技术领域
[0001] 本发明属于综合能源系统自动化领域，具体涉及一种综合能源系统碳流计算方法及系统。
相关背景技术
[0002] 随着经济技术的发展，综合能源系统已经开始逐步推广。在满足多能负荷供应的基础上，综合能源系统能够通过多能互补协同，提高系统能源的整体效率，从而实现更加高效和环保的能源供应。
[0003] 碳排放计算一直是综合能源系统的运行、调度和评价等工作的重要基础。传统碳排放分析方法基于系统碳排放总量的角度，将碳指标转化为经济指标进行优化，忽视了碳排放在能源网络中的分布特性，难以辨析系统内部各环节的高碳要素。
[0004] 针对传统方案的局限性，有研究基于比例共享原则将电力系统碳流定义为依附于电力潮流的虚拟流，使碳排放具有网络流的特性。在此基础上，可结合高等电力网络分析方法与电力潮流计算方法，提出电力系统碳流矩阵化计算方法。将电力系统碳流理论拓展到综合能源系统，可将综合能源系统碳流定义为依附于能流的虚拟网络流。但是，该类方案中的碳流计算均在能流的基础上进行建模，仅考虑了能量的数量，未考虑不同形式能量品质的差异。而综合能源系统中多源能量之间的品质差异，将极大的降低该类方案的可靠性和精确性。
具体实施方式
[0067] 如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明公开的这种综合能源系统碳流计算方法，包括如下步骤：
[0068] S1.获取目标综合能源系统的数据信息；
[0069] S2.根据步骤S1获取的数据信息，针对目标综合能源系统，建立基于潮流的电力系统 流计算模型、基于气流的天然气系统 流计算模型、基于等效变换的热力系统 流计算模型和标准化 集线器模型；
[0070] 具体实施时，所述的建立基于潮流的电力系统 流计算模型，具体包括如下步骤：
[0071] 设定电力系统的有功分布为 流分布，有功损耗为 损，则电力系统的 流模型表示为：
[0072]
[0073] 式中ee为电力线路 流列向量；Pe为电力线路有功流列向量；Δee为电力线路 损列向量；ΔPe为电力线路有功损耗列向量；
[0074] 所述的建立基于气流的天然气系统 流计算模型，具体包括如下步骤：
[0075] 以热值与天然气体积的乘积衡量天然气能量；
[0076] 将天然气的燃料 表示为天然气 势与气流率的乘积，在忽略气损等条件下，则天然气系统的 流模型表示为：
[0077]
[0078] 式中eg为天然气管道 流列向量；Ag,‑为然气系统的流出节点‑支路关联矩阵；pg为天然气节点 势列向量；mg为天然气管道气流率列向量；diag()表示以列向量中的元素构成对角矩阵；Δeg为天然气管道 损列向量；Ag为天然气系统的节点‑支路关联矩阵。
[0079] 所述的建立基于等效变换的热力系统 流计算模型，具体包括如下步骤：
[0080] 以回水网络为参考系对供水网络 流模型进行等效变换，消除回水网络 流对供水网络 流的影响；等效变换后热力系统 流模型具有与电力、天然气系统相同的单层结构。等效变换后，热力系统 流分布包括热力支路 流、热力支路 损、热源 热负荷 热力节点 损；
[0081] 等效变换后，热力系统 流分布包括热力支路 流、热力支路 损、热源 热负荷和热力节点 损，表示为：
[0082]
[0083] 式中Uh为热力节点的 压列向量；ps为热力节点的供水 势列向量；pr为热力节点的回水 势列向量；eh为热力支路 流列向量；Ah,‑为供水网络的流出节点‑支路关联矩阵；mh为热力支路水质量流率列向量；Δeh为热力支路 损列向量；Ah为供水网络的节点‑支路关联矩阵；Δeh,S为热源 列向量；mh,S为热源水质量流率列向量；Δeh,L为热负荷 列向量；
