文章導(dǎo)讀：隨著城市高效低碳供能需求的不斷提升，傳統(tǒng)獨(dú)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(bǔ)的重要載體，近年來被廣泛關(guān)注。本文重點從多能負(fù)荷預(yù)測、資源稟賦評估、能源設(shè)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(shù)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(shù)

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(shù)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(biāo)的不斷追求，綜合能源系統(tǒng)成為社會各界共同關(guān)注的熱點領(lǐng)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(dāng)前綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)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(luò)為骨架，以能源站為樞紐，在園區(qū)內(nèi)實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲互動，電、氣、冷、熱各類異質(zhì)能源互補(bǔ)。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(xué)與否將極大程度的影響未來系統(tǒng)運(yùn)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(fù)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(jié)合的復(fù)雜綜合性工作。研究表明，通過數(shù)學(xué)計算與經(jīng)驗決策相結(jié)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(xué)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(shù)路線與設(shè)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(biāo)準(zhǔn)來判斷數(shù)學(xué)規(guī)劃方案的適用性，通過反饋完善，導(dǎo)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(shù)方案中，基于數(shù)學(xué)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(guān)鍵技術(shù)，需突破如下幾點關(guān)鍵子技術(shù)。

多能負(fù)荷預(yù)測與資源稟賦評估技術(shù)是“輸入保障”。多能負(fù)荷預(yù)測與資源稟賦評估技術(shù)實質(zhì)上是利用數(shù)學(xué)方法來描述系統(tǒng)規(guī)劃的外部環(huán)境，負(fù)荷與資源預(yù)測的精準(zhǔn)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(fù)荷預(yù)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(fù)荷之間會相互影響。因此在單一能源系統(tǒng)中采用的負(fù)荷預(yù)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(shù)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(fēng)能、輻照強(qiáng)度、地?zé)岬缺镜刭Y源的規(guī)律。

分布式能源設(shè)備建模技術(shù)是“數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可看作不同能源設(shè)備的有機(jī)結(jié)合。而系統(tǒng)規(guī)劃輔助決策技術(shù)本質(zhì)上是利用數(shù)學(xué)建模將實際物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)學(xué)分析計算找到物理系統(tǒng)特征的過程。設(shè)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(rèn)為在系統(tǒng)規(guī)劃工作中采用設(shè)備的穩(wěn)態(tài)模型即可。綜合能源系統(tǒng)中能源設(shè)備可被看作不同能源形式間的“轉(zhuǎn)換器”，能源轉(zhuǎn)化效率是其中的關(guān)鍵參數(shù)。目前多數(shù)研究為簡化計算，將設(shè)備能源轉(zhuǎn)化效率設(shè)置為定值。由于設(shè)備在不同的工作點具有差異化的效率，也有研究進(jìn)一步建立了設(shè)備效率與運(yùn)行狀態(tài)間的關(guān)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(yù)測數(shù)據(jù)、能源供用設(shè)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(jì)性、碳排放指標(biāo)、綜合能效等不同目標(biāo)下，考慮區(qū)域內(nèi)源、網(wǎng)、荷、儲不同環(huán)節(jié)的相互影響，計算系統(tǒng)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)配置方案，其本質(zhì)為數(shù)學(xué)優(yōu)化問題。一般而言，園區(qū)能源系統(tǒng)規(guī)劃分為設(shè)備規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)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(luò)模型相對復(fù)雜，并且實際工程的要求也難以完全嵌入數(shù)學(xué)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(shè)備并確定其容量，再根據(jù)實際工程要求確定各設(shè)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(luò)之間關(guān)系密切的特殊供能設(shè)備，如第五代供熱技術(shù)，也難以采用該方法分析。

運(yùn)行策略優(yōu)化及仿真評估技術(shù)是“細(xì)節(jié)管理”。在系統(tǒng)規(guī)劃方案確定后，還應(yīng)對系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)一步優(yōu)化，從而充分體現(xiàn)系統(tǒng)的多能互補(bǔ)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(shè)備，因此其運(yùn)行優(yōu)化的難點在于如何合理安排各類設(shè)備的配合原則以及設(shè)備和供能網(wǎng)絡(luò)間如何銜接。傳統(tǒng)能源站的運(yùn)行模式一般為以熱定電或以電定熱，此類運(yùn)行策略往往限制了系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)能力。因此近期的相關(guān)研究均打破了以熱定電或以電定熱的約束，轉(zhuǎn)而采用數(shù)學(xué)優(yōu)化模型來計算系統(tǒng)中各設(shè)備的最佳工作狀態(tài)。可以認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化是在多能協(xié)同規(guī)劃優(yōu)化基礎(chǔ)上的精細(xì)化處理，二者均不可缺失。由于在優(yōu)化過程中，設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)模型均進(jìn)行了一定程度的簡化。因此在解得系統(tǒng)運(yùn)行方式后，還應(yīng)采用專業(yè)的運(yùn)行仿真工具來檢驗結(jié)果的可靠性，并對系統(tǒng)性能進(jìn)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(fù)荷預(yù)測、資源評估、設(shè)備建模、規(guī)劃優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化、仿真模擬等子領(lǐng)域的復(fù)雜技術(shù)。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(xì)化管理的重要載體，將會是社會持續(xù)關(guān)注的熱點話題。系統(tǒng)多能協(xié)同規(guī)劃輔助決策技術(shù)與經(jīng)驗決策的結(jié)合運(yùn)用將成為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的典型方法，服務(wù)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(luò)建模仿真、新能源技術(shù)、儲能及分布式能源優(yōu)化運(yùn)行策略研究。曾先后參與國家自然科學(xué)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。