一种综合能源系统的可替代自由度指标计算方法与流程

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种综合能源系统的可替代自由度指标计算方法。

背景技术：

能源是人类生存和发展的一个重要和决定性因素，现实生产和生活中存在多种类型的能源系统，如电、气(如天然气)、热、冷等。传统上，各类能源系统的运行具有很强的独立性，相互之间的交叉很少。近年来，随着相关技术(如不同能源之间的相互转换技术)的发展，以及社会对提高能源利用效率的持续需求，综合能源系统的概念应运而生。

传统能源系统中电、水、气、热因存在行业壁垒，分属不同公司管理运营，不同能源系统相对独立，造成能源供应多头管理，重复投资，使用效率总体不高。随着能源和环境问题的日益严峻，为了提高能源的总体效率，适应信息管理扁平化、集约化的发展趋势，多类能源互补供能成为了新兴的发展方向。在多种形式能流互补、交叉供能的综合能源系统内，某种类型负荷(电、热、气、冷负荷)对能流的使用具有了选择余地，即综合能源系统内负荷选择能流时具备了一定的自由度。

目前，关于综合能源系统的研究已经得到了国内外学者的重视，并形成了一定的研究基础。但现有的研究多集中在综合能源系统内不同交易主体的划分、不同主体间博弈关系的分析和优化以及利用人工智能等算法求取主从博弈模型的均衡点等方面，整体上缺乏对于综合能源系统可替代自由度的深入分析。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种综合能源系统的可替代自由度指标计算方法，计算不同类型负荷的可替代指标和整个综合能源系统的可替代自由度指标，为综合能源系统内负荷在选择能源时的可替代自由度提供评价标准。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种综合能源系统的可替代自由度指标计算方法，其特征是，包括以下过程：

s1，采集综合能源系统内各类型负荷的有功需求量；

s2，计算综合能源系统内所有类型负荷的总有功需求量；

s3，计算不同形式能流针对各类型负荷的最大可供应有功功率；

s4，计算综合能源系统内各类型负荷的最大可消耗功率；

s5，计算各类型负荷的可替代指标；

s6，计算综合能源系统的可替代自由度指标。

进一步的，综合能源系统内负荷包括电、气、热、冷四种类型负荷。

进一步的，计算不同形式能流针对各类型负荷的最大可供应有功功率包括：

能流m向l类型负荷对应的能流转化后的最大可供应有功功率等于所有支持能流m向l类型负荷对应的能流转化的能流转换设备的输出功率之和；计算公式如下：

其中，为m形式的能流向l类型负荷对应的能流转化后所能提供的最大功率值，能流m的取值集合为{elec,gas,hot}；表示将m形式的能流转化为l类型负荷对应的第i个能流转换设备的装机容量；ηi^m,l表示将m形式的能流转化为l类型负荷对应的第i个能流转换设备的转换效率。

进一步的，计算综合能源系统内各类型负荷的最大可消耗功率包括：

依据得到的能流m向类型负荷l对应的能流转化后的最大可供应有功功率，将所有能流向类型负荷l提供的最大可供应有功率相加，得到该类型负荷的最大可消耗功率。计算公式如下：

