计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法

技术领域

本发明属于智慧供热技术领域，具体涉及一种计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法方法。

背景技术

在智慧供热行业的发展过程中，为应对全球气候变化和能源危机，实现低碳化转型已成为当今供热技术领域的主旋律。在供热系统低碳运行的研究中，大部分的碳排放来源于源侧的传统能源供热机组，但供热系统是一个源随荷动的系统，依据碳排放流理论可以将源侧的碳排放沿着热网传输至热用户负荷侧，而且热网中不同热用户的用热行为对供热系统的碳排放有着显著影响。

目前，大多数供热系统的调度研究对于系统的碳排放评估也基本都是从宏观层面上对源侧的机组碳排放量进行计算评估，通过减少传统能源供热机组的出力和增大可再生能源的利用，实现碳排放量的减少，没有对系统运行过程中的碳排放流进行精确评估，也没有针对碳排放量的供需互动响应机制。因此，如何将碳排放流理论引入到供热系统调度中，并考虑用户侧的用热行为需求响应，通过调整用户负荷，设计合理的低碳经济运行调度策略，有效减少供热系统的碳排放，提升系统运行的经济性，是目前急需解决的问题。

基于上述技术问题，需要设计一种新的计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法，一方面通过碳排放流理论将源侧供热机组的碳排放沿着热网传输至热用户负荷侧，通过减排需求响应引导用户调整用热行为，有效减少碳排放值；另一方面，通过计算储热装置的碳排放流信息，将系统低碳势的热量存储起来，转移到系统高碳势时释放，减少系统高碳势时的碳排放值，缓解供热机组的碳责任出力，多消纳可再生能源、减少高耗能供热机组的出力；以及通过建立包括上层经济调度模型和下层低碳调度模型的双层低碳经济调度模型，实现源侧和用户侧的功率平衡，保证系统的稳定运行，同时还能够兼顾系统的经济性和低碳性，降低调度总成本和碳排放量。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

本发明提供了一种计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法，包括：

基于供热系统原始热负荷需求数据，以供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数，建立上层经济调度模型，求解输出供热系统末端热用户在各时段热负荷来源供热机组的组合情况和出力情况；

基于供热机组的组合情况和出力情况，计算供热系统负荷碳排放流信息，建立供热系统动态碳排放变化曲线；

基于供热系统动态碳排放变化曲线，划分为低碳、中碳和高碳排放时段，并建立热用户减排需求响应机制引导热用户将高碳排放时段的热负荷进行调整，减少碳排放量；

基于储热装置的状态和功率，计算储热装置在蓄热和放热过程时的碳排放流信息，并结合热用户减排需求响应机制，以储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数，建立下层低碳调度模型，求解输出热用户各时段热负荷和储热装置的调度结果，并返回输入至上层经济调度模型，反复迭代，输出供热系统最优调度结果。

进一步，所述以供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数，建立上层经济调度模型，包括：

以供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数，包括传统能源供热机组的能耗成本和启停成本，以及可再生能源供热机组的运行成本和惩罚成本，表示为：

minF

f

设置约束条件，包括：功率平衡约束、传统能源供热机组的功率和爬坡约束、可再生能源供热机组的功率约束；

基于供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数和设置的约束条件，建立上层经济调度模型。

进一步，所述基于供热机组的组合情况和出力情况，计算供热系统负荷碳排放流信息，建立供热系统动态碳排放变化曲线，包括：

供热系统的热网负荷节点碳排放流模型，表示为：

分别为t时刻热网供水网络、回水网络中节点n的碳势；/>

通过供热机组的组合情况和出力情况计算热网管道的水流量、温度，并结合供热系统的热网负荷节点碳排放流模型计算供热系统负荷在各时间段的碳排放流信息，建立供热系统动态碳排放变化曲线。

进一步，所述基于供热系统动态碳排放变化曲线，划分为低碳、中碳和高碳排放时段，表示为：

e

进一步，所述建立热用户减排需求响应机制引导热用户将高碳排放时段的热负荷进行调整，减少碳排放量，包括：

建立用户减排需求响应机制，包括引导用户在高碳排放时段将热负荷进行降低，减少该时段的碳排放量，并按照预先商定的协议，依据负荷降低后减少的碳排放量信息进行热负荷降低后碳减排的经济补偿；或者在高碳排放时段将热负荷进行降低，减少该时段的碳排放量，并在中碳排放时段或低碳排放时段进行热负荷的提升，弥补用户在高碳排放时段的热量损失，相当于将高碳排放时段的部分热负荷转移至中碳排放时段或低碳排放时段，按照预先商定的协议进行热负荷转移后碳减排的经济补偿。

进一步，所述基于储热装置的状态和功率，计算储热装置在蓄热和放热过程时的碳排放流信息，包括：

建立储热装置的碳排放流机制：储热装置在蓄热、放热的过程相当于碳流量的累积和释放过程；当处于蓄热过程时，碳流随着热量累积并储存在储热装置中，当处于放热过程时，碳流随着热量释放至供热系统中；

