周天爍，王 丹，2，李家熙，李宜哲，賈宏杰，2

（1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072；2.天津市智慧能源與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072）

0 引言

目前，全國(guó)統(tǒng)一的能源大市場(chǎng)還未完全形成，仍存在眾多堵點(diǎn)、痛點(diǎn)，市場(chǎng)的區(qū)域分割、行業(yè)分割等問(wèn)題還較嚴(yán)重。2022 年4 月10 日，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一大市場(chǎng)的意見(jiàn)》提出，在有效保障能源安全供應(yīng)的前提下，結(jié)合實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)任務(wù)，有序推進(jìn)全國(guó)能源市場(chǎng)建設(shè)［1-2］。統(tǒng)一能源市場(chǎng)的構(gòu)建促使能源商品屬性愈發(fā)凸顯，更加公平合理的能源價(jià)格機(jī)制亟待完善；“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)促使各類可再生能源大量接入，多種可再生能源的消納比例及消納路徑尚不明晰。

電力系統(tǒng)潮流追蹤算法在過(guò)去的大量研究中，為電力市場(chǎng)價(jià)格、綠電消納方面提供了有力支撐［3］。在能源價(jià)格機(jī)制方面，電力系統(tǒng)潮流追蹤算法在解決電力市場(chǎng)的輸電成本分?jǐn)偂⒕W(wǎng)損分?jǐn)?、阻塞成本分?jǐn)?、無(wú)功功率定價(jià)等方面提供了有力支撐［4-7］。文獻(xiàn)［8］基于比例共享原則，提出了一種電-熱節(jié)點(diǎn)能價(jià)的計(jì)算方法。文獻(xiàn)［9］基于熱電聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)潮流模型，計(jì)算了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能價(jià)。文獻(xiàn)［10］通過(guò)綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）多能流求解模型，對(duì)節(jié)點(diǎn)電價(jià)、節(jié)點(diǎn)氣價(jià)和節(jié)點(diǎn)熱價(jià)進(jìn)行求取分析，并分析了碳排放成本對(duì)能源價(jià)格的影響。以往對(duì)能源價(jià)格的研究多是針對(duì)單一能源形式，在能源互聯(lián)網(wǎng)和IES 迅速發(fā)展的大背景下，缺乏綜合考慮IES 多能交互對(duì)能源價(jià)格機(jī)制的影響研究。在可再生能源消納方面，文獻(xiàn)［11］提出了一種基于配電網(wǎng)潮流追蹤的可再生能源有功調(diào)度與節(jié)點(diǎn)集群需求響應(yīng)策略。文獻(xiàn)［12］基于比例分配原則提出了可再生能源電力追蹤模型，從能源消費(fèi)角度確定配額責(zé)任主體的可再生能源實(shí)際消納量。分布式地?zé)岷途G氫的消納是構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系的重要組成部分［13］。以往研究中對(duì)綠電消納比例和消納路徑研究較多，但是對(duì)同為可再生能源的地?zé)岷途G氫的研究較少，這對(duì)未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不利。隨著能源轉(zhuǎn)型與能源高質(zhì)量發(fā)展的指引與推動(dòng)，IES 在制定電、氣、熱、冷、氫等多種能源價(jià)格機(jī)制，協(xié)同消納綠電、綠氫、地?zé)岬榷喾N可再生能源，構(gòu)建量質(zhì)協(xié)同發(fā)展新模式等多個(gè)方面呈現(xiàn)出巨大的提升空間。

?作為多種能源形式的共有屬性受到了廣泛關(guān)注，已有研究將?分析法引入了IES 規(guī)劃、運(yùn)行、交易、評(píng)價(jià)等方面［14］?，F(xiàn)有的IES ?分析研究主要包括：1）基于黑箱模型的IES ?分析法［15-20］，通過(guò)系統(tǒng)輸入和輸出能量與能質(zhì)系數(shù)求解系統(tǒng)?效率，實(shí)現(xiàn)IES 用?特性的宏觀分析，計(jì)算簡(jiǎn)單且使用方便，但建模方式較為粗糙；2）基于白箱模型的IES ?分析法，利用圖論與能質(zhì)系數(shù)建立?分布模型［21］；3）基于能量網(wǎng)絡(luò)理論的IES ?分析法［22-25］，剖析了?在多能管線以及能源轉(zhuǎn)換設(shè)備中的傳遞規(guī)律；4）基于?流機(jī)理模型的IES ?分析法［26-27］，將IES 網(wǎng)絡(luò)屬性與?“流”的特性相結(jié)合，定義了?勢(shì)、?壓、?阻抗等核心概念，并證明了IES 整體和局部的?平衡關(guān)系特性。

綜上所述，考慮到：1）IES 多能介質(zhì)流存在單位量綱不統(tǒng)一且IES 多能流模型未兼顧能源品質(zhì)的局限；2）?能夠統(tǒng)一表征IES 中多能源形式的有效能；3）利用能源的本質(zhì)是利用?，按?的實(shí)際使用情況制定價(jià)格也是一種合理的能源定價(jià)原則；4）IES 中有效能利用水平提升與可再生能源消納具有一定相互促進(jìn)作用［28］；5）IES 的?流軌跡追蹤與溯源情況尚未明晰。本文以IES 等效?流機(jī)理模型為基礎(chǔ)，建立物理量統(tǒng)一且兼顧能源商品屬性的IES ?流追蹤模型，深入追蹤?在IES 網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)蹤跡，利用IES 源-網(wǎng)-荷的?流分配關(guān)系為多能源價(jià)格制定、多種可再生能源協(xié)同消納等實(shí)際應(yīng)用提供支撐。

