一种能源系统与管网布局联合优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种能源系统与管网布局联合优化方法，包括以下步骤：S1：建立目标区域内的特征日的冷、热和电负荷模型；S2：根据负荷模型得出的负荷结果数据，将目标区域内各个节点的能量供需链进行集成，建立管网模型；S3：根据负荷模型和管网模型，选择发电技术设备、辅助功能技术设备和储能技术设备，构建分布式综合能源系统的能量生产与传输体系，并对其中所有的技术设备进行数学建模；S4：根据影响因子，构建系统模型的寻优运算空间；S5：根据目标区域内的评价指标，通过熵权法将系统模型的多目标函数加权转化为单一目标函数。本发明专利技术提供了一种能够对技术选型、容量配置、设备选址、实时调度、管网设计及系统能流进行联合设计决策的优化方法。

【技术实现步骤摘要】
一种能源系统与管网布局联合优化方法
本专利技术涉及分布式联供与管网布局系统工程领域，尤其涉及一种能源系统与管网布局联合优化的方法。
技术介绍
能源危机与环境问题日益成为经济发展与社会进步不可忽视的问题。传统的大型集中式能源系统远距离传输供能方式忽略了供需负荷间的匹配性,不利于能源效率、经济性与环境友好性的提升。为了解决这些问题,亟需发展更为高效、经济、环保的供能系统。冷热电多联产(Combinedcoolingheatingandpower，CCHP)作为先进的梯级综合能源系统，集高效、经济、环保优势于一身，更是作为对当前大机组、大电网的有益补充。冷热电多联产系统梯级利用多品质能源，藕合热电联产技术、余热回收系统、制冷与供热技术，将发电、供热及制冷过程协调一体化，分级利用不同品位的热能，其中高品位用以发电、低品位用以供热或制冷；该能源系统能够显著地提高能源综合利用效率，明显地减少能源浪费，并有效地降低高温乏汽直接排出给环境造成的污染，具有良好的节能性能、经济价值及环境效益。冷热电多联产技术为基于用户侧的综合能源系统改造提供解决方案，倡导耦合多项分布式产能技术及多项辅助供能技术并对其协调控制以实现优化调度。其中，分布式产能技术包含燃气轮机、燃气内燃机、燃料电池及可再生能源发电技术等；辅助供能技术包含辅助供热/制冷技术及储能技术，供热/制冷技术包含燃料锅炉、热泵、地源热泵、电制冷空调及溴化锂吸收式制冷机等，储能技术包含蓄电池、冰蓄冷空调及储罐等。供给侧与需求侧的能源匹配不应局限于小范围内的配置，分布式冷热电多联产综合供能系统作为一种新型的先进发电方式，可以针对具有一定能源负荷规律且多种能源消耗差异明显的建筑进行联合设计，是解决大区域能源规划问题的有效途径。冷热电多联产系统通过在靠近配电网或用户侧的周边就近发电以减小电网传输损耗，并将能量通过管网系统传输到周边用能区域，具有低投资、高效率、降损耗及环保性等优点，尤其在电力负荷峰时比集中供电更经济高效；其有效规划，即对能源系统中产能设备的选址及协调控制，将使得区域能源网络中的总体能耗得到有效降低。大区域分布式冷热电多联产系统性能优劣极大程度地依赖于CHP电站选址、管网传输设计、技术设备容量配置及其实时调度策略，故应在匹配能源负荷需求且实现预期经济效益、环境效益指标的前提下确定可行的最佳优化布局决策方案。目前，国内外关于分布式能源系统的科学研究大多数集中表现为针对单一耗能建筑的负荷规律计算，研究单一负荷规律区域的简单设计及单一冷热电多联产系统的运行策略，旨在以节约一次能源、降低温室气体排放、减少热损失及提升经济性为主要目标函数，在基于包含多种耗能规律的大区域分布式能源系统的联合设计以及管网能流传输系统布局的方面研究较少，但在整合大区域多能源负荷集成的综合分布式冷热电多联产系统时，技术选型、容量配置、设备选址、实时调度、管网设计及系统能流之间的权衡十分重要。在优化方法的选取上，随机试验法、内点罚函数法、外点罚函数法与序列二次规划法等直接或间接优化方法，以及局部搜索、模拟退火、遗传算法和人工神经网络优化算法等传统智能优化方法通过模拟抽象得到符合一定规律的数学模型，可以解决一定范围内的复杂工程实践，但其随机搜索的性质决定了慢速计算的缺陷，与规划的时效要求相冲突。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术一种能源系统与管网布局联合优化方法，目的在于提供一种能够对技术选型、容量配置、设备选址、实时调度、管网设计及系统能流进行联合设计决策的优化方法，为大区域分布式综合能源系统布局提供解决方案。