计及精细化热网模型的电热综合能源系统优化调度方法与流程

本发明属于综合能源系统运行优化领域，更具体的说，是涉及一种计及精细化热网模型的电热综合能源系统优化调度方法。

背景技术：

综合能源系统是指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的产供消一体化系统。能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉，如何在确保人类社会能源可持续供应的同时减少用能过程中的环境污染，是当今世界各国共同关注的热点。近年来世界经济发展对能源的需求越来越大，大量化石能源的消耗导致气候和环境问题愈加严重。综合能源系统可以通过多能互补和能量梯级利用实现提高能源利用效率、促进可再生能源消纳的目的，因而成为能源领域关注的焦点。其中综合能源系统研究最重要的部分则是综合能源系统的运行调度与规划建设，而运行调度与规划建设的基础是综合能源系统潮流计算，在获得系统运行状态的前提下，才能对综合能源系统进行进一步研究。与电力系统类似的是，综合能源系统也需要通过潮流计算确定系统运行状态，以期为系统调度运行甚至规划建设等决策工作提供分析手段。然而，由于传输介质不同，综合能源系统中存在耦合关系的多能流在传输速度、时间尺度和动态特性方面都有显著差异。因此，构建各类型能源管网的精细化模型，并在此基础上提出综合能源系统时序潮流的准确计算方法，并进行综合能源系统优化调度是当前亟待解决的问题。

综合能源系统多能流潮流计算即确定各个子系统的能量流分布，是相关领域研究的基础，是探究多能互补特性、协同规划、能量优化调度和协同管理等的重要前提。针对多能流潮流计算的研究主要集中在潮流计算模型和潮流计算方法方面，目前对于潮流计算方法有统一求解法和顺序求解法，统一求解法中电热系统变量统一进行求解，而顺序求解法则是不同系统分开进行求解并通过耦合元件顺序连接；潮流计算模型方面有简化的稳态模型、详细的稳态模型、暂态模型、基于元件耦合的模型和基于能源集线器的模型。计算模型中的电网系统模型研究多采用电力系统稳态模型，而热网模型则包括了热网热力模型和热网水力模型，对其进行精细化建模以完善热网系统暂态模型，更好地进行电热综合能源系统潮流计算。

对于热网动态特性的研究主要集中在热网系统调度和综合能源系统调度研究中。在热网系统调度中，构建了包含温度滞后时间和衰减程度模型的区域供热系统的动态模型，来计算管道末端的温度变化。在综合能源系统调度中，暂态热网热力模型主要有延时损耗模型，分阶段线性模型，节点法模型等。其中延时损耗模型，使用当前时刻的管道始端温度来计算下一时刻的管道末端温度。采用分阶段线性模型来描述热网中动力学过程，管段温度从初态到稳态的过程随时间线性变化。采用节点法模型考虑时间延迟和热量损失，先使用上一时刻管道内各节点温度估算管道出口温度，后通过能量损失方程计算热量损失。

热网中的热能传输需要借助热水作为载体，因此供热管网中水流量变化同样影响潮流计算。对于热网水力计算研究，主要是利用质量和能量守恒定律来研究管道内热水的流动状态，包含流量连续性模型和回路压力模型。但是随着热网环网的发展，以及对于热网水力中阻力的精细化区分，热网管网中，不仅存在热水在管道内流动与管壁发生摩擦所引起的的沿程阻力损失，也有热水通过管道阻力元件时由流向或者流速改变所导致的局部阻力损失，两者共同构成了热水在管道内的阻力损失。

在潮流计算思路上，现有研究主要借鉴了电网潮流计算方案，即基于源、荷两侧可调节的已知量，通过迭代找到源、荷两侧的未知量和网络的运行状态。在具体计算方法上，现有研究也类比电网潮流计算，将用户侧热功率需求和回水温度作为已知条件。然而，与电负荷可以根据需求自由调节有功和无功功率不同的是，热负荷主要通过调节换热器水流量和回水温度来满足需求。热功率需求并非直接可控量，将其作为已知量进行潮流计算，会导致热网潮流计算复杂度提高，增加潮流求解的难度，且难以在运行环节体现用户侧换热设备可调节量的差异，进而影响热网调度的准确性。

目前对于电热综合能源系统潮流计算研究主要存在以下问题：第一，当前研究中热网管道温度变化的动态过程多采用简化模型，未细致考虑管道中各微元之间的相互影响；第二，热网水力计算中未考虑到局部阻力对潮流计算的影响，且多数研究并未考虑环网中的阻力问题；第三，热网潮流计算中多将用户热功率和回水温度作为已知条件，而实际中用户侧可调量为水流量和回水温度，负荷节点类型需要重新定义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种计及精细化热网模型的电热综合能源系统优化调度方法，能够充分分析局部阻力对水网水流量的影响，以及管道中温度的动态变化过程，在此基础上进行时序潮流计算确定系统时序运行状态，并指导综合能源系统进行优化调度。本发明能够用于电热综合能源系统的暂态分析，分析不同能源网络的能量交互过程，有利于提高系统运行调度的经济性，推动综合能源系统运行的发展。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明计及精细化热网模型的电热综合能源系统优化调度方法，包括以下过程：