本文首先闡述了IES 等效?流機(jī)理模型及IES?路的重點(diǎn)概念，進(jìn)一步提出了?流順序追蹤方法、?流逆序追蹤方法和?流分配解析追蹤方法，并利用典型算例驗(yàn)證了所提模型的準(zhǔn)確性。最后，對(duì)IES ?流追蹤理論和方法在能源價(jià)格機(jī)制、可再生能源利用、不良數(shù)據(jù)辨識(shí)、規(guī)劃與運(yùn)行優(yōu)化等方面的潛在應(yīng)用價(jià)值展開(kāi)討論，以期助力能源統(tǒng)一大市場(chǎng)的良性發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)。

1 IES 等效?流機(jī)理模型與?路

1.1 IES 等效?流機(jī)理模型

IES ?流機(jī)理模型可以統(tǒng)一以?流（單位為kW）的形式表示有效能在IES 網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)情況，并以整體和局部?平衡關(guān)系保證了模型的準(zhǔn)確性［27］。

典型IES 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)在IES 分析中可視為單層結(jié)構(gòu)，而熱力系統(tǒng)通常考慮為包含對(duì)稱供回水網(wǎng)絡(luò)的雙層結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)差異性導(dǎo)致熱力系統(tǒng)?流分布特征與電力、天然氣系統(tǒng)存在較大的差異性。例如，電力和天然氣系統(tǒng)通過(guò)管線傳輸供應(yīng)負(fù)荷的?流，該部分?流最終注入負(fù)荷節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，不再返回電源和氣源，而熱力系統(tǒng)供水網(wǎng)絡(luò)中的?流一部分由熱負(fù)荷消耗，一部分通過(guò)回水網(wǎng)絡(luò)返回?zé)嵩?，進(jìn)而形成閉合回路?；跓崃ο到y(tǒng)?流分布特征，供水網(wǎng)絡(luò)?流一部分來(lái)源于回水網(wǎng)絡(luò)，一部分來(lái)源于熱源，決策者難以辨別出供水網(wǎng)絡(luò)中由熱源供應(yīng)的?流。此外，供水網(wǎng)絡(luò)?流一部分被熱負(fù)荷消耗，一部分返回至回水網(wǎng)絡(luò)，決策者難以辨別出供水網(wǎng)絡(luò)中最終被熱負(fù)荷消耗的?流。綜上所述，基于雙層結(jié)構(gòu)的熱力系統(tǒng)?流模型不利于決策者辨析熱源供應(yīng)和負(fù)荷消耗熱量?在系統(tǒng)中的分布，也不利于?流追蹤模型的建立。因此，考慮將IES 中的熱力系統(tǒng)?流機(jī)理模型進(jìn)行等效變換。

基于上述背景，在熱力系統(tǒng)?流機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，以回水網(wǎng)絡(luò)作為參考系，消除回水網(wǎng)絡(luò)?流對(duì)供水網(wǎng)絡(luò)?流的影響，建立具有單層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熱力系統(tǒng)等效?流機(jī)理模型，如圖2 所示，使熱力系統(tǒng)與電力、天然氣系統(tǒng)?流機(jī)理模型具有相似的分布特征。IES 等效?流機(jī)理模型的電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示，推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)［27］，本文不再贅述。

表1 IES 等效?流機(jī)理模型的關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of mechanism model of equivalent exergy flow for IES

圖2 基于等效變換的熱力系統(tǒng)?流分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of exergy flow distribution of thermal system based on equivalent transformation

能源站等效?流機(jī)理模型以節(jié)點(diǎn)?損eEH，N表示：

該部分?損等于能源站在電力系統(tǒng)中消耗或供應(yīng)的電能?eEH，e、天然氣系統(tǒng)中消耗或供應(yīng)的燃料?eEH，g、熱力系統(tǒng)中消耗或供應(yīng)的熱量?eEH，h之和。其中，ee，q、eg，q和eh，q分別為電力節(jié)點(diǎn)、天然氣節(jié)點(diǎn)和熱力節(jié)點(diǎn)的注入?流列向量。