该方法不仅良好地改善了传统区域能源规划方式的时空局限性，而且能够实现多负荷规律集成的大区域综合能源系统的联合设计与布局优化，进一步改善供给侧与需求侧之间的能源匹配。把一个大区域分布式能源系统划分为更小单元，在小单元内和小单元间将能源需求波动、技术初始组合与后期更新投资之间的相互作用进行全局考量，针对具有逐时冷、热、电负荷时序模型的小单元区域进行分布式供能系统设计，依据区域综合能源系统总体规划目标拟定系统产能技术的组成，优化产能设备的台数，配置产能设备的额定容量，设计联供系统的位置布局，搭建能流管网的最佳架构，设定产能设备的运行操作。本专利技术综合考虑大区域能源系统的经济指标、节能指标以及环保指标，利用通用代数建模软件GAMS(TheGeneralAlgebraicModelingSystem)搭建数学模型，采用熵权法处理多目标计算方法，合理地、准确地、快速地实现大区域分布式综合能源系统设计与运行优化的最优解决方案。具体方案如下：一种能源系统与管网布局联合优化方法，包括以下步骤：S1：建立目标区域内的按季节划分的特征日的冷、热和电负荷模型；S2：根据负荷模型得出的负荷结果数据，将目标区域内各个节点的能量供需链进行集成，建立管网模型，所述管网模型包括节点内管网能量流控制模型和节点间管网布局模型；S3：根据负荷模型和管网模型，选择发电技术设备、辅助功能技术设备和储能技术设备，构建分布式综合能源系统的能量生产与传输体系，并对其中所有的技术设备进行数学建模，构建系统模型；S4：根据影响因子，构建多联产系统运行的能量守恒约束条件和边界条件，构建系统模型的寻优运算空间；S5：根据目标区域内的评价指标，通过熵权法对多目标的权重进行赋值，将系统模型的多目标函数加权转化为单一目标函数。进一步的，步骤S1中负荷模型的建立方法为：通过目标区域内的各个节点的建筑的围护结构特征来建立负荷模型，所述目标区域内各个节点的建筑的围护结构的冷、热负荷计算的数学模型为：上式中，下标i表示大区域中的小地址单元；下标e表示建筑围护结构；下标y,s,h分别表示年，季节，小时；EL表示i节点逐时冷、热负荷；A、U分别表示各围护结构的面积与传热系数；Cw表示通风系数；Tin为室内设计温度，Tout为室外逐时温度。进一步的，步骤S2中的管网模型采用如下所示数学模型：上式中，下标i’表示节点i附近的一个节点；MP表示节点间管网中的能流；MT表示技术设备产生的能流，MB表示输送给各节点的能流；DE表示节点内管网中的能流；Cp表示水的比热容；ΔT表示供给侧与管网回水之间的温差；HL表示管网传输的能量损失；D表示两个节点质心间的直线距离；τ为曲折因子，其值为曲折路径与其欧几里德距离的比值；κ表示供能管道的损失百分比；δ表示持续时间；X和XP均为二进制变量，从施工开始起X的价值为1，管网完工时起XP的价值为1，以保证管道投资成本计算正确。进一步的，步骤S3中所述发电技术设备包括CHP电厂和可再生发电技术，所述可再生发电技术包括光伏发电板、太阳能集热器和风力发电机；所述辅助功能技术设备包括燃料锅炉、电制冷空调、换热器、地源热泵和溴化锂吸收式制冷机；所述储能技术设备包括蓄电池、冰蓄冷空调和储罐。进一步的，所述CHP电厂的数学模型通过负载因子模型表征如下：上式中，下标ch表示技术类型CHP电厂；OE、ER则分别表示CHP技术的实际运行容量与额定最大容量；f为负载因子。进一步的，所述CHP电厂中的主要技术燃气轮机采用如下所示的数学模型：上式中，IE为i节点的CHP机组对应时刻输入燃料总能量；NSPy为运行年份的个数，OE与OQ分别表示CHP发电机出力以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立目标区域内的按季节划分的特征日的冷、热和电负荷模型；S2：根据负荷模型得出的负荷结果数据，将目标区域内各个节点的能量供需链进行集成，建立管网模型，所述管网模型包括节点内管网能量流控制模型和节点间管网布局模型；S3：根据负荷模型和管网模型，选择发电技术设备、辅助功能技术设备和储能技术设备，构建分布式综合能源系统的能量生产与传输体系，并对其中所有的技术设备进行数学建模，构建系统模型；S4：根据影响因子，构建多联产系统运行的能量守恒约束条件和边界条件，构建系统模型的寻优运算空间；S5：根据目标区域内的评价指标，通过熵权法对多目标的权重进行赋值，将系统模型的多目标函数加权转化为单一目标函数。

