多區(qū)域分布式能源站選址及供能管線布局規(guī)劃研究

孟政吉,陳鑠鑫,胡雪凱,孟 良,周 昊

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.河北華瑞能源集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

當(dāng)今世界,能源系統(tǒng)正在向著更清潔、更低碳、更高效的目標(biāo)發(fā)展。2014年,習(xí)近平總書(shū)記提出“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的重大能源戰(zhàn)略思想[1]。綜合能源是新型能源戰(zhàn)略的探索與實(shí)踐[2]。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)指通過(guò)各類(lèi)能源耦合裝置將傳統(tǒng)分立的能源供應(yīng)源、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、用戶互聯(lián)而形成的能源系統(tǒng),可以看作能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)。各能源形式相互耦合,協(xié)同運(yùn)行,可增加系統(tǒng)中能源供給者與消費(fèi)者之間的聯(lián)系,豐富能源系統(tǒng)規(guī)劃對(duì)象,深化能源系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度方式,為不同能源間的互聯(lián)協(xié)調(diào)創(chuàng)造可能[3]。分布式能源站(distributed ener gy station,DES)是綜合能源系統(tǒng)多能源耦合的核心,也是代替集中供能,將多能源用戶融入綜合能源系統(tǒng)的重要載體,作為系統(tǒng)中用戶與能源網(wǎng)絡(luò)之間的連接節(jié)點(diǎn),起到了非常重要的作用[4]。

目前,有關(guān)DES的規(guī)劃研究多集中于其內(nèi)部集成設(shè)備的配置規(guī)劃,通過(guò)優(yōu)化算法,確定能源站內(nèi)部設(shè)備的種類(lèi)、容量,而對(duì)于能源站建設(shè)位置的規(guī)劃研究較少[5]。實(shí)際上,確定能源站的位置以及能源供能管線路徑布局是保障系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。特別是對(duì)于包含多個(gè)DES的區(qū)域綜合能源系統(tǒng),能源站與能源站間的距離及管道鋪設(shè)布局均與各能源站的位置息息相關(guān)。通過(guò)合理的規(guī)劃確定各個(gè)能源站的建設(shè)位置以及能源站-負(fù)荷間、能源站間的供能管線布局,有助于減少供能管網(wǎng)的建設(shè)成本,為后續(xù)能源站間互聯(lián)協(xié)調(diào)建立基礎(chǔ),提升多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性[6]。

現(xiàn)有考慮能源站的選址規(guī)劃中,文獻(xiàn)[7]通過(guò)工程經(jīng)濟(jì)學(xué)理論構(gòu)建區(qū)域能源站與管網(wǎng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,提出了能源站管道的工程敷設(shè)方式與管網(wǎng)規(guī)劃方法;文獻(xiàn)[8]研究了基于圖論最小生成樹(shù)理論的能源站選址與供能管道規(guī)劃方法。但文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]均只考慮了一種能源形式,不能適應(yīng)綜合能源系統(tǒng)多能源的需要,并且規(guī)劃模型通過(guò)遍歷算法進(jìn)行求解,效率相對(duì)較差。文獻(xiàn)[9-10]提出了能源站選址及供能管線布局規(guī)劃方法,但均假設(shè)各能源站供能管線的長(zhǎng)度為能源站到負(fù)荷間的直線距離,未考慮區(qū)域能源條件、種類(lèi)以及市政道路規(guī)劃對(duì)于管道布局的影響。現(xiàn)有綜合能源系統(tǒng)往往具有多座分布式能源站,將不同區(qū)域的能源站相互連接,可以實(shí)現(xiàn)能源站間的互聯(lián)互通與互補(bǔ)互濟(jì),達(dá)到改善多區(qū)域系統(tǒng)整體的用能方式,提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的目的[3]。而多區(qū)域能源站相互連接,也需要首先確定各能源站的建設(shè)位置以及能源站間互聯(lián)管線的布局。