典型IES 等效變換后的?流分布如圖3 所示，變電站和天然氣門(mén)站分別向系統(tǒng)供應(yīng)電能?和燃料?，電力和天然氣系統(tǒng)分別向電負(fù)荷和氣負(fù)荷傳輸電能?和燃料?。能源站消耗燃料?并產(chǎn)生電能?與熱量?，產(chǎn)生的熱量?注入熱力系統(tǒng)以供應(yīng)熱負(fù)荷，產(chǎn)生的電能?部分被循環(huán)泵消耗以維持水壓，剩余的電能?注入電力系統(tǒng)以供應(yīng)電負(fù)荷。電能?通過(guò)電力線路傳輸產(chǎn)生損耗，熱量?在熱力管道傳輸過(guò)程和部分熱負(fù)荷處存在損耗，能源站中能源轉(zhuǎn)換過(guò)程存在?損。將電力線路、天然氣管道、供回水管道統(tǒng)一為支路，變電站和天然氣門(mén)站統(tǒng)一為向系統(tǒng)供應(yīng)?流的?源，電、氣、熱負(fù)荷統(tǒng)一為消耗?的?負(fù)荷，此時(shí)?在IES 中的流動(dòng)情況可表述為：?源向IES 供應(yīng)?流，?流在電力、熱力支路傳輸過(guò)程中存在損耗，在能源站和部分熱力節(jié)點(diǎn)處也存在損耗，未損耗的?流最終注入節(jié)點(diǎn)內(nèi)部被?負(fù)荷消耗。綜上所述，等效變換后IES ?流分布包括支路?流、源端?、負(fù)荷?、支路?損、節(jié)點(diǎn)?損，其中，節(jié)點(diǎn)?損包括能源站節(jié)點(diǎn)?損與熱力節(jié)點(diǎn)?損［27］。

圖3 等效變換后IES ?流分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of exergy flow distribution of IES after equivalent transformation

熱力系統(tǒng)等效?流機(jī)理模型可以反映熱源供應(yīng)以及負(fù)荷消耗熱量?在系統(tǒng)中的分布機(jī)理，消除了回水網(wǎng)絡(luò)?流的影響，該模型與電力、天然氣系統(tǒng)?流機(jī)理模型具有相似的特征。將熱力系統(tǒng)等效?流機(jī)理模型有關(guān)規(guī)律拓展到其他能源系統(tǒng)，基于?勢(shì)差定義電力、天然氣系統(tǒng)?壓的概念，進(jìn)而建立電力、天然氣系統(tǒng)以及能源站等效?流機(jī)理模型，最后形成IES 等效?流機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)IES ?流的統(tǒng)一分析。

1.2 IES ?路的概念

將IES 等效?流機(jī)理模型進(jìn)一步統(tǒng)一，根據(jù)IES 支路?流可表示為節(jié)點(diǎn)?壓與支路介質(zhì)流率共軛的乘積取實(shí)部，IES 支路?損可表示為支路兩端節(jié)點(diǎn)?壓差與介質(zhì)流率共軛的乘積取實(shí)部，IES 節(jié)點(diǎn)注入?流可表示為節(jié)點(diǎn)?壓與節(jié)點(diǎn)注入介質(zhì)流率共軛的乘積取實(shí)部［27］。以節(jié)點(diǎn)?壓與介質(zhì)流率作為?流分析的節(jié)點(diǎn)與支路參數(shù)，IES 網(wǎng)絡(luò)?流模型可統(tǒng)一表示為：

式中：eb和Δeb分別為nb維IES 支路?流和?損列向量，其中，nb為電力、天然氣、熱力支路數(shù)目之和；diag(·)表示求對(duì)角矩陣；U?為nn維IES 節(jié)點(diǎn)?壓列向量，其中，nn為電力、天然氣、熱力節(jié)點(diǎn)數(shù)目之和；f?為nb維IES 支路介質(zhì)流率列向量，f?*表示其共軛；eq和f?q分別為nn維IES 節(jié)點(diǎn)注入?流和介質(zhì)流率列向量為f?q的共軛；A為nn×nb的IES 節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣，為電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣Ae、Ag、Ah構(gòu)成的分塊對(duì)角矩陣；A-為nn×nb的IES 流出節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣，為電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)的流出節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣Ae，-、Ag，-、Ah，-構(gòu)成的分塊對(duì)角矩陣。

熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?損模型表示為：

式中：Δeh，Nl為熱力節(jié)點(diǎn)?損列向量，維數(shù)為nh，n；pr為回水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)列向量；po為出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)列向量；mh，L為熱負(fù)荷水流率列向量。

式（1）—式（6）構(gòu)成了IES ?流統(tǒng)一模型。在電力系統(tǒng)中，有功功率流可表示為電壓與電流的乘積形式，電力系統(tǒng)有功線損可表示為電壓差與電流的乘積形式。因此，?壓、介質(zhì)流率、?流、?損分別與電壓、電流、有功功率流、有功損耗具有類似含義。進(jìn)一步，剖析?流在不同能源環(huán)節(jié)傳輸以及損耗特性，揭示不同能源系統(tǒng)?流參數(shù)的共性機(jī)理，類比電力系統(tǒng)基于電路的分析思路，建立了IES ?路模型，該模型可作為分析系統(tǒng)能量品質(zhì)特征的一種技術(shù)手段。

類比電路的概念，將IES ?路定義為支路、?阻抗、?源、?負(fù)荷等?元件組成的?流回路，其中，?阻抗通過(guò)類比電路理論中電阻抗的概念形成，反映?流在傳輸過(guò)程中的損耗程度。類比電路圖的含義，將?路圖定義為由?路元件符號(hào)表示?路連接的圖，?路元件符號(hào)與具體含義如表2 所示?；诒? 所示的?路元件符號(hào)構(gòu)建?路如圖4 所示。?路圖可以基于能量品質(zhì)層面實(shí)現(xiàn)源端、多能管線等多能元件的統(tǒng)一描述，反映節(jié)點(diǎn)、支路等?路元件傳遞?的能力或損失?的程度，為開(kāi)展IES ?流軌跡追蹤與溯源、建立?流追蹤模型奠定了基礎(chǔ)。

