综合能源系统规划方案获取方法和系统

摘要

本发明涉及一种综合能源系统规划方案获取方法和系统，其方法包括：对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型；根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型；以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模型；根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案。采用本发明方案进行综合能源系统的规划，可以获得可靠性较高、成本较低的规划方案。

权利要求

1.一种综合能源系统规划方案获取方法，其特征在于，包括：对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型；

根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型；

以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模型；

根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案；

所述根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型包括：将综合能源系统抽象成多个能源中心、常规发电机组、电转气装置以及可再生资源发电机组由能源网络互连而成的综合能源系统模型；各能源中心的输入端在综合能源系统模型中相当于负荷；能源载体通过能源网络的耦合矩阵在各个能源中心之间进行分配；

电转气装置在电力系统中充当负荷，在天然气系统中相当于气源，用和

描述电能和天然气在各能源中心的潮流分布情况；

L P

其中，Pe和Pg分别表示各个能源中心输入端的电能和天然气的功率列向量；F 和F分别表示电力网络的输电线路流过的电功率和天然气网络的管道流过的天然气的功率列向量；

UL和UP分别表示电力网络输电线路和天然气网络管道中潮流与各个能源中心的耦合矩阵；

PG、PS分别表示与各个能源中心相应节点相连电源的电功率列向量和气源的气功率列向量；

和 分别表示与各个能源中心相应节点相连的电转气装置的电功率列向量和气功率列向量；UG、US和UPtG分别表示电源、气源和电转气装置与各个能源中心的耦合列向量； 表示电转气装置转换效率的列向量。

2.根据权利要求1所述的综合能源系统规划方案获取方法，其特征在于，所述对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型包括：获取能源中心的输入端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端的各能源载体在设定时段的功率生成能源中心模型在所述设定时段的输入功率向量；

获取能源中心的输出端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端的各能源载体在设定时段的功率构成能源中心模型在所述设定时段的输出功率向量；

根据能源中心内部的各能源转换器效率、调度系数和拓扑结构确定能源中心模型的输入端和输出端的耦合矩阵；

根据所述输入功率向量、所述输出功率向量确定能源中心模型的输入端和输出端的转换关系，所述转换关系为L＝CP；

其中，L和P分别表示输出功率向量和输入功率向量；C表示耦合矩阵。

3.根据权利要求1所述的综合能源系统规划方案获取方法，其特征在于，所述总成本为所述综合能源系统的投资成本、运行成本以及能量短缺成本的和值；

所述预设约束包括新设施安装条件约束和物理运行约束，所述物理运行约束包括电力系统约束、天然气系统约束和综合能源系统约束。

4.根据权利要求1所述的综合能源系统规划方案获取方法，其特征在于，所述根据所述协同规划模型确定所述综合能源系统的规划方案包括：输入所述综合能源系统的原始数据到所述协同规划模型；

求解所述协同规划模型对应的线性规划问题，获得规划结果；

根据所述规划结果确定电转气装置的选址或者/和定容，所述选址或者/和定容为所述规划方案。

5.一种综合能源系统规划方案获取系统，其特征在于，包括：第一建模单元，用于对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型；

第二建模单元，用于根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型；

第三建模单元，用于以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模型；

规划单元，用于根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案；

所述第二建模单元将综合能源系统抽象成多个能源中心、常规发电机组、电转气装置以及可再生资源发电机组由能源网络互连而成的综合能源系统模型；各能源中心的输入端在综合能源系统模型中相当于负荷；能源载体通过能源网络的耦合矩阵在各个能源中心之间进行分配；电转气装置在电力系统中充当负荷，在天然气系统中相当于气源，用和 描述电能和天然气在各能源中心的潮流分布情况；

其中，Pe和Pg分别表示各个能源中心输入端的电能和天然气的功率列向量；FL和FP分别表示电力网络的输电线路流过的电功率和天然气网络的管道流过的天然气的功率列向量；

L P

U和U 分别表示电力网络输电线路和天然气网络管道中潮流与各个能源中心的耦合矩阵；

PG、PS分别表示与各个能源中心相应节点相连电源的电功率列向量和气源的气功率列向量；

和 分别表示与各个能源中心相应节点相连的电转气装置的电功率列向量和气功率列向量；UG、US和UPtG分别表示电源、气源和电转气装置与各个能源中心的耦合列向量； 表示电转气装置转换效率的列向量。

