文章導讀：隨著城市高效低碳供能需求的不斷提升，傳統(tǒng)獨立能源系統(tǒng)向多能協(xié)同的綜合能源系統(tǒng)升級已是大勢所趨。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)作為多能互補的重要載體，近年來被廣泛關注。本文重點從多能負荷預測、資源稟賦評估、能源設備建模、規(guī)劃優(yōu)化方法、系統(tǒng)仿真評估幾個方面分析園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃輔助決策技術的現(xiàn)狀與難點，為讀者提供一套園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃思路。

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多能協(xié)同規(guī)劃輔助決策技術

蔣一博

國網(wǎng)（蘇州）城市能源研究院

近年來，隨著能源與信息技術的革新，以及對清潔低碳、安全可靠、智能開放、高效互動等能源管理目標的不斷追求，綜合能源系統(tǒng)成為社會各界共同關注的熱點領域。綜合能源系統(tǒng)可按其供能范圍分為區(qū)域級、園區(qū)級、建筑級系統(tǒng)。其中園區(qū)綜合能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)與智慧城市在地理和功能上的重要載體，當前綜合能源系統(tǒng)的相關研究與工程示范也大多圍繞著園區(qū)級系統(tǒng)展開。

具體來看，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)一般以供能網(wǎng)絡為骨架，以能源站為樞紐，在園區(qū)內實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲互動，電、氣、冷、熱各類異質能源互補。近十年來，大量理論研究及工程實踐證明，系統(tǒng)規(guī)劃方案的科學與否將極大程度的影響未來系統(tǒng)運行性能。而系統(tǒng)規(guī)劃需考慮園區(qū)功能、能源政策、能源價格、負荷水平、資源稟賦等一系列影響因素，是一項宏觀統(tǒng)籌與微觀優(yōu)化相結合的復雜綜合性工作。研究表明，通過數(shù)學計算與經(jīng)驗決策相結合的方式來實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃是目前一種切實可行的實施路徑。一方面通過數(shù)學方式刻畫園區(qū)能源系統(tǒng)的基本特征，并采用優(yōu)化算法確定系統(tǒng)供能技術路線與設備容量的理論最優(yōu)值；另一方面通過能源政策、園區(qū)特征等宏觀標準來判斷數(shù)學規(guī)劃方案的適用性，通過反饋完善，導出符合實際園區(qū)發(fā)展需求的最佳規(guī)劃方案。在該技術方案中，基于數(shù)學優(yōu)化的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多能協(xié)同規(guī)劃輔助決策方法是其中一項關鍵技術，需突破如下幾點關鍵子技術。

多能負荷預測與資源稟賦評估技術是“輸入保障”。多能負荷預測與資源稟賦評估技術實質上是利用數(shù)學方法來描述系統(tǒng)規(guī)劃的外部環(huán)境，負荷與資源預測的精準與否將直接影響最終規(guī)劃方案的合理性。綜合能源系統(tǒng)負荷預測的難點在于系統(tǒng)涉及電、氣、冷、熱等多種不同能源形式，一方面各類能源的物理特性存在差異；另一方面不同能源負荷之間會相互影響。因此在單一能源系統(tǒng)中采用的負荷預測方法往往難以直接在綜合能源系統(tǒng)中套用。而資源稟賦評估技術則更加依賴歷史數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)分析，從而找到風能、輻照強度、地熱等本地資源的規(guī)律。

分布式能源設備建模技術是“數(shù)學基礎”。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可看作不同能源設備的有機結合。而系統(tǒng)規(guī)劃輔助決策技術本質上是利用數(shù)學建模將實際物理系統(tǒng)轉化為數(shù)學模型，并通過數(shù)學分析計算找到物理系統(tǒng)特征的過程。設備建模方法種類繁多，按模型是否隨時間變化可分為穩(wěn)態(tài)模型與動態(tài)模型兩類。一般認為在系統(tǒng)規(guī)劃工作中采用設備的穩(wěn)態(tài)模型即可。綜合能源系統(tǒng)中能源設備可被看作不同能源形式間的“轉換器”，能源轉化效率是其中的關鍵參數(shù)。目前多數(shù)研究為簡化計算，將設備能源轉化效率設置為定值。由于設備在不同的工作點具有差異化的效率，也有研究進一步建立了設備效率與運行狀態(tài)間的關系。

