考慮負荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法

姚志力 王志新

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 200240）

0 引言

經(jīng)濟高速發(fā)展推動著能源利用規(guī)模不斷擴大，能源危機問題愈發(fā)嚴重[1]。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已成為當今各國解決能源供需平衡的重要戰(zhàn)略舉措之一。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cooling, Heating and Power, CCHP）能夠?qū)崿F(xiàn)多能供應(yīng)，并提高能量利用效率，是能源系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。建設(shè)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)對于推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義[2-3]。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要包括供能站點、配送網(wǎng)及冷熱電負荷。集中供能站通過能源產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和存儲為用戶供給能量，需根據(jù)負荷水平進行容量優(yōu)化配置；配送網(wǎng)絡(luò)通過輸送管道連接供能站與冷熱負荷，具有復雜的拓撲結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇。由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)劃受能源站站址、供能范圍、管道布局和負荷水平及其分布等多因素影響，因此，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)劃需綜合考慮各因素的影響，最大程度地節(jié)約投資成本，提高區(qū)域系統(tǒng)經(jīng)濟性。

目前，國內(nèi)外對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的站網(wǎng)配置布局進行了相關(guān)研究，大致分為兩類：①給定供能站點，優(yōu)化站點供能區(qū)域內(nèi)的設(shè)備選型定容或管網(wǎng)布局；②同時優(yōu)化待規(guī)劃區(qū)域內(nèi)供能站點及其供能范圍和各站點選型定容或管網(wǎng)布局。在給定站點站址下，文獻[4-8]對管網(wǎng)布局進行優(yōu)化，其中，文獻[4-5]構(gòu)建能源管網(wǎng)數(shù)學模型，綜合考慮冷、熱負荷變化對于管網(wǎng)投資及運營成本的影響，以管網(wǎng)建設(shè)綜合成本最小為目標，采用遺傳算法（Genetic Algorithm, GA）對系統(tǒng)管徑選擇問題進行優(yōu)化求解；文獻[8]基于給定的電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，提出單熱源、熱力管網(wǎng)及熱網(wǎng)與電力網(wǎng)絡(luò)接入點的協(xié)同規(guī)劃方法，但該文未考慮多熱源情況下，不同熱源供能范圍間的協(xié)調(diào)問題。文獻[9-14]對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點設(shè)備配置進行優(yōu)化，其中，文獻[9]考慮到多微網(wǎng)系統(tǒng)之間的電能交互問題，以系統(tǒng)年化總成本和運行成本最低為目標求解多微網(wǎng)設(shè)備選型定容問題；文獻[11]提出多能源網(wǎng)絡(luò)與能量樞紐聯(lián)合規(guī)劃模型，同時考慮下層若干能量樞紐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和上層能源網(wǎng)絡(luò)的拓展規(guī)劃；文獻[14]提出以配電網(wǎng)內(nèi)多個光儲微電網(wǎng)的日運行成本和總成本為目標的雙層優(yōu)化配置方法。

然而，上述文獻均是對單個冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行的設(shè)備配置優(yōu)化或管網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化，未涉及區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)的整體規(guī)劃。文獻[15]提出了“智慧綜合能源系統(tǒng)”構(gòu)想，雖然構(gòu)建計及交通流量的多綜合能源站點選址和選型定容優(yōu)化模型，但未考慮區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)布局優(yōu)化。文獻[16]研究對象為區(qū)域內(nèi)多個冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，但其僅研究區(qū)域內(nèi)考慮負荷特性的管網(wǎng)最優(yōu)布局規(guī)劃，未涉及區(qū)域內(nèi)站點選型定容配置優(yōu)化問題。文獻[17]雖對供能系統(tǒng)進行站網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃，但其僅研究如何實現(xiàn)供能站點間的互聯(lián)協(xié)同與互補互濟。由于供能站點及其配置與管道布局密切相關(guān)，因此在區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃中需考慮站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化問題。