第一步：构建考虑精细化阻力的热网水力模型

1)流量连续性方程

am＝mq

式中，a为供热网络的节点-支路关联矩阵；m为管道水流量，单位为kg/s；mq为流出节点水流量，单位为kg/s；

2)回路压力方程

bh＝0

h＝ra(l+ld)

式中，b为供热网络的回路-支路关联矩阵，h为管道压力损失，单位为pa；ra为比摩阻，单位为pa/m；l为管道长度，单位为m；ld为局部阻力当量长度，单位为m；ε为管道绝对粗糙度值，单位为m；m为管道热水的水流量，单位为t/h；ρ为水的密度，单位为kg/m³；d为管道直径，单位为mm；ξ为局部阻力系数；λ为管道阻力系数；

第二步：构建考虑热网动态特性的热力模型

1)节点热功率模型

φ＝cpmq(ts-to)

式中，φ为节点热功率，单位为kw；cp为水的比热容，单位为mj/kg·℃；ts为供水温度，即热水注入负荷节点之前的温度，单位为℃；to为输出温度，即热水流出负荷节点时的温度，单位为℃；

2)节点温度混合模型

(∑mout)tout＝∑(mintin)

式中，mout为节点下游管道的水流量，tout为节点下游管道始端温度，min为节点上游管道的水流量，tin为节点上游管道末端温度；

3)管道动态传热模型

式中，ti(x,t)为距离管道i始端x处在时间t时刻的管道温度，单位℃；ai为管道i的横截面积，单位为m²；ki为管道i的热传递系数，单位为w/m·℃；tg为环境温度，单位为℃；mi为管道i中热水的水流量，单位为kg/s；

第三步：进行电热综合能源系统时序潮流计算

1)参数初始化

在每个时段内的潮流计算中，首先更新系统内各个变量的初始状态；其次，确定电网平衡节点处chp机组所提供水流量mgs；然后在时间段内进行热网潮流计算，得到机组所提供的电功率；继而进行电网潮流计算，判断是否满足收敛条件，不满足则交替进行电网和热网的潮流计算，直至满足收敛条件；其中，电网平衡节点处chp机组所提供水流量mgs更替步骤如下：

①设定初始迭代时水流量初值mgs；

②进行热网潮流计算，通过节点热功率模型计算得到电网平衡节点处chp机组供热功率

③进行电网潮流计算得到电网平衡节点处chp机组所提供的电功率pgs，从而得到供热功率

④若与间误差满足误差要求，则潮流计算结束；若不满足，则根据与节点回水温度tr更替其提供的水流量mgs，返回步骤②进行计算；

2)进行考虑精细化阻力的热网水力潮流计算

采用牛顿-拉夫逊法对热网水力模型进行求解，迭代方程如下式：

式中，k为迭代次数；m为管道1到管道npipe的管道水流量；jh为热网雅克比矩阵；δf为节点误差矩阵中的npipe个方程；npipe为热网管道数目；

3)进行考虑热网动态特性的热网热力潮流计算

①管道节点计算顺序判别

a)设置节点/管道计算顺序序号初值ij＝0，ig＝0；

b)节点温度计算顺序序号加1，即ij＝ij+1，得到第ij层进行温度计算的节点编号为oj{ij}＝{x|x为热源节点}；

c)管道温度计算顺序序号加1，即ig＝ig+1，得到第ig层进行温度计算的管道编号为og{ig}＝{y|y为oj{ig}中各个节点的下游管道}；

d)判断上游管道温度是否已知，若已知，则该节点的温度可在ij下一层进行计算；若未知，则该节点的温度不可计算；根据og{ig}得到各管道下游节点编号nm＝{z|z为og{ig}中各个管道的下游节点}，从中筛选出可进行温度计算的节点编号nc＝{t|t为z中上游管道温度已知的节点}；

e)ij＝ij+1，oj{ij}＝{nc}；

f)判断是否所有节点的供回水温度已经得到计算。若所有节点的供水温度已经得到计算，则结束计算顺序的判别；若还存在节点的供水温度没有计算，则返回步骤b)；

其中，供水温度计算顺序判别式如下式所示：

osg{isg}＝{y|y为osj{isj}中各个节点的下游管道}isg＝isj

式中，osj为节点供水温度计算顺序；osg为管道供水温度计算顺序；isj为节点供水温度计算顺序序号；isg为管道供水温度计算顺序序号；

其中，回水温度计算顺序判别式如下式所示：

org{irg}＝{y|y为orj{irj}中各个节点的下游管道}irg＝irj

式中，orj为节点回水温度计算顺序；org为管道回水温度计算顺序；irj为节点回水温度计算顺序序号；irg为管道回水温度计算顺序序号；

②管道节点暂态特性判别

管道内热能传输的时间延迟如下式所示：

式中，si为管道i的时间延迟；se,ik为管道i在管道供热路径ei{k}中的时间延迟；ei为包含管道i的路径；ne,i为包含管道i的路径个数；ei{k}为包含管道i的第k个路径；sj为管道j内的时间延迟，计算公式下式：

