基于碳勢-能源價格雙響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度

張玉敏，孫鵬凱，孟祥劍，吉興全，楊 明，李曉宇

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，山東省青島市 266590；2.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室（山東大學(xué)），山東省濟(jì)南市 250061）

0 引言

在能源生產(chǎn)側(cè)打造深度低碳電力系統(tǒng)，在能源消費側(cè)實現(xiàn)高度電氣化，這種兩端共同發(fā)力的方式是推進(jìn)中國以新能源為主的新型電力系統(tǒng)向綠色、低碳發(fā)展的重要途徑［1-3］。一方面，源側(cè)發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）在源-網(wǎng)-荷-儲各環(huán)節(jié)中蘊含的碳減排潛力，是提高能源系統(tǒng)運行低碳性與經(jīng)濟(jì)性的重要手段之一［4-6］。另一方面，荷側(cè)通過價格或激勵機(jī)制改變用戶用能行為的需求響應(yīng)（demand response，DR），也是加快去碳化的關(guān)鍵途徑之一。因此，如何精準(zhǔn)刻畫IES 各環(huán)節(jié)的碳排放特性，在碳視角下挖掘源-荷資源互動潛力，是實現(xiàn)中國能源低碳化轉(zhuǎn)型的迫切需求。

在源側(cè)角度，已有諸多通過能源替代或轉(zhuǎn)化實現(xiàn)能源低碳化轉(zhuǎn)型的機(jī)理和方法［7-12］。文獻(xiàn)［13-14］提出了電-氣-熱IES 分層低碳調(diào)度方法，并考慮碳交易機(jī)制，論證了電-氣-熱多能協(xié)調(diào)運行模式和碳交易機(jī)制對IES 調(diào)度決策經(jīng)濟(jì)性和低碳性的促進(jìn)作用。

在荷側(cè)角度，有諸多圍繞各種激勵機(jī)制下DR的研究，通過改變用戶用能行為，實現(xiàn)IES 低碳運行［15-20］。文獻(xiàn)［21］同時考慮電-氣-熱多元負(fù)荷的響應(yīng)特性，提出了IES 多元DR，驗證了其在促進(jìn)IES碳減排方面的有效性。

上述研究從源側(cè)和荷側(cè)角度入手，均可有效提升IES 運行低碳經(jīng)濟(jì)性。然而，僅立足于源側(cè)的研究無法有效發(fā)揮荷側(cè)多元用戶用能行為對IES 低碳運行的潛在價值［22-23］；從荷側(cè)角度出發(fā)的研究僅立足于能源視角，忽略了“負(fù)荷節(jié)點碳排放強(qiáng)度”這一影響荷側(cè)用戶碳排放量的關(guān)鍵因素［24］，致使荷側(cè)用戶無法感知自身用能習(xí)慣所導(dǎo)致的碳排放差異，無法充分挖掘IES 的碳減排潛力。

為此，從碳視角出發(fā)，基于碳排放流模型研究低碳DR 對能源系統(tǒng)碳減排的促進(jìn)作用備受關(guān)注［25-27］。文獻(xiàn)［28］考慮多能流耦合特性，構(gòu)建了面向IES 的碳排放流模型；文獻(xiàn)［29］進(jìn)一步將面向IES 的碳排放流模型應(yīng)用于低碳調(diào)度中，建立碳交易機(jī)制下計及電-氣-熱多元需求響應(yīng)的IES 低碳調(diào)度模型，并驗證了模型減碳的有效性。

上述研究立足于碳視角，圍繞碳排放流模型和低碳DR 對能源系統(tǒng)的碳減排作用展開論述，具有參考意義，但仍存在一定的不足，主要表現(xiàn)在:1）現(xiàn)有碳排放流模型未同時考慮IES 中多能源之間的轉(zhuǎn)化機(jī)制和氣、熱網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性，限制了IES 碳減排潛力挖掘的精準(zhǔn)度；2）從源-荷雙端共同發(fā)力的視角，同時計及多元負(fù)荷節(jié)點碳勢（nodal carbon intensity，NCI）和能源價格雙響應(yīng)的IES 源-荷低碳互動機(jī)制的研究尚未見報道。

針對上述問題，本文基于“動態(tài)特性等價替換”思想，推導(dǎo)IES 碳排放流模型，依據(jù)碳排放“權(quán)責(zé)分離”原則，提出基于碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，主要貢獻(xiàn)如下。

1）提出了計及氣網(wǎng)“管存”、熱網(wǎng)的“傳輸延時”及“熱損失”動態(tài)特性的碳排放流模型。根據(jù)虛擬儲能對動態(tài)特性的等價替換思想，推演動態(tài)能量流向動態(tài)碳排放流的精準(zhǔn)映射機(jī)制，實現(xiàn)IES 中源-網(wǎng)-荷-儲全過程碳排放特性的準(zhǔn)確刻畫。