針對上述問題，本文充分考慮區(qū)域內(nèi)負荷的時空特性，對區(qū)域內(nèi)站點數(shù)量、選址和設(shè)備選型定容，供能網(wǎng)絡(luò)布局、管道選徑進行統(tǒng)一的交替協(xié)同優(yōu)化。首先，根據(jù)供能站供能半徑確定新建站點數(shù)量，基于區(qū)域內(nèi)負荷的空間分布特征，采用改進p-中位優(yōu)化模型建立了區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供站點選址和供能范圍劃分模型；其次，基于區(qū)域內(nèi)負荷的時序互補特性，考慮多能流耦合和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，提出基于Prim 算法的管道建設(shè)最小樹網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，結(jié)合供能范圍內(nèi)的負荷特性進行管徑優(yōu)化；再次，在確定的供能站網(wǎng)方案下，基于冷熱電聯(lián)供站、網(wǎng)規(guī)劃間的相互作用，以區(qū)域站網(wǎng)年化總成本最低為目標對冷熱電聯(lián)供站點的設(shè)備選型定容和管網(wǎng)布局選徑進行交替協(xié)同優(yōu)化，采用GA 求解各供能站點設(shè)備選型問題。對待規(guī)劃區(qū)域進行算例分析，仿真結(jié)果表明，考慮負荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)負荷在時空尺度上的峰谷轉(zhuǎn)移，改善負荷分配不均現(xiàn)象，優(yōu)化系統(tǒng)整體經(jīng)濟性，提高設(shè)備和管網(wǎng)的利用率。

1 考慮負荷特性的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

1.1 改進p-中位站點優(yōu)化模型及供能范圍劃分

1.1.1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)新建站點數(shù)量范圍確定

在區(qū)域供能范圍劃分中，首先需要確定區(qū)域內(nèi)新建冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集中供能站點數(shù)量NS。區(qū)域供能設(shè)備集中度越高，越有利于減少區(qū)域內(nèi)整體設(shè)備投資費用，但同時供能管道長度也將增大，管道投資建設(shè)費用、能源損失等也越高。綜合考慮規(guī)劃區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點整體設(shè)備投資費用及整體管網(wǎng)投資建設(shè)費用，結(jié)合文獻[18-19]，提出通過集中供能站的供能半徑衡量站點的供能能力，并據(jù)此確定規(guī)劃區(qū)域內(nèi)新建冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集中供能站點數(shù)量范圍[Nmin,Nmax]，即

式中，S為規(guī)劃區(qū)域面積；rmin和rmax分別為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點的最小、最大供能半徑；[]表示四舍五入取整。

1.1.2 確定站點及供能范圍的改進p-中位模型

在對區(qū)域內(nèi)站點選址問題中，對于一個無向帶權(quán)地理信息網(wǎng)絡(luò)圖G(R,B,M)， 其中點集R={r1,r2,...,rn}表示區(qū)域內(nèi)道路節(jié)點， 邊集B={b(ri,r j)ri,rj∈R} 表示區(qū)域內(nèi)各道路節(jié)點間形成的道路，權(quán)重集M={m(ri,r j)b(ri,rj)∈B} 表示每條道路的權(quán)重，p-中位模型能夠在道路點集R中找到一個子集Rp，使得道路節(jié)點集合Bp到Rp中的距離之和最小。在區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點選址過程中，區(qū)域內(nèi)包括多種類型的負荷，各類負荷在空間分布上具有隨機性，同時各個負荷點的冷熱負荷需求水平不一，為實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)最優(yōu)站點選址及其供能范圍劃分，通過綜合考慮負荷節(jié)點的冷熱負荷水平，同時選擇合適的距離計算函數(shù)來改進p-中位模型，使得區(qū)域內(nèi)所有站點到其供能范圍內(nèi)的負荷節(jié)點的負荷與距離乘積之和整體最小，改進p-中位模型為

