[0001] 本发明涉及区域综合能源规划领域，尤其涉及一种考虑经济性与碳减排的区域综合能源多阶段规划方法。

[0002] 为了应对全球气候变化和能源危机，低碳转型已经成为了全球电力行业发展的首要主题。能源行业具有显著的碳锁定效应，因此，该行业的系统在规划层面既需要经济效益，也需要碳减排效益。多能网络是能源传输和管理的载体，承担着合理配置能源资源和需求的重要作用。合理的能源网络结构不仅可以降低能源消耗，间接减少工业用户的碳排放量，还可以促进间歇性可再生能源的消耗，降低用户的综合碳排放强度。针对碳减排、能源需求持续增长和能源多元化发展的迫切要求，区域综合能源系统(RIES)成为了能源发展的重要方向。RIES综合了多能系统，具有能源协同、高效和清洁的优势，而能源站是其中的关键环节，通过核心能源设备，如冷热电联供、燃气锅炉、热泵等，来实现不同能源形式的转换，达到了能源互补利用和能效提高的目的。

[0003] 规划是区域综合能源系统发展的基础，也是一个复杂的动态多目标非线性混合整数优化问题。由于规划和建设的时间跨度长，长周期规划在RIES中涉及许多不确定性，这些不确定的特性极大地影响了RIES的规划和建设。越来越多的工程实践表明，由于外部因素发展的影响，部分RIES在运行阶段的经济性与设计阶段的既定目标不一致。将长期发展目标划分为多个阶段，利用多个规划方案进行规划和建设，有助于随时根据区域发展情况调整规划策略，以此更加贴近能源发展需求，是长周期RIES规划的重要研究方向。

[0004] 由于规划周期长，多阶段规划是RIES长期发展规划中采用的一种分阶段规划方法。作为后续能源系统规划布局的基础，前一阶段的方案将直接影响后续能源网络的结构和投资，因此，需要在每个阶段中考虑整个规划周期的要求。多阶段规划的优势在于可以明确长周期规划下各时间节点的规划要求，因此，其不会偏离规划目标，能够显著减少设备和管道的冗余，提高设施的利用率，同时获得更多的收益和碳减排量。

[0042] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0043] 1、考虑经济性与碳排放的区域综合能源多阶段规划构建

[0044] 长周期下的多阶段能源规划，必须考虑多能管道和设备的规划。规划和建设通常以现有能源系统扩建为基础，因此，还包括扩建现有管道/设备和新建施工管道/设备规划。对于新建能源管道，必须提前确定管道的拓扑规划。在实践中，管道的拓扑规划应遵循特定的市政规划原则。因此，综合能源系统的多阶段规划包括两部分：一是新建管道拓扑规划，二是多阶段能源枢纽和网络协同规划。

[0045] 2、考虑经济性与碳减排的区域综合能源模型简化与假设

[0046] 本发明实施考虑到多阶段规划的大时间跨度，将总体规划周期分为几个部分。在总体规划期间，每个负荷点可根据确定的规划管道方向连接到变电站或能源枢纽，但最多只能连接一个负荷点。以下假设基于参考资料和实际工程经验：

[0047] 1)在规划期内，RIES系统必须满足现有负荷区块的能源需求，并且在早期阶段，新的负荷仍在建设中，因此，前三个阶段的新负荷需求无法满足，新建管线可以连接到不同的变电站或能源枢纽1或2。

[0048] 2)区域负荷将在目标年连接到变电站或能源枢纽，但必须优化连接阶段的时序，将规划期内的总成本降至最低。对于管线而言，每次新建或扩建都会增加施工和管道材料成本，原有管线将被废弃。施工成本与管线长度呈线性关系，而管线材料成本与管线类型和长度呈线性关系。对于变电站而言，能源枢纽中的变压器、能源转换设备、可再生能源设备以及新建和扩建设备也将增加安装和设备成本，安装费用为一次性费用，与设备容量无关。此外，设备成本与设备容量呈线性关系，变电站、能源枢纽和可再生能源的新建必须增加一次性土地购买和使用成本。

[0049] 3)增加新建和扩建的管线与设备将增加后续的维护成本，能源枢纽将会开始盈利，能源枢纽的利润与其运营成本之间存在线性关系。

[0050] 3、考虑经济性与碳排放的区域综合能源多阶段规划目标函数

[0051] 考虑经济性与碳排放的区域综合能源多阶段规划中，综合总成本cTotal(Ss,x,Ss+1,y)包括四个部分——规划投资成本 ，区域运行成本 ，能源枢纽收益 和碳减排量 。投资和运营成本代表区域建设、运营和维护的全生命周期成本，而能源枢纽收入和碳减排收入则代表综合能源服务商的盈利能力。目标函数具体如下：

[0052]

[0053] 式中：cTotal(Ss,x,Ss+1,y)表示从阶段s的x状态到下一阶段s+1的状态y状态转换成本， 表示阶段s的规划投资成本， 表示阶段s的区域运行成本， 为能源枢纽收益，为碳减排量。总成本由α，β，Ω和γ权重系数构成。ω是碳税。