po为热力节点的出口 势列向量；mh,L为热负荷水质量流率列向量；Δeh,Ll为热力节点 损列向量。
[0084] 所述的建立标准化 集线器模型，具体包括如下步骤：
[0085] 基于 集线器的标准化形式对能源站 流模型进行建模，以得到能源站内部各能源设备之间的 流分布；模型表示为：
[0086]
[0087] 式中XES为能源站的 输入耦合矩阵；eES为能源站 流列向量；ein,ES为能源站输入列向量；YES为能源站的 输出耦合矩阵；eout,ES为能源站输出 列向量；ZES为能源站的转换矩阵；WES为能源站的 分配矩阵；
[0088] S3.根据步骤S1获取的数据信息，将目标综合能源系统中的支路 损分摊到支路两端节点，建立考虑能量品质的网络化的能源站碳流模型，并结合步骤S2得到的模型和碳流模型建立考虑能量品质的综合能源系统矩阵化碳流统一计算模型；
[0089] 在综合能源系统 流分析的基础上，定义碳流为依附于 流存在且用于表征综合能源系统中维持任一支路 流的碳排放所形成的虚拟网络流；在该定义下，综合能源系统碳流模型兼顾了能量的“量”和“质”；
[0090] 具体实施时，所述的将目标综合能源系统中的支路 损分摊到支路两端节点，具体包括如下步骤：
[0091] 设定电力支路和热力支路存在 损；在忽略气质改变、气体泄漏等条件下，天然气支路不存在 损；
[0092] 支路 损是由综合能源系统向负荷供应 流所产生的，该部分 损可由支路两端的源或荷承担，该部分 损所承担的碳排放也可由支路两端的源或荷承担；基于损耗双向平均分摊原理，分摊后的综合能源系统节点 流列向量eN,nl表示为其中，eN为分摊前节点 流列向量(选取 流注入节点的方向为正方向，其源节点、荷节点、连接节点对应的元素分别为负值、正值、零)，abs()为将矩阵或向量中的元素取绝对值操作，A为综合能源系统的节点‑支路关联矩阵，Δeb为综合能源系统支路 损列向量；
[0093] 双向平均分摊后，综合能源系统支路 流列向量eb,nl表示为 其中eb为分摊前支路 流列向量；
[0094] 所述的建立考虑能量品质的网络化的能源站碳流模型，具体包括如下步骤：
[0095] 将能源转换设备 损对应的碳流分配给能源站；
[0096] 设定eini为第i种能源形式输入能源转换设备的 流，cini为第i种能源形式输入能源转换设备所对应的碳流，eoutj为能源转换设备输出第j种能源形式的 流，eloss为能源转换设备 损，closs为能源转换设备 损所对应的碳流；
[0097] 能源转换设备的 流平衡方程表示为 m为输入能源转换设备的能源形式的总数，n为能源转换设备输出能源的总数；
[0098] 能源转换设备的碳流平衡方程表示为
[0099] 将能源转换设备输出第j种能源形式的 流所承载的碳流coutj按照对应部分 流所占输出 流与 损之和的比例进行分配， 损所承担的碳流closs按照所占输出 流与损之和的比例进行分配，则coutj和closs表示为
[0100]
[0101] 定义pout为能源站输出 流与 损的碳势，且 则
[0102]
[0103] 由上述算式可知，能源转换设备可等效为一个节点，输入设备的 流和碳流等效为流入节点的 流和碳流，输出设备的 流和碳流等效为流出节点的 流碳流，设备 损与对应的碳排放等效为节点 损与流入节点的碳流；此时能源转换设备输出第j种能源形式的 流所承载的碳流可表示为 流与节点碳势的乘积；设备 损承担的碳排放可表示为损与节点碳势的乘积；基于上述分析，等效后的能源设备节点仍然满足 流平衡与碳流平衡规律。