式中，Z為區(qū)域能距；Bi為供能區(qū)域i內(nèi)的負荷點集合；αij為負荷j的供能站點0-1 判斷變量，0 表示供能站點非供能區(qū)域i，1 表示為供能站點為供能區(qū)域i；L(ci,cj)為近鄰算法中采用的對于兩個n維向量ci=[c i1,ci2,… ,cin]和cj=[c j1,cj2,… ,cjn]的距離判別指標[20]，由于冷熱電聯(lián)供站點和負荷的坐標向量為兩個具有相同權(quán)重的變量，且路徑的選擇不會影響負荷到站點的最短距離，因此距離指標選擇Manhattan 距離；ej,k為負荷j的負荷需求量，k表示冷負荷和熱負荷。負荷需求量和負荷與站點距離指標為不同量綱物理量，需標準化處理。

1.2 基于Prim 算法的區(qū)域管網(wǎng)最小樹生成

復雜連通圖的最小生成樹為包含n個節(jié)點且連通加權(quán)距離最短的連通圖，可確定區(qū)域內(nèi)最佳道路管網(wǎng)布局。目前成熟的最小樹生成算法有Kruskal 算法[21]、Prim 算法[22]等?？紤]本文需要在供能范圍內(nèi)以冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集中供能站點為頂點確定管網(wǎng)最小生成樹，因此提出了基于Prim 算法的管網(wǎng)最小樹生成方法。采用Prim 算法搜尋道路節(jié)點最小生成樹，具體實現(xiàn)步驟如下：

1）以一個冷熱電集中供能站點為頂點，根據(jù)

1.1.2 節(jié)確定其供能范圍，劃分出其供能范圍內(nèi)的道路節(jié)點集R和道路邊集B，根據(jù)道路長度設(shè)置道路權(quán)重集M，頂點鄰近最短邊選為初始邊。更新已選負荷集合Lchose和已選道路集合Bchose。

2）篩選出已選道路鄰近關(guān)聯(lián)道路集合Bnear。

3）按照道路權(quán)重對關(guān)聯(lián)道路集合Bnear進行排序，依次選擇其中權(quán)重最小的道路，判斷其是否包含已選負荷、已選道路或者與已選道路構(gòu)成回路，若是，則放棄該條道路，否則將該道路加入已選道路，新增負荷納入已選負荷集合。

4）重復步驟2）、步驟3），直至已選負荷集合包括供能范圍內(nèi)的所有負荷。

5）根據(jù)生成的最小樹和就近原則判斷供能范圍內(nèi)每個負荷的接入道路節(jié)點集合K。

6）更新區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集中供能站點，重復步驟1）～步驟5），直至區(qū)域內(nèi)的所有子供能范圍均已生成最小樹為止。

1.3 考慮負荷特性的管網(wǎng)管徑優(yōu)化方法

考慮到我國自然環(huán)境特征，為實現(xiàn)全年溫度調(diào)節(jié)，供能管道通常采用“四水管系統(tǒng)”，即：冷、熱兩條供水管和冷、熱兩條回水管，具有負荷調(diào)節(jié)能力強、運行操作簡單等特點。但是，“四水管系統(tǒng)”初始投資較大且管道占用空間大，按照傳統(tǒng)以最大設(shè)計負荷確定管道管徑的方法不利于管道經(jīng)濟運行，且利用效率較低。而各規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的負荷類型通常包含多種類型的負荷，其中主要包括居民和行政負荷等。而不同類型的負荷，其冷/熱負荷的日負荷特性表現(xiàn)有所不同，行政負荷的冷/熱需求主要集中于白天時段；居民負荷的冷/熱需求集中于夜間時段；由此可見，居民負荷和行政負荷具有一定的時序互補特性，可以通過用能峰谷相互錯開，有效提高綜合能源站設(shè)備及管網(wǎng)的利用效率，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的經(jīng)濟建設(shè)，避免建設(shè)規(guī)模過大。因此，本文提出依據(jù)不同類型負荷互補特性引入負荷加權(quán)因子ω實現(xiàn)管網(wǎng)經(jīng)濟性最優(yōu)，以熱負荷的供回水管道優(yōu)化為例，具體如下所示：

