摘要： 為解決高速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中能源領(lǐng)域面臨的清潔能源利用率不足、用能成本過(guò)高等問(wèn)題，搭建了城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型。考慮到多能源的協(xié)同作用和互補(bǔ)效益，針對(duì)所搭建的城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)，提出以成本最小為目標(biāo)函數(shù)，系統(tǒng)功率平衡、各設(shè)備的運(yùn)行限值為主要約束的能源供給網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型。采用參數(shù)優(yōu)化的粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，并對(duì)該系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行兩種情況下的冬夏兩季典型日能源供需進(jìn)行了仿真研究，得到對(duì)城鎮(zhèn)能源供給網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)調(diào)度方案，以寧夏某城鎮(zhèn)的能源使用為案例進(jìn)行分析。結(jié)果表明，城鎮(zhèn)能源系統(tǒng)按上述方式進(jìn)行調(diào)度時(shí)可有效利用清潔能源，供能可靠性和經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

　　關(guān)鍵詞： 城鎮(zhèn); 綜合能源系統(tǒng); 參數(shù)優(yōu)化的粒子群算法; 仿真研究

　　《市場(chǎng)與電腦》是由國(guó)內(nèi)貿(mào)易局技術(shù)開(kāi)發(fā)中心中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶(hù)協(xié)會(huì)MO分會(huì)主辦、CCID北京天利電子出版技術(shù)公司編輯出版，中國(guó)流通領(lǐng)域信息化主導(dǎo)刊物，帶給讀者最新的電腦業(yè)界動(dòng)態(tài)。

　　1 引言

　　中國(guó)正經(jīng)歷著人類(lèi)歷史上最大規(guī)模的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，在高速城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，更多的人口進(jìn)入城鎮(zhèn)，新建住房，公用設(shè)施等無(wú)不需要更多的能源來(lái)支撐，國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心數(shù)據(jù)表明，城鎮(zhèn)化率每提高1%，能源消費(fèi)最少會(huì)增長(zhǎng)6000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。在我國(guó)能源供應(yīng)本就緊張的情況下，能源領(lǐng)域又面臨著綜合能效偏低、清潔能源利用率低下、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題[1]。綜合能效水平遠(yuǎn)低于日歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，新型城鎮(zhèn)化發(fā)展需要進(jìn)入提質(zhì)升級(jí)階段。而具備多能協(xié)同，交易開(kāi)放等特征的綜合能源系統(tǒng)(IES)是推動(dòng)城鎮(zhèn)化發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)清潔化的重要支撐。綜合能源系統(tǒng)是以電力系統(tǒng)為核心，以分布式能源為主要一次能源，與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)緊密耦合而形成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)[2]。在區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)的研究中，如何在滿(mǎn)足城鎮(zhèn)居民冷熱電負(fù)荷需求的前提下，以居民的各時(shí)段用能量來(lái)制定城鎮(zhèn)化能源網(wǎng)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行方案(即各微源在各時(shí)段的出力情況)，以使能源系統(tǒng)獲得最佳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[3]，是城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究中的重要內(nèi)容。

　　本文以寧夏地區(qū)某城鎮(zhèn)能源使用為仿真對(duì)象，構(gòu)建了并網(wǎng)與孤島兩種情況下城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，建立了系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，綜合考慮天然氣的消耗、各分布式電源及輔助設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、購(gòu)電費(fèi)用、排污處理費(fèi)用，從冷熱電功率平衡以及各設(shè)備出力的約束綜合考慮優(yōu)化成本，采用參數(shù)優(yōu)化后的粒子群算法對(duì)綜合能源系統(tǒng)模型進(jìn)行求解。確定了在滿(mǎn)足城鎮(zhèn)居民冷熱電負(fù)荷需求的前提下，考慮各分布式電源的出力情況來(lái)制定城鎮(zhèn)化能源網(wǎng)冬季和夏季典型日的運(yùn)行方案，使能源系統(tǒng)獲得更好的供能可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

　　2 城鎮(zhèn)IES優(yōu)化調(diào)度模型

　　城鎮(zhèn)IES是以電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)為典型代表，系統(tǒng)向城鎮(zhèn)居民供電、供冷、供熱。其實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵在于多能互濟(jì)與能量的梯級(jí)利用[4-5]，圖1為城鎮(zhèn)IES的優(yōu)化調(diào)度模型圖：