[0054] (1)规划投资成本

[0055] 多阶段规划的投资成本 主要包括四个部分。第一部分管线规划成本 包括新建与已有电力、燃气、热力管线的扩展规划成本 ，以及相应的施工成本 。第二部分设备扩容成本 包括购置成本 与变压器、风电机组、能源枢纽能源转换设备等的安装成本 。第三部分为管线与设备的运维成本 。第四部分是管线及设备在规划末期的残值FRV。具体表示如下：

[0056]

[0057]

[0058]

[0059]

[0060]

[0061] 其中：

[0062] R‑t＝(1+r)‑t

[0063]

[0064]

[0065]

[0066]

[0067]

[0068]

[0069]

[0070]

[0071]

[0072]

[0073] 式中，R‑t为现值系数，r为贴现率，t为从规划开始算起的年数； 为第i条管线的长度； 和 分别为阶段s时管线和设备的类型与容量；εpipeline和εequipment分别为管线和设备的单位成本； 为设备的扩展增量；fINS,EQ和fLand分别为设备的安装成本和土地购买成本； 和 分别为管线和设备的维护系数；ΔT为操作和维护的时间； 为净残值率；Nj,life是设备的使用寿命； 和 为折旧费；τ为折旧时间。

[0074] (2)区域运行成本

[0075] 区域运行成本 由冬季、夏季以及过渡季典型日的电力负荷 电价cE、燃气负荷 和燃气价格cG组成，具体表示如下：

[0076]

[0077] 式中，Δtseason为典型季节持续时间。

[0078] (3)能源枢纽收益

[0079] 能源枢纽收益 由该地区冬季、夏季以及过渡季典型日的电负荷、电价、热负荷和单位热负荷收入组成，具体表示如下：

[0080]

[0081] 式中， 和 分别为能源枢纽u提供的电负荷与热负荷； 和 分别为单位电负荷收入与单位热负荷收入。

[0082] (4)碳减排量

[0083] 碳减排的利润来源于能源枢纽集中供热取代了原来的燃煤锅炉来提供热负荷，以及使用可再生能源导致的碳排放的减少，进而带来了碳税成本的减少，具体表示如下：

[0084]

[0085]

[0086]

[0087]

[0088]

[0089] 式中， 分别代表不同季节热、电、气和可再season
生能源的碳排放减少量；Δt 为不同季节的天数； 分别为典型日
的热、电、气能源需求，其中电、气为一次输入能源，由气、电转换的二次热需求不包含在一次输入能源中； 分别代表不同季节典型日的热、电、气的碳排放量；
ηHeat‑Coal和ηElec‑Coal分别为热输出和电输出的标准煤当量转换系数； 和 分别为煤和天然气的CO2排放系数； 和 分别代表规划前后热力的碳排放量。

[0090] 4、考虑经济性与碳排放的区域综合能源多阶段规划方法

[0091] 该多阶段规划模型的决策变量为各阶段的新建和扩建管道，以及变电站或能源枢纽中设备的容量。首先，确定各个阶段的规划状态，并根据决策变量构建RIES的多阶段规划图，如图1所示；其次，计算多阶段规划图中各边的权重(即在不同阶段情形转变发生时新的综合成本)。通过以下步骤确定管道类型和设备容量，多阶段规划的求解流程如图2所示。

[0092] 1)根据阶段s时各区块的负荷以及能源枢纽和变电站的能源供应，计算多能潮流，确定满足负荷需求的最小管道型号；

[0093] 2)判断现有管线i是否属于相应的变电站或能源枢纽k；判断新管道i是否添加到相应的变电站或能源枢纽k；计算变电站和能源枢纽的最小设备容量；最后计算综合成本。

[0094] 采用动态规划法求解总成本最小问题，动态规划的基本求解方法为逐步确定从多级网络的结束状态到初始点的最小成本，使用以下递归方程计算成本：

[0095]

[0096] 式中，cTotal(Ss,x,Ss+1,y)表示从阶段s的x状态到下一阶段s+1的状态y状态转换成本；COST(Ss,x)和COST(S(s+1),y)分别为阶段s的x状态和阶段s+1的状态y的规划成本。

[0097] 图1描述了确定初始和最终状态的多阶段规划简单示意图，S1,b1是规划状态之一，表示在第一阶段时b管线/设备类型或容量为1。图中的每条边表示状态过度的权重，即本阶段规划的综合成本。各阶段中每个管线/设备的状态不低于上一阶段的状态，因此，从(S1,a2,S1,b1)到(S2,a1,S2,b3)的状态转换是不可行的。多阶段规划旨在找到从状态(S0,a1,S0,b1)到(S3,a3,S3,b3)的最短路径。

[0098] 下面结合实例对区域综合能源系统多阶段规划方案进行分析，详见下文描述：

[0099] 本实例选取了位于中国天津北辰(TJBC)地区的典型北方城区，该地区属于暖温带半湿润季风气候，季节温度变化很大，秋冬季平均气温约为‑0.8℃，因此该区域需要集中供暖。规划区是一个长6.35公里、宽3.46公里的近似矩形区域，面积约为22.23平方公里，常住人口约六万人。规划区属于快速开发建设的北方产业城市互动区，能源需求快速增长，能源利用潜力巨大。该城区的许多地区正在规划和建设中，其中一些具有新的多能负荷需求，图3(a)和图3(b)描述了北辰地区2030年计划的区域建设。