1）計算各道路長度d，根據(jù)接入道路節(jié)點集合K確定該道路接入負荷情況。

2）負荷j在t時段的熱負荷需求流量為

4）更新各負荷點的負荷加權(quán)因子，重復步驟2）、步驟3），直至遍歷所有時間段，輸出可以滿足各時段負荷水平的最優(yōu)管網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果。

5）根據(jù)最優(yōu)管網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果確定管徑D。由于負荷加權(quán)因子是具有時序變化規(guī)律的隨機變量，因此需要采用機會約束規(guī)劃處理約束條件和目標函數(shù)，則上述模型可轉(zhuǎn)換為

2 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)選型定容優(yōu)化設(shè)計

2.1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)建模

圖1 所示為典型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備包括燃氣輪機（Gas Turbine, GT）、余熱回收裝置（Heat Recovery Boiler, RB）、燃氣鍋爐（Gas Boiler,GB）、溴化鋰制冷機組（Absorption Cooler, AC）、電制冷機（Electric Cooler, EC）、儲熱設(shè)備（Heat Storage Equipment, HSE）和儲冷設(shè)備（Ice Storage Equipment,ISE）等設(shè)備[23]。采用“以熱定電”的運行模式，燃氣輪機產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)余熱回收裝置回收，輸送給溴化鋰制冷機組和熱交換器分別滿足用戶的冷、熱負荷需求；若用戶冷負荷需求未能滿足，則可由儲冷設(shè)備和電制冷機為用戶繼續(xù)供冷，多余冷量由儲冷設(shè)備儲冷；若用戶熱負荷需求未能滿足，則可由燃氣鍋爐和儲熱設(shè)備為用戶繼續(xù)供熱，多余熱負荷由儲熱裝置儲熱；燃氣輪機可直接滿足用戶電負荷需求，也可以向電網(wǎng)售電獲得經(jīng)濟效益。

2.2 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)選型定容數(shù)學模型及求解

2.2.1 選型定容設(shè)計變量

在對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備定容選型建模中，本文選取設(shè)備臺數(shù)Aij為設(shè)計變量，Aij為第i類設(shè)備中的第j種設(shè)備類型的臺數(shù)，若該設(shè)備未被選中則= 0。

2.2.2 選型定容設(shè)計目標以區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)整體年化總成本C最低為目標，即

2.2.4 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)選型定容求解

由于各供能子區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備選型定容屬于離散變量設(shè)計問題，可采用遺傳算法中的染色體對設(shè)備類型及其臺數(shù)進行編碼，通過種群選擇、變異、交叉操作產(chǎn)生新種群，迭代優(yōu)化當結(jié)果收斂時搜尋到全局最優(yōu)解，得到該子區(qū)域最優(yōu)設(shè)備配置結(jié)果反饋給區(qū)域整體配置情況，區(qū)域優(yōu)化結(jié)果作用于子區(qū)域的供能范圍劃分，當區(qū)域整體結(jié)果收斂時得到區(qū)域最優(yōu)解。

3 區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集中供能站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計思路

區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)劃是在待規(guī)劃區(qū)域內(nèi)選擇合適的新建冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集中供能站點，并確定其供能范圍內(nèi)的管道鋪設(shè)布局，使得區(qū)域內(nèi)站網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟效益最優(yōu)。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點的投資成本與負荷需求密切相關(guān)，若供應(yīng)范圍內(nèi)負荷點越多，負荷需求越大，建設(shè)成本越高，但從區(qū)域站網(wǎng)建設(shè)總成本來看，其負荷需求固定，設(shè)備集中度越高，其經(jīng)濟性表現(xiàn)越好。

基于第1 節(jié)考慮負荷特性的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計和第2 節(jié)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)選型定容優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型，提出區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集中供能站網(wǎng)協(xié)同雙層交替優(yōu)化設(shè)計方法，即：