6.根据权利要求5所述的综合能源系统规划方案获取系统，其特征在于：所述第一建模单元获取能源中心的输入端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端的各能源载体在设定时段的功率生成能源中心模型在所述设定时段的输入功率向量；获取能源中心的输出端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端的各能源载体在设定时段的功率构成能源中心模型在所述设定时段的输出功率向量；根据能源中心内部的各能源转换器效率、调度系数和拓扑结构确定能源中心模型的输入端和输出端的耦合矩阵；根据所述输入功率向量、所述输出功率向量确定能源中心模型的输入端和输出端的转换关系，所述转换关系为L＝CP；

其中，L和P分别表示输出功率向量和输入功率向量；C表示耦合矩阵。

7.根据权利要求5所述的综合能源系统规划方案获取系统，其特征在于，所述总成本为所述综合能源系统的投资成本、运行成本以及能量短缺成本的和值；

所述预设约束包括新设施安装条件约束和物理运行约束，所述物理运行约束包括电力系统约束、天然气系统约束和综合能源系统约束。

8.根据权利要求5所述的综合能源系统规划方案获取系统，其特征在于：所述规划单元输入所述综合能源系统的原始数据到所述协同规划模型，求解所述协同规划模型对应的线性规划问题，获得规划结果；根据所述规划结果确定电转气装置的选址或者/和定容，所述选址或者/和定容为所述规划方案。

说明书

综合能源系统规划方案获取方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统规划技术领域，特别是涉及一种综合能源系统规划方案获取方法和系统。

背景技术

[0002] 与其他一次能源相比，天然气具有效率高、清洁环保等优点。随着环境问题的日益凸出，高耗能高污染的燃煤机组正逐渐被低污染的天然气机组取代。根据2010年的世界能
源展望，2008年被用于发电的天然气总量达到了4303TWh，且2035年有望达到7600TWh。可以
预见，天然气在未来的能源消费结构中的重要性将越来越突出。

[0003] 在传统的电力系统运行与规划中，由于电力系统和天然气系统的耦合性较低，通常不会考虑天然气供给的可靠性，即假定不受天然气系统的约束。然而，随着近几年来天然
气发电比重的增加，电转气(Power to Gas，PtG)技术逐渐成熟并商业化运行，电力系统和
天然气系统的耦合程度也日益加深，该假定未必总是成立。而且考虑到电力系统和天然气
系统的耦合日益加深，且能够带来经济效益和可靠性提升，电力系统和天然气系统的协同
规划问题受到了越来越多的关注。例如，2009年澳大利亚合并了天然气网络和电力网络的
运营结构，并成立对天然气系统和电力系统进行统一规划与管理的国家能源市场运营结构
(Australian Energy Market Operator，AEMO)。

[0004] 此外，由于热电联产(Combined Heat and Power，CHP)机组具有高效、反应快、建设时间短等特点，成为了“气电协调规划”中得到越来越多关注的能源转换器之一。同时，
PtG技术的出现，为“气电协调规划”提供了另外一种耦合的可能。PtG技术简言之就是电解
水产生氢气和氧气，再将氢气和二氧化碳催化产生甲烷。甲烷是天然气最重要的成分，PtG
转化的甲烷可直接注入天然气网络中进行运输和存储。

[0005] 在上述背景下，考虑热电联产机组和电转气装置，如何规划综合能源系统(例如电转气装置的选址和定容)成为了一个亟待解决的技术问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种综合能源系统规划方案获取方法和系统，可以有效地规划综合能源系统。

[0007] 本发明的目的通过如下技术方案实现：

[0008] 一种综合能源系统规划方案获取方法，包括：

[0009] 对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型；

[0010] 根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型；

[0011] 以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模型；

[0012] 根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案。

[0013] 一种综合能源系统规划方案获取系统，包括：

[0014] 第一建模单元，用于对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型；

[0015] 第二建模单元，用于根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型；

[0016] 第三建模单元，用于以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模型；

[0017] 规划单元，用于根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案。

[0018] 根据上述本发明的方案，其是对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型，根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合
能源系统对应的综合能源系统模型，以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以
预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模
型，根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案，采用本发明方案进行综合
能源系统的规划，可以获得可靠性较高、规划成本较低的规划方案。