式中，lj为管道j的长度，mj为管道j的水流量，dj为管道j的直径。

管道暂态特性判别公式如下式：

式中，δt为用户调节周期；ti为管道i的暂态特性系数，ti为0时管道i存在暂态特性，为1时管道i不存在暂态特性；

节点暂态特性判别公式如下式：

式中，fj为节点j的暂态特性系数，fj为0时节点j存在暂态特性，fj为1时节点j不存在暂态特性；

③管道温度计算

a)通过初始化得管道始端边界温度t(0，t)和初始时刻的边界温度t(x，0)；

b)根据管道动态传热模型，使用t(x，t-δt)和t(x-δx，t)按时间步长δt和距离步长δx依次求解管道温度t(x，t)；

c)根据步骤b)中的管道末端温度和节点温度混合方程式，求解节点供回水温度；

d)由节点供回水温度作为节点下游管道的t(0，t)，t(x，0)由稳态潮流计算或上一时刻内管道温度分布所得，然后返回步骤b)进行计算，直至得到所有管道供回水温度；

4)电热耦合环节

在电热综合能源系统热网潮流计算结束后，即得到热源处chp机组的供热功率，而通过chp机组供电功率与供热功率之间的对应关系，即得到热网平衡节点处chp机组的供电功率，从而进行电网潮流计算；

chp机组可以采用定热电比燃气轮机或可变热电比的抽凝式机组，定热电比燃气轮机供电功率与供热功率关系如下式所示；

φchp＝cmpchp

式中，φchp为chp机组供热功率，pchp为chp机组供电功率，cm为chp机组热电比；

可变热电比的抽凝式chp机组的供电功率和供热功率在一定范围内变化，根据不同的需求和调度策略进行调节；

5)电网潮流计算

电网交流稳态模型如下式所示：

式中，pi和qi分别为节点i的注入有功功率和无功功率，单位为kw和kvar；ui和uj分别为节点i、j电压，单位为kv；gij和bij为节点导纳矩阵参数，gij为电导，bij为电纳，单位为s；θij为节点i与节点j间相角差，单位为°；

采用牛顿—拉夫逊法求解，迭代方程如下式所示：

式中，u为节点电压幅值，θ为节点相角差，je为电力系统雅克比矩阵，δp为节点注入有功功率与电负荷有功功率之差，δq为节点注入无功功率与电负荷无功功率之差；

第四步：进行电热综合能源系统优化调度

1)构建优化调度模型

调度目标函数如下式所示：

minc＝ciu+cg

cg＝cg(qchp+qgb)

式中，c为综合能源系统运行费用；ctu为燃煤机组的煤耗费用，ai、bi、ci为燃煤机组成本系数；ωtu为燃煤机组集合；为燃煤机组i在时段t的发电功率；cg为购气成本，cg为单位购气价格，qchp和qgb为设备消耗的气流量。

约束条件包括电力系统约束和热力系统约束，其中，电力系统约束包括节点功率平衡约束、机组出力功率约束、机组爬坡约束、储能相关约束、支路潮流约束；热力系统约束包括chp机组约束、热网网络动态特性约束，剩下的约束均为所构建的等式模型约束；

2)采用遗传算法对优化调度模型进行求解，在满足约束条件的前提下，优化得到调度目标函数最优情况下系统各设备的实时出力，在已知机组出力的前提下计算电网平衡节点和热网平衡节点处chp机组的出力，从而得到系统经济性，筛选出经济性最优的方案作为优化调度的结果。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明构建的考虑精细化阻力的热网水力模型能够综合考量热网传输中的多种阻力，从而减少管道内压力损失；能够更加准确地解析管道内水流量变化，有效减少水流量误差；并且在满足用户同等热需求的前提下使热源出力更低，减小系统日运行成本。

(2)本发明构建的考虑热网动态特性的热力模型，充分考虑了热能传输延时和热能传输损耗，通过暂态特性判别方法来判断节点和管道的暂/稳态特性，从而得知其供回水温度变化规律与管道时延之间的关系：当管道时间延迟小于热负荷调整时间，则下次调整时节点温度变化已经趋于稳定；若管道时间延迟大于热负荷调整时间，下次调整时节点温度仍处于变化之中。此外，模型充分调动热负荷与热源端供求功率不实时匹配的“储能”特性参与电热综合能源系统的调度，减少系统的用能费用。