其中，为l类型负荷的最大可消耗功率，为m形式的能流向l类型负荷对应的能流转化后所能提供的最大有功功率值。

进一步的，计算各类型负荷的可替代指标包括：

依据类型负荷l的有功需求量和能流m向类型负荷l对应的能流转化后的最大可供应有功功率分情况讨论计算类型负荷l的可替代指标：

1)情况1：

l类型负荷的可替代指标计算公式为：

其中，ri^l为l类型负荷的可替代指标；为l类型负荷的最大可消耗功率；为m形式的能流转化为l类型负荷对应的能流所能提供的最大功率值集合中的最大值；

2)情况2：

依次从集合中取出第i大值，直至满足以下条件：

即寻找能满足负荷l有功需求值所需的最少能源类型；

则l负荷类型的可替代指标定义为除用来满足类型负荷l的有功需求的能流之外的其他能流的最大可供应有功功率之和占类型负荷l的最大可消耗功率的比值；具体公式如下：

其中，ri^l为l类型负荷的可替代指标；为l类型负荷的最大可消耗功率；表示集合中的第i大值。

进一步的，计算综合能源系统的可替代自由度指标包括：

将各类型负荷的可替代指标结果加权求和来定义综合能源系统的可替代自由度指标，综合能源系统的可替代自由度指标计算公式为：

其中，ri为综合能源系统的可替代自由度指标；ri^l为l类型负荷的可替代指标；为综合能源系统内l类型负荷的总需求量；pd∑为综合能源系统内所有类型负荷的总需求量，和pd∑的比值表示类型负荷l的可替代指标所占的权重。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过采集综合能源系统内不同类型负荷(包括电、气、热、冷)的总需求量，并计算不同形式能流(包括电能、天然气、热能)针对某种类型负荷的最大可供应功率和该类型负荷的最大可消耗功率。在此基础上定义不同类型负荷的可替代指标和整个综合能源系统的可替代自由度指标，为综合能源系统内负荷在选择能源时的可替代自由度提供评价标准。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种综合能源系统的可替代自由度指标计算方法，通过采集综合能源系统内不同类型负荷的总需求量，计算不同形式能流针对某种类型负荷的最大可供应功率，并定义不同类型负荷的可替代指标和整个综合能源系统的可替代自由度指标，为综合能源系统内负荷在选择能源时的可替代自由度提供评价标准，为综合能源系统自由度评价体系的建立提供理论支撑，为后续优化系统中耦合/非耦合设备的容量配置提供评价指标。

本发明的一种综合能源系统的可替代自由度指标计算方法，参见图1所示，其过程如下：

步骤1，采集综合能源系统内各类型负荷的有功需求量，为步骤2计算综合能源系统内所有类型负荷的总有功需求量准备。

综合能源系统内具体负荷包括电、气、热、冷四种类型负荷。每种负荷的有功需求量为综合能源园区内所有用户对该种负荷的有功需求量之和。计算公式如下：

其中，l为综合能源系统内第l类型负荷，具体负荷包括电(elec)、气(gas)、热(hot)、冷(cold)四种类型负荷，即负荷类型l的取值集合为{elec,gas,hot,cold}；为综合能源系统内l类型负荷的有功需求量，为用户1对l类型负荷的有功需求量，为用户2对l类型负荷的有功需求量，以此类推，为用户n对l类型负荷的有功需求量，n为用户总数。

步骤2，根据步骤1中得到的各类型负荷的有功需求量，计算综合能源系统内所有类型负荷的总有功需求量。步骤2的处理结果将在步骤6中使用。

所有类型负荷的总有功需求量计算公式如下：

其中，pd∑为综合能源系统内所有类型负荷的总有功需求量；为综合能源系统内l类型负荷的总有功需求量；为电负荷的总有功需求量；为气负荷的总有功需求量；为热负荷的总有功需求量；为冷负荷的总有功需求量。

步骤3，计算不同形式能流针对各类型负荷的最大可供应有功功率。

在综合能源系统内，电、气、热能流之间可以通过能流转化设备相互转化。举个例子，针对热负荷，可以通过电热水器将电能转化为热能来供热，也可以通过天然气热水器将气能转化为热能供热，还可以通过供热暖管直接采用热能供热。故针对某种类型负荷而言，可以选择不同的能流进行供能，于是某种负荷选择能流时就具备了可替代性，本发明就是对这种可替代自由度进行计算。

能流转化通过能流转换设备进行，设备种类非常多，依据综合能源系统内的配置不同而不同，无法一一列举，所以采用数学公式对转换设备进行抽象，只关注设备转化后的输出功率。

计算不同形式能流针对各类型负荷的最大可供应有功功率，即计算综合能源系统内一种形式的能流通过能流转换设备向某种类型负荷对应的能流转换后，能够给该类型负荷提供的最大有功功率。

能流m向l类型负荷对应的能流转化后的最大可供应有功功率等于所有支持能流m向l类型负荷对应的能流转化的能流转换设备的输出功率之和；计算公式如下：

其中，为m形式的能流向l类型负荷对应的能流转化后所能提供的最大功率值，m形式的能流具体地包括电能(elec)、天然气(gas)和热能(hot)，即能流m的取值集合为{elec,gas,hot}；表示将m形式的能流转化为l类型负荷对应的第i个能流转换设备的装机容量；ηi^m,l表示将m形式的能流转化为l类型负荷对应的第i个能流转换设备的转换效率。

关于转换设备的转换效率取值范围如下：

以上公式的含义是：当m形式的能流与l类型负荷对应的能流形式相同时，则不需要转换，不存在转换过程中的能量损耗，因此η^m,l＝1；当m形式的能流与l类型负荷对应的能流形式不同时，则需要转换，存在转换过程中的能量损耗，因此η^m,l<1。