[0104] 对于包含若干种类型能源设备的能源站，将每个能源设备均等效为节点，将能源设备之间的 流路径等效为支路，此时能源站被等效为节点数为能源设备数目、支路数为流路径数目的网络，具有与能源网络相似的拓扑结构，进而有利于建立统一化的综合能源系统碳流计算模型；
[0105] 所述的结合步骤S2得到的模型和碳流模型建立考虑能量品质的综合能源系统矩阵化碳流统一计算模型，具体包括如下步骤：
[0106] 整个综合能源系统形成统一的网络化结构，在电力系统碳流计算模型的基础上进行拓展，进而得到综合能源系统碳流计算模型；类比电力系统碳流理论，考虑能量品质的综合能源系统碳流遵循 流比例分配原则；注入节点的碳流密度以及流出节点支路的碳流密度均等于节点碳势，其中注入节点的碳流包括负荷 和节点 损；在已知节点碳势与 流的情况下，整个系统的碳流分布均可求解，因此节点碳势的计算成为碳流计算的首要目标；
[0107] 类比电力系统碳流模型中的相关矩阵，定义综合能源系统源端碳排放强度向量cS为源端供应单位 产生碳排放构成的向量，其中元素个数为nS，nS为能量供应源的数目；在实际分析中，源端供应单位能量的碳排放可采用碳排放因子近似设置；
[0108] 综合能源系统源端碳排放强度向量cS表示为cS＝fSλS，fS为能量的碳排放因子，λS为能量的能质系数；
[0109] 定义综合能源系统支路 流分布矩阵EB为nN阶方阵，nN为电力、天然气、热力节点以及能源站内部能源转换设备数目的总数；当支路的 流是由节点i流向节点j时，EB中第i行第j列元素为对应的 流数值，其他情况下元素为0；
[0110] 定义综合能源系统源端供应 流分布矩阵ES为nS×nN阶矩阵，若第i个源节点为节点j，则ES中第i行第j列元素为源端向该节点供应的 流数值，其他情况下元素为0；
[0111] 定义综合能源系统节点消耗 流分布矩阵EC为nC×nN阶矩阵，nC为消耗 流的节点数目，包括负荷节点与能源站等效节点，当连接节点与存在 损的支路相连时，在支路 损双向分摊后，部分支路 损可视为节点 损，该节点也为消耗 流的节点；当第i个消耗 流的节点为节点j，则EC中第i行第j列元素为节点消耗 流的数值，其他情况下元素为0；
[0112] 为描述系统中源节点对其他节点的贡献，定义综合能源系统节点 流通量矩阵EN为nN阶对角方阵，其中第i行对角线元素为源端以及周边支路向第i个节点注入的 流之和；EN表示为 其中 为nN+nS维由元素1构成的行向量；
[0113] 定义综合能源系统节点碳势列向量cN为nN维列向量，元素的含义为节点周围设定T ‑1范围内单位 流所承载的碳排放；源节点的碳排放强度为碳势；cN表示为cN＝[EN‑(EB) ]T
(ES) cS；
[0114] 通过cN＝[EN‑(EB)T]‑1(ES)TcS得到节点碳势后，计算综合能源系统的碳流分布：
[0115] 定义支路碳流分布矩阵CB为nN阶方阵，当某条支路的碳流是由节点i流向节点j时，CB中第i行第j列元素为对应的碳流数值，其他情况下元素为0；CB表示为CB＝diag(cN)EB；
[0116] 结合节点消耗 流分布矩阵，定义节点消耗碳流列向量cC为EC维列向量，元素含义为源端供应节点消耗 流所产生的碳排放；cC表示为cC＝ECcN；
[0117] S4.根据步骤S2和步骤S3构建的模型，完成综合能源系统的碳流计算；具体包括如下步骤：
[0118] 综合能源系统分析中通常非平衡节点功率为已知量。在该场景下，通过多能潮流计算方法计算电力潮流、气流率、水流率、水温等参数，在此基础上基于 流计算模型求解系统 流分布，进而基于考虑能量品质的碳流计算模型求解系统碳流分布；
