面向泛在电力物联网的综合能源系统规划模型

刘敦楠，张婷婷，李华，齐彩娟，马艳霞，张玮琪，许小峰

面向泛在电力物联网的综合能源系统规划模型

刘敦楠1，张婷婷1，李华1，齐彩娟2，马艳霞2，张玮琪2，许小峰1

（1.华北电力大学经济与管理学院，北京市 昌平区 102206；2.国网宁夏电力有限公司经济技术研究院，宁夏回族自治区 银川市 750001）

泛在电力物联网建设一个重要方面便是实现更多终端小微设备的接入，使得数据的获取更加海量和多元化，实现数据流和能量流的深度融合，而综合能源系统是泛在电力物联网价值的重要实现形式。综合能源系统在其规划运行中涉及多种能源类型和海量数据，是一项复杂工程，因此面向泛在电力物联网建设进行综合能源系统的规划思考，提出综合能源系统规划的可靠性、经济性和区域差异性原则，建立了综合能源系统规划的基本模型，以及系统综合效益评价指标体系，并对系统规划运行的数据需求进行了分析，提出一套完整的综合能源系统规划思路方法。研究成果为我国综合能源系统的建设和实施提供理论依据。

泛在电力物联网(UPIoT)；综合能源系统(IES)；综合效益；规划；模型

0 引言

泛在电力物联网发展目标是实现电力系统各环节万物互联、人机交互，满足人民美好生活用能需要。泛在电力物联网的建设是基于互联网思维，运用新一代信息技术，将电力发输配用各环节相关设备泛在接入，实现信息的广泛交互和充分共享[1-2]。综合能源系统(integrated energy system，IES)通过对多能流进行多级利用和整体调度，能够有效提升可再生能源消纳率，提高综合能源利用水平。通过建设泛在电力物联网，可以实现终端设备广泛接入，推动电网向能源互联网转型升级，并最终进一步推动综合能源系统的发展[3]。

长久以来，化石能源随着社会经济快速发展而被过度开采利用，伴随而来的是资源紧张、环境破坏等一系列全球性问题，许多国家开始意识到，单一依赖少量的能源种类不仅不利于实现可持续发展，而且会对国家能源安全带来威胁，因此逐渐开始向多种能源并重、相互补充的能源系统过渡。各国从政策层面对综合能源系统发展与利用、综合能源联合优化调节以及带动产业联动发展给予了高度关注和支持。美国是最早开展区域综合能源系统研究的发达国家之一[4]，并通过国会立法要求新建和改造的用户侧供能项目提交综合能源规划，否则不予实施。欧盟最早提出综合能源系统的概念并将其付诸实践，其制定的政策都体现出对综合能源项目的重点关注与资金支持[5]。加拿大政府通过立法，将综合能源系统建设搭载于智能社区建设，并在全国范围内推广，实现全民低碳、绿色的生活用能；澳大利亚政府通过宏观政策引导市场资本投资方向，高效率地实现社区能源系统不断进行优化升级，促进可再生能源大范围安全消纳；日本、韩国等政府积极引导居民自发构建可再生能源综合利用项目，推广智慧能源社区[6]。2016年7月4日，国家发展改革委、国家能源局《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》明确提出，通过建设终端一体化集成功能系统与风光水火储多能互补系统[7]，提高综合能源系统综合效率。

综合能源系统的规划、运行和评价是综合能源系统建设的关键支撑技术。文献[8]对综合能源系统中电-气-冷-热等多种能源的静/动态耦合和相互约束关系进行了描述。文献[9]将模糊集理论用于算法设计来处理热电联供系统的不确定性，并提供了一种优化联供设备与燃气锅炉容量配置的系统。文献[10-11]对各种供能单元和储能单元的容量配置以及转换关系进行优化。文献[12]将电动汽车作为综合能源系统规划主体，建立了包含电动汽车充电系统的多目标协同规划模型。在能源互联网发展战略下，学者们在综合能源规划与评估方面也进行了研究与探索。文献[13]以初始投资与功率波动最小为目标函数，构建了一种优化系统配置的数学模型，并基于风光储多能系统场景进行分析验证。文献[14]利用潮流分析法对包含水–天然气–电的综合能源系统中各元素最优配置比例进行了研究。

综上所述，虽然国内外在综合能源系统方面进行了大量的研究，但关于综合能源系统规划和评估并没有形成过完善配套的理论思路。为此，本文在现有研究基础之上，提出当前阶段面向泛在电力物联网的综合能源规划基本模型理论与评价指标体系，包括综合能源系统从设计规划原则、方法至运行评价所需考虑的影响因素及基本数学模型，能够提供一套综合能源规划思路方法。