附图说明

[0019] 图1为本发明实施例一的综合能源系统规划方案获取方法的实现流程示意图；

[0020] 图2为一个具体示例中的简易的能源中心模型的组成结构示意图；

[0021] 图3为综合能源系统的组成结构示意图一；

[0022] 图4为综合能源系统的协同规划模型的求解流程示意图；

[0023] 图5为9节点的综合能源测试系统的组成结构示意图；

[0024] 图6为能源中心第1年夏季和冬季典型的电日负荷曲线；

[0025] 图7为能源中心第1年夏季和冬季典型的热日负荷预测曲线；

[0026] 图8为第1种情况下的规划结果；

[0027] 图9为第2种情况下的规划结果；

[0028] 图10为第3种情况下的规划结果；

[0029] 图11为第4种情况下的规划结果；

[0030] 图12为第2、4种情况下风电的日出力曲线；

[0031] 图13为本发明实施例二的综合能源系统规划方案获取系统的组成结构示意图。

具体实施方式

[0032] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，
并不限定本发明的保护范围。

[0033] 实施例一

[0034] 本发明实施例一提供一种综合能源系统规划方案获取方法，图1为本发明实施例一的综合能源系统规划方案获取方法的实现流程示意图，如图1所示，该实施例一中的综合
能源系统规划方案获取方法包括：

[0035] 步骤S101：对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型；

[0036] 在其中一个实施例中，所述对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型包括：获取能源中心的输入端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端的
各能源载体在设定时段的功率生成能源中心模型在所述设定时段的输入功率向量；获取能
源中心的输出端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端的各能源载体在设定时段的功
率构成能源中心模型在所述设定时段的输出功率向量；根据能源中心内部的各能源转换器
效率、调度系数和拓扑结构确定能源中心模型的输入端和输出端的耦合矩阵；根据所述输
入功率向量、所述输出功率向量确定能源中心模型的输入端和输出端的转换关系，所述转
换关系为L＝CP；

[0037] 其中，L和P分别表示输出功率向量和输入功率向量；C表示耦合矩阵。

[0038] 步骤S102：根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型；

[0039] 其中，综合能源系统模型不但可以包括电转气装置和多个能源中心，还可以包括常规发电机组和分布式可再生能源发电机组等；

[0040] 在其中一个实施例中，所述根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型包括：将综合能源系统抽象成多个能
源中心、常规发电机组、电转气装置以及可再生资源发电机组由能源网络互连而成的综合
能源系统模型；各能源中心的输入端在综合能源系统模型中相当于负荷；能源载体通过能
源网络的耦合矩阵在各个能源中心之间进行分配；电转气装置在电力系统中充当负荷，在
天然气系统中相当于气源，用
和 描述电能和天然气在各能源中心的潮流分布情况；

[0041] 其中，Pe和Pg分别表示各个能源中心输入端的电能和天然气的功率列向量；FL和FP分别表示电力网络的输电线路流过的电功率和天然气网络的管道流过的天然气的功率列
向量；UL和UP分别表示电力网络输电线路和天然气网络管道中潮流与各个能源中心的耦合
矩阵；PG、PS分别表示与各个能源中心相应节点相连电源的电功率列向量和气源的气功率列
向量； 和 分别表示与各个能源中心相应节点相连的电转气装置的电功率列向量和气
功率列向量；UG、US和UPtG分别表示电源、气源和电转气装置与各个能源中心的耦合列向量；
表示电转气装置转换效率的列向量。

[0042] 在本实施例中，通过构建综合能源系统模型，将原本复杂的非线性问题转换为了线性化，可以降低运算的复杂度，提升运算效率。

[0043] 步骤S103：以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模型；

[0044] 在其中一个实施例中，所述总成本为所述综合能源系统的投资成本、运行成本以及能量短缺成本的和值；所述预设约束包括新设施安装条件约束和物理运行约束，所述物
理运行约束电力系统约束、天然气系统约束和综合能源系统约束。

[0045] 步骤S104：根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案。

[0046] 在其中一个实施例中，所述根据所述协同规划模型确定所述综合能源系统的规划方案包括：输入所述综合能源系统的原始数据到所述协同规划模型；求解所述协同规划模
型对应的线性规划问题，获得规划结果；根据所述规划结果确定电转气装置的选址或者/和
定容，所述选址或者/和定容为所述规划方案。

[0047] 其中，采用本实施例中的方式，不但可以确定电转气装置的选址或者/和定容，还可以确定常规发电机组、热电联产机组、燃气锅炉、输电线路和天然气管道等的选址或者/
和定。

[0048] 据此，根据上述本实施例的方案，其是对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型，根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心
的综合能源系统对应的综合能源系统模型，以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目
标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规
划模型，根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案，采用本实施例的方式
进行综合能源系统的规划，可以获得可靠性较高、规划成本较低的规划方案。