(3)本发明通过精细化水力模型与热网动态特性模型之间的协同优化，可以进一步挖掘电热综合能源系统运行调度的经济效益潜力，证明了在电热综合能源系统中考虑精细化热网模型的必要性与可行性。

附图说明

图1是电热综合能源系统潮流计算流程图。

图2是热网潮流计算流程图。

图3是热网系统中热能传热过程。

图4是电热综合能源系统结构图。

图5是两种场景下初始时刻水流量示意图。

图6是不同节点供水温度变化情况示意图。

图7是场景1和场景2下热负荷与热网出力匹配关系。

图8是场景3和场景4下热负荷、热网出力与热网储能。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明为一种计及精细化热网模型的电热综合能源系统优化调度方法，为电网公司确定系统运行状态、指导系统合理调度，以有效应对热网阻力多元化和热网中热能传输的动态特性问题，保障配电网的安全稳定运行。具体实现过程如下：

第一步：构建考虑精细化阻力的热网水力模型

多热源环网供热系统包含供水管网和回水管网，供热系统中以热水作为热媒，热水通过供水管网从热源流向热用户，在热用户处通过换热器交换热量后，热水通过回水管网从热用户流回热源。在综合能源系统的优化调度中首先要得到热网中热水的流动状态，即管道内水流量，因此需要构建热网水力模型来描述管道内热水的流动状态。热网水力模型包含流量连续性方程和回路压力方程，模型变量为节点压力，管道水流量和流入/出节点水流量。

1)流量连续性方程

根据质量守恒定律，管道水流量和流入/出节点水流量之间满足流量连续性方程，即流入节点的管道水流量与流出节点的管道水流量之差等于流出节点的水流量，如式(1)所示。

am＝mq(1)

式中，a为供热网络的节点-支路关联矩阵；m为管道水流量，单位为kg/s；mq为流出节点水流量，单位为kg/s。

2)回路压力方程

根据能量守恒定律，热网系统压力情况遵循基尔霍夫第二定律，在热网环路中，热水在管道中流动的压力损失和为零，如式(2)所示。

bh＝0(2)

式中，b为供热网络的回路-支路关联矩阵，h为管道压力损失，单位为pa。

在热网管网中，不仅存在热水在管道内流动与管壁发生摩擦所引起的的沿程阻力损失，也有热水通过管道阻力元件时由流向或者流速改变所导致的局部阻力损失，两者共同构成了热水在管道内的阻力损失。阻力元件包括三通管、突扩管等，会对管网阻力产生影响。

热水流过阻力元件会产生局部阻力，不同阻力元件阻力系数不同，采用当量长度法将管道的局部损失折合为管道的沿程损失，考虑精细化阻力的管道压力损失如式(3)至式(6)所示。

h＝ra(l+ld)(3)

式中，ra为比摩阻，单位为pa/m；l为管道长度，单位为m；ld为局部阻力当量长度，单位为m；ε为管道绝对粗糙度值，单位为m；m为管道热水的水流量，单位为t/h；ρ为水的密度，单位为kg/m³；d为管道直径，单位为mm；ξ为局部阻力系数；λ为管道阻力系数，无单位。

第二步：构建考虑热网动态特性的热力模型

在得知管道水流量的基础上，可以分析管道内热水温度的分布情况，则需要构建热网热力模型来描述管道内温度的变化。而供热管网发生扰动后，水力状态在几秒钟到几分钟内即可以达到稳态，但依赖热水流动实现的热能传输则会有几十分钟到几小时的滞后，因此在进行热力模型构建时要考虑热网动态特性带来的传输时延效应与管道内各微元之间的相互影响。热网热力模型的变量为节点热功率、管道温度和节点温度，热力模型包含节点热功率模型、节点温度混合模型和管道动态传热模型。

1)节点热功率模型

对于热源和热负荷节点来说，节点热功率与节点供水温度、回水温度以及管道内热水参数有关，关系式满足式(7)

φ＝cpmq(ts-to)(7)

式中，φ为节点热功率，单位为kw；cp为水的比热容，单位为mj/kg·℃；ts为供水温度，即热水注入负荷节点之前的温度，单位为℃；to为输出温度，即热水流出负荷节点时的温度，单位为℃。

2)节点温度混合模型

根据能量守恒定律，流入节点的热功率总和与流出节点的热功率总和相等，热水在节点混合后，流出节点的热水温度相同，并将其定义为节点温度。又因为热功率与温度和水流量的乘积成正比，因此有式(8)

(∑mout)tout＝∑(mintin)(8)

