根据区域综合能源系统拓扑特性更合理地规划能源站和供能管线
本文提出了一种考虑区域综合能源系统拓扑特性的能源站和管线规划方法。
问题源起
作为能源互联网的重要物理载体，综合能源系统通过耦合电力、天然气、热冷等系统，实现了多能优势互补并可促进可再生能源的消纳，已经成为提高能源利用效率、应对能源危机的重要途径。区域综合能源系统（regional integrated energy system，RIES）由能源站、供能管线和负荷中心组成。能源站和供能管线的规划须要与城市规划相协调，其合理性不仅会影响综合能源工程的顺利落地，也会影响后期RIES建设和运行的可靠性和经济性。因此，有必要研究科学合理的RIES能源站和供能管线的布局规划方法。
目前关于综合能源系统中基于多能耦合的设备容量规划和考虑RIES的配电网扩展规划已经有较多的研究，而针对RIES能源站的数量、位置及供能管线布局规划的研究较少。当前尚未有成熟的RIES能源站和管线规划方法指导能源站选址和管线布局。
在上述背景下，本文提出一种考虑区域综合能源系统拓扑特性的能源站和管线规划方法。该方法结合城市规划方案和地理信息系统获得可供选择的能源站站址和管线通道集合。通过分析RIES的拓扑特性，基于能流平衡约束和热网特性建立能源站和负荷中心之间的连通性模型，并建立和求解以投资建设和后期运行成本最小化为目标的优化模型，得出RIES能源站定址和管线布局方案。此外本文采用正交多项式逼近等方法对模型进行简化处理，以降低规划问题求解的难度。
主要思路
RIES拓扑特性
RIES的建设规划涉及确定能源站的数量、位置和供能管线的最优布局等问题，规划过程中要考虑其在拓扑结构上所须满足的约束。RIES的拓扑结构与传统配电网既有相似也有不同之处，其主要特性如下：
- RIES管线的建设分为管线地下通道的建设和管线敷设。为了充分利用城市中稀缺的地下资源，一条通道中通常可包含多条供能管线，因此通道网络的结构相比管线网络较为简单。
- RIES管线通道的规划与城市土地规划密切关联，一般应沿道路建设，同时还需要考虑地质条件、地面建筑等更多实际地理限制因素。
- 管线通道需要为管线的敷设提供充足的空间资源，保证至少有一种能够满足负荷需求的管线敷设方案。因此通道在规划中可存在冗余设计、包含环状结构，而配电网网架拓扑通常为辐射状结构。
- RIES能源站选址应首先根据城市规划、可再生能源资源等条件初选出可能比实际需求更多站址，然后再考虑投资经济性，在候选位置中选择一个或多个位置建设能源站。
- 负荷中心在空间上可由多个方向接入管线通道，为便于管理通常只有一条能源接入通道。
下图为某待规划区域内的城市道路和RIES拓扑示意图。
上图中包含候选能源站位置、城市道路网络、候选管线通道和负荷中心分布等拓扑信息，其中候选能源站、道路交汇点和负荷中心用节点表示，道路及其它可建设管线通道的路线用边表示。为便于表述，后文将图1中的边统一称为道路。RIES布局规划需在图中选择最优的能源站站址和敷设管线的道路。其中城市道路、通道和管线的规划建设存在先后关系，在上图中除能源站和负荷节点的进出管线外，其余管线的通道均需沿给出的城市道路建设，在建设有通道的道路上才能敷设管线。
RIES拓扑描述模型
首先根据城市规划方案和地理信息系统筛选出可建设能源站的位置和可以建设供能管线的道路。令二值变量$\beta_i$表示是否在第$i$个候选站址建设能源站，若是则$\beta_i = 1$，否则$\beta_i = 0$。令二值变量$x_b$表示是否在第$b$条道路上建设管线通道，若是则$x_b =1$，否则$x_b = 0$。
为保证负荷中心与能源站之间存在供能路径，需建立RIES的拓扑连通性模型。本文采用能流平衡约束来保证RIES的连通性。令候选能源站节点集合为$\Omega _{\rm{s}}$，道路节点集合为$\Omega _{\rm{r}}$，负荷节点集合为$\Omega _{\rm{L}}$，对于网络中的三类节点满足以下约束：
$$ \left\{ \begin{array}{l} \sum\limits_{n_i \in \Gamma _j} {P_{e,ij} = {P_{{\rm{e}},j}}} \\ \sum\limits_{n_i \in \Gamma _j} {{Q_{e,ij}} = {Q_{e,j}}} \\ \sum\limits_{n_i \in \Gamma _{{\rm{out}},j}} {{P_{{\rm{h}},ij}} - \sum\limits_{n_i \in \Gamma _{{\rm{in}},j}} {{P_{{\rm{h}},ji}}} = {P_{h,j}}} \end{array} \right.{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {n_j} \in {\Omega _{\rm{L}}} $$ $$\left\{ \begin{array}{l} \sum\limits_{{n_i} \in {\Gamma _j}} {{P_{e,ij}} = 0} \\ \sum\limits_{{n_i} \in {\Gamma _j}} {{Q_{e,ij}} = 0} \\ \sum\limits_{{n_i} \in {\Gamma _{{\rm{out}},j}}} {{P_{{\rm{h}},ij}} - \sum\limits_{{n_i} \in {\Gamma _{{\rm{in}},j}}} {{P_{{\rm{h}},ji}}} = 0} \end{array} \right.