2）提出碳視角下以節(jié)點碳排放強(qiáng)度引導(dǎo)用戶主動參與碳減排的IES 低碳DR 機(jī)制，設(shè)計了由負(fù)荷節(jié)點碳排放強(qiáng)度時空差異性引導(dǎo)用戶用能行為改變的減碳策略，實現(xiàn)IES 全系統(tǒng)低碳化運行。

3）提出多元負(fù)荷節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 源-荷低碳調(diào)度策略，考慮碳市場中減碳驅(qū)動下用戶調(diào)整用能行為的意愿，在實現(xiàn)IES 最大化減碳的前提下兼顧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。

1 考慮IES 動態(tài)特性的碳排放流模型

1.1 IES 動態(tài)特性分析

本文借鑒文獻(xiàn)［30］的建模思路，考慮熱力系統(tǒng)水流延時特性及天然氣系統(tǒng)管存特性，建立IES 動態(tài)特性模型，具體建模過程不再贅述。

1.2 IES 能量流-碳排放流動態(tài)映射關(guān)系

本文基于碳排放流理論［31］，假設(shè)IES 中的CO2由源側(cè)產(chǎn)生后，隨著能量的流動過程在IES 中傳輸與轉(zhuǎn)化，最終由荷側(cè)消費。通過構(gòu)造考慮IES 動態(tài)特性的精細(xì)化能量流，并以此為載體，建立由源側(cè)至荷側(cè)的碳排放歸算機(jī)制，實現(xiàn)對IES 碳排放流的建模。

1.2.1 電力系統(tǒng)能量流-碳排放流映射關(guān)系

本文參考文獻(xiàn)［32］中電力系統(tǒng)碳排放流模型構(gòu)建方法，以碳流率（carbon emission flow rate，CEFR）表征流過電力系統(tǒng)支路或節(jié)點的碳排放速率（tCO2/h），以 發(fā) 電 機(jī) 碳 勢（generation carbon intensity，GCI）表征發(fā)電機(jī)向電力系統(tǒng)注入單位能量所蘊含的碳排放量（tCO2/（MW·h）），以支路碳勢（branch carbon intensity，BCI）表征流過支路的單位能量所蘊含的碳排放量（tCO2/（MW·h）），以NCI 反應(yīng)與節(jié)點相連支路的各BCI 的疊加效應(yīng)，表征注入節(jié)點的單位能量所伴隨的平均碳排放量（tCO2/（MW·h）），數(shù)值上等于總碳勢與注入節(jié)點的總能量之比。因此，電力系統(tǒng)能量流-碳排放流映射關(guān)系可由式（1）表示。

式 中:fi，t，NCIe為 電 力 系 統(tǒng) 節(jié) 點i在 時 段t的NCI；Γi-為以電力系統(tǒng)節(jié)點i為末節(jié)點的支路的首節(jié)點集合；fji，t，ele為支路ji在時段t的功 率；fji，t，BCIe為支路ji在時段t的BCI；Γki為與電力系統(tǒng)節(jié)點i相連的發(fā)電機(jī)組k的 集 合；Pk，t為 發(fā) 電 機(jī) 組k在 時 段t的 輸 出 功 率；fk，t，GCIe為 發(fā) 電 機(jī) 組k在 時 段t的GCI。

由 于BCI 由 該 支 路 首 節(jié) 點 的NCI 決 定［25］，式（1）可轉(zhuǎn)化為:

式（2）為電力系統(tǒng)能量流-碳排放流映射關(guān)系，在已知電力系統(tǒng)潮流分布的情況下，只需要確定GCI，即可推算全系統(tǒng)的NCI，進(jìn)而實現(xiàn)對電力系統(tǒng)各節(jié)點、各支路、各負(fù)荷的碳排放流特性的準(zhǔn)確刻畫。

1.2.2 熱力系統(tǒng)能量流-碳排放流映射關(guān)系

本文在文獻(xiàn)［28］所提熱力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)條件下的碳排放流模型的基礎(chǔ)上，充分考慮熱力管網(wǎng)的時滯特性與熱損失特性對熱力系統(tǒng)碳排放流的影響機(jī)理，提出了考慮動態(tài)特性的熱力系統(tǒng)能量流-碳排放流動態(tài)映射關(guān)系。

動態(tài)特性的引入使熱力管網(wǎng)中的能量流動特性與穩(wěn)態(tài)條件下相比有很大不同。熱力管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)條件和動態(tài)條件下的能量流動特性示意圖如附錄A 圖A1 所示。在穩(wěn)態(tài)條件下，由于熱力管網(wǎng)不存在時滯特性和熱損失特性，在時段t時，管道入口溫度與出口溫度相等，管道出入口之間的溫度關(guān)系如式（3）所示。同時，基于熱力學(xué)原理，熱網(wǎng)管道k′l在時段t流過的能量流如式（4）所示。

式 中:Tk′l，t，in和Tk′l，t，out分 別 為 熱 網(wǎng) 管 道k′l在 時 段t的入 口 溫 度 和 出 口 溫 度；fk′l，t，heat為 熱 網(wǎng) 管 道k′l在 時 段t的 能 量 流，即 熱 功 率；cw為 水 的 比 熱 容；qk′l，t為 熱 網(wǎng)管道k′l在時段t的質(zhì)量流量。