1）上層基于改進p-中位模型優(yōu)化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點及其供能范圍，采用Prim 算法考慮不同類型負荷之間的時序互補特性和隨機性優(yōu)化管道建設(shè)路徑及管徑，下層在確定的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點方案下，采用GA 迭代優(yōu)化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點的設(shè)備選型定容模型。

2）上層冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點及供能范圍結(jié)果作用于下層數(shù)學模型的約束條件，下層設(shè)備配置優(yōu)化結(jié)果反饋至上層，更新冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點選擇，通過上下層的交替優(yōu)化實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)站網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟性協(xié)同最優(yōu)。

具體數(shù)學模型如式（15）～式（18）所示。

附圖 1 所示為區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃流程。協(xié)同規(guī)劃模型的約束條件包括冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站供能范圍不重疊約束、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站供能半徑約束、管網(wǎng)輻射網(wǎng)絡(luò)不閉環(huán)約束、負荷需求約束、設(shè)備功率約束和能源分配系數(shù)約束等。

附圖1 區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃流程App.Fig.1 Flow chart of the planning of station & network

4 算例分析

4.1 考慮負荷特性的管網(wǎng)布局優(yōu)化分析

4.1.1 算例介紹

針對某一規(guī)劃區(qū)域S1 進行考慮負荷特性的管網(wǎng)布局優(yōu)化實例分析，如圖2 所示。該規(guī)劃區(qū)域面積3.2km2，共包含24 個負荷，分為居民和行政兩類負荷，居民和行政冷熱負荷典型日特性曲線見附圖2。該區(qū)域需建設(shè)1 座冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能站進行集中供冷/供熱，該區(qū)域的冷、熱負荷分別1.84MW 和1.39MW，各負荷點信息見附表1。管道的供回水溫度差為 45 ℃，管道保溫材料的導熱系數(shù)為0.06W/(m·℃)，貼現(xiàn)率為0.08，目標函數(shù)和約束條件的置信水平統(tǒng)一取 0.95，管道內(nèi)外平均溫度差為10℃，不同型號管道參數(shù)見表1。

附圖2 居民與行政負荷典型日冷、熱負荷特性曲線App.Fig.2 Cool and heat load demand curve of resident and administrative loads

附表1 待規(guī)劃區(qū)域S1 負荷信息App.Tab.1 Load information of the area S1

圖2 待規(guī)劃區(qū)域S1 示意圖Fig.2 Schematic diagram of the planning area S1

表1 不同型號管道參數(shù)Tab.1 The parameters of different type of pipes

為驗證本文提出的考慮負荷特性的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法的有效性，與其他管網(wǎng)優(yōu)化方法進行對比。

方案Ⅰ：文獻[16]提出的考慮冷熱負荷峰谷互補性的管網(wǎng)設(shè)計方案。

方案Ⅱ：本文提出的基于改進p-中位模型的考慮負荷時空特性和隨機性的管網(wǎng)設(shè)計方案。

4.1.2 算例結(jié)果

方案Ⅰ和方案Ⅱ的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能站點和管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方案設(shè)計如圖3 所示；方案Ⅰ和方案Ⅱ的管網(wǎng)配置、平均利用水平和經(jīng)濟性分析見表2。

圖3 方案Ⅰ和方案Ⅱ的區(qū)域S1 管網(wǎng)設(shè)計方案Fig.3 Network design results of the area S1 under schemeⅠ and Ⅱ

表2 管網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果及經(jīng)濟性分析Tab.2 Network planning results and economic analysis