　　3 城鎮(zhèn)IES經(jīng)濟(jì)環(huán)境優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題數(shù)學(xué)模型

　　3.1 目標(biāo)函數(shù)

　　3.1.1 綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本

　　本文研究城鎮(zhèn)IES的運(yùn)行規(guī)劃問(wèn)題，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。即城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本需要計(jì)及系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用COM，燃料費(fèi)用Cf，從電網(wǎng)購(gòu)售電的費(fèi)用Cgrid和排污處理費(fèi)用Cp。

　　系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)可表示為式(1)：

　　假設(shè)允許系統(tǒng)向電網(wǎng)售電，在并網(wǎng)情況下，向電網(wǎng)售電時(shí)Cgrid 取負(fù)值，向電網(wǎng)購(gòu)電時(shí)Cgrid 取正值。在孤島情況下Cgrid 取零值。

　　系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的表達(dá)式為式(2)：

　　式中，COM，MT 、COM，WT 、COM，PV ——微燃機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板單位時(shí)間(h)發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用(元/kWh);COM，AC 、COM，EC ——吸收式制冷機(jī)、電制冷熱機(jī)單位時(shí)間(h)制冷熱時(shí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用(元/kWh);COM，bt ——蓄電池單位時(shí)間(h)供應(yīng)及存儲(chǔ)電量的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用(元/kWh);PMT 、PWT 、PPV ——微燃機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池的實(shí)際運(yùn)行電功率(kW);QAC ——吸收式制冷機(jī)的冷功率(kW);QEC ——電制冷熱機(jī)的冷熱功率值(kW);Qbt ——蓄電池充放電量(kW)。

　　光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電在一次性的成本投入后，不再有燃料成本和排污處理成本，即光電和風(fēng)電僅考慮運(yùn)行維護(hù)成本，則系統(tǒng)的燃料費(fèi)用主要考慮天然氣消耗的費(fèi)用，其表達(dá)式為式(3)：

　　并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)與電網(wǎng)的交互的費(fèi)用公式用式(4)表示：

　　排污處理費(fèi)用可用式(5)表示：

　　3.1.2 單一供能方式運(yùn)行成本

　　目前的單一供能方式中，認(rèn)為所有的夏季電負(fù)荷由電網(wǎng)提供，所有的夏季冷負(fù)荷由電空調(diào)(電制冷熱機(jī))滿(mǎn)足。目前單一供能模式下夏季典型日電空調(diào)的運(yùn)行成本如式(6)所示：

　　在冬季典型日，假設(shè)所有的熱負(fù)荷都由標(biāo)準(zhǔn)燃煤提供，電負(fù)荷仍為電網(wǎng)提供。供暖效率取η，標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)?滓，單位kg/(kWh)，標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格為pcoal，單位元/kg。則目前單一供能模式下冬季典型日煤爐的運(yùn)行成本如式(7)所示：

　　3.2 約束條件

　　城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題主要考慮的約束條件有：功率平衡(冷、熱、電)約束和各個(gè)設(shè)備(風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、微燃機(jī)、蓄電池、溴化鋰制冷機(jī)、電空調(diào)、電網(wǎng))的運(yùn)行約束條件。

　　3.3 粒子群算法的參數(shù)優(yōu)化

　　標(biāo)準(zhǔn)PSO算法有著固定的缺陷[9]，存在迭代前期容易陷入局部極值、迭代后期難以收斂到更好的解等情況[10]。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)PSO算法的參數(shù)性質(zhì)進(jìn)行研究，使得優(yōu)化后的PSO算法在迭代前期增強(qiáng)全局搜索能力，不易陷入局部極值;在迭代后期增強(qiáng)其局部搜索能力，能收斂到更好的解，且一旦粒子陷入局部極值，可改變粒子的位置更新方式，讓粒子變異使其脫離當(dāng)前的局部區(qū)域，從而使算法得到更好的解。

　　為有效解決標(biāo)準(zhǔn)PSO算法所存在的缺陷，首先對(duì)慣性權(quán)重因子?棕進(jìn)行研究。算法的慣性權(quán)重因子?棕是PSO算法的一個(gè)十分重要的參數(shù)，較大的?棕有利于全局搜索，較小的有利于局部搜索。按照優(yōu)化思路，在對(duì)典型線性遞減慣性權(quán)重因子進(jìn)行研究后，對(duì)慣性權(quán)重因子的求解公式進(jìn)行構(gòu)造，優(yōu)化后的自適應(yīng)慣性權(quán)重系數(shù)求解公式如式(8)所示：