{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {n_j} \in {\Omega _r}$$ $$\left\{ \begin{array}{l} \sum\limits_{{n_i} \in {\Gamma _j}} {{P_{{\rm{e}},}}_{ij} \ge - {\beta _j}{P_{{\rm{em}},j}}} \\ \sum\limits_{{n_i} \in {\Gamma _{{\rm{in}},j}}} {{P_{{\rm{h}},ji}}} \le {\beta _j}{P_{{\rm{hm}},j}} \end{array} \right.{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {n_j} \in {\Omega _s}$$式中：$n_i$为网络中第$i$个节点；$\Gamma_i$为节点$n_i$的邻接节点集合；$P_{e,ij}$、$Q_{e,ij}$和分别为由节点$n_i$流向节点$n_j$的有功功率、无功功率，且其满足关系$P_{e,ij} = -P_{e,ji}$、$Q_{e,ij} = -Q_{e,ji}$；$\Gamma_{out,i}$为节点$n_i$的邻接节点集合，且热功率由该集合中的节点流向节点$n_i$；$\Gamma_{in,i}$为节点$n_i$的邻接节点集合，且热功率由节点$n_i$流向该集合中的节点；$P_{h,ij}$为由节点$n_i$流向节点$n_j$的热功率；$P_{e,j}$、$Q_{e,j}$和$P_{h,j}$分别为负荷节点$n_j$的需求有功功率、无功功率和热功率；$P_{em,j}$和$P_{hm,j}$分别为能源站节点可提供的最大有功功率和热功率。
以上式子保证了RIES的拓扑连通性。此外供能管线上输送的功率还受到地下通道是否建设的约束，对于不直接与负荷节点相连的管线有：
$$\left\{ \begin{array}{l} - {x_b}{F_{{\rm{e}},b}} \le {S_{{\rm{e}},b}} \le {x_b}{F_{{\rm{e}},b}}\\ - {x_b}{F_{{\rm{h}},b}} \le {P_{{\rm{h}},b}} \le {x_b}{F_{{\rm{h}},b}} \end{array} \right.$$式中：$S_{e,b}$和$P_{h,b}$分别为第$b$条通道中供电、供热管线上的视在功率和热功率；$F_{e,b}$和$F_{h,b}$分别为供电管线和供热管线输送的功率上限。
对于直接与负荷节点相连的管线通道，需要考虑其中仅有一条通道中管线的功率流向为指向该负荷节点的约束，将该约束条件用数学公式表示如下：
$$\sum\limits_{{n_i} \in {\Omega _L},{n_j} \in {\Gamma _i}} {{\alpha _{ij}} = 1} $$ $${\alpha _{ij}} + {\alpha _{ji}} = {x_{ij}}$$ $$\left\{ \begin{array}{l} - {\alpha _{ij}}{F_{{\rm{e}},b}} \le {S_{{\rm{e}},ij}} \le {\alpha _{ji}}{F_{{\rm{e}},b}}\\ - {\alpha _{ij}}{F_{{\rm{h}},b}} \le {P_{{\rm{h}},ij}} \le {\alpha _{ji}}{F_{{\rm{h}},b}} \end{array} \right.$$式中：$\alpha_{ij}$为引入的二值变量，当管线通道中存在功率流且其流向为从节点$n_j$到节点$n_i$时值为1，否则为0；$x_{ij}$为表示是否在节点$n_i$和$n_j$之间的道路上建设管线通道的二值变量，若是则$x_{ij} = 1$，否则$x_{ij} = 0$。$S_{e,ij}$为由节点$n_i$流向节点$n_j$的视在功率，且其满足关系$S_{e,ij} = -S_{e,ji}$。
当$x_{ij} = 0$时，可得$\alpha_{ij} = \alpha_{ji} =0$，$f_{ij} = 0$，即地下通道未建设时，该道路不存在能量流；当$x-{ij} = 1$时，可得$\alpha_{ij}$和$\alpha_{ji}$中一个为1，一个为0，上述式子保证了仅有一条通道的功率流向为指向负荷节点$n_i$。因此上述约束符合RIES的拓扑特性要求。
主要贡献
- 提出了一种考虑了RIES的拓扑特性的能源站和管线规划方法，可得到更符合实际的规划方案。
- 提出利用正交多项式逼近等方法对规划模型进行合理的简化处理，提高了问题求解的收敛性。
结论、思考与讨论
本文提出了考虑区域综合能源系统拓扑特性的能源站和管线规划方法，为科学指导能源站的建设数量、位置以及供能管线布局提供了依据。该方法的特点是：
- 充分考虑RIES的拓扑特性，考虑了城市道路、通道和管线在建设中的先后关系，相比现有方法可得到更优的规划方案；
- 采用正交多项式逼近等方法对优化模型进行合理的简化处理，提高问题求解的收敛性。
本文考虑电、热耦合，在区域负荷分布已知的条件下进行RIES布局规划，下一步将研究考虑区域综合能源系统形态演化以及冷、热、电、气多能耦合的能源站和综合管网布局规划问题。
文章链接
徐成司,董树锋,吴金城,等.考虑区域综合能源系统拓扑特性的能源站和管线规划[J].电力系统自动化,2020,44(3):74-82. DOI:10.7500/AEPS20190520010.
若对于本文有任何疑问或者建议，请联系作者3140103128@zju.edu.cn。
版权声明：本文由SGOOL团队创作和发表，转载或引用本文内容请注明作者及出处。