[0049] 为了便于理解本发明的方案，以下对上述过程进行详细阐述。

[0050] 首先，能源中心模型和综合能源系统模型的建模过程如下：

[0051] 上述的能源中心集成了电能、天然气、热能、燃油和生物质能等多种能源载体间的相互转化、分配和存储功能，可被视为多输入、多输出单元。其中，输入端为能源供给方，输
出端为负荷需求方。将能源中心中的M种能源载体分别记为α，β，…，γ，则能源中心输出端
和输入端的转化关系可以表示为

[0052]

[0053] 即

[0054] L＝CP  (2)

[0055] 式中，Lα、LB、…、Lγ表示能源中心的输出端的各能源载体在设定时段的功率，Pα、Pβ、…、Pγ表示能源中心的输入端的各能源载体在设定时段的功率，L和P分别表示能源中心
输出端和输入端的能源载体在设定时段的功率向量；C表示能源中心输出端和输入端的耦
合矩阵；耦合系数cab由能源中心内部的各能源转换器效率、调度系数和拓扑结构确定，描述
了能源中心输入端的能源载体b经能源中心转换为输出端的能源载体a的稳态综合转换系
数。

[0056] 以下通过图2所示的包含热电联产机组的简单能源中心的建模分析，展示能源中心内部电能(对应标号e)、天然气(对应标号g)和热能(对应标号h)三种能源载体间的相互
转化和分配。

[0057] 图2中，Le为输出端的电负荷；Pe为输入端的电功率；Lh为输出端的热负荷；Pg为输入端的天然气功率；υ为天然气调度系数，描述了输入的天然气在热电联产机组和燃气锅炉
的分配比例。在该能源中心模型中，输出端的电负荷由输入端的电功率经变压器转化及热
电联产机组提供；输出端的热负荷由输入端的天然气经热电联产机组和燃气锅炉转化为热
能来满足。由于该模型中没有串联的能源转换器，能量流在能源中心内部只经过一个能源
转换器，可直接构造能源中心输入端和输出端的耦合矩阵C。该能源中心模型输入端和输出
端的转化关系可以表示为

[0058]

[0059] 式中：ηt表示变压器的转换效率； 和 分别表示天然气经热电联产机组转换的电效率和热效率；ηB表示天然气经燃气锅炉转换的热效率。

[0060] 综合能源系统可抽象成多个能源中心、常规发电机组和分布式可再生能源发电机组等经由能源网络互相连接而成。各个能源中心的能源输入端在综合能源系统中相当于负
荷，能源载体通过能源网络耦合矩阵在各个能源中心之间进行分配。这种建模方式适用于
对区域配电系统、微网等不同规模的能源系统进行建模。以下对含有多个能源中心、常规发
电机组、电转气装置、分布式风电机组的电-气混联综合能源系统进行建模，如图3所示。

[0061] 图3中，电转气装置在电力系统中充当负荷，在天然气系统中相当于气源。假设图3所示的综合能源系统有N个能源中心，L条输电线路，P条天然气管道，则可以根据节点能量
平衡的原则，用如下公式(4)-(8)来描述稳态情况下，电能和天然气在各个能源中心之间的
潮流分布情况。

[0062]

[0063]

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] 式中：Pe和Pg分别表示各个能源中心输入端的电能和天然气在设定时段的功率列向量；FL和FP分别表示电力网络的输电线路和天然气网络的管道在设定时段流过的电功率
列向量和天然气功率列向量，潮流流向与规定的正方向一致为正，反之为负；UL和UP分别表
示电力网络输电线路和天然气网络管道中潮流与各个能源中心的耦合矩阵；网络耦合系数
和 分别与电力网络和天然气网络的拓扑结构和功率潮流规定的正方向相关，若能源中
心i与输电线路j或天然气管道k没有直接相连，则能源中心i与电力网络或天然气网络相应
的耦合系数为零。对于能源中心，若潮流规定的正方向为流出方向，则相应的耦合系数为-
G S
1，反之为+1；P、P、 和 分别表示与各个能源中心相应节点相连电源的电功率列向量、
气源的气功率列向量、电转气装置的电功率列向量和气功率列向量；UG、US和UPtG分别表示电
源、气源和电转气装置与各个能源中心的耦合列向量，若电源、气源或电转气装置与能源中
心i相连，则相应的耦合列向量系数 或 为1，反之为0； 表示电转气装置转换效
率的列向量。