[0119] 数据获取：获取的数据包括综合能源系统的网架拓扑、多能源荷、管线参数、运行方式、能源站参数和源端能源碳排放因子；
[0120] 潮流计算：通过水力‑热力模型交替迭代法计算得到热力系统参数；所述热力系统参数包括水流率和水温；基于能源集线器模型计算得到能源站的输入和输出能流，从而更新能源站对应电力与天然气网络节点的源荷功率；求解电力系统潮流；基于牛顿节点法求解天然气系统气流分布；
[0121] 流分布计算：基于步骤S2建立的热力系统 流计算模型求解热力系统的 流与损分布；基于步骤S2建立的标准化 集线器模型求解能源站内部的 流与 损分布；基于步骤S2建立的电力系统 流计算模型求解电力系统 流与 损分布；基于步骤S2建立的天然气系统 流计算模型计算天然气系统 流分布；
[0122] 碳流计算：基于步骤S3构建的模型，求解得到支路碳流分布矩阵与节点消耗碳流列向量；具体实施时，基于 损双向分摊原理将支路 损平均分摊到两端节点，形成无 损网络；将能源站中的 流路径等效为支路，能源转换设备等效为节点，形成能源站网络化结构；建立源端碳排放强度向量、支路 流分布矩阵、源端供应 流分布矩阵、节点消耗 流分布矩阵；在此基础上计算节点 流通量矩阵；进而计算节点碳势列向量；最终求解得到支路碳流分布矩阵与节点消耗碳流列向量；
[0123] 数据输出：根据碳流计算结果，完成目标综合能源系统的碳流计算。
[0124] 以下结合一个实施例，对本发明方法进行进一步说明：
[0125] 为验证本文模型的合理性与有效性，本申请选择典型综合能源系统进行分析，该综合能源系统包含电力、天然气、热力网络和一个典型能源站。其中电力系统为33节点配电网。天然气系统为25节点配气网。热力系统为32节点区域热力网络。能源站工作于“以热定电”的运行模式，采用热电联产机组与燃气锅炉进行供热，其中热电联产机组的气‑电转换效率与气‑热转换效率分别为0.35和0.45，燃气锅炉的气‑热转换效率为0.85。
[0126] 稳态条件下选取综合能源系统典型运行场景进行分析，该场景下热电联产机组与燃气锅炉的产热量相同。已知多能负荷场景下，通过多能潮流计算方法求解电力潮流、气流率、水流率、水温等参数。在此基础上采用电力与天然气系统 流模型、基于能效变换的热力系统 流模型、标准化 集线器求解算例综合能源系统的 流分布。之后，在支路 损双向分摊以及对能源站进行等效处理后，基于本发明考虑能量品质的综合能源系统碳流计算方法得到算例综合能源系统的节点碳势如表1所示：
[0127] 表1考虑能量品质下算例综合能源系统节点碳势分布示意表
[0128]
[0129] 碳流分布如图2所示，图中E1‑E33节点为电力节点，G1‑G25为天然气节点，H1‑H33为热力节点，CHP表示热电联产机组，GB表示燃气锅炉；
[0130] 分析算例综合能源系统的节点碳势特征。由表1和图2可知，由于所有气负荷、热电联产机组、燃气锅炉所消耗的天然气来源于配气网中唯一气源，因此所有天然气节点、热电联产机组、燃气锅炉的碳势均等于气源的碳排放强度，可以用天然气的碳排放因子除以其能质系数表示。类似地，热负荷所消耗的热量 无论是由热电联产机组还是燃气锅炉供应，均来源于天然气节点G8，因此整个热力系统的节点 势也均等于天然气的碳排放因子除以其能质系数。配电网中负荷节点E8‑E18消耗的电能 来源于热电联产机组，最终来源于天然气发电，因此这些节点的碳势等于气源的碳排放强度。而节点E2‑E6以及E19‑E33所消耗的电能 来源于变电站E1，而变电站的电能最终来源于燃煤发电，因此这些节点的碳势等于变电站的碳排放强度。考虑到电的能质系数为1，变电站的碳排放强度可由煤的碳排放因子除以煤‑电转换效率表示。节点E7的消耗电能 一部分来源于变电站另一部分来源于热电联产机组，因此该节点的碳势介于变电站与气源的碳排放强度之间。