1 多區(qū)域分布式能源站選址規(guī)劃

1.1 多區(qū)域分布式能源站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DES的應(yīng)用解決了區(qū)域多能負(fù)荷的能源供應(yīng)問(wèn)題,但不同區(qū)域往往由于資源稟賦與地塊功能的差異,存在不同的供用能需求。因此,針對(duì)多個(gè)區(qū)域僅建立一座DES,在一定程度上存在設(shè)備選型、定容困難,能源遠(yuǎn)距離傳輸損耗過(guò)大等問(wèn)題。因此,針對(duì)具備能源供應(yīng)需求的多區(qū)域整體進(jìn)行規(guī)劃,建設(shè)多座分布式能源站,并將不同區(qū)域的能源站相互連接,既可以對(duì)多區(qū)域負(fù)荷供能,又可以實(shí)現(xiàn)能源站間的互聯(lián)互通與互補(bǔ)互濟(jì),達(dá)到“供能”與“協(xié)調(diào)”的雙重目的。多區(qū)域分布式能源站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,不同區(qū)域負(fù)荷根據(jù)需求特性及供能經(jīng)濟(jì)性由相應(yīng)區(qū)域的能源站供能,不同能源站又通過(guò)互聯(lián)管線相互耦合成為一個(gè)整體,從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域間能源的調(diào)度與協(xié)調(diào)。

圖1 多區(qū)域分布式能源站系統(tǒng)示意

由圖1可以看出,根據(jù)區(qū)域資源稟賦與負(fù)荷的供用能需求,選擇合適的位置建設(shè)DES,并規(guī)劃電、氣、冷、熱等多能管線的鋪設(shè)布局,是建設(shè)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域能源站的互聯(lián)與協(xié)調(diào),也需要對(duì)能源站間互聯(lián)管線的布局進(jìn)行規(guī)劃。由于能源在站間協(xié)調(diào)存在一定的損耗,能源站互聯(lián)管線的路徑長(zhǎng)度將決定能源站互聯(lián)協(xié)調(diào)的經(jīng)濟(jì)性。確定最優(yōu)的互聯(lián)管線布局,對(duì)于多能源站互聯(lián)尤為重要。

1.2 多區(qū)域分布式能源站選址規(guī)劃模型

1.2.1 基于P-中值模型的能源站選址模型

一般情況下,能源站的選址問(wèn)題可以抽象成為由“點(diǎn)”和“邊”構(gòu)成的數(shù)學(xué)問(wèn)題,并借助圖論的方法進(jìn)行求解。其中,能源站和能源用戶就是各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),輸送能源的管道或者線路就是網(wǎng)絡(luò)中的邊,從多個(gè)待選節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)或者P個(gè)節(jié)點(diǎn),并由這些節(jié)點(diǎn)上的能源站與用戶相連實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng),就屬于能源網(wǎng)絡(luò)中的P-中值問(wèn)題[9]。通過(guò)P-中值模型進(jìn)行選址的優(yōu)勢(shì)在于,其所構(gòu)建的模型多為線性優(yōu)化模型,相比較非線性優(yōu)化,線性優(yōu)化模型具有求解速度和求解精度多方面的優(yōu)勢(shì),有助于修正規(guī)劃參數(shù),快速得到規(guī)劃結(jié)果。

基于P-中值模型的能源站選址問(wèn)題可以概括為:在平面S內(nèi)共存在n個(gè)多能負(fù)荷節(jié)點(diǎn),m個(gè)能源站候選位置節(jié)點(diǎn)。如何通過(guò)計(jì)算從m個(gè)候選位置節(jié)點(diǎn)中選擇P個(gè)合適的節(jié)點(diǎn)使得能源站為能源用戶供能的賦權(quán)距離之和最小,通過(guò)公式可以表示為:

式中:n表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);m為候選位置個(gè)數(shù);為圖中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i到所有候選節(jié)點(diǎn)距離的總和;為2個(gè)節(jié)點(diǎn)n與m之間的最短距離。求解場(chǎng)景如圖2所示,其中n=7、m=4、P=2。

圖2 DES選址問(wèn)題示意(n=7、m=4、P=2)