其中，蓄热过程从热网吸收热量，可等效为热负荷，其内部的碳流量依附于热量随时间累积，蓄热碳势相当于元件所在节点碳势，储热装置蓄热过程时的碳排放流模型e

放热过程向热网释放热量，可等效为供热机组，其内部累积的碳流量伴随热量开始释放，当储热装置从T

C(T)、C(T

储热装置放热过程时的碳排放流模型表示为：

η为储热装置蓄放热转化效率；

通过储热装置的状态和功率，结合储热装置蓄热过程时的碳排放流模型和放热过程时的碳排放流模型计算储热装置在各时间段的碳排放流信息。

进一步，以储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数，建立下层低碳调度模型，包括：

将储热装置引入低碳调度过程中，在高碳排放时段放热，在低碳排放时段蓄热，利用蓄放热时碳势差减少碳排放量，实现时间维度上的低碳调度；

当t时刻的储热装置放热时的碳势高于蓄热碳势时，即单位热量下储热装置放热时释放的碳排放量大于蓄热时累积的碳排放量，储热装置蓄热时会产生负的碳势差，从而减小碳排放，储热装置处于蓄热模式；

当t时刻的储热装置放热时的碳势低于蓄热碳势时，即单位热量下储热装置放热时释放的碳排放量小于蓄热时累积的碳排放量，储热装置放热时会产生负的碳势差，从而减小碳排放，储热装置处于放热模式；

以储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数，表示为：

f

设置约束条件，包括：储热装置的蓄热、放热状态约束、功率约束和容量限值约束、以及需求响应约束；

基于储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数和设置的约束条件，建立下层低碳调度模型。

进一步，所述上层经济调度模型和下层低碳调度模型的求解方法包括求解器和智能优化算法。

进一步，所述输出供热系统最优调度结果包括总碳排放成本、总碳排放量、各时段的热负荷、储能装置功率和各供热机组的出力。

本发明的有益效果是：

本发明基于供热系统原始热负荷需求数据，以供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数，建立上层经济调度模型，求解输出供热系统末端热用户在各时段热负荷来源供热机组的组合情况和出力情况；基于供热机组的组合情况和出力情况，计算供热系统负荷碳排放流信息，建立供热系统动态碳排放变化曲线；基于供热系统动态碳排放变化曲线，划分为低碳、中碳和高碳排放时段，并建立热用户减排需求响应机制引导热用户将高碳排放时段的热负荷进行调整，减少碳排放量；基于储热装置的状态和功率，计算储热装置在蓄热和放热过程时的碳排放流信息，并结合热用户减排需求响应机制，以储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数，建立下层低碳调度模型，求解输出热用户各时段热负荷和储热装置的调度结果，并返回输入至上层经济调度模型，反复迭代，输出供热系统最优调度结果；一方面通过碳排放流理论将源侧供热机组的碳排放沿着热网传输至热用户负荷侧，通过减排需求响应引导用户调整用热行为，有效减少碳排放值；另一方面，通过计算储热装置的碳排放流信息，将系统低碳势的热量存储起来，转移到系统高碳势时释放，减少系统高碳势时的碳排放值，缓解供热机组的碳责任出力，多消纳可再生能源、减少高耗能供热机组的出力；以及通过建立包括上层经济调度模型和下层低碳调度模型的双层低碳经济调度模型，实现源侧和用户侧的功率平衡，保证系统的稳定运行，同时还能够兼顾系统的经济性和低碳性，降低调度总成本和碳排放量。

其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1是本发明所涉及的一种计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法流程图。

如图1所示，本实施例1提供了一种计及碳排放流和需求响应的供热系统低碳经济调度方法，包括：

基于供热系统原始热负荷需求数据，以供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数，建立上层经济调度模型，求解输出供热系统末端热用户在各时段热负荷来源供热机组的组合情况和出力情况；

基于供热机组的组合情况和出力情况，计算供热系统负荷碳排放流信息，建立供热系统动态碳排放变化曲线；

基于供热系统动态碳排放变化曲线，划分为低碳、中碳和高碳排放时段，并建立热用户减排需求响应机制引导热用户将高碳排放时段的热负荷进行调整，减少碳排放量；

基于储热装置的状态和功率，计算储热装置在蓄热和放热过程时的碳排放流信息，并结合热用户减排需求响应机制，以储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数，建立下层低碳调度模型，求解输出热用户各时段热负荷和储热装置的调度结果，并返回输入至上层经济调度模型，反复迭代，输出供热系统最优调度结果。