表2 IES ?路元件符號(hào)與具體含義Table 2 Component symbols and specific meanings of IES exergy circuit

圖4 IES ?路示意圖Fig.4 Schematic diagram of IES exergy circuit

2 IES ?流追蹤模型

參考電力系統(tǒng)的潮流追蹤方法，采用比例分配原則［5-6］進(jìn)行?流追蹤計(jì)算。除電力系統(tǒng)，具體對(duì)天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和能源耦合節(jié)點(diǎn)做出以下假設(shè)：

1）天然氣系統(tǒng)：假設(shè)節(jié)點(diǎn)的天然氣都充分混合，天然氣流量符合比例分配原則，同時(shí)天然氣的流量與?流為正比例關(guān)系，則可認(rèn)為天然氣系統(tǒng)?流符合比例分配原則；

2）熱力系統(tǒng)：假設(shè)熱力介質(zhì)（熱水）充分混合，介質(zhì)符合比例分配原則，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)溫度混合后，溫度下降導(dǎo)致的?損折算在管道?損上，因此，假設(shè)節(jié)點(diǎn)附近的能質(zhì)系數(shù)相同，則可認(rèn)為熱力系統(tǒng)?流符合比例分配原則；

3）能源耦合節(jié)點(diǎn)（能源站）：不關(guān)注能源站內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，將其視為一個(gè)存在?損的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其自身?損視為負(fù)荷。因此，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)消耗的?流與流入該節(jié)點(diǎn)的?流滿足比例分配原則。

通過(guò)以上假設(shè)，可認(rèn)為IES ?流符合比例分配原則。

2.1 IES 網(wǎng)絡(luò)無(wú)?損化

IES 源端向負(fù)荷端輸運(yùn)有效能，熱力學(xué)第二定律表明能源在“質(zhì)”上具有貶值特性，必然會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生?損［29］。但是，基于比例分配原則的?流追蹤計(jì)算方法僅適用于管線首末端?流相同的無(wú)?損網(wǎng)絡(luò)，因此，本文首先進(jìn)行IES 網(wǎng)絡(luò)無(wú)?損化處理，將?損由管線兩端的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)，可表示為：

式中：eNode為無(wú)?損化后的節(jié)點(diǎn)?流向量；eN為無(wú)?損化前的節(jié)點(diǎn)?流向量；Δeloss為管線?損向量；abs(A)表示求節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣A中所有元素的絕對(duì)值。

無(wú)?損化處理后的IES 源端節(jié)點(diǎn)?流向量esource和負(fù)荷端節(jié)點(diǎn)?流向量eload分別表示為：

無(wú)?損化處理后的IES 管線?流向量enoloss表示為：

式中：e為無(wú)?損化前的管線?流向量。

2.2 方法1：IES ?流順序追蹤方法

IES ?流順序追蹤法基本思路是保證注入?流的節(jié)點(diǎn)?平衡，節(jié)點(diǎn)注入的總?流向量可以表示為：

式中：A1為注入節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣；esource為源端?流列向量且可為零向量。

將式（10）展開(kāi)，可得：

式中：en1為節(jié)點(diǎn)n流向節(jié)點(diǎn)1 的無(wú)?損管線?流；e1n為節(jié)點(diǎn)1 流向節(jié)點(diǎn)n的無(wú)?損管線?流；eNode，n和esource，n分別為eNode和esource的元素。

式（11）可表示為：

式中：D1為?流順序分配矩陣。

矩陣D1是稀疏矩陣且非對(duì)稱，若矩陣D1可逆，則存在IES 的源端?-節(jié)點(diǎn)的?流關(guān)聯(lián)矩陣：

可得到節(jié)點(diǎn)?流向量與源端?向量之間的矩陣關(guān)系：

可以看出，IES 中的第k個(gè)源端對(duì)節(jié)點(diǎn)n的?流貢獻(xiàn)為DS-N，nkesource，k。

流入節(jié)點(diǎn)的?流等于負(fù)荷消耗的?和流出節(jié)點(diǎn)的?流之和，根據(jù)比例分配原則得到流出節(jié)點(diǎn)i各管線?流情況：

所以，有IES 的源端?-支路?流關(guān)聯(lián)矩陣DS-P，其元素為：

得到IES 的源端?-支路?流之間的矩陣關(guān)系：

可以看出，IES 中的第k個(gè)源端對(duì)支路i-j?流的貢獻(xiàn)為DS-P，ikesource，k。

同理，由比例分配原則，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)消耗的?流為：

所以，有IES 的源端?-負(fù)荷?流關(guān)聯(lián)矩陣DS-L，其元素為：

得到IES 源端?-負(fù)荷?流的矩陣關(guān)系：

可以看出，IES 中的第k個(gè)源端對(duì)負(fù)荷i?流的貢獻(xiàn)為DS-L，ikesource，k。

2.3 方法2：IES ?流逆序追蹤方法

IES ?流逆序追蹤方法基本思路是保證流出?流的節(jié)點(diǎn)?平衡，流出節(jié)點(diǎn)的總?流向量可表示為：

式中：A2為流出節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣；eload為負(fù)荷?流列向量且可為零向量。