[0068] 其次，构建综合能源系统的协同规划模型的具体过程如下。

[0069] 所提出的电-气混联综合能源系统的协同规划模型以规划期内电-气混联综合能源系统的投资成本、运行成本以及象征可靠性的能量短缺成本之和最小作为优化目标，如
式(9)所示：

[0070]

[0071] 式中：ctotal表示规划期内的总成本；T表示规划年限；cinv(τ)、cop(τ)和cENS(τ)分别表示规划期内第τ年的投资成本、运行成本和能量短缺成本；λ表示折现率。

[0072] 综合能源系统的投资成本包括规划期内新增常规发电机组、输电线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气装置和天然气管道的投资成本。对于规划期内任意第τ年的投资成
本的具体计算公式如下：

[0073]

[0074]

[0075]

[0076]

[0077]

[0078]

[0079]

[0080] 式中：cinv，G(τ)、cinv，L(τ)、cinv，CHP(τ)、cinv，B(τ)、cinv，PtG(τ)和cinv，P(τ)分别表示规划期内第τ年新增常规发电机组、输电线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气装置和天然气管道的投资成本；UG，i、UL，j、UCHP，i、UB，i、UPtG，i和UP，k分别表示规划期内候选常规发电机组、输电线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气装置和天然气管道的单位容量投资成本；NL和NP分
别表示候选输电线路和天然气管道的数量； 和 分别表示
规划期内常规发电机组、输电线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气装置和天然气管道在
能源中心i、输电线路j或天然气管道k处的候选容量；IG，i(τ)、IL，j(τ)、ICHP，i(τ)、IB，i(τ)、IPtG，i(τ)和IP，K(τ)均是0-1变量，分别表示是否在规划期内的第τ年在能源中心i、输电线路j或天然气管道k处新增常规发电机组、输电线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气装置和天
然气管道，若取1，则表示新增，指若取0，则表示未新增。

[0081] 综合能源系统的运行成本包括了气源点、风电、热电联产机组、电转气装置、常规发电机组和燃气锅炉的运行成本。对于规划期内任意第τ年的运行成本的具体计算公式如
下：

[0082]

[0083]

[0084]

[0085]

[0086]

[0087]

[0088]

[0089] 式中：cop，GS(τ)、cop，W(τ)、cop，CHP(τ)、cop，PtG(τ)、cop，G(τ)和cop，B(τ)分别表示规划期内第τ年气源点、风电、热电联产机组、电转气装置、常规发电机组和燃气锅炉的运行成本；Uop，GS，y、Uop，W，y、Uop，CHP，y、Uop，PtG，y、Uop，G，y和Uop，B，y分别表示规划期内气源点、风电、热电联产机组、电转气装置、常规发电机组和燃气锅炉的单位出力成本；NGS、NW、NCHP、NPtG、NG和NB分别表示规划期内第τ年气源点、风电、热电联产机组、电转气装置、常规发电机组和燃气锅炉的数
量；PGS，y(τ，t)、PW，y(τ，t)、 PG，y(τ，t)和 分别表示规划期内与能源
中心i关联的气源点、风电、热电联产机组、电转气装置、常规发电机组和燃气锅炉在第τ年
典型日第t时刻的出力。

[0090] 综合能源系统的能量短缺成本包括了缺电成本和缺热成本。对于规划期内任意第τ年的能量短缺成本的具体计算公式如下：

[0091]

[0092] 式中：cENS(τ)表示规划期内第τ年的能量短缺成本； 和 分别表示能源中心i在t时刻切电负荷和热负荷量； 和 分别表示切单位电负荷和热负荷的能
量短缺成本，N指能源中心的个数。

[0093] 所述规划模型的约束条件主要包括新设施安装条件约束和物理运行约束两个方面。

[0094] 安装条件约束：规划期内在任一能源中心i、输电线路j或天然气管道k处新增任一设施都受到安装条件的约束，可用下式(25)-(30)表示：

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099]

[0100]

[0101] 物理运行约束包括电力系统约束、天然气系统约束和综合能源系统约束三个方面。电力系统约束包括了常规发电机组出力约束、风电机组运行约束、输电网络约束、备用
容量约束；天然气系统约束包括燃气锅炉运行约束、气源点出力约束和天然气网络约束；综
合能源系统约束又包括了热电联产机组运行约束、电转气装置的出力约束和可靠性约束。

[0102] 常规发电机组出力约束：对于任一常规发电机组在任意时刻的出力约束可以用下式表示：

[0103]