式中，mout为节点下游管道的水流量，tout为节点下游管道始端温度，min为节点上游管道的水流量，tin为节点上游管道末端温度。

3)管道动态传热模型

管道传热特性指热网通过热媒的流动实现能量传输的特性，根据是否考虑传输时延和能量损耗又可分为稳态传热特性和暂态传热特性。

管道稳态传热特性是指管道入口处温度发生变化或者管道水流量发生变化时，管道内温度会瞬时响应并发生变化的特性，其传热特性如式(9)所示。

式中，tend为管道末端温度，单位为℃；tstart为管道始端温度，单位为℃；tg为环境温度，单位为℃；k为管道的热传导系数，单位为w/m·℃。

管道动态传热特性则不仅考虑热网传输的热能损耗，还考虑了传输时延，即热网发生扰动后，经过一定时间，管道内温度会从一个稳态过渡到另一个稳态，所需要的时间大约为热水流经管道的时间，管道内温度随时间和空间变化的偏微分方程如式(10)所示。

为求解管道内任意一点温度随时间和空间的变化情况，对偏微分方程式(10)采用有限差分法进行求解。将管道温度ti(x,t)对时间和空间的偏导通过泰勒公式展开，如式(11)

代入式(10)，得到式(12)

式中，ti(x,t)为距离管道i始端x处在时间t时刻的管道温度，单位℃；ai为管道i的横截面积，单位为m²；ki为管道i的热传递系数，单位为w/m·℃；tg为环境温度，单位为℃；mi为管道i中热水的水流量，单位为kg/s；δt为时间步长，单位为s；δx为距离步长，单位为s。

第三步：进行电热综合能源系统时序潮流计算

基于所构建的考虑精细化阻力的水力模型和考虑热网动态特性的热力模型所构成的精细化热网模型来进行电热综合能源系统时序潮流计算。时序潮流计算分为参数初始化、热网潮流计算环节、电热耦合环节、电网潮流计算环节四部分，其中热网潮流计算环节又包括了热网水力计算和热网热力计算。首先，对电网和热网参数进行初始化；其次，进行电热综合能源系统稳态潮流计算，以得到系统各状态量初始值；然后，根据各时刻负荷数据进行电热综合能源系统暂态潮流计算，当计算时刻达到24h后结束计算，否则进行下一时间段的潮流计算。时序潮流计算详细流程如图1所示，热网潮流计算具体流程如图2所示，其中稳态潮流计算和暂态潮流计算流程均如图所示，区别在于计算管道中热水温度时所采用的模型不同，当进行稳态潮流计算系统初始状态时，热网模型采用稳态传热模型；当进行暂态潮流计算时，则根据暂态特性判断采用稳态传热模型或者动态传热模型。

1)参数初始化

精细化热网模型包含了非线性方程和偏微分方程，其中偏微分方程通过有限差分法进行求解，为加快其求解速度，需要精确边界条件，因此在进行时序潮流计算之前，通过电热综合能源系统稳态潮流计算得到系统的初始状态，然后再通过时序潮流计算得到一天内系统潮流分布情况。另外，在进行任意时刻的潮流计算时，均以上一时刻的潮流计算结果作为边界条件。

在每个时段内的潮流计算中，首先更新系统内各个变量的初始状态；其次，确定电网平衡节点处chp机组所提供水流量mgs；然后在时间段内进行热网潮流计算，得到机组所提供的电功率；继而进行电网潮流计算，判断是否满足收敛条件，不满足则交替进行电网和热网的潮流计算，直至满足收敛条件；其中，电网平衡节点处chp机组所提供水流量mgs更替步骤如下：

①设定初始迭代时水流量初值mgs；

②进行热网潮流计算，通过节点热功率模型式(7)计算得到电网平衡节点处chp机组供热功率

③进行电网潮流计算得到电网平衡节点处chp机组所提供的电功率pgs，从而得到供热功率

④若与间误差满足误差要求，则潮流计算结束；若不满足，则根据与节点回水温度tr更替其提供的水流量mgs，返回步骤②进行计算。

2)进行考虑精细化阻力的热网水力潮流计算

已知用户侧水流量，通过热网水力潮流计算得到管道水流量分布。水力模型为非线性方程式(1)到式(6)，采用牛顿-拉夫逊法进行求解，迭代方程如式(13)所示。

式中，k为迭代次数；m为管道1到管道npipe的管道水流量；jh为热网雅克比矩阵；δf为节点误差矩阵中的npipe个方程；npipe为热网管道数目。

3)进行考虑热网动态特性的热网热力潮流计算

热网热力潮流计算又可以分为管道节点计算顺序判别、管道节点暂态特性判别、管道温度计算三步。

①管道节点计算顺序判别

由于供热网络为多热源环状管网，因此在进行热网热力潮流计算前需要确定管道温度和节点温度计算顺序，以提高供回水温度计算速度。另外，由于不同管道传输时延的不同，还需判定管道的暂态特性，判断是否需要采用管道动态传热模型进行计算，最后通过管道温度计算得到管道和节点的温度分布情况。