　　式中，x為控制因子，控制慣性權(quán)重因子?棕隨著迭代次數(shù)k變化曲線的平滑度。

　　為了探究x取何值時(shí)，能更好的滿(mǎn)足迭代前期全局搜索能力強(qiáng)，后期局部搜索能力強(qiáng)的要求，可先取迭代次數(shù)為50，首先擬合出x取值為1-10之間隨迭代次數(shù)變化的曲線圖與典型線性權(quán)重因子的對(duì)比圖如圖2：

　　由圖2可知，只有當(dāng)控制因子x取值為5時(shí)，?棕的遞減為先凸后凹，即前期的全局搜索能力比典型線性慣性權(quán)重因子好，后期的局部能力比典型線性慣性權(quán)重強(qiáng)。但較強(qiáng)的局部搜索能力在迭代后期又容易陷入局部極值，此時(shí)就需要對(duì)粒子位置進(jìn)行變異，使粒子跳出局部極值，從而找到更好的解。

　　上式中，xmax——粒子搜索空間上邊界。

　　4 算例仿真

　　4.1 算例資料

　　該城鎮(zhèn)供能系統(tǒng)冬夏季典型日的電負(fù)荷及熱冷負(fù)荷需求曲線如圖4所示

　　4.2 仿真結(jié)果分析

　　采用上述的參數(shù)優(yōu)化后的粒子群算法對(duì)算例進(jìn)行求解，粒子數(shù)目為80個(gè)，多次嘗試采取合適的最大迭代次數(shù)kmax=150。通過(guò)Matlab編程仿真，此次仿真考慮兩種運(yùn)行情況，第一種為并網(wǎng)運(yùn)行，即與大電網(wǎng)有電能交換。第二種為孤島運(yùn)行，即與大電網(wǎng)沒(méi)有電能的交換，在此種情況下更加倚重蓄電池來(lái)進(jìn)行削峰填谷，抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)。系統(tǒng)采用以熱定電的方式運(yùn)行，微燃機(jī)的出力情況受此時(shí)冷熱負(fù)荷需求及大電網(wǎng)購(gòu)售電價(jià)格的影響。不同情況時(shí)的仿真結(jié)果如下：

　　系統(tǒng)運(yùn)行在孤島情況下時(shí)，沒(méi)有了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，則以微燃機(jī)為主來(lái)滿(mǎn)足用電需求。故微燃機(jī)大部分時(shí)段以接近出力上限進(jìn)行發(fā)電，其煙氣余熱足以滿(mǎn)足冬夏季的用熱用冷需求。

　　在夏季典型日中，目前單一供能時(shí)成本共計(jì)4672元，綜合能源系統(tǒng)孤島運(yùn)行情況下成本共計(jì)2165.7元，并網(wǎng)情況時(shí)為1921元。在冬季典型日中，目前單一供能成本共計(jì)3245.3元，綜合能源系統(tǒng)孤島運(yùn)行情況下成本共計(jì)1883元，綜合能源系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行情況下成本共計(jì)1250元。在能源系統(tǒng)的調(diào)度下，峰谷電價(jià)與儲(chǔ)能手段的應(yīng)用與結(jié)合，使得優(yōu)化效果顯著，而且因?yàn)榭稍偕茉吹募尤牒吞烊粴獾拇罅渴褂?，在兼顧?jīng)濟(jì)效益的同時(shí)有效減少了對(duì)環(huán)境的污染。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)寧夏某城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)，首先搭建了其運(yùn)行規(guī)劃模型，考慮到多能源的協(xié)同作用和互補(bǔ)效益，對(duì)所搭建的城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)，提出以總成本函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，系統(tǒng)冷熱電負(fù)荷，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為主要約束的能源供給網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型。利用參數(shù)優(yōu)化的粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，并對(duì)該系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種情況下的冬夏兩季典型日能源供需進(jìn)行了仿真分析，得到對(duì)城鎮(zhèn)能源供給網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)規(guī)劃方案，以寧夏某城鎮(zhèn)的能源使用為案例進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，城鎮(zhèn)能源系統(tǒng)按上述方式進(jìn)行規(guī)劃時(shí)供能可靠性、經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。