1 综合能源系统规划原则

1）可靠性。

保障能源的持续稳定供应是人们对能源系统最基本要求。人们对能源供给可靠性要求随着生活水平的提升而逐渐提高，综合能源系统会涉及到风、光、气、冷、热、电等不同能源形式[15]，电、气、热、冷等多种负荷在物理上直接与综合能源系统相连接，系统内部的设备种类更加多样，相较于单一能源系统结构更加复杂[16]，因此确保综合能源系统达到可靠性标准十分重要。

2）经济性。

光伏和风电出力不确定性与波动性强，水电出力呈现较强的季节性等特性，使得综合能源系统运行面临极大的复杂性与不确定性。可再生能源与火电的互补效果在不同时期会存在明显的差异性，如果系统容量配置较小，则系统的可控性弱，出力互补效果难以保证；而扩大容量配置将会抬高投资成本，影响系统整体收益率。因此应充分考虑经济性与能源效率之间的平衡，在系统充分可控的基础上实现较好的经济性[17]。

3）区域差异性。

综合能源这一能源开发利用模式具有较为明显的区域差异性，是基于对所在地区的资源禀赋情况与负荷特性进行深入研究之后，充分利用当地优势资源，结合实际情况设计最优综合能源系统建设方案，通过不同能源的多种组合方式，达到满足区域内服务对象的能源需求，并能够在极大程度上减少能源消耗与污染物排放[18]。

2 综合能源系统规划基本模型

2.1 系统运行状态表征模型

考虑可再生能源的高比例接入，本文对包含风、光、火电的综合能源系统进行规划设计，建立各元素出力及成本模型。

2.1.1 发电机组数学模型

1）风电数学模型。

风速直接决定风电机组的出力，机组输出功率WT与风速之间关系为：

式中：in、n、out分别为出力下限风速、额定风速、出力上限风速；T为风电机组的额定功率；WT、WT、WT通过拟合风速–功率曲线得到。

2）光伏数学模型。

其中：

式中：STC、STC和STC分别为既定标准测试条件下的输出功率、光强和温度，其中STC一般可取1kW/m2，STC一般可取25℃；为测量时间内实际的光照强度；为功率温度系数；为太阳能板的表面温度；G(∙)为Gamma函数；max为该时间段内的最大光照强度；参数、与所测时间段内的光照强度的均值和标准差有关。

2.1.2 成本模型

1）风电机组成本。

风电机组在综合能源系统中的总运行成本包括单位运行维护费用和折旧。折旧是根据机组设备使用年限与各部分运行时间占比，将设备成本分摊到单位功率中去。风电的发电总成本为

2）光伏机组成本。

光伏发电在发电过程中无燃料消耗，只需考虑在系统运行过程中产生的运维费用和设备折旧费用。光伏机组成本可表示为

式中：PV为光伏在测量时间段D内的运行总成本；PV_op为机组的单位运维费用；PV_de为折算到单位功率的设备折旧；PV为光伏补贴。

3）火电机组出力成本。

2.2 综合能源系统配置规划模型

2.2.1 目标函数

本文基于风力、光照历史数据根据中长期冷热电负荷预测曲线，目标是使系统运行总成本最低的同时可再生能源消纳量最大。

式中：sys为综合能源微网系统一天的总运行成本；renew为可再生能源吸纳量。

2.2.2 约束条件

为了使得函数目标能够完成，还需要满足以下约束条件：

1）火电机组出力约束。

2）机组爬坡约束。

式中：houi和houi分别是火电机组的爬坡速率与降坡速率。

3）功率平衡约束。

假设基于本地负荷签订的中长期合同的分解量，合理设置系统容量配置，使综合能源系统能以最低成本满足中长期合同电量。对于这一约束条件，也就是要求单位时间之内综合能源系统出力不小于中长期合同分解负荷需求load：

4）供电可靠性约束。

供电可靠性约束指综合能源系统在运行中要保证其稳定性与可靠性达到一定标准，参考相关文献与数据，需要将系统安全运行可靠性控制在98%以上，其公式为

式中：run为在测量时间段D内系统正常运行的时间。

3 综合能源系统综合效益评价

3.1 经济效益指标

随着综合能源系统推进，评估其综合效益已经成为一项必须的工作，而建立综合能源评价指标体系是开展评估的重要依据。结合综合能源系统的概念与典型特征，从系统规划、建设、运营等多个环节，从经济、环境、社会3个角度，建立了一个多因子指标体系，如表1所示。