对于供回水温度计算顺序判别，首先计算节点温度，在已知节点温度的前提下，计算节点下游管道温度，再计算管道下游节点温度，以此类推。具体判别步骤如下：

a)设置节点/管道计算顺序序号初值ij＝0，ig＝0；

b)节点温度计算顺序序号加1，即ij＝ij+1，得到第ij层进行温度计算的节点编号为oj{ij}＝{x|x为热源节点}；

c)管道温度计算顺序序号加1，即ig＝ig+1，得到第ig层进行温度计算的管道编号为og{ig}＝{y|y为oj{ig}中各个节点的下游管道}；

d)判断上游管道温度是否已知，若已知，则该节点的温度可在ij下一层进行计算；若未知，则该节点的温度不可计算；根据og{ig}得到各管道下游节点编号nm＝{z|z为og{ig}中各个管道的下游节点}，从中筛选出可进行温度计算的节点编号nc＝{t|t为z中上游管道温度已知的节点}；

e)ij＝ij+1，oj{ij}＝{nc}；

f)判断是否所有节点的供回水温度已经得到计算。若所有节点的供水温度已经得到计算，则结束计算顺序的判别；若还存在节点的供水温度没有计算，则返回步骤b)。

其中，供水温度计算顺序判别式如式(14)和(15)所示：

osg{isg}＝{y|y为osj{isj}中各个节点的下游管道}isg＝isj(15)

式中，osj为节点供水温度计算顺序；osg为管道供水温度计算顺序；isj为节点供水温度计算顺序序号；isg为管道供水温度计算顺序序号。

其中，回水温度计算顺序判别式如式(16)和(17)所示：

org{irg}＝{y|y为orj{irj}中各个节点的下游管道}irg＝irj(17)

式中，orj为节点回水温度计算顺序；org为管道回水温度计算顺序；irj为节点回水温度计算顺序序号；irg为管道回水温度计算顺序序号。

②管道节点暂态特性判别

在供热管网发生扰动后，水力状态在几秒钟到几分钟内即可达到稳态，但依赖热水流动实现的热能传输则会有几十分钟到几小时的滞后，因此很可能会出现用户两次调节间隔内，热网管道内的热能传输还未能达到稳态的情况，其具体表现为用户下一次调节时，某些管道和节点供回水温度未达到稳态，仍处变化之中。而其中热能传输的速度与管道中水流速度相近，即当管道始端水流流到管道末端时，热能也从管道始端传输到管道末端，因此可以用管道内水流速度来近似估计热网中热能传输时间，从而判断管道的暂态特性。

管道内热能传输的时间延迟如式(18)和式(19)所示：

式中，si为管道i的时间延迟；se,ik为管道i在管道供热路径ei{k}中的时间延迟；ei为包含管道i的路径；ne,i为包含管道i的路径个数；ei{k}为包含管道i的第k个路径；sj为管道j内的时间延迟，计算公式如式(20)。

式中，lj为管道j的长度，mj为管道j的水流量，dj为管道j的直径。

管道暂态特性判别公式如式(21)：

式中，δt为用户调节周期；ti为管道i的暂态特性系数，ti为0时管道i存在暂态特性，为1时管道i不存在暂态特性。

节点暂态特性判别公式如式(22)所示：

式中，fj为节点j的暂态特性系数，fj为0时节点j存在暂态特性，fj为1时节点j不存在暂态特性。

其中，对于具有暂态特性的管道，其管道内温度计算按照式(12)进行，对于不具有暂态特性的管道，其管道内温度计算按照式(10)进行。

③管道温度计算

根据差分步长，即可推算出管道和节点温度随时间和空间的变化。热网中热能传输过程如图3所示，将管道沿着轴向进行一维离散，离散之后将管道分为等长度时间步长δx，离散所得到的微元温度相同，将每一小段微元等效为微元右侧的一个点，其温度即为微元温度，将时间离散为等时间距离步长δt。

管道温度计算步骤如下：

a)通过初始化得管道始端边界温度t(0，t)和初始时刻的边界温度t(x，0)；

b)根据管道动态传热模型，使用t(x，t-δt)和t(x-δx，t)按时间步长δt和距离步长δx依次求解管道温度t(x，t)；

c)根据步骤b)中的管道末端温度和节点温度混合方程式，求解节点供回水温度；

d)由节点供回水温度作为节点下游管道的t(0，t)，t(x，0)由稳态潮流计算或上一时刻内管道温度分布所得，然后返回步骤b)进行计算，直至得到所有管道供回水温度。