由圖2、圖3 可見，區(qū)域S1 內(nèi)靠近區(qū)域幾何中心的負荷節(jié)點包括L14、L15 和L19，方案Ⅰ通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)法確定中心站點L14，方案Ⅱ通過改進p-中位模型確定負荷中心站點L15。結(jié)合表2 的管網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果來看，以L15 為中心站點得到的管網(wǎng)設(shè)計方案在管道建設(shè)長度、利用率和年化總成本上表現(xiàn)均優(yōu)于方案Ⅰ，表明對區(qū)域內(nèi)居民和行政負荷的時序互補性的分析能夠有效優(yōu)化管道共用建設(shè)長度和管徑選擇，進而提高管網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟性。

4.2 區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化分析

4.2.1 算例介紹

本文采用待規(guī)劃區(qū)域S2 對本文所提的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計模型進行仿真測試。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見附表2。區(qū)域S2 如圖4 所示，該區(qū)域面積為4.71km2，共包含68 個負荷，各負荷點信息見附表3。本文結(jié)合現(xiàn)有文獻[18]的相關(guān)研究，將能源站的供能半徑設(shè)置為500m 和1 000m，遺傳算法迭代次數(shù)取200，其他相關(guān)參數(shù)同4.1 節(jié)算例參數(shù)。

附表2 能源站各設(shè)備參數(shù)App.Tab.2 Equipment parameters of energy station

（續(xù)）

附表3 待規(guī)劃區(qū)域S2 負荷信息App.Tab.3 Load information of the area S2

（續(xù)）

圖4 待規(guī)劃區(qū)域S2 示意圖Fig.4 Schematic diagram of the planning area S2

為驗證本文方法的有效性和是否有利于區(qū)域站網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計，與文獻[16]提出的規(guī)劃方法的規(guī)劃結(jié)果進行對比驗證。

方案Ⅰ：文獻[16]提出基于Kruskal 算法、考慮冷熱負荷互補性的站網(wǎng)設(shè)計方法得到的最優(yōu)方案。

方案Ⅱ：本文提出的基于改進 p-中位模型和Prim 算法的考慮負荷特性的站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法得到的最優(yōu)方案。

4.2.2 算例結(jié)果

方案Ⅰ和方案Ⅱ冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點、供能范圍劃分和管網(wǎng)設(shè)計如圖5 和圖6 所示；方案Ⅰ和方案Ⅱ的各子區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置及經(jīng)濟性分析見表3，方案Ⅰ和方案Ⅱ的各子區(qū)域管網(wǎng)配置、管道平均利用水平、管道和區(qū)域整體經(jīng)濟性分析見表4。

表4 區(qū)域管網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果及經(jīng)濟性分析Tab.4 Regional network planning results and economics analysis

圖5 方案Ⅰ區(qū)域站網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果Fig.5 Stations and network planning results of methodⅠ

圖6 方案Ⅱ區(qū)域站網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果Fig.6 Stations and network planning results of method Ⅱ

表3 區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點設(shè)備配置結(jié)果及經(jīng)濟性分析Tab.3 Results of equipment capacity allocation of CCHP stations in region and economics analysis

從圖5 可知，方案Ⅰ將規(guī)劃區(qū)域劃分為4 個子區(qū)域，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點分別為負荷L14、L39、L57、L37，其中子區(qū)域4 的供能范圍最大，子區(qū)域3 次之，子區(qū)域1 的供能范圍最小。從圖6 可知，方案Ⅱ?qū)⒁?guī)劃區(qū)域劃分為兩個子區(qū)域，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點分別為負荷L23、L36，子區(qū)域的供能范圍具有一定的對稱性，供能范圍大小相差不大。兩種方案子區(qū)域內(nèi)居民和行政負荷類型多樣，有利于實現(xiàn)負荷的時序互補特性，提高區(qū)域規(guī)劃經(jīng)濟性。方案Ⅰ和方案Ⅱ的子區(qū)域內(nèi)部，管網(wǎng)設(shè)計均能輻射至供能范圍內(nèi)的所有負荷，且管道越接近負荷，管道直徑越小，而相鄰的負荷與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站點的供能管道路徑存在普遍的共用現(xiàn)象，能夠提高管網(wǎng)的利用效率，同時，隨著管道直徑增大，管道的經(jīng)濟邊際效應(yīng)越小，管網(wǎng)的經(jīng)濟性表現(xiàn)更好，因此，管道的共用現(xiàn)象有利于提高管網(wǎng)的經(jīng)濟性。