[0131] 进一步分析算例综合能源系统的碳流特征。由图2可知，综合能源系统中所有节点均满足碳流平衡规律，即流入节点与流出节点的碳流相等。整个系统满足碳排放平衡关系，即源端所产生的碳流等于多能负荷与连接节点、能源转换设备承担的碳排放之和。所有流出节点的碳流均满足 流比例分配原则，即流出节点 流所承载的碳流等于该部分 流所占所有流出节点 流与节点 损之和的比例与流出节点碳流总量的乘积。能源站中热电联产机组、燃气锅炉在能源转换过程中产生了大量 损，因此热电联产机组、燃气锅炉承担的碳排放责任较高。热量所包含的 较少，因此热力系统所承担的碳排放责任较低。此外，热力支路存在 损，在双向分摊到支路两端节点后，连接节点也存在 损，此时连接节点也存在碳流注入，即承担一部分碳排放责任。而在忽略气质改变、天然气流失等条件下，天然气系统可视为无损网络，因此连接节点不用分摊支路 损，也不无需承担碳排放责任。
[0132] 传统综合能源系统建模考虑对称的供回水结构，热源与热负荷在供回水网络之间传递热量。供水网络 流既包含供应负荷的 流，还包含返回回水网络的 流，难以揭示热源供应以及负荷消耗的热量 在网络中的分布，难以实现与具有单层建模结构的电力、天然气系统的统一分析。
[0133] 基于双层结构的 流建模所存在的局限性给碳流建模也带来一定局限性，基于双层结构的碳流建模难以揭示热源供应以及负荷消耗的热量 所承载的碳排放在网络中的分布，也难以实现与电力、天然气系统碳流的统一分析。等效变换后的热力系统 流模型具有与电力、天然气系统相似的单层结构，综合能源系统中的 流分布反映了源端供应与负荷消耗的 在系统中的分布，有利于实现各能源系统的统一分析。如图2所示，基于热力系统等效变换的碳流分布(本发明方法)反映了源端供应与负荷消耗的 所承载的碳排放在系统中的分布，有利于结合电力、天然气系统与能源站碳流模型建立综合能源系统碳流统一计算模型。
[0134] 进一步分析是否考虑能量品质对综合能源系统碳势与碳流分布的影响。针对基于对称供回水结构的热力系统能流模型同样采取等效变换处理，在此基础上以能流作为碳排放的载体，得到未考虑能量品质的节点碳势分布如表2所示：
[0135] 表2未考虑能量品质下算例综合能源系统节点碳势分布示意表
[0136]
[0137] 碳流分布如图3所示，图中E1‑E33节点为电力节点，G1‑G25为天然气节点，H1‑H33为热力节点，CHP表示热电联产机组，GB表示燃气锅炉。
[0138] 对比表1与表2可知，是否考虑能量品质两种情况下部分节点的 势存在差异。在考虑能量品质下，节点碳势的物理含义为该节点产生或消费单位 即有效能所造成的等效于源端的碳排放值。在考虑能量品质下，节点碳势的物理含义为该节点产生或消费单位即有效能所造成的等效于源端的碳排放值。在不考虑能量品质下，节点碳势的物理含义为该节点产生或消费单位能量所造成的等效于源端的碳排放值。电能可全部转换为功，可全部视为 因此变电站E1节点供应单位电能和 所造成单位碳排放相等，因此两种场景下E1的碳排放强度相等。节点E2‑E6以及E19‑E33消耗的电能和 均来源于E1，因此两种场景下这些节点的碳势相同。而天然气能量只有部分转换为功，即只有部分可视为能量。气源G1供应单位 需要比 值更多的能量，因此考虑能量品质场景下气源G1的碳排放强度高于不考虑能量品质的场景。所有天然气、热力节点以及电力节点E8‑E18的 最终均来源于气源G1，因此这些节点的碳势在考虑能量品质场景下要高于不考虑能量品质的场景。类似地，节点E7消耗的 同时来源于节点E1与G1，因此考虑能量品质场景下的节点碳势更高。综合上述分析，考虑能量品质的节点碳势是 流分析的基础上建立的(本发明方法)，与基于能流的节点碳势定义相比，兼顾了能量的“量”和“质”。