步骤4，计算综合能源系统内各类型负荷的最大可消耗功率。

依据步骤3得到的能流m向类型负荷l对应的能流转化后的最大可供应有功功率，将所有能流向类型负荷l提供的最大可供应有功率相加，得到该类型负荷的最大可消耗功率。计算公式如下：

其中，为l类型负荷的最大可消耗功率，为m形式的能流向l类型负荷对应的能流转化后所能提供的最大有功功率值。

步骤5，计算各类型负荷的可替代指标。

随着不同能源之间的相互转换技术的发展，综合能源系统内存在诸多能流转换设备，使得能流之间可以能流互补、交叉供能。针对某种类型负荷而言，对能流的使用具有了选择余地，类型负荷l的可替代指标ri^l即表示该类型负荷选择能流时的可替代自由度大小。

依据步骤1中类型负荷l的有功需求量和步骤3中能流m向类型负荷l对应的能流转化后的最大可供应有功功率分情况讨论计算类型负荷l的可替代指标。

1)情况1：即负荷l的有功需求量小于等于能流m转化为l类型负荷对应的能流所能提供的最大功率值集合中的最大值时。

该种情况表明一种能流(该能流针对类型负荷l的最大可供应功率最大，为)即可以满足类型负荷l的有功需求量，则其他可供能的能流即为可替代的能流。

定义除针对类型负荷l的最大可供应功率最大的能流(该能流能够满足类型负荷l的有功需求)之外的其他能流的可供应有功功率之和占类型负荷l的最大可消耗功率的比值即为l类型负荷的可替代指标。即l类型负荷的可替代指标计算公式为：

其中，ri^l为l类型负荷的可替代指标；为l类型负荷的最大可消耗功率；为m形式的能流转化为l类型负荷对应的能流所能提供的最大功率值集合中的最大值。

2)情况2：即负荷l的有功需求量大于能流m转化为l类型负荷对应的能流所能提供的最大功率值集合中的最大值时。即当综合能源系统内不存在一种形式的能流可以满足l类型负荷的有功需求时，需要多种形式的能流一起为l类型负荷供能。

定义一种算法：表示集合中的第i大值；具体地：i＝1表示中的第1大值(最大值)，i＝2表示中的第2大值，以此类推。

从一个集合中取出第i大的值，目的在于找到能够满足负荷l的有功需求量的前几种能流(能流按照最大可提供功率由大到小排序)，那么剩下的能流即为可替代能流。

依次从集合中取出第i大值，直至满足以下条件：

即寻找能满足负荷l有功需求值所需的最少能源类型。

则l负荷类型的可替代指标定义为除用来满足类型负荷l的有功需求的能流之外的其他能流的最大可供应有功功率之和占类型负荷l的最大可消耗功率的比值。具体公式如下。一种特例为所有的能流都用来满足该类型负荷的有功需求时，那么下式分子为0，该类型负荷的可替代指标为0，因为要满足该类型负荷需要所有能流向其供能，该类型负荷对能流没有选择的余地。

其中，ri^l为l类型负荷的可替代指标；为l类型负荷的最大可消耗功率；表示集合中的第i大值。

步骤6.计算综合能源系统的可替代自由度指标。

将步骤5中的各类型负荷的可替代指标结果加权求和来定义综合能源系统的可替代自由度指标。权重定义为类型负荷的有功需求量(步骤1所得)占综合能源系统内所有类型负荷的总有功需求量(步骤2所得)的比值。

综合能源系统的可替代自由度指标计算公式为：

其中，ri为综合能源系统的可替代自由度指标；ri^l为l类型负荷的可替代指标；为综合能源系统内l类型负荷的总需求量；pd∑为综合能源系统内所有类型负荷的总需求量，和pd∑的比值表示类型负荷l的可替代指标所占的权重。

本发明通过采集综合能源系统内不同类型负荷(包括电、气、热、冷)的总需求量，并计算不同形式能流(包括电能、天然气、热能)针对某种类型负荷的最大可供应功率和该类型负荷的最大可消耗功率。在此基础上定义不同类型负荷的可替代指标和整个综合能源系统的可替代自由度指标，为综合能源系统内负荷在选择能源时的可替代自由度提供评价标准。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。