對比圖5、圖6，可知方案Ⅰ的子區(qū)域多于方案Ⅱ的子區(qū)域，其中，方案Ⅰ的子區(qū)域4 的供能范圍和方案Ⅱ的子區(qū)域 2 的供能范圍具有一定的重疊性，而方案Ⅰ的子區(qū)域1～3 可看成是對方案Ⅱ的子區(qū)域1 的細化，其中方案Ⅰ的子區(qū)域1 的供能范圍略小，且其管道設(shè)計與子區(qū)域2 的管道規(guī)劃十分接近，可以選擇互聯(lián)，提高區(qū)域設(shè)備的集中化水平。由此可看出，方案Ⅰ忽略居民及行政負荷間的時序互補特性，造成區(qū)域劃分過多，設(shè)備配置過于分散，不利于區(qū)域內(nèi)站網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟性和實用性，另外，雖然方案Ⅰ的管道總建設(shè)長度小于方案Ⅱ，但其方法導致在負荷水平較低的情況下，管道型號選擇過大，使得管道的利用效率不高。因此，對于區(qū)域內(nèi)的站網(wǎng)規(guī)劃，需要綜合考慮負荷類型及其相關(guān)特性，區(qū)域內(nèi)的設(shè)備集中度不可過于分散，增加設(shè)備經(jīng)濟投資壓力；也不可過于集中，增加設(shè)備供能壓力及區(qū)域內(nèi)站網(wǎng)運行的魯棒性壓力。

從表3 對比知，在區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備配置及其經(jīng)濟性上，方案Ⅱ的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于方案Ⅰ。

1）方案Ⅰ和方案Ⅱ的子區(qū)域設(shè)備配置結(jié)果差異主要在燃氣輪機的選型定容上。由于各供能范圍內(nèi)冷熱負荷整體水平不同，進而影響燃氣輪機的供能能力大小，然后進一步影響余熱回收裝置和溴化鋰吸收冷機等配套裝置的選型容量。方案Ⅰ、方案Ⅱ的燃氣輪機合計配置了5 臺和2 臺，由此可見，通常子區(qū)域內(nèi)至少配置1 臺燃氣輪機，子區(qū)域越少，負荷供能越集中，燃氣輪機的容量越大，其利用率和經(jīng)濟性表現(xiàn)也越好。

2）方案Ⅰ的子區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站的平均年化投資成本約為方案Ⅱ的66.14%，其中，方案Ⅰ子區(qū)域4 的投資成本和方案Ⅱ的各子區(qū)域投資成本較為接近。由于方案Ⅰ子區(qū)域劃分數(shù)量遠多于方案Ⅱ，導致區(qū)域內(nèi)設(shè)備集中度較低，設(shè)備的投資成本增大，且不利于設(shè)備利用率的提高。從區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)整體年化投資成本上來看，方案Ⅰ的年化投資成本較方案Ⅱ增大32.96%，約83 萬元人民幣，因此可知，本文考慮居民和行政等負荷的時序互補特性能夠有效改善設(shè)備投建規(guī)模偏大導致不利于區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟建設(shè)的問題。

從表4 對比知，在區(qū)域管網(wǎng)規(guī)劃及其經(jīng)濟性上，方案Ⅱ的管網(wǎng)利用率優(yōu)于方案Ⅰ，方案Ⅰ在經(jīng)濟性上優(yōu)于方案Ⅱ。

1）方案Ⅰ在管道建設(shè)總長度上短于方案Ⅱ，其中，方案Ⅰ的子區(qū)域4 管道建設(shè)長度與方案Ⅱ的子區(qū)域相近，其原因在于方案Ⅰ劃分了4 個子區(qū)域，子區(qū)域1～3 的供能范圍縮小，使得管道建設(shè)總長縮短。