【技术特征摘要】
1.一种能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立目标区域内的按季节划分的特征日的冷、热和电负荷模型；S2：根据负荷模型得出的负荷结果数据，将目标区域内各个节点的能量供需链进行集成，建立管网模型，所述管网模型包括节点内管网能量流控制模型和节点间管网布局模型；S3：根据负荷模型和管网模型，选择发电技术设备、辅助功能技术设备和储能技术设备，构建分布式综合能源系统的能量生产与传输体系，并对其中所有的技术设备进行数学建模，构建系统模型；S4：根据影响因子，构建多联产系统运行的能量守恒约束条件和边界条件，构建系统模型的寻优运算空间；S5：根据目标区域内的评价指标，通过熵权法对多目标的权重进行赋值，将系统模型的多目标函数加权转化为单一目标函数。2.根据权利要求1所述的能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于：步骤S1中负荷模型的建立方法为：通过目标区域内的各个节点的建筑的围护结构特征来建立负荷模型，所述目标区域内各个节点的建筑的围护结构的冷、热负荷计算的数学模型为：上式中，下标i表示大区域中的小地址单元；下标e表示建筑围护结构；下标y,s,h分别表示年，季节，小时；EL表示i节点逐时冷、热负荷；A、U分别表示各围护结构的面积与传热系数；Cw表示通风系数；Tin为室内设计温度，Tout为室外逐时温度。3.根据权利要求1所述的能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于：步骤S2中的管网模型采用如下所示数学模型：上式中，下标i’表示节点i附近的一个节点；MP表示节点间管网中的能流；MT表示技术设备产生的能流，MB表示输送给各节点的能流；DE表示节点内管网中的能流；Cp表示水的比热容；ΔT表示供给侧与管网回水之间的温差；HL表示管网传输的能量损失；D表示两个节点质心间的直线距离；τ为曲折因子，其值为曲折路径与其欧几里德距离的比值；κ表示供能管道的损失百分比；δ表示持续时间；X和XP均为二进制变量，从施工开始起X的价值为1，管网完工时起XP的价值为1，以保证管道投资成本计算正确。4.根据权利要求1所述的能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于：步骤S3中所述发电技术设备包括CHP电厂和可再生发电技术，所述可再生发电技术包括光伏发电板、太阳能集热器和风力发电机；所述辅助功能技术设备包括燃料锅炉、电制冷空调、换热器、地源热泵和溴化锂吸收式制冷机；所述储能技术设备包括蓄电池、冰蓄冷空调和储罐。5.根据权利要求4所述的能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于：所述CHP电厂的数学模型通过负载因子模型表征如下：上式中，下标ch表示技术类型CHP电厂；OE、ER则分别表示CHP技术的实际运行容量与额定最大容量；f为负载因子。6.根据权利要求5所述的能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于：所述CHP电厂中的主要技术燃气轮机采用如下所示的数学模型：上式中，IE为i节点的CHP机组对应时刻输入燃料总能量；NSPy为运行年份的个数，OE与OQ分别表示CHP发电机出力以及排出烟气可利用热值；ηel与ηth分别表示CHP机组的实时电效率与热效率；a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4分别为对应参数。7.根据权利要求4所述的能源系统与管网布局联合优化方法，其特征在于：所述光伏发电板采用如下所示的数学模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵英汝，郑徐跃，朱兴仪，詹翔燕，邱雨微，李宁，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35