[0104] 式中： 和 分别表示常规发电机组y出力的上下限，PG，y(τ，t)表示常规发电机组y出力。

[0105] 风电机组运行约束：风电机组出力与各时刻的平均风速和风机的输出特性相关，其任一风电机组在任意时刻的最大输出功率和风速的关系可用下式表示：

[0106]

[0107]

[0108]

[0109]

[0110] 式中：V(τ，t)、Vin、Vr、Vout和Pr分别表示平均风速、切入风速、额定风速、切出风速和额定功率； 表示风电机组在t时刻的最大输出功率。

[0111] 输电网络约束：所述的规划模型中采用直流潮流法，其节点电功率平衡约束以及输电线路有功功率和节点电压相位之间的线性关系可用下式表示：

[0112]

[0113]

[0114]

[0115]

[0116] θref＝0  (40)

[0117] 式中：Le，i(τ，t)表示能源中心i在t时刻的电负荷；θm(τ，t)和θn(τ，t)分别表示节点m和节点n的电压相位列向量；XL表示线路电抗列向量；EL和CL分别表示原有和候选输电线路集合； 表示输电线路输送容量上限的列向量；A为一个足够大的正数，例如取值为系统总
装机容量；θref表示平衡节点电压相位，大小取0。

[0118] 备用容量约束：电力系统在任意时刻的备用容量约束可用下式表示：

[0119]

[0120] 式中： 表示第τ年系统的最大电负荷；Sr表示备用容量，通常与 成比例，可以写为Sr(τ)的形式； 表示与能源中心i关联的热电联产机组y的最大装机容量；
表示风电机组y的最大装机容量。

[0121] 天然气系统建模是一个非常复杂的非线性问题。非线性的天然气潮流约束常使得问题的可行域非凸，难以保证得到全局的最优解。短期的优化调度问题，需要精确评估天然
气系统参数，难以避免非线性。然而，对于长期的规划问题而言，非线性将大大增加问题的
求解难度。为了提高计算效率，在长期的规划问题中采用线性的天然气系统模型而部分牺
牲模型的精确性是可取的。因此，所述的规划模型中，对非线性的天然气系统运行模型进行
线性化。

[0122] 燃气锅炉运行约束：任一燃气锅炉在任意时刻的运行约束可用下式表示：

[0123]

[0124]

[0125] 式中： 表示与能源中心i关联的燃气锅炉y热功率的出力上限。

[0126] 气源点出力约束：任一气源点在任意时刻的出力约束可用下式表示：

[0127]

[0128] 式中： 表示气源点y的出力上限。

[0129] 天然气网络约束：任一原有或新增的天然气管道输送容量和任一能源中心在任意时刻的节点热功率平衡约束可用下式表示：

[0130]

[0131]

[0132] 式中： 和 分别表示天然气管道输送容量上下限的列向量，FP表示天然气管道输送容量的列向量；Lh，i(τ，t)表示能源中心i在t时刻的热负荷； 表示与能源中心i
关联的热电联产机组y在t时刻的热功率。

[0133] 综合能源系统约束：综合能源系统通过热电联产机组和电转气装置构成能量双向流动的闭环系统，可以用公式(4)-(8)表示稳态情况下，电力和天然气潮流约束。

[0134] 热电联产机组运行约束：任一热电联产机组在任意时刻的运行约束可用下式表示：

[0135]

[0136]

[0137]

[0138] 电转气装置的出力约束：任一电转气装置在任意时刻的出力约束可用下式表示：

[0139]

[0140] 式中： 表示电转气装置y电功率的出力上限

[0141] 可靠性约束：为评估综合能源系统的可靠性，引入切负荷量的可靠性指标。任一能源中心年度切电、热负荷量受到下式约束：

[0142]

[0143]

[0144] 式中： 和 分别表示年度切电负荷和气负荷量的上限。

[0145] 基于上述目标函数和约束条件，电-气混联综合能源系统的协同规划模型可概括为：

[0146]

[0147] 式中：f(x)表示目标函数；g(x)表示等式约束；h(x)表示不等式约束；hmax和hmin分别表示h(x)的上下限；x1表示决策变量中的连续变量；x2表示决策变量中的0-1变量。

[0148] 式(53)描述的是一个0-1型混合整数线性规划问题，可以采用现有的求解方式进行求解。例如，可以采用基于通用代数建模系统(GAMS)平台的CPLEX12.3对问题进行求解。
GAMS是一款数学规划和优化的高级建模系统，结合自身高级的建模能力，通过调用高性能
的求解器(如CPLEX，IPOPT，MINOS，MOSEK等)对大规模的优化问题进行求解。具体的求解流
程如图4所示，在此不予赘述。