表1 综合能源系统综合效益评价指标体系

1）单位能耗利用指标。

能源利用效率是节能减排重要评价指标之一，反映能源消耗水平，可以从社会角度反映综合能源的利用效率。

能源强度计算公式为：

电力强度表示单位产值所消耗的电能，研究表明，电力使用效率是电力强度变化的主要影响因子，其计算公式为

2）万元地区生产总值能耗降低率指标。

万元地区生产总值能耗降低率是目前节能降耗考核的关键经济性指标，计算公式为：

3.2 社会效益指标

1）人均综合能耗。

人均综合能耗反映一个地区能源消费水平，它可以反映一个地区能效管理水平，将该指标用于综合能源系统可以使能效管理更加精细化。计算公式如下：

2）非化石能源消费占比。

非化石能源主要包括新能源以及可循环使用的能源，通过节能提效与电能替代可以有效提高该指标，其计算公式为

3.3 环境效益指标

3.3.1 污染物减排评价指标

1）温室气体排放量。

核算范围中的温室气体主要包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫。本文引入二氧化碳当量来统一度量各类气体产生的温室效应增强程度。

2）单位地区生产总值二氧化碳排放量。

3）单位地区生产总值二氧化碳排放量降 低率。

3.3.2 主要污染物排放指标

1）单位地区生产总值化学需氧量排放量。该指标指化学需氧量排放总量与地区生产总值之比，即

2）单位地区生产总值二氧化硫排放量。

3）单位地区生产总值可吸入颗粒物(PM10)排放量。

4）单位地区生产总值氮氧化物排放量。

4 综合能源系统规划运行数据需求分析

泛在电力物联网的主要内容之一是推动感知层的建设，其主要价值是可以实现更多终端设备乃至元件的接入，不仅仅是电力系统设备元件，而是集合了包括电、冷、热、气等各类能源子系统的终端设备，末端信息采集后由数据层进行归集处理和管理，实现能源流与信息流融合，从而打破能源壁垒，其部署建设将推动电网向能源互联网升级，推动综合能源系统的发展，可以说泛在电力物联网的延伸也落脚于综合能源系统。

同时，综合能源系统的合理规划与高效运行不仅仅对能源数据有较高的要求，还在气象、社会经济等方面提出了数据需求。为支撑上文构 建的综合能源系统初步建设规划，梳理了综合能源系统规划与运行数据需求，如表2所示。

表2 综合能源系统规划与运行数据需求

由表2可知，综合能源系统进行规划运行所需数据种类多样、涵盖范围广，涉及能源行业、气象、能源营销服务等数据，但当前尚处于泛在电力物联网部署初期，智能检测渗透率不高，难以获得理想数据，给本文模型实例验证带来困难。进一步的研究则需要获取足量的完整数据，基于对用户实行用户画像，进行聚类分析的基础，从而实现源网荷储一体化互动；另一方面，不同能源行业之间要实现数据资源的共享，破除数据壁垒才能实现横向多能互动，达到能源综合利用效果，支撑综合能源系统的初步规划与运行。

5 结论

面向泛在电力物联网进行综合能源系统规划思考，从综合能源系统规划需要遵守的原则、系统规划设计时的基本模型方法，到综合能源系统综合效益评价体系，提出了一套完整的综合能源系统规划思路方法，旨在为我国综合能源系统建设落地提供理论支撑。但在研究中假设系统没有外部能源进入，且仅仅是基于可预测负荷分解，尚未考虑用户侧对多种能源需求，根据检测数据对客户进行聚类分析，从而针对用户分类对能源的综合需求反馈来影响综合能源系统的运行设计，对系统内部组件容量配置比例进行规划，并提出一套综合能源系统规划的模型，下一步需要基于开放的能源系统丰富能源供应来源，完善系统规划模型，并基于所提出的数据需求获取实验数据来实现对模型的验证。

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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。

高等学校学科创新引智计划(B18021)。

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

刘敦楠(1979)，男，博士后，副教授，主要研究方向为电力市场、能源互联网，liudunnan@163.com；

刘敦楠

张婷婷(1997)，女，硕士研究生，研究方向为能源互联网，本文通信作者， ztt18810113851@126.com。

张婷婷

(责任编辑 辛培裕)