將式（21）展開(kāi)，可得：

式中：eload，n為eload的元素。

式（22）可表示為：

式中：D2為?流逆序分配矩陣。

矩陣D2是稀疏矩陣且非對(duì)稱，若矩陣D2可逆，則存在IES 的負(fù)荷-節(jié)點(diǎn)的?流關(guān)聯(lián)矩陣：

可得到負(fù)荷?向量與節(jié)點(diǎn)?流向量之間的矩陣關(guān)系：

可以看出，IES 中的第k個(gè)負(fù)荷從節(jié)點(diǎn)n獲得?流為DL-N，nkesource，k。

與上述?流順序追蹤方法類似，利用比例分配原則計(jì)算得到負(fù)荷?-支路?流關(guān)系DL-P，ik為：

負(fù)荷?-源端?關(guān)系DL-S，ik為：

2.4 方法3：IES ?流分配解析追蹤方法

參考電力系統(tǒng)潮流分配解析模型［30］，不采用比例分配原則，直接推導(dǎo)IES 的源端?和負(fù)荷?的分配關(guān)系：

進(jìn)一步，有

根據(jù)2.3 節(jié)中定義的矩陣向量，存在節(jié)點(diǎn)?流與負(fù)荷?的關(guān)系eNode=(D2)-1eload，則可以得到源端?和負(fù)荷?之間的關(guān)系為：

因此，源端?-負(fù)荷?的關(guān)聯(lián)矩陣可表示為：

支路?流分配系數(shù)和流出節(jié)點(diǎn)的分配系數(shù)相同，則有源端-支路關(guān)聯(lián)矩陣：

基于電力系統(tǒng)潮流分配解析模型，利用?流逆序分配矩陣，建立了不需要任何分配原則的?流分配解析追蹤方法，即可得到源端?-負(fù)荷?分配比例關(guān)系。

上述3 種IES ?流追蹤方法對(duì)比如表3 所示。不同于IES ?流順序/逆序追蹤方法，IES ?流分配解析追蹤方法不需要任何分配原則，基于IES ?流逆序分配矩陣、IES 源端?矩陣及IES 負(fù)荷?矩陣的關(guān)系，即可得到源端?-負(fù)荷?分配比例關(guān)系，其計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單且可保證正確性。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中需充分考慮決策需求和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌x擇合適的?流追蹤方法。

表3 IES ?流追蹤方法對(duì)比Table 3 Comparison of exergy flow tracing methods

2.5 IES ?流追蹤方法計(jì)算步驟

在IES 負(fù)荷?已知的情況下，先求解?流機(jī)理模型，再進(jìn)行?流追蹤模型的計(jì)算，如圖5 所示。在?流求解中，電力系統(tǒng)采用牛拉法求解系統(tǒng)?流，天然氣系統(tǒng)采用牛頓節(jié)點(diǎn)法求解?流，熱力系統(tǒng)采用水力模型和熱力-?流模型交替迭代算法求解?流，三者基于?集線器模型耦合，耦合方式取決于系統(tǒng)的運(yùn)行模式、設(shè)備類型等［31］。

圖5 IES ?流順序追蹤計(jì)算方法Fig.5 Calculation method of upstream-looking exergy flow tracing for IES

IES ?流追蹤算法具體流程如下：

步驟1：確定IES 的運(yùn)行方式、網(wǎng)架拓?fù)洌↖ES 耦合節(jié)點(diǎn)重合化）、能源站等信息，輸入IES 的負(fù)荷?數(shù)據(jù)。

步驟2：利用IES ?流直接計(jì)算方法［31］得到IES?流分布情況。

步驟3：基于管線（支路）平均?損，進(jìn)行IES 網(wǎng)絡(luò)無(wú)?損化處理。

步驟4：若采用?流順序追蹤方法，則構(gòu)建節(jié)點(diǎn)?流、節(jié)點(diǎn)注入?流和節(jié)點(diǎn)上源端?流的關(guān)系；若采用?流逆序追蹤方法，則構(gòu)建流出節(jié)點(diǎn)?流、節(jié)點(diǎn)流出?流和節(jié)點(diǎn)上負(fù)荷?流的關(guān)系。

步驟5：形成?流順序分配矩陣D1和?流逆序分配矩陣D2。

步驟6：若采用圖5 和圖6 所示的IES ?流順序/逆序追蹤方法，需根據(jù)比例分配原則，建立源端-負(fù)荷?流關(guān)聯(lián)矩陣、源端-支路?流關(guān)聯(lián)矩陣/負(fù)荷-源端?流關(guān)聯(lián)矩陣、負(fù)荷-支路?流關(guān)聯(lián)矩陣，分別計(jì)算源端-負(fù)荷、源端-支路和負(fù)荷-支路的?流分配關(guān)系。

圖6 IES ?流逆序追蹤計(jì)算方法Fig.6 Calculation method of downstream-looking exergy flow tracing for IES