4)电热耦合环节

在电热综合能源系统热网潮流计算结束后，即可得到热源处chp机组的供热功率，而通过chp机组供电功率与供热功率之间的对应关系，即可得到热网平衡节点处chp机组的供电功率，从而才可以进行电网潮流计算。

chp机组可以采用定热电比燃气轮机或可变热电比的抽凝式机组，定热电比燃气轮机供电功率与供热功率关系如式(23)所示。

φchp＝cmpchp(23)

式中，φchp为chp机组供热功率，pchp为chp机组供电功率，cm为chp机组热电比。

可变热电比的抽凝式chp机组的供电功率和供热功率可以在一定范围内变化，可以根据不同的需求和调度策略进行调节。

5)电网潮流计算

电网交流稳态模型如式(24)所示。

式中，pi和qi分别为节点i的注入有功功率和无功功率，单位为kw和kvar；ui和uj分别为节点i、j电压，单位为kv；gij和bij为节点导纳矩阵参数，gij为电导，bij为电纳，单位为s；θij为节点i与节点j间相角差，单位为°；

因为电网潮流模型为非线性方程，所以可采用牛顿—拉夫逊法求解，迭代方程如式(25)所示。

式中，u为节点电压幅值，θ为节点相角差，je为电力系统雅克比矩阵，δp为节点注入有功功率与电负荷有功功率之差，δq为节点注入无功功率与电负荷无功功率之差。

第四步：进行电热综合能源系统优化调度

1)构建优化调度模型

从电热综合能源系统运营商角度考虑，考虑精细化水力模型与热网动态特性的电热综合能源系统优化调度的目标是合理安排系统内各设备的出力功率，使电热综合能源系统运行费用最小。运行费用又包括了购气成本(包括了chp机组和gb的燃料成本)和燃煤机组的煤耗费用成本。

调度目标函数如式(26)至式(28)所示：

minc＝ctu+cg(26)

cg＝cg(qchp+qgb)(28)

式中，c为综合能源系统运行费用；ctu为燃煤机组的煤耗费用，ai、bi、ci为燃煤机组成本系数；ωtu为燃煤机组集合；为燃煤机组i在时段t的发电功率；cg为购气成本，cg为单位购气价格，qchp和qgb为设备消耗的气流量。

约束条件包括电力系统约束和热力系统约束，其中，电力系统约束包括节点功率平衡约束、机组出力功率约束、机组爬坡约束、储能相关约束、支路潮流约束；热力系统约束包括chp机组约束、热网网络动态特性约束，剩下的约束均为所构建的等式模型约束。

2)优化调度求解方法

采用遗传算法对优化调度模型进行求解。遗传算法的寻优过程也就是种群不断进化的过程，个体的优劣可以用适应度值来表示，适应度值越大，即代表个体最优，将每一代种群中适应度值最高的个体定义为精英个体。在传统的遗传算法中，进行个体的选择、交叉、变异等操作，但是这样的流程并没有将精英个体进行保留，将可能导致最优个体的丢失或者寻优时间的延长。本文采用了基于精英保留策略的遗传算法，将种群中的精英个体进行保留，不进行配对交叉而直接复制到下一代中，对下一代的其余个体继续进行选择、交叉、变异等操作，进而产生新一代的种群，从而使最优个体不会被选择、交叉和变异操作所丢失和破坏。

其中优化调度中的决策变量为非热网平衡节点和电网平衡节点处机组的出力，在满足约束条件的前提下，优化得到目标函数(26)最优情况下系统各设备的实时出力。其中计算每种出力情况下的目标函数值则需要采用步骤(3)中的综合能源系统时序潮流计算方法，在已知机组出力的前提下计算电网平衡节点和热网平衡节点处chp机组的出力，从而得到系统经济性。在众多方案中筛选出经济性最优(即目标函数最小)的方案作为优化调度的结果。

具体实施例

一、场景设置

实施方案所构建的电热综合能源系统结构图如图4所示。采用ieee33节点电网与巴厘岛32节点热网，电网和热网之间的耦合元件为两个chp机组和一个电锅炉。为分析不同模型对系统潮流计算结果的影响，本文设置4种场景进行对比分析，场景设置具体情况如表1所示。

表1场景设置情况

二、精细化水力模型对潮流计算结果的影响

为分析精细化水力模型对潮流计算结果的影响，对比场景1和场景2下的热网水流量变化，初始时刻水流量对比分别如图5所示。

由图5可知，管道6的流量反向，与预设方向相反，因此热网环网的流量交汇点为节点7和节点22。考虑精细化水力模型后，处于环网的管道水流量发生变化，且变化幅度相同，其中水流量增加的管道为6,24,27,30，而水流量减小的管道为10,12,13,18,21,31，这是由于普通水力模型中管道阻力系数取值较大，与精细化水力建模相比，压力损失变大，从而导致普通水力模型中的环网总水流量相比精细化水力模型有所增加，从而证明了精细阻力建模的有效性。

