面向泛在電力物聯網的綜合能源系統規劃模型

劉敦楠，張婷婷，李華，齊彩娟，馬艷霞，張瑋琪，許小峰

面向泛在電力物聯網的綜合能源系統規劃模型

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.華北電力大學經濟與管理學院，北京市 昌平區 102206；2.國網寧夏電力有限公司經濟技術研究院，寧夏回族自治區 銀川市 750001）

泛在電力物聯網建設一個重要方面便是實現更多終端小微設備的接入，使得數據的獲取更加海量和多元化，實現數據流和能量流的深度融合，而綜合能源系統是泛在電力物聯網價值的重要實現形式。綜合能源系統在其規劃運行中涉及多種能源類型和海量數據，是一項復雜工程，因此面向泛在電力物聯網建設進行綜合能源系統的規劃思考，提出綜合能源系統規劃的可靠性、經濟性和區域差異性原則，建立了綜合能源系統規劃的基本模型，以及系統綜合效益評價指標體系，并對系統規劃運行的數據需求進行了分析，提出一套完整的綜合能源系統規劃思路方法。研究成果為我國綜合能源系統的建設和實施提供理論依據。

泛在電力物聯網(UPIoT)；綜合能源系統(IES)；綜合效益；規劃；模型

0 引言

泛在電力物聯網發展目標是實現電力系統各環節萬物互聯、人機交互，滿足人民美好生活用能需要。泛在電力物聯網的建設是基于互聯網思維，運用新一代信息技術，將電力發輸配用各環節相關設備泛在接入，實現信息的廣泛交互和充分共享[1-2]。綜合能源系統(integrated energy system，IES)通過對多能流進行多級利用和整體調度，能夠有效提升可再生能源消納率，提高綜合能源利用水平。通過建設泛在電力物聯網，可以實現終端設備廣泛接入，推動電網向能源互聯網轉型升級，并最終進一步推動綜合能源系統的發展[3]。

長久以來，化石能源隨著社會經濟快速發展而被過度開采利用，伴隨而來的是資源緊張、環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現可持續發展，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、相互補充的能源系統過渡。各國從政策層面對綜合能源系統發展與利用、綜合能源聯合優化調節以及帶動產業聯動發展給予了高度關注和支持。美國是最早開展區域綜合能源系統研究的發達國家之一[4]，并通過國會立法要求新建和改造的用戶側供能項目提交綜合能源規劃，否則不予實施。歐盟最早提出綜合能源系統的概念并將其付諸實踐，其制定的政策都體現出對綜合能源項目的重點關注與資金支持[5]。加拿大政府通過立法，將綜合能源系統建設搭載于智能社區建設，并在全國范圍內推廣，實現全民低碳、綠色的生活用能；澳大利亞政府通過宏觀政策引導市場資本投資方向，高效率地實現社區能源系統不斷進行優化升級，促進可再生能源大范圍安全消納；日本、韓國等政府積極引導居民自發構建可再生能源綜合利用項目，推廣智慧能源社區[6]。2016年7月4日，國家發展改革委、國家能源局《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》明確提出，通過建設終端一體化集成功能系統與風光水火儲多能互補系統[7]，提高綜合能源系統綜合效率。

綜合能源系統的規劃、運行和評價是綜合能源系統建設的關鍵支撐技術。文獻[8]對綜合能源系統中電-氣-冷-熱等多種能源的靜/動態耦合和相互約束關系進行了描述。文獻[9]將模糊集理論用于算法設計來處理熱電聯供系統的不確定性，并提供了一種優化聯供設備與燃氣鍋爐容量配置的系統。文獻[10-11]對各種供能單元和儲能單元的容量配置以及轉換關系進行優化。文獻[12]將電動汽車作為綜合能源系統規劃主體，建立了包含電動汽車充電系統的多目標協同規劃模型。在能源互聯網發展戰略下，學者們在綜合能源規劃與評估方面也進行了研究與探索。文獻[13]以初始投資與功率波動最小為目標函數，構建了一種優化系統配置的數學模型，并基于風光儲多能系統場景進行分析驗證。文獻[14]利用潮流分析法對包含水–天然氣–電的綜合能源系統中各元素最優配置比例進行了研究。