具體可以表示為

式中:ΓN為負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)集合;ΓM為能源站待建位置的集合;an為節(jié)點(diǎn)n的能源需求量;dnm為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n至各能源站m的直線距離;Xm為待選位置是否被選中,若m節(jié)點(diǎn)被選中建設(shè)能源站,則其為1,否則為0;Ynm為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n是否通過(guò)能源站m供能,若是則其為1,否則為0。

1.2.2 適應(yīng)多能源規(guī)劃的P-中值模型

可以看出,上述P-中值模型選址問(wèn)題只能體現(xiàn)一種能源形式。但與單一能源系統(tǒng)規(guī)劃不同的是,綜合能源系統(tǒng)中的用戶存在多種能源利用形式,對(duì)于能源站的選址規(guī)劃還需要考慮到不同用戶對(duì)于能源需求的多樣性。因此,本文引入多能負(fù)荷需求系數(shù)an替代原模型能源需求量an,體現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)于能源需求的多樣性。多能負(fù)荷需求系數(shù)an,計(jì)算公式可以表示為

式中:βen為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n的電能需求系數(shù);βhn為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n的熱能需求系數(shù);βxn為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n其他能源形式的需求系數(shù),需求系數(shù)若需要供應(yīng)則為1,否則為0;Clinen為電力線路建設(shè)單位成本;Cpipen為熱力管道建設(shè)單位成本;Cnetn為其他形式的能源管線建設(shè)成本,可以通過(guò)擬合得到。

通過(guò)擬合得到電力線路單位長(zhǎng)度建設(shè)成本與額定容量的關(guān)系

其中,為了滿足能源站對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的供能,電力線路的功率上限Pen_max表示為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n所需的最大電功率。

對(duì)于其他類(lèi)型的能源種類(lèi),管線的傳輸能力上限可以根據(jù)需求選用流量、壓力等形式表示,這里不再贅述。但考慮到后續(xù)多能源站優(yōu)化規(guī)劃往往需要將流量等參數(shù)轉(zhuǎn)化為功率表示,以熱力管線為例,其流量和功率可通過(guò)熱力網(wǎng)絡(luò)潮流求解公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化

式中:Phn_max為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)n所需的最大熱功率;Cp為管道傳輸介質(zhì)的比熱容;Mn為節(jié)點(diǎn)n供熱管道p的水流量上限;Tn為管道p的工質(zhì)水流溫度,一般規(guī)劃優(yōu)化取95℃;Tsurfn為管道p外部土壤溫度,一般規(guī)劃優(yōu)化取25℃。

基于此,通過(guò)擬合得熱力管道單位長(zhǎng)度建設(shè)成本與額定容量的關(guān)系

2 多區(qū)域分布式能源站供能管線布局規(guī)劃

對(duì)于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè),一般為了節(jié)約城市地下空間,減少能源管線建設(shè)過(guò)程中反復(fù)開(kāi)挖路面對(duì)環(huán)境交通帶來(lái)的影響,工程管線通常沿交通道路的邊緣進(jìn)行布局。同時(shí),能源站站址的選擇過(guò)程還需要滿足當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境、資源條件、市政規(guī)劃限制的情況,結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源稟賦與用地規(guī)劃信息對(duì)各能源站的位置進(jìn)行初選。因此,能源站站址以及供能管線的布局應(yīng)充分考慮區(qū)域資源條件與市政道路網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行規(guī)劃。

基于上述分析,本文將能源站供能路徑與實(shí)際交通道路進(jìn)行結(jié)合,將沿道路鋪設(shè)供能路徑的最短距離作為能源站供能的最短距離,其規(guī)劃示意圖如圖3所示。

圖3 基于道路網(wǎng)絡(luò)的多能源DES選址問(wèn)題

通過(guò)Dij kstra最短路徑求解算法計(jì)算道路網(wǎng)絡(luò)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)到各能源站候選位置的最短距離[11]。其中,Dijkstra算法的基本原理在于,在特定網(wǎng)格中,從源節(jié)點(diǎn)s按路徑長(zhǎng)度遞增次序,通過(guò)循環(huán)逐條產(chǎn)生最短路徑。