三、热网动态特性对潮流计算结果的影响

为分析热网动态特性对潮流计算结果的影响，对比分析场景2和场景4下热网节点供水温度变化。

选择管道1末端节点节点2、管道21末端节点节点22和管道10末端节点节点11一天内供水温度变化情况进行分析，其供水温度变化情况如图6(a)至图6(c)所示。

分析图6(a)，节点2为距离热源节点1最近的节点，从温度变化的整体趋势而言，由于节点2距热源节点1较近，且连接两节点的管道2长度较短，因此节点2不具有暂态特性，考虑热网动态特性的节点供水温度与未考虑时节点供水温度相同，即当管道的延迟时间小于用户水流量调节间隔时，动态温度与稳态温度的变化情况相同，因此在计算供水温度时可以使用暂态传热模型。

分析图6(b)，节点22为热网回路中水流量交汇的节点，分析其节点温度变化情况，可知时间延迟最大节点的温度变化情况。从温度变化的整体趋势而言，在考虑了热网动态特性之后，供水温度的曲线整体向右进行了平移，故温度变化具有一定的时移特性，且温度变化的滞后时间约为管道中热水流动的时间。从供水温度的大小来看，动态温度的温度峰值和稳态温度的峰值基本相同，但是供水温度的谷值有所提高，这是因为节点22具有暂态特性，其温度未下降到谷值时，用户进行了水流量调整，导致其温度不再按之前下降速度降低，储存在热管网中的能量进行了释放，使温度不会下降到稳态时的温度。

分析图6(c)，节点11为热源节点1与流量交汇节点22中间的节点，由于其管道长度所带来的的延时已经大于热网负荷变化的时间，已经具有暂态特性。节点11温度变化的整体趋势与节点22类似，但是由于其距离热源较近，其时滞特性比节点22小，所以供水温度的曲线滞后也较小，但整体上仍然有一定的时移特性，可以验证其模型的正确性。

四、基于固定调度策略的经济性对比

为更好地说明精细化热网模型的有效性与必要性，本节以固定调度策略来分析不同场景下的热网出力和经济性，调度策略为：固定系统中电锅炉出力，用户基于精细化热网模型调节水流量以满足自身热需求，chp机组燃料成本参数设置参考文献。场景1到场景4中热负荷与热网出力匹配关系如图7和图8所示，经济性如表2所示。

场景1中热源端和负荷端供需并未实时平衡，并且热源出力始终大于热负荷需求，这是由于场景1考虑了热能损耗，热源不仅需要满足用户热负荷需求，还需在此基础上满足热能传输过程中的损耗。当考虑水力精细化模型后，热网阻力减小，管网中能量损失变小，因此场景2中热源出力比场景1小，且热源端和负荷端供需也未实时平衡。

分析场景3中热网出力与热负荷之间的关系，在1-6h和14-20h时段内，热源热出力偏高，高于热负荷的热量储存在热网中，这是因为此时段内热负荷需求增加，管道热水温度上升，从而导致热水和管壁之间存在换热过程，即热网储能；在7-13h和21-24h时段内，热源热出力偏低，供热量的缺额由热网中的热能释放进行补充，这是因为此时段内热负荷需求降低，管道温度下降所引起的热网放能。此时热源端和负荷端的供、求热功率未实时匹配，热网运行时像“储能设备”一样进行蓄、放能，同时满足其任意时刻的热负荷需求。场景4中热网出力的时延特性与场景3是相同的，但是由于水力精细化建模所带来的系统阻力减少，在满足负荷的热功率需求的前提下，场景4热源出力相较于场景3有所降低。

表2不同场景下调度经济性对比

对比分析场景1和场景3，从经济性而言，可知考虑热网动态传热特性可以有效降低系统日运行费用，减小比例为3.379％，这是由于场景1忽略了热网动态传热特性，在热负荷发生变化时，认为管道温度可以瞬间达到稳态值，导致热能传输过程中的热能损耗大于场景3中的热能损耗，机组热出力增加。从能量传输角度而言，场景3可以充分调动热网“储能”特性参与系统调度，缓冲热网中的热能传输，使管道温度变化幅度较小，从而减小由温度变化所带来的能量损耗。

对比分析场景1和场景2中系统经济性，可知与精细化水力模型相比，普通水力模型经济性较差，需多花费2.142％，这是因为普通水力模型对于热网阻力计算不够准确，使得热网管道水流量增加，传热过程中的压降变大，从而导致热网损耗增大，热源出力增加，进而影响到系统经济性。

场景4综合考虑精细化水力模型与热网动态特性，日运行费用进一步降低。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，还可做出很多形式，均属于本发明保护之内。