綜上所述，雖然國內外在綜合能源系統方面進行了大量的研究，但關于綜合能源系統規劃和評估并沒有形成過完善配套的理論思路。為此，本文在現有研究基礎之上，提出當前階段面向泛在電力物聯網的綜合能源規劃基本模型理論與評價指標體系，包括綜合能源系統從設計規劃原則、方法至運行評價所需考慮的影響因素及基本數學模型，能夠提供一套綜合能源規劃思路方法。

1 綜合能源系統規劃原則

1）可靠性。

保障能源的持續穩定供應是人們對能源系統最基本要求。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，綜合能源系統會涉及到風、光、氣、冷、熱、電等不同能源形式[15]，電、氣、熱、冷等多種負荷在物理上直接與綜合能源系統相連接，系統內部的設備種類更加多樣，相較于單一能源系統結構更加復雜[16]，因此確保綜合能源系統達到可靠性標準十分重要。

2）經濟性。

光伏和風電出力不確定性與波動性強，水電出力呈現較強的季節性等特性，使得綜合能源系統運行面臨極大的復雜性與不確定性。可再生能源與火電的互補效果在不同時期會存在明顯的差異性，如果系統容量配置較小，則系統的可控性弱，出力互補效果難以保證；而擴大容量配置將會抬高投資成本，影響系統整體收益率。因此應充分考慮經濟性與能源效率之間的平衡，在系統充分可控的基礎上實現較好的經濟性[17]。

3）區域差異性。

綜合能源這一能源開發利用模式具有較為明顯的區域差異性，是基于對所在地區的資源稟賦情況與負荷特性進行深入研究之后，充分利用當地優勢資源，結合實際情況設計最優綜合能源系統建設方案，通過不同能源的多種組合方式，達到滿足區域內服務對象的能源需求，并能夠在極大程度上減少能源消耗與污染物排放[18]。

2 綜合能源系統規劃基本模型

2.1 系統運行狀態表征模型

考慮可再生能源的高比例接入，本文對包含風、光、火電的綜合能源系統進行規劃設計，建立各元素出力及成本模型。

2.1.1 發電機組數學模型

1）風電數學模型。

風速直接決定風電機組的出力，機組輸出功率WT與風速之間關系為：

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

2）光伏數學模型。

其中：

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

2.1.2 成本模型

1）風電機組成本。

風電機組在綜合能源系統中的總運行成本包括單位運行維護費用和折舊。折舊是根據機組設備使用年限與各部分運行時間占比，將設備成本分攤到單位功率中去。風電的發電總成本為

2）光伏機組成本。

光伏發電在發電過程中無燃料消耗，只需考慮在系統運行過程中產生的運維費用和設備折舊費用。光伏機組成本可表示為

式中：PV為光伏在測量時間段D內的運行總成本；PV_op為機組的單位運維費用；PV_de為折算到單位功率的設備折舊；PV為光伏補貼。

3）火電機組出力成本。

2.2 綜合能源系統配置規劃模型

2.2.1 目標函數

本文基于風力、光照歷史數據根據中長期冷熱電負荷預測曲線，目標是使系統運行總成本最低的同時可再生能源消納量最大。

式中：sys為綜合能源微網系統一天的總運行成本；renew為可再生能源吸納量。

2.2.2 約束條件

為了使得函數目標能夠完成，還需要滿足以下約束條件：

1）火電機組出力約束。

2）機組爬坡約束。

式中：houi和houi分別是火電機組的爬坡速率與降坡速率。

3）功率平衡約束。

假設基于本地負荷簽訂的中長期合同的分解量，合理設置系統容量配置，使綜合能源系統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綜合能源系統出力不小于中長期合同分解負荷需求load：

4）供電可靠性約束。

供電可靠性約束指綜合能源系統在運行中要保證其穩定性與可靠性達到一定標準，參考相關文獻與數據，需要將系統安全運行可靠性控制在98%以上，其公式為

式中：run為在測量時間段D內系統正常運行的時間。

3 綜合能源系統綜合效益評價

3.1 經濟效益指標

隨著綜合能源系統推進，評估其綜合效益已經成為一項必須的工作，而建立綜合能源評價指標體系是開展評估的重要依據。結合綜合能源系統的概念與典型特征，從系統規劃、建設、運營等多個環節，從經濟、環境、社會3個角度，建立了一個多因子指標體系，如表1所示。