[0139] 对比分析图3与图4可知，算例综合能源系统基于 流的碳流与基于能流的碳流分布特征存在相似性与差异性。是否考虑能量品质主要影响碳流的分配规则，不影响源端碳排放之和。 流为能流中的有效能部分，因此 流与能流流向相同，所承载的碳流方向也相同。在忽略气质改变等条件下，天然气的能质系数恒定，即天然气 流与能流成正比，因此天然气 流流出节点所占流出节点 流总和比例与能流流出节点所占流出节点能流总和比例相等。算例综合能源系统中天然气负荷消耗的 来源于唯一气源G1，因此基于能流与流的天然气系统碳流分布相同。能源站作为能量品质降低的关键环节，两种场景下碳流分布具有明显差异。电能为高品质能量，全部为 热量为低品质能量，只有一部分为 天然气的品质介于两者之间。不考虑能量品质场景下，能源设备的能量损失较少，仅承担小部分碳排放责任，而热力系统所承担的碳排放较大。燃气锅炉的能效高于热电联产机组，在产热相同的场景下，燃气锅炉所承担的碳排放低于热电联产机组。在考虑能量品质场景下，能源站 损不仅考虑了能量损失中的 损，还考虑了能量转换过程中品质降低所产生的 损。能源站 损同时考虑能量“量”和“质”的损失，远大于能量损失。此时能源站 损所承担的碳排放远高于能量损失承担的碳排放。热能为低品质能量，只有部分能转换为功，以 作为综合能源系统各能量形式统一分析的度量，热力系统所分配的碳排放低于基于能量的分配方式。由于电能为高品质能量，在考虑能量品质后所热电联产机组输出电能分配的碳排放责任更高，因此受热电联产机组注入 流影响的节点和支路的碳流高于不考虑能量品质的场景。燃气锅炉和热电联产机组将天然气转换为低品质热量，而热电联产机组在产热的同时产生了更高品质的电能，因此热电联产机组的 损低于燃气锅炉，热电联产机组承担的碳排放也低于燃气锅炉。基于上述分析，基于 流的碳流分布(本发明)与基于能流相比，综合考虑了能量“量”和“质”的贬值机理，实现了异质能量碳排放的统一分析，有利于在减排过程中抑制高品质能量流失，进而实现深度节能。
[0140] 如图4所示为本发明系统的功能模块示意图：本发明公开的这种实现所述综合能源系统碳流计算方法的系统，包括数据获取模块、 流计算模型构建模块、碳流计算模型构建模块和碳流计算模块；数据获取模块、 流计算模型构建模块、碳流计算模型构建模块和碳流计算模块依次串接；数据获取模块用于获取目标综合能源系统的数据信息，并将数据信息上传 流计算模型构建模块； 流计算模型构建模块用于根据接收到的数据信息，针对目标综合能源系统，建立基于潮流的电力系统 流计算模型、基于气流的天然气系统流计算模型、基于等效变换的热力系统 流计算模型和标准化 集线器模型，并将数据信息上传碳流计算模型构建模块；碳流计算模型构建模块用于根据接收到的数据信息，将目标综合能源系统中的支路 损分摊到支路两端节点，建立考虑能量品质的网络化的能源站碳流模型，并结合得到的模型和碳流模型建立考虑能量品质的综合能源系统矩阵化碳流统一计算模型，并将数据信息上传碳流计算模块；碳流计算模块用于根据接收到的数据信息，根据构建的模型完成综合能源系统的碳流计算。