通過(guò)這個(gè)方法,可以得到沿道路網(wǎng)絡(luò)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)到各能源站候選位置的最短距離dnromad。通過(guò)多能負(fù)荷需求系數(shù)an替代原P-中值模型能源需求量an、通過(guò)dnromad替換原P-中值模型中的直線最短距離dnm,就可以得到以DES供能管網(wǎng)投資總成本最低為目標(biāo),既能體現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)負(fù)荷多能需求,又能實(shí)現(xiàn)供能管線沿道路布局規(guī)劃的DES改進(jìn)P-中值模型

3 模型求解

可以看出,本文所建立的DES選址與供能管線布局規(guī)劃模型為混合整數(shù)線性模型,相比較非線性模型,線性模型具有求解精度高、時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),對(duì)于不符合要求的方案,還有利于修正規(guī)劃參數(shù),快速的得到規(guī)劃結(jié)果。

利用MATLAB中YAL MIP求解器調(diào)用CPLEX算法對(duì)本模型進(jìn)行求解[12],求解流程如圖4所示。

圖4 規(guī)劃模型求解流程

4 算例分析

以圖1所示某地區(qū)為例進(jìn)行研究,該區(qū)域包含辦公區(qū)、居民區(qū)2個(gè)區(qū)域,各區(qū)域多能負(fù)荷的位置以及道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)位置如圖5所示,共包含16個(gè)多能負(fù)荷節(jié)點(diǎn)具有電、熱能源需求。

圖5 多能負(fù)荷及能源站候選位置示意

各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)夏季、冬季、過(guò)渡季負(fù)荷曲線如圖6-圖7所示。

圖7 辦公區(qū)各節(jié)點(diǎn)電、熱負(fù)荷示意

結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源稟賦與建設(shè)規(guī)劃,擬建設(shè)2座能源站以滿足負(fù)荷的電、熱供能需求,能源站初選位置如圖6所示。

圖6 居民區(qū)各節(jié)點(diǎn)電、熱負(fù)荷示意

通過(guò)規(guī)劃算法進(jìn)行求解,可以得到能源站選址規(guī)劃結(jié)果以及供能管線的布局結(jié)果。結(jié)果如圖8所示。可以看出,在已知負(fù)荷需求及地理信息的情況下,本文所提出的算法可以求解出能源站的建設(shè)位置及能源站-負(fù)荷間的供能管線布局,以滿足系統(tǒng)對(duì)于能源需求的多樣性以及建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的要求。同時(shí),供能路徑確定后還可以計(jì)算出各個(gè)能源站供能需求的總量,為后續(xù)能源站設(shè)備配置、選型規(guī)劃建立基礎(chǔ)。

圖8 能源選址及供能管線布局規(guī)劃結(jié)果

將2座能源站的選址位置坐標(biāo)帶入Dijkstra最短路徑求解算法進(jìn)行求解,可以得到能源站站間互聯(lián)管線的布局規(guī)劃結(jié)果,如圖8所示。互聯(lián)管線的布局將為后續(xù)多能源站互聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化,經(jīng)濟(jì)性計(jì)算建立基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

針對(duì)多區(qū)域分布式能源站選址及供能管線布局規(guī)劃問(wèn)題。本文以傳統(tǒng)P-中值模型為基礎(chǔ),通過(guò)Dij kstra最短路徑求解算法將能源站選址與能源管線布局規(guī)劃相結(jié)合,引入多能負(fù)荷需求系數(shù)體現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)中負(fù)荷對(duì)于不同能源需求的差異(電、氣、冷、熱等)。算例結(jié)果表明,本文所提出的規(guī)劃方法可以實(shí)現(xiàn)能源站選址及能源站-負(fù)荷、站間網(wǎng)絡(luò)的布局規(guī)劃,規(guī)劃結(jié)果貼合實(shí)際,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,可以為后續(xù)多區(qū)域分布式能源站設(shè)備配置、運(yùn)行優(yōu)化建立基礎(chǔ)。

在后續(xù)研究中,將考慮用戶負(fù)荷波動(dòng)、可再生能源不確定性等因素對(duì)規(guī)劃的影響。同時(shí),將考慮設(shè)備所有權(quán)、建設(shè)年限以及能源費(fèi)用變化對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響。