若采用圖7 所示的?流分配解析追蹤方法，則根據(jù)步驟5 中的?流逆序分配矩陣D2，利用源端?矩陣、負(fù)荷?矩陣和?流逆序分配矩陣的關(guān)系，直接構(gòu)建源端-負(fù)荷?流關(guān)聯(lián)矩陣、源端-支路?流關(guān)聯(lián)矩陣，計(jì)算源端-負(fù)荷?流分配系數(shù)。

3 算例測(cè)試與分析

3.1 算例介紹

為統(tǒng)一對(duì)IES 電-氣-熱力系統(tǒng)進(jìn)行?流追蹤，對(duì)文獻(xiàn)［31］中典型IES 算例進(jìn)行等效變換，算例等效?流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8 所示，包括6 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)、5 節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)和8 節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)基于IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)［32］參數(shù)修改，源端電壓為12.66 kV；中壓天然氣系統(tǒng)基于5 節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)［33］參數(shù)修改，氣源氣壓為5 bar（1 bar=100 kPa），天然氣理論燃燒溫度為1 973 ℃，熱值為45.75 MJ/m3；熱力系統(tǒng)基于8 節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)［34］參數(shù)修改，系統(tǒng)由雙熱源供熱，兩個(gè)熱源供水溫度均為100 ℃，負(fù)荷出口溫度為50 ℃。算例中包括兩個(gè)能源站，節(jié)點(diǎn)E6、G9 和H12 通過(guò)能源站1 中的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機(jī)組耦合，節(jié)點(diǎn)E5 和H13 通過(guò)能源站2 中的電鍋爐（EB）耦合。能源站1 中的CHP 氣-電轉(zhuǎn)換效率ηCHPg-e和氣-熱轉(zhuǎn)換效率ηCHPg-h分別為0.3 和0.4［35］，能源站2 中的EB 電-熱轉(zhuǎn)換效率ηEBe-h為0.95［36］，采用“以熱定電”方式運(yùn)行。電力、天然氣、熱力系統(tǒng)管線參數(shù)分別如附錄A 表A1—表A3所示，電負(fù)荷?、天然氣負(fù)荷?、熱負(fù)荷?數(shù)據(jù)如附錄A 表A4—表A6 所示，作為?流直接計(jì)算方法的輸入數(shù)據(jù)。

圖8 算例等效?流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.8 Topology diagram of equivalent exergy flow of case

3.2 結(jié)果分析

基于IES 等效?流機(jī)理模型和?路模型，分別采用上述3 種?流追蹤方法對(duì)圖8 所示的算例進(jìn)行?流追蹤。首先，對(duì)算例進(jìn)行?流計(jì)算，得到的IES?路及?流分布如圖9 所示。能源站1 和能源站2的?損分別為687.931 kW 和694.164 kW，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示源端供應(yīng)的?或管線?流，方框附近的數(shù)字表示管線?損，箭頭指向的數(shù)字表示負(fù)荷消耗的?，各數(shù)字的單位均為kW。

圖9 ?路及?流分布Fig.9 Distribution of exergy circuit and exergy flow

無(wú)?損化后的IES ?路及?流分布如圖10 所示。將能源站的?損視為節(jié)點(diǎn)E5、E6 的負(fù)荷，所有管線上的?損均由與之相鄰的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)，熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?損視為負(fù)荷?。經(jīng)過(guò)無(wú)?損化處理后的IES整體和各節(jié)點(diǎn)?流保持平衡，能夠滿足比例分配原則進(jìn)行?流追蹤，同時(shí)可以用來(lái)驗(yàn)證?流追蹤的正確性。

圖10 網(wǎng)絡(luò)無(wú)?損化處理后的?路和?流分布Fig.10 Distribution of exergy circuit and exergy flow after network exergy-free loss processing

按照上述計(jì)算步驟，得到結(jié)果如表4—表8 所示。解析模型未利用比例分配原則，僅通過(guò)矩陣描述?流分布關(guān)系，從源端-負(fù)荷分配矩陣中可以看出矩陣的每列和都為1，表明負(fù)荷消耗?流均來(lái)源于源端，最后求得的結(jié)果與其他兩種方法相同。E6、G9 和H12 連接能源站1，E5 和H13 連接能源站2，為避免重復(fù)，在計(jì)算中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重合化，表4—表8 中由節(jié)點(diǎn)E6 表示能源站1，節(jié)點(diǎn)E5 表示能源站2。

表4 采用順序追蹤方法的源端-支路?流分布Table 4 Distribution of source-branch exergy flow using upstream-looking tracing method

表4 說(shuō)明，應(yīng)用式（17）計(jì)算可以得到每個(gè)源端供應(yīng)的?流在每條支路的分布情況。各支路來(lái)自源端E1 和源端G7 的?流相加后，與經(jīng)無(wú)?損化處理后的?流計(jì)算結(jié)果一致。節(jié)點(diǎn)E1（變電站）的?流僅分布于管線L1、L4、L16 和L19，而節(jié)點(diǎn)G7（天然氣門(mén)站）的?流分布于管線L2 至L19，這也反映了天然氣門(mén)站承擔(dān)了IES 中大部分有效能供應(yīng)。