表1 綜合能源系統綜合效益評價指標體系

1）單位能耗利用指標。

能源利用效率是節能減排重要評價指標之一，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。

能源強度計算公式為：

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

2）萬元地區生產總值能耗降低率指標。

萬元地區生產總值能耗降低率是目前節能降耗考核的關鍵經濟性指標，計算公式為：

3.2 社會效益指標

1）人均綜合能耗。

人均綜合能耗反映一個地區能源消費水平，它可以反映一個地區能效管理水平，將該指標用于綜合能源系統可以使能效管理更加精細化。計算公式如下：

2）非化石能源消費占比。

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

3.3 環境效益指標

3.3.1 污染物減排評價指標

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量來統一度量各類氣體產生的溫室效應增強程度。

2）單位地區生產總值二氧化碳排放量。

3）單位地區生產總值二氧化碳排放量降 低率。

3.3.2 主要污染物排放指標

1）單位地區生產總值化學需氧量排放量。該指標指化學需氧量排放總量與地區生產總值之比，即

2）單位地區生產總值二氧化硫排放量。

3）單位地區生產總值可吸入顆粒物(PM10)排放量。

4）單位地區生產總值氮氧化物排放量。

4 綜合能源系統規劃運行數據需求分析

泛在電力物聯網的主要內容之一是推動感知層的建設，其主要價值是可以實現更多終端設備乃至元件的接入，不僅僅是電力系統設備元件，而是集合了包括電、冷、熱、氣等各類能源子系統的終端設備，末端信息采集后由數據層進行歸集處理和管理，實現能源流與信息流融合，從而打破能源壁壘，其部署建設將推動電網向能源互聯網升級，推動綜合能源系統的發展，可以說泛在電力物聯網的延伸也落腳于綜合能源系統。

同時，綜合能源系統的合理規劃與高效運行不僅僅對能源數據有較高的要求，還在氣象、社會經濟等方面提出了數據需求。為支撐上文構 建的綜合能源系統初步建設規劃，梳理了綜合能源系統規劃與運行數據需求，如表2所示。

表2 綜合能源系統規劃與運行數據需求

由表2可知，綜合能源系統進行規劃運行所需數據種類多樣、涵蓋范圍廣，涉及能源行業、氣象、能源營銷服務等數據，但當前尚處于泛在電力物聯網部署初期，智能檢測滲透率不高，難以獲得理想數據，給本文模型實例驗證帶來困難。進一步的研究則需要獲取足量的完整數據，基于對用戶實行用戶畫像，進行聚類分析的基礎，從而實現源網荷儲一體化互動；另一方面，不同能源行業之間要實現數據資源的共享，破除數據壁壘才能實現橫向多能互動，達到能源綜合利用效果，支撐綜合能源系統的初步規劃與運行。

5 結論

面向泛在電力物聯網進行綜合能源系統規劃思考，從綜合能源系統規劃需要遵守的原則、系統規劃設計時的基本模型方法，到綜合能源系統綜合效益評價體系，提出了一套完整的綜合能源系統規劃思路方法，旨在為我國綜合能源系統建設落地提供理論支撐。但在研究中假設系統沒有外部能源進入，且僅僅是基于可預測負荷分解，尚未考慮用戶側對多種能源需求，根據檢測數據對客戶進行聚類分析，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的運行設計，對系統內部組件容量配置比例進行規劃，并提出一套綜合能源系統規劃的模型，下一步需要基于開放的能源系統豐富能源供應來源，完善系統規劃模型，并基于所提出的數據需求獲取實驗數據來實現對模型的驗證。

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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。

高等學校學科創新引智計劃(B18021)。

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

劉敦楠(1979)，男，博士后，副教授，主要研究方向為電力市場、能源互聯網，liudunnan@163.com；

劉敦楠

張婷婷(1997)，女，碩士研究生，研究方向為能源互聯網，本文通信作者， ztt18810113851@126.com。

張婷婷

(責任編輯 辛培裕)