[0149] 针对具有电转气装置的电-气混联的综合能源系统的系统规划模型，本发明用9节点测试系统的网络拓扑结构，形成9节点能源中心测试系统的算例说明依据本模型获取规
范方案的有效性。

[0150] 如图5所示，9节点能源中心测试系统包括了3个常规发电机组、2个气源点、1个风电机组、4个燃气锅炉(封装在能源中心内部)、9条输电线路和9条天然气管道，且任一能源
中心的内部结构类似于图2。规划模型的规划周期设定为10年，年均折现率假定为6％。规划
周期内第1年的电和热日负荷预测曲线变化趋势分别如图6和图7所示，且假设规划周期内
电力负荷和热负荷的年均增长率分别假定为5％和2％。

[0151] 为验证本发明方案的有效性，对比分析下述4种不同情况下的成本、可靠性以及消纳间歇性可再生能源(风电)的能力。

[0152] 情况(case)1：电力系统和天然气系统未通过电转气装置和热电联产机组形成闭环的能源系统，即电力系统和天然气系统解耦规划。

[0153] 情况(case)2：电力系统和天然气系统通过热电联产机组形成天然气到电能的单向流动，实现电-气混联系统的弱耦合。

[0154] 情况(case)3：电力系统和天然气系统通过电转气装置形成电能到天然气的单向流动，实现电-气混联系统的弱耦合。

[0155] 情况(case)4：电力系统和天然气系统通过电转气装置和热电联产机组进行强耦合，构成能量闭环流动的电-气混联系统。

[0156] 以下将对上述4种不同情况的规划结果进行具体的分析。

[0157] 情况1：如图8所示，是电力系统和天然气系统解耦规划情况下的规划结果，通过在规划期内新增常规发电机组和燃气锅炉以满足热负荷和电力负荷的增长。

[0158] 情况2：如图8所示，是通过热电联产机组弱耦合情况下的规划结果，在规划期内的第4年和第6年分别于能源中心3、5和7处投产热电联产机组以满足热负荷和电力负荷的增
长。在这种情况下，电负荷和热负荷除了可以通过各自系统单独供应，还可以通过热电联产
机组得到能量来源。

[0159] 情况3：如图9所示，是通过电转气装置实现弱耦合情况下的规划结果，由于热负荷和电力负荷的增长，需要在规划期内新增电转气装置、常规发电机组和燃气锅炉。在这种情
况下，电力系统富余电力通过电转气装置转化为天然气，既能平衡电力系统由于间歇性可
再生能源的出力波动带来的挑战，还能把能量转化为另一种形式的能源储存起来。

[0160] 情况4：如图10所示，是电转气装置和热电联产机组构成闭环系统情况下的规划结果，在规划期内的第1年于能源中心3处新增电转气装置，并在第4年和第5年分别于能源中
心5和能源中心3、7处新增热电联产机组。在这种情况下，能量实现了系统间的双向流动，既
可以把电力系统中的富余电力转化为天然气储存起来，也能把天然气转化为电力满足电负
荷需求。

[0161] 表1对上述4个仿真情况的规划结果进行了对比。如表1所示，Case4的投资成本和运行成本比Case2高，说明电转气装置增加了系统的投资成本和运行成本，有待于通过技术
进步和更迭，降低PtG的成本；然而Case4的能量短缺成本比Case2低，进而说明强耦合情况
下电转气装置可以有效提高系统的可靠性。同时，电转气装置可以有效消纳间歇性可再生
能源的出力，减小弃风现象，并将富余电力转化为天然气，注入到天然气系统中。Case2和
Case4两种情况下的风电消纳能力如图11所示。Case2中，在一天中风电出力较大的凌晨和
深夜(23：00至06：00)由于受到电力负荷和电力系统的约束，存在弃风的现象；而在Case4中
由于电转气装置的存在，可将富余电力转化为天然气，风电出力可以跟踪风电可输出的最
大输出功率，消纳间歇性的可再生能源，减少弃风情况的发生。若考虑到消纳可再生能源出
力的经济效益，Case4的总成本会更加接近甚至优于Case2。比较Case1和Case2或Case3和
Case4的经济性，Case2或Case4在成本和可靠性方面都分别优于Case1或Case3，说明通过热
电联产机组加强系统间的耦合，不仅有利于减少系统的规划成本，还能有效提高系统的可
靠性。比较Case1、Case3和Case4的经济性，Case1在成本和可靠性方面都优于Case3，说明仅
通过电转气装置加强系统间的耦合，并不能在成本和可靠性上取得优势；另一方面，Case4
在运行成本和可靠性方面远优于Case1，说明电转气装置的应用适合通过与热电联产机组
的配合，形成强耦合的系统。