表5 說(shuō)明，應(yīng)用式（20）計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷?的來(lái)源，結(jié)果的正確性可以通過(guò)圖10 所示無(wú)?損化后的?流分布情況來(lái)檢驗(yàn)。例如，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)E2 從節(jié)點(diǎn)E1（變電站）和節(jié)點(diǎn)G7（天然氣門(mén)站）分別得到了?流，按比例分配原則計(jì)算，從變電站得到的?流為602.337 kW×757.815 kW/（758.212 kW+668.354 kW）=320.139 kW，從天然氣門(mén)站得到的?流為602.337 kW×668.354 kW/（758.212 kW+668.354 kW）=282.198 kW。同時(shí)，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷?之和與源端E1 和G7 的輸入?計(jì)算結(jié)果一致。

表5 采用順序追蹤方法的源端-負(fù)荷?流分布Table 5 Distribution of source-load exergy flow using upstream-looking tracing method

表6 通過(guò)式（26）計(jì)算，可以得到某條管線的?流如何供給到每個(gè)負(fù)荷，一定程度上也反映了每條管線所承擔(dān)的?流輸運(yùn)能力和重要性。例如：IES中管線L4承擔(dān)了向能源站2供應(yīng)698.32 kW 的?，向熱負(fù)荷H19 供應(yīng)121.97 kW 的?，以及向虛擬熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)H16 供應(yīng)3.93 kW 的?；管線L6 與節(jié)點(diǎn)E2至H19 均有關(guān)聯(lián)，其承擔(dān)了IES 的大量?流輸運(yùn)責(zé)任，對(duì)于IES 的重要程度最高，這與表1 的結(jié)論一致。表7 表示通過(guò)式（27）可計(jì)算得到每個(gè)負(fù)荷向源端汲取?流的情況，與表2 中的計(jì)算結(jié)果一致。

表6 采用逆序追蹤方法的負(fù)荷-支路?流分布Table 6 Distribution of load-branch exergy flow using downstream-looking tracing method

表7 采用逆序追蹤方法的負(fù)荷-源端?流分布Table 7 Distribution of load-source exergy flow using downstream-looking tracing method

基于?流分配解析方法的源端-負(fù)荷?流分配系數(shù)如表8 所示?？梢钥闯?，所有源端?對(duì)任意負(fù)荷的分配系數(shù)之和恒等于1，例如節(jié)點(diǎn)H19：0.371+0.629=1，這表明負(fù)荷節(jié)點(diǎn)H19 從源端E1 和G7 獲得的?流比例分別為37.1%和62.9%。算例結(jié)果驗(yàn)證了IES ?流分配解析追蹤方法的有效性和準(zhǔn)確性。

表8 采用?流分配解析追蹤方法的源端-負(fù)荷?流分配系數(shù)Table 8 Allocation coefficient of source-load exergy flow using tracing method of exergy flow distributing parse

4 IES ?流追蹤的典型應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 基于IES ?流追蹤的能源價(jià)格制定

能源價(jià)格和能源市場(chǎng)對(duì)IES 的發(fā)展具有重要意義，國(guó)內(nèi)外對(duì)于IES 能源價(jià)格機(jī)制方面的研究尚屬于起步階段。隨著能源互聯(lián)日益密切，能源市場(chǎng)對(duì)能源價(jià)格機(jī)制提出了更高的要求，這不僅要打破行業(yè)壁壘，更需要一種合理、公平、有效的分配方法作為制定能源價(jià)格的技術(shù)支撐。

由于分?jǐn)倷C(jī)制不合理、能源行業(yè)之間利益沖突等多方面因素，電力、天然氣、熱力市場(chǎng)基本采用單獨(dú)定價(jià)方式，從經(jīng)濟(jì)層面上阻礙了能源互聯(lián)協(xié)同發(fā)展。?流機(jī)理模型從根本出發(fā)，以有效能（?）統(tǒng)一量化表示了電、氣、冷、熱等多種能源形式，通過(guò)?流追蹤計(jì)算可以得到IES 的源-網(wǎng)-荷中有效能分配關(guān)系，并以有效能的實(shí)際利用情況作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合?的商品屬性，后續(xù)研究可以計(jì)算IES 的各種能源成本、網(wǎng)損及阻塞的分?jǐn)倖?wèn)題，為構(gòu)建合理分配的能源市場(chǎng)提供有效的計(jì)算工具。

4.2 基于IES ?流追蹤的可再生能源消納路徑研究

不可再生能源具有能源品質(zhì)的高低之分，可再生能源亦是如此。如今，大量綠電、綠氫、地?zé)岬瓤稍偕茉幢婚_(kāi)發(fā)利用，其中，以光伏、風(fēng)機(jī)為主的綠電占比最大，而且電能的能源品質(zhì)最高，以?流追蹤方法計(jì)算出IES 源-網(wǎng)-荷的有效能分配關(guān)系，能夠清楚地判斷可再生能源向IES 的各個(gè)環(huán)節(jié)中供給的不同品質(zhì)能源的分配比例和分配路徑，用以指導(dǎo)多種可再生能源的協(xié)同消納，為綠電、綠氫、地?zé)岬却罅靠稍偕茉创蛏稀熬G色標(biāo)簽”。