2）方案Ⅰ主要鋪設(shè)DN70 型號管道，DN80 和DN100 次之，方案Ⅱ主要鋪設(shè)DN50 和DN70 型號管道，DN80 和DN100 次之，對于細直徑管道，方案Ⅰ和方案Ⅱ表現(xiàn)相差不大，其差異主要體現(xiàn)在粗直徑管道上，對比可知，方案Ⅱ的DN150 鋪設(shè)長度約為方案Ⅰ的4 倍，方案Ⅰ的DN125 鋪設(shè)長度約為方案Ⅱ的2 倍，其原因在于方案Ⅱ的各供能范圍內(nèi)負荷水平更高，管道共用效果更加顯著，從而導致粗直徑管道鋪設(shè)長度更長。

3）方案Ⅰ的子區(qū)域管道平均利用率集中在38%左右，方案Ⅱ的子區(qū)域管道平均利用率集中在48%左右，方案Ⅱ的管網(wǎng)利用率較方案Ⅰ提高約33.26%。由此可見，考慮居民和行政等多類負荷的時序互補特性能夠提高管道利用效率，避免管道鋪設(shè)直徑過大。

4）對比可知，方案Ⅰ由于鋪設(shè)的長度短于方案Ⅱ，其管道年化投資成本也少于方案Ⅱ，較方案Ⅱ減少27.81%，約40 萬元人民幣。但從區(qū)域站網(wǎng)整體經(jīng)濟占比來看，由于管網(wǎng)投資成本占比遠低于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備投資成本，方案Ⅰ的管道規(guī)劃上的經(jīng)濟性提升對區(qū)域整體的經(jīng)濟性提升效果甚微。

綜合來看，在區(qū)域整體經(jīng)濟性和設(shè)備及管道利用率上，方案Ⅱ均優(yōu)于方案Ⅰ，其原因如下：

1）區(qū)域總成本主要集中在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備配置上，因此，區(qū)域內(nèi)設(shè)備集中度越高，雖會增大管道建設(shè)成本，但冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)降低的成本更多，能夠覆蓋管網(wǎng)建設(shè)增加的成本。

2）考慮居民和行政負荷的時序互補特性，能夠有利于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟建設(shè)，避免建設(shè)規(guī)模偏大，提高冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)及管道的利用效率。

5 結(jié)論

本文提出了一種考慮負荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法，充分考慮區(qū)域內(nèi)負荷的時空特性，對區(qū)域內(nèi)站點數(shù)量、選址、設(shè)備選型定容、供能網(wǎng)絡(luò)布局和管道選徑進行交替協(xié)同規(guī)劃。針對某站網(wǎng)規(guī)劃算例進行仿真驗證，結(jié)論如下：

1）考慮負荷空間分布特征的改進p-中位優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)冷熱電聯(lián)供站點最優(yōu)選址；考慮負荷時序互補和網(wǎng)絡(luò)多能流耦合協(xié)調(diào)的Prim 算法能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局和管徑選擇，從而協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)各類負荷的時空峰谷錯峰情況，提升綜合能源站設(shè)備和管網(wǎng)的利用效率。

2）采用區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同雙層交替優(yōu)化設(shè)計，規(guī)劃方案較其他方案在管網(wǎng)建設(shè)成本方面有所增加，但區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)整體經(jīng)濟性得以明顯提升，提高了區(qū)域內(nèi)設(shè)備集中度、供能設(shè)備和粗徑管道的利用率等。

3）采用考慮負荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法，解決了傳統(tǒng)方法因未考慮各類負荷的時空特性，造成站網(wǎng)設(shè)備投資規(guī)模偏大、系統(tǒng)經(jīng)濟性不高等問題。

4）進一步研究計及風光等可再生能源對區(qū)域內(nèi)綜合能源系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的影響及改進方法，有利于提高能源綜合利用效率、促進可再生能源的就地消納等。

附 錄