[0100] 目前，该区域有三个110kV变电站(即FDY、XFT和FHB)，一个220kV变电站(即RHY)，一个能源枢纽(即EH1)和一个天然气阀门站用于能源供应，热电联产是能源枢纽的核心能源供应设备，220kV的RHY变电站从外部向该地区的110kV变电站供电。当前区域共有31个电力负荷由28条10kV线路供电，示范区内的29个燃气负荷由燃气门站使用37条燃气管道供应，其中一条管道由热电联产作为核心能源枢纽供应，为部分工业用户供热，并通过燃气换热为住宅供暖。

[0101] 本实例利用所提多阶段规划方法，考虑建设投资成本、运营成本、能源枢纽收入和碳减排收入四个因素，研究了不同情景覆盖分位数下的最优规划方案，从生成的场景中选择了15个优化方案，由图4(a)可知，随着情景覆盖率的增加，规划方案的投资成本、收入和碳减排呈现出增加的趋势。从方案1到方案13，球体的体积逐渐增大，表明规划方案逐渐变好；从方案13到方案15，球体体积逐渐减小，因此方案13是综合成本变化的拐点，是最优方案。方案13在阶段1建设二号能源枢纽，将部分分布式供热改为集中供热，降低运行成本，同时改善了碳减排，节省了大量碳税支出，可以覆盖90％的情景。由图4(b)可知，方案7‑9之间的碳减排差距较大，方案7和方案8之间的碳减排差距是由二号能源枢纽的建设时间差异造成的，而方案8和方案9之间的碳减排差距是由风电装机容量的增长造成的。由图4(c)可知，二号能源枢纽的定时建设对总投资、建设成本和总收入的影响更大。因此，利用能源枢纽扩大清洁供热，而不是传统的燃煤供热，将极大地影响整个地区的能源状况。

[0102] 表1多阶段规划方案7与方案8的比较

[0103]

[0104] 方案7和方案8的规划细节如图5(a)至图5(i)和表1所示，图5(a)至图5(i)为方案7和方案8的总投资成本、总收益、总碳排放量、总运行成本、管线投资、设备投资、能源枢纽1碳减排量、能源枢纽2碳减排量、风机的碳减排量结果。由图5(a)可知，方案7的投资主要发生在第1、2和3阶段，第2阶段主要增加了二号能源枢纽的建设，而第3和第5阶段则减少了建设，以避免设施闲置浪费；在方案8中，第1阶段将建设二号能源枢纽，第3和第4阶段将建设少量补充能源系统。由图5(b)可知，第1阶段由于二号能源枢纽的建设时间顺序不同而存在一定的收入差距，而第2阶段两方案均有二号能源枢纽，因此总收益差距缩小了。由图5(e)可知，方案7的大部分投资成本分布在第1和第4阶段，而方案8的投资成本分布在第1和第2阶段，这表明规划方案在规划前期往往会进行新的建设和扩建，在一定程度上增加负荷后，在规划中后期进行补充施工。由图5(f)可知，设备扩容与管道扩容的区别在于，管道扩容后原有管道将失去价值，而设备扩容是在原有设备的基础上进行的，设备的单位成本较高。因此，为了减少闲置设备，保持一定的设备残值，设备的扩建基本上是按需进行的，并随着时间的推移而增加。

[0105] 表2最优多阶段规划方案13

[0106]

[0107] 考虑到成本、效益和情景覆盖率，方案13中规划的能源系统的预期综合成本是最佳的，规划细节如图6(a)至图6(d)和表2所示。方案13在初始建设阶段投资建设了二号能源枢纽和相应的能源供应管道，因此初期投资成本较高，并在其他阶段增加和扩建了一些管道和设备。早期投资和建设将很快提高能源枢纽收入，增加碳减排。由图6(b)可知，区域负荷有快速增长趋势，因此，第三阶段的收入和碳排放减少情况有了显著改善。

[0108] 如图7(a)至图7(e)所示，根据传统的确定性单阶段规划方法对期望场景进行规划，将规划结果与多阶段随机规划方案的最优规划方案13的结果进行了比较。由图7(a)可知，确定性单阶段规划方法的投资成本较高，而多阶段规划方法的投资成本增加了约三分之一，因为前者所涵盖的场景少于多阶段规划。由图7(b)和(c)可知，就碳减排和能源枢纽效益而言，确定性单阶段规划方法并不优于多阶段规划方法。由于确定性单阶段规划方法在规划阶段开始时完成所有规划和建设，因此有大量资产闲置和浪费。由图7(e)可知，确定性单阶段规划的总残值小于多阶段随机规划方法的总残值，因为多阶段随机规划方案合理规划了管道和设备建设和扩建的时间序列，总剩余价值相当可观。因此，就综合总成本而言，多阶段随机规划方法比确定性单阶段规划方法更具优势。

[0109] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。