系統(tǒng)多能協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃模型是“決策助手”。該模型以系統(tǒng)未來預測數(shù)據(jù)、能源供用設備參數(shù)、能源價格等數(shù)據(jù)為輸入，在系統(tǒng)投資經(jīng)濟性、碳排放指標、綜合能效等不同目標下，考慮區(qū)域內源、網(wǎng)、荷、儲不同環(huán)節(jié)的相互影響，計算系統(tǒng)設備及網(wǎng)絡的最優(yōu)配置方案，其本質為數(shù)學優(yōu)化問題。一般而言，園區(qū)能源系統(tǒng)規(guī)劃分為設備規(guī)劃與網(wǎng)絡規(guī)劃兩個部分，二者統(tǒng)一優(yōu)化才可獲得理論最優(yōu)方案。但由于綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡模型相對復雜，并且實際工程的要求也難以完全嵌入數(shù)學模型中。因此目前的主流規(guī)劃方法是首先根據(jù)系統(tǒng)能量平衡來選擇供能設備并確定其容量，再根據(jù)實際工程要求確定各設備地理位置與電網(wǎng)、管網(wǎng)的分布。一般情況下該方法均可有效處理系統(tǒng)規(guī)劃問題。但該方法目前無法直接分析園區(qū)集中式供能與分布式供能的區(qū)別，部分與網(wǎng)絡之間關系密切的特殊供能設備，如第五代供熱技術，也難以采用該方法分析。

運行策略優(yōu)化及仿真評估技術是“細節(jié)管理”。在系統(tǒng)規(guī)劃方案確定后，還應對系統(tǒng)的運行策略進一步優(yōu)化，從而充分體現(xiàn)系統(tǒng)的多能互補優(yōu)勢和供能靈活性。綜合能源系統(tǒng)由于囊括了多種不同類別的能源設備，因此其運行優(yōu)化的難點在于如何合理安排各類設備的配合原則以及設備和供能網(wǎng)絡間如何銜接。傳統(tǒng)能源站的運行模式一般為以熱定電或以電定熱，此類運行策略往往限制了系統(tǒng)的功率調節(jié)能力。因此近期的相關研究均打破了以熱定電或以電定熱的約束，轉而采用數(shù)學優(yōu)化模型來計算系統(tǒng)中各設備的最佳工作狀態(tài)。可以認為系統(tǒng)運行策略優(yōu)化是在多能協(xié)同規(guī)劃優(yōu)化基礎上的精細化處理，二者均不可缺失。由于在優(yōu)化過程中，設備與網(wǎng)絡模型均進行了一定程度的簡化。因此在解得系統(tǒng)運行方式后，還應采用專業(yè)的運行仿真工具來檢驗結果的可靠性，并對系統(tǒng)性能進行綜合評估。

綜上所述，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多能協(xié)同規(guī)劃輔助決策是一項包含負荷預測、資源評估、設備建模、規(guī)劃優(yōu)化、運行優(yōu)化、仿真模擬等子領域的復雜技術。在未來能源互聯(lián)的大背景下，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)作為城市能源精細化管理的重要載體，將會是社會持續(xù)關注的熱點話題。系統(tǒng)多能協(xié)同規(guī)劃輔助決策技術與經(jīng)驗決策的結合運用將成為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的典型方法，服務城市能源系統(tǒng)整體發(fā)展。

專家介紹:蔣一博，博士，國網(wǎng)（蘇州）城市能源研究院城市能源規(guī)劃咨詢中心研究員。主要從事綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃、多能網(wǎng)絡建模仿真、新能源技術、儲能及分布式能源優(yōu)化運行策略研究。曾先后參與國家自然科學重大基金項目、863項目、973項目等科技項目。發(fā)表SCI、EI檢索論文十余篇，ESI高被引論文一篇。