高?綜合能源系統(tǒng)［14］的理念是IES 量質(zhì)協(xié)同發(fā)展，盡可能地提高IES 能源品質(zhì)和有效能輸運(yùn)能力；低碳能源系統(tǒng)的理念是指在利用過(guò)程中，盡可能產(chǎn)生較少或不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體的能源系統(tǒng)。這兩種理念在可再生能源消納方面相輔相成，具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用，為中國(guó)城鄉(xiāng)能源系統(tǒng)綠色、高效、高質(zhì)量發(fā)展提供了一種新思路。

4.3 基于IES ?流追蹤的不良?數(shù)據(jù)辨識(shí)

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程的推進(jìn)，以及用戶對(duì)能源品質(zhì)要求的提高，綜合能源供應(yīng)端對(duì)IES 狀態(tài)估計(jì)［37］基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的高效維護(hù)以及IES 在線安全分析與多能運(yùn)行調(diào)度水平提出了更高的要求。能源互聯(lián)網(wǎng)提出了面向IES 的能量管理系統(tǒng)［38］（integrated energy system energy management system，IESEMS），未來(lái)IES-EMS 將進(jìn)一步考慮能源品質(zhì)的提升或新增?流分析功能模塊，會(huì)導(dǎo)致大量的?數(shù)據(jù)監(jiān)采設(shè)備及其產(chǎn)生的復(fù)雜不良?數(shù)據(jù)涌現(xiàn)，不良?數(shù)據(jù)檢測(cè)與辨識(shí)將成為IES 狀態(tài)估計(jì)的重要功能之一，成為IES 在線安全分析和運(yùn)行調(diào)控的重要保證。

為了保證后續(xù)IES 有效能狀態(tài)估計(jì)的合格率，可以利用?流追蹤計(jì)算辨識(shí)不良量測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)?流追蹤計(jì)算對(duì)不良量測(cè)的過(guò)濾和校正，可以減少不良量測(cè)對(duì)拓?fù)溴e(cuò)誤辨識(shí)的影響，提高拓?fù)溴e(cuò)誤辨識(shí)的精度。

4.4 基于IES ?流追蹤的規(guī)劃與運(yùn)行優(yōu)化研究

在IES 規(guī)劃方面，應(yīng)用IES ?流追蹤方法可以得到IES 網(wǎng)絡(luò)中某一源端/支路/負(fù)荷的實(shí)際?流分配情況，能夠快速、準(zhǔn)確地追蹤到有效能薄弱的位置、類型和真實(shí)大小，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，全面剖析電、氣、熱、冷、氫等不同品質(zhì)能源以及綠電、綠氫、地?zé)岬瓤稍偕茉丛谡?網(wǎng)-源-荷等諸多環(huán)節(jié)的?流軌跡情況，能夠避免規(guī)劃方案中高?損情況的發(fā)生。在IES 運(yùn)行優(yōu)化方面，通過(guò)IES ?流追蹤方法可以精準(zhǔn)定位IES 運(yùn)行中的有效能薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)也可以識(shí)別出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在越限風(fēng)險(xiǎn)、元件受損等故障的具體位置，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的源端或負(fù)荷，以達(dá)到調(diào)整?流分布、降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)IES 量質(zhì)協(xié)同提升的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用IES 等效?流機(jī)理模型，建立IES 能量品質(zhì)的統(tǒng)一分析框架，從IES ?流軌跡溯源與跟蹤的角度對(duì)能源追蹤問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)充討論和有益嘗試。主要工作如下：

1）介紹了考慮熱力系統(tǒng)等效變換的IES 等效?流機(jī)理模型及?路，消除了回水網(wǎng)絡(luò)?流的影響，統(tǒng)一了電力、天然氣、熱力系統(tǒng)?流模型的分布特征。

2）根據(jù)比例分配原則，提出了IES ?流順序、逆序追蹤方法，得到了IES 源端?-負(fù)荷?、源端?-支路?、負(fù)荷?-支路?流的分配關(guān)系；并參考電力系統(tǒng)功率分配解析模型，提出了IES ?流分配解析追蹤方法，得到了源端?-負(fù)荷?的分配比例。

3）討論了?流追蹤算法在IES 能源價(jià)格制定、可再生能源消納、不良?數(shù)據(jù)辨識(shí)、規(guī)劃與運(yùn)行優(yōu)化等方面的應(yīng)用前景。

本文建立了3 種IES ?流追蹤模型與計(jì)算方法，對(duì)于IES 中配電網(wǎng)、中壓天然氣網(wǎng)和熱力網(wǎng)絡(luò)的無(wú)?損化處理可能導(dǎo)致分配精度的問(wèn)題，尚需進(jìn)一步討論。后續(xù)將針對(duì)IES 能源價(jià)格制定、?交易、可再生能源消納路徑追蹤、不良?數(shù)據(jù)辨識(shí)、規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化等實(shí)際應(yīng)用方面開(kāi)展具體研究。

本文研究是在分布式能源與微網(wǎng)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（UNiLAB）的合作下進(jìn)行的，在此表示衷心的感謝！

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。