基于二层规划的用户侧能源互联网规划

中国农业大学信息与电气工程学院的研究人员吴聪、唐巍、白牧可、张璐、丛鹏伟，在2017年第21期《电工技术学报》上撰文，针对能源系统规划中对多个供能区域的协调互济及多能流联合调度考虑不足的现状,研究基于二层规划的用户侧能源互联网规划方法。

首先,梳理供能系统结构,对各能量单元建模,并分析用户侧能源互联网内的负荷特性;其次,综合考虑多种能源互联、多个供能区域协调互济及多能流联合调度,建立用户侧能源互联网的二层规划模型,上层以年费用最低为目标,各能量单元的安装容量为优化变量,下层以年运行费最低为目标,各时段能量单元的调度值为优化变量;最后,采用精英保留策略遗传算法对上层规划模型求解,下层为0-1混合整数线性规划模型,采用分支定界法求解。

算例表明:所提规划建模方法具有可行性和有效性;多能流联合调度、多区域协调互济可以大幅削减年费用,还可缓解负荷与燃机热电比不匹配等问题;通过多种能源网络实现互联较通过单一电网或热网互联更经济。

随着全球环境危机不断加剧和传统化石能源日渐枯竭，可再生清洁能源得到大力发展。由于风能、太阳能等本身具有波动性和随机性的特点，其高渗透率接入对电网的安全可靠运行是一个很大的挑战。

此外，传统能源行业(电/热/天然气等) 单独规划、设计和运行不利于系统综合能效的提升。以泛在互联、低碳高效和多源协同等为特征的能源互联网应运而生，其利用智能电网、互联网等技术，融合电力网、热力网等多能源网，形成多种能源高效利用和多元主体参与的能源互联共享网络。

用户侧存在诸多小规模分布式能源系统，负荷具有较强的随机性和波动性，“源”与“荷”距离较近。在用户侧构建能源互联网不但能就地满足用户的电/热/冷多种能源需求，而且可以平缓负荷曲线、提高能源利用效率和消纳可再生能源。相关研究有冷热电联产系统、综合能源系统和泛能网等。

针对单个供能区域，文献［3］考虑多种能流的相互转换，提出冷/热/电联供微网优化调度通用建模方法，以某办公楼为测试对象验证模型有效性。文献［6］提出考虑多能源互联和多能流协调的分布式能源系统规划方法，仿真结果表明该系统与集中供能模式、常规冷热电联产模式相比更经济高效。

针对多个区域互联，文献［8］提出了基于0-1混合整数线性规划的多能源站互联规划方法，但规划中可供选择的设备种类较少，同时局限于站间热力互济。

文献［12］以年运行费和碳排放最低为目标，采用矩阵形式建立运行优化模型，先后考虑两个、三个区域互联，并对比分析不同运行场景，算例表明多个区域互联、热电联供更具经济和环境效益。

当前对于能源互联网的规划研究较少，文献［13］研究以电能路由器为核心的能源互联网结构，并提出基于电能交换器的未来配电网组网形态。文献［14］针对能源互联网中“能量传输拥塞”和“能量负载均衡”问题，分别提出基于边权和基于网络邻节点负载的路由策略。

文献［15］提出了考虑分布式光伏发电、相变储能和冷/热/电联供的多能源协同优化建设方案，以海淀北部示范区为例，改善了电力负荷特性，与常规能源供应体系下相比，变电站的规划容量明显减少。

综上所述，当前对于用户侧能源互联网规划的研究较少，现有规划文献对于多个供能区域经多种网络进行协调互济以及对于电/热/冷能流实行联合调度的考虑不够充分。

针对上述不足，本文梳理系统结构，对各能量单元建模，同时分析用户侧能源互联网的负荷特性; 充分考虑多种能源互联、多个供能区域互济及多类能流联合调度，建立二层规划模型，进行各能源路由器内设备配置和各能源局域网间网络规划，上、下层模型分别以年费用最低、年运行费最低为优化目标; 采用精英保留策略遗传算法、分支定界法求解所提模型，上、下层相互制约迭代计算; 仿真算例验证方法可行性，对比分析多能互补、网络互联对规划经济性的影响。

图1 用户侧能源互联网系统结构

结论

1）本文充分考虑多种能源开放互联、多个能源局域网协调互济、多类能流联合调度，提出了一种基于二层规划的用户侧能源互联网规划方法，此建模方法具有可行性。

2）规划中考虑电/热/冷能流联合调度的供能模式，与传统供能模式、常规冷热电联产系统相比，具有更高的经济效益。

3）多个能源局域网协调互济可有效缓解负荷与燃机热电比不匹配、电热(冷)负荷峰谷时段不匹配等问题，还可实现不同区域负荷特性的互补。

4）各能源局域网通过网络实现互联比无网络连接更经济，通过电/热多种网络互联，比通过单一电网或热网连接更具经济性。