[0162] 表1不同情况下规划结果的比较

[0163]

[0164] 实施例二

[0165] 基于上述的实施例一，本发明实施例二提供一种综合能源系统规划方案获取系统，参见图13所示，为本发明实施例三的综合能源系统规划方案获取系统的组成结构示意
图一；如图13所示，该实施例中的综合能源系统规划方案获取系统包括第一建模单元201、
第二建模单元202、第三建模单元203、规划单元204，其中：

[0166] 第一建模单元201，用于对能源中心进行建模，获得具有载体形式转换功能的能源中心模型；

[0167] 第二建模单元202，用于根据所述能源中心模型构建至少包括电转气装置和多个能源中心的综合能源系统对应的综合能源系统模型；

[0168] 第三建模单元203，用于以所述综合能源系统的总成本最小作为优化目标，以预设约束为约束条件，结合所述综合能源系统模型构建所述综合能源系统的协同规划模型；

[0169] 规划单元204，用于根据所述协同规划模型获取所述综合能源系统的规划方案。

[0170] 在其中一个实施例中，第一建模单元201获取能源中心的输入端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端的各能源载体在设定时段的功率生成能源中心模型在所述设定
时段的输入功率向量；获取能源中心的输出端的各能源载体在设定时段的功率，由输入端
的各能源载体在设定时段的功率构成能源中心模型在所述设定时段的输出功率向量；根据
能源中心内部的各能源转换器效率、调度系数和拓扑结构确定能源中心模型的输入端和输
出端的耦合矩阵；根据所述输入功率向量、所述输出功率向量确定能源中心模型的输入端
和输出端的转换关系，所述转换关系为L＝CP；

[0171] 其中，L和P分别表示输出功率向量和输入功率向量；C表示耦合矩阵。

[0172] 在其中一个实施例中，第二建模单元202将综合能源系统抽象成多个能源中心、常规发电机组、电转气装置以及可再生资源发电机组由能源网络互连而成的综合能源系统模
型；各能源中心的输入端在综合能源系统模型中相当于负荷；能源载体通过能源网络的
耦合矩阵在各个能源中心之间进行分配；电转气装置在电力系统中充当负荷，在天然
气系统中相当于气源，用 和
描述电能和天然气在各能源中心的潮流分布情况；

[0173] 其中，Pe和Pg分别表示各个能源中心输入端的电能和天然气的功率列向量；FL和FP分别表示电力网络的输电线路流过的电功率和天然气网络的管道流过的天然气的功率列
向量；UL和UP分别表示电力网络输电线路和天然气网络管道中潮流与各个能源中心的耦合
矩阵；PG、PS分别表示与各个能源中心相应节点相连电源的电功率列向量和气源的气功率列
向量； 和 分别表示与各个能源中心相应节点相连的电转气装置的电功率列向量和气
功率列向量；UG、US和UPtG分别表示电源、气源和电转气装置与各个能源中心的耦合列向量；
表示电转气装置转换效率的列向量。

[0174] 在其中一个实施例中，所述总成本为所述综合能源系统的投资成本、运行成本以及能量短缺成本的和值；

[0175] 所述预设约束包括新设施安装条件约束和物理运行约束，所述物理运行约束电力系统约束、天然气系统约束和综合能源系统约束。

[0176] 在其中一个实施例中，规划单元204输入所述综合能源系统的原始数据到所述协同规划模型，求解所述协同规划模型对应的线性规划问题，获得规划结果；根据所述规划结
果确定电转气装置的选址或者/和定容，所述选址或者/和定容为所述规划方案。

[0177] 本实施例提供的综合能源系统规划方案获取系统，需要指出的是：以上对于综合能源系统规划方案获取系统的描述，与上述综合能源系统规划方案获取方法的描述是类似
的，并且具有上述综合能源系统规划方案获取方法的有益效果，为节约篇幅，不再赘述；因
此，以上对本发明实施例提供的综合能源系统规划方案获取系统中未披露的技术细节，请
参照上述提供的综合能源系统规划方案获取方法的描述。

[0178] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0179] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。