园区内配电网的规划计算和现场规划条件校核，完成后将提交考虑不确定性因素的示范园区配电网架规划方案。
2.2.1 配电网中不确定因素 的建模
对不确定性因素进行合理地建模是配电网中考虑不确定性的 DG 规划的基础。以下就适用于规划阶段的不确定性因素建模方面进行了综述。
风速和风电的不确定性 性 风速是影响风电出力的主要因素，风速的不断变化会使得风电的输出功率在0 到额定值之间波动。现有研究中用来描述风速的不确定性主要有三类模型：概率模型、模糊模型和区间模型。风速的概率模型包括 Weibull 分布、Rayleigh 分
29 布、Inverse Gaussian 分布和 Log Normal 分布等。其中，两参数 Weibull 分布是应用最广泛的一种，该分布的两个参数（尺度参数和形状参数）可通过对观测到的历史风速数据进行统计计算得到，常用的计算方法包括极大似然估计法、均值和方差估算法、最小二乘法等。风速的模糊模型以模糊数学理论为基础，采用三角模糊数和梯形模糊数等来描述风速的不确定性，主要适用于风速不具备统计性质的场合。风速的区间模型基于区间数理论，采用区间数来表征风速的不确定性，主要用于对风速预测结果不精确但在一定范围内准确时的场合。
研究风速分布的不确定性模型是为了确定风电的出力。风电的出力特性主要取决于风速，通常可用风电的切入风速、额定风速和切出风速三个参数来描述。当风速小于切入风速或大于切出风速时，风电的出力为 0；当风速大于额定风速且小于切出风速时，风电的出力可达额定值；当风速介于切入风速和额定风速时，风电的出力和风速之间的关系可近似为线性。
本次研究采用最广泛应用的两参数 Weibull 分布来描述风速 V 的不确定性，其概率密度函数为：
( 1)( ) expk kk V Vc c cf V
式中：k 和 c 分别表示 Weibull 分布的形状参数和尺度参数。
通常观测到的风速是距离地面 10 米高度的风速值 V 10 ，需要根据所选风电（wind turbine generator, WTG）机组的叶轮轮毂高度h，将V 10 折算至对应风速hV ：
171010hhV V
风电的有功输出功率WTGP 与风速hV 之间的关系可近似用以下分段函数表示：
0,
0
or
,
,
h hr hWTG WTG hrWTG hco cicir cir cir coV V V VV VP P V V VV VP V V V
式中：rWTGP 为风电的额定容量...
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