在本实施例中，所述以供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数，建立上层经济调度模型，包括：

以供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数，包括传统能源供热机组的能耗成本和启停成本，以及可再生能源供热机组的运行成本和惩罚成本，表示为：

minF

f

设置约束条件，包括：功率平衡约束、传统能源供热机组的功率和爬坡约束、可再生能源供热机组的功率约束；

基于供热系统的供热机组运行成本最小为目标函数和设置的约束条件，建立上层经济调度模型。

在本实施例中，所述基于供热机组的组合情况和出力情况，计算供热系统负荷碳排放流信息，建立供热系统动态碳排放变化曲线，包括：

供热系统的热网负荷节点碳排放流模型，表示为：

分别为t时刻热网供水网络、回水网络中节点n的碳势；/>

通过供热机组的组合情况和出力情况计算热网管道的水流量、温度，并结合供热系统的热网负荷节点碳排放流模型计算供热系统负荷在各时间段的碳排放流信息，建立供热系统动态碳排放变化曲线。

需要说明的是，碳排放流法将源侧的碳排放依据能流分布折算分摊到用户侧，实际的碳排放来源依然是源侧，在用户负荷侧进行低碳需求响应的目的是引导源侧的低碳调度。供热系统热网由拓扑结构完全相同的供水网络和回水网络组成，其碳排放流模型同时考虑供水网络和回水网络中的能流分布。

在本实施例中，所述基于供热系统动态碳排放变化曲线，划分为低碳、中碳和高碳排放时段，表示为：

e

在本实施例中，所述建立热用户减排需求响应机制引导热用户将高碳排放时段的热负荷进行调整，减少碳排放量，包括：

建立用户减排需求响应机制，包括引导用户在高碳排放时段将热负荷进行降低，减少该时段的碳排放量，并按照预先商定的协议，依据负荷降低后减少的碳排放量信息进行热负荷降低后碳减排的经济补偿；或者在高碳排放时段将热负荷进行降低，减少该时段的碳排放量，并在中碳排放时段或低碳排放时段进行热负荷的提升，弥补用户在高碳排放时段的热量损失，相当于将高碳排放时段的部分热负荷转移至中碳排放时段或低碳排放时段，按照预先商定的协议进行热负荷转移后碳减排的经济补偿。

需要说明的是，在进行热用户低碳减排需求响应时，让热用户能够感知到当前时段、过去时段和未来时段的动态碳排放变化曲线，其中，让用户感知到未来一段时间内，不同时段下的动态碳排放流预测信息，用户可以根据该预测信息调节自身的用热行为；让用户感知过去一段时间及当前实时变化的实际动态碳排放流信息，以供用户掌握自身过去及当前用热行为带来的用热碳排放量，并方便用户有针对性地在日内对自身用热行为进行进一步的调整。

在本实施例中，所述基于储热装置的状态和功率，计算储热装置在蓄热和放热过程时的碳排放流信息，包括：

建立储热装置的碳排放流机制：储热装置在蓄热、放热的过程相当于碳流量的累积和释放过程；当处于蓄热过程时，碳流随着热量累积并储存在储热装置中，当处于放热过程时，碳流随着热量释放至供热系统中；

其中，蓄热过程从热网吸收热量，可等效为热负荷，其内部的碳流量依附于热量随时间累积，蓄热碳势相当于元件所在节点碳势，储热装置蓄热过程时的碳排放流模型e

放热过程向热网释放热量，可等效为供热机组，其内部累积的碳流量伴随热量开始释放，当储热装置从T

C(T)、C(T

储热装置放热过程时的碳排放流模型表示为：

η为储热装置蓄放热转化效率；

通过储热装置的状态和功率，结合储热装置蓄热过程时的碳排放流模型和放热过程时的碳排放流模型计算储热装置在各时间段的碳排放流信息。

在本实施例中，以储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数，建立下层低碳调度模型，包括：

将储热装置引入低碳调度过程中，在高碳排放时段放热，在低碳排放时段蓄热，利用蓄放热时碳势差减少碳排放量，实现时间维度上的低碳调度；

当t时刻的储热装置放热时的碳势高于蓄热碳势时，即单位热量下储热装置放热时释放的碳排放量大于蓄热时累积的碳排放量，储热装置蓄热时会产生负的碳势差，从而减小碳排放，储热装置处于蓄热模式；

当t时刻的储热装置放热时的碳势低于蓄热碳势时，即单位热量下储热装置放热时释放的碳排放量小于蓄热时累积的碳排放量，储热装置放热时会产生负的碳势差，从而减小碳排放，储热装置处于放热模式；

以储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数，表示为：

f

设置约束条件，包括：储热装置的蓄热、放热状态约束、功率约束和容量限值约束、以及需求响应约束；

基于储热装置运行成本和碳交易成本之和最小为目标函数和设置的约束条件，建立下层低碳调度模型。

在本实施例中，所述上层经济调度模型和下层低碳调度模型的求解方法包括求解器和智能优化算法。

需要说明的是，求解器包括Gurobi、Cplex、Xpress；智能优化算法包括粒子群优化算法、蚁群优化算法、遗传优化算法等。

在本实施例中，所述输出供热系统最优调度结果包括总碳排放成本、总碳排放量、各时段的热负荷、储能装置功率和各供热机组的出力。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。