在動態(tài)條件下，由于熱力管網(wǎng)的時滯特性與熱損失特性，管道出口溫度與管道入口溫度不再相等，流過熱網(wǎng)管道的能量流難以準(zhǔn)確表征。因此，本文引入可同時處于蓄熱和放熱狀態(tài)的雙端口虛擬儲熱罐，如附錄A 圖A1（b）所示，通過將熱網(wǎng)管道中流過的能量流等效為虛擬儲熱罐的蓄熱和放熱過程，實現(xiàn)對熱力系統(tǒng)的時滯特性與熱損失特性的等價替換。

經(jīng)過等價替換后，虛擬儲熱罐直接作用于熱網(wǎng)節(jié)點。因此，熱力系統(tǒng)可等效為由雙端儲能元件連接而成的特殊電力系統(tǒng)，可直接由電力系統(tǒng)的能量流-碳排放流映射關(guān)系和碳排放流模型精確追蹤和度量熱力系統(tǒng)動態(tài)碳排放特性。熱力系統(tǒng)碳排放流與潮流的對應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 熱力系統(tǒng)碳排放流與熱力流的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Relationship between carbon emission flow and heat flow in thermal system

以圖1 所示的熱力系統(tǒng)為例，節(jié)點7 在時段t的NCI 可表示為:

式 中:f7，t，NCIh為 熱 力 系 統(tǒng) 節(jié) 點7 在 時 段t的NCI；f57，t，outh和f78，t，outh分 別 為 熱 力 系 統(tǒng) 管 道5-7 和7-8 間 的虛擬儲熱罐在時段t的 熱 功 率；f57，t，GCIh和f78，t，GCIh分別為熱力系統(tǒng)管道5-7 和7-8 間的虛擬儲熱罐在時段t的GCI。

式（5）為熱力系統(tǒng)能量流-碳排放流映射關(guān)系，可實現(xiàn)對熱力系統(tǒng)各節(jié)點、各管道、各負(fù)荷的碳排放流特性的準(zhǔn)確刻畫。

1.2.3 天然氣系統(tǒng)能量流-碳排放流映射關(guān)系

天然氣的可壓縮特性為天然氣管道賦予儲存能力，也使天然氣管道出入口的天然氣流量產(chǎn)生差異。天然氣管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)條件和動態(tài)條件下的能量流動特性示意圖如附錄A 圖A2 所示。

如附錄A 圖A2（a）所示，在穩(wěn)態(tài)條件下，天然氣在管道中各處的流速和壓力相同，可認(rèn)為天然氣管道首末兩端天然氣流量相等。天然氣管道ab在時段t的能量流可認(rèn)為與天然氣管道首末兩端天然氣流量相等，如（6）所示。

式 中:fab，t，gas為 天 然 氣 管 道ab在 時 段t的 能 量 流，即天 然 氣 流 量；Gab，t，in和Gab，t，out分 別 為 天 然 氣 管 道ab在時段t的首、末端天然氣流量。

在動態(tài)條件下，由于天然氣管網(wǎng)的管存特性，管道出入口之間的天然氣流量不再保持相等關(guān)系，為此，本文引入附錄A 圖A2（b）所示的虛擬儲氣罐，利用虛擬儲氣罐的蓄氣與放氣實現(xiàn)對天然氣系統(tǒng)管存特性的等價替換。需要注意的是，天然氣在管道中可雙向流動且在同一時段內(nèi)注入管道的天然氣方向應(yīng)與流出管道的天然氣流量方向相同。因此，本文依據(jù)虛擬儲氣罐的蓄氣與放氣狀態(tài)，進(jìn)一步對天然氣系統(tǒng)運行模型進(jìn)行等價映射，如圖A3 所示。當(dāng)Gab，t，in＞Gab，t，out時，天 然 氣 管 道 首 端 多 余 的 天 然 氣流量被儲存在虛擬儲氣罐中，處于蓄氣狀態(tài)的虛擬儲氣罐接入天然氣管道首端節(jié)點，可認(rèn)為在時段t流 過 天 然 氣 管 道ab的 能 量 流 為Gab，t，out；同 理，由 圖A3（b）可 知，當(dāng)Gab，t，in＜Gab，t，out時，天 然 氣 管 道 末 端超出首端的天然氣流量由虛擬儲氣罐來提供，處于放氣狀態(tài)的虛擬儲氣罐接入天然氣管道末端，可認(rèn)為在時段t流過天 然氣管道ab的能 量流為Gab，t，in。

與熱力系統(tǒng)類似，經(jīng)等價替換后，天然氣系統(tǒng)可等效為計及線路潮流、儲能設(shè)備接入位置隨管道蓄/放氣狀態(tài)變化而動態(tài)改變的特殊電力系統(tǒng)，可直接由電力系統(tǒng)的能量流-碳排放流映射關(guān)系和碳排放流模型精確追蹤、衡量天然氣系統(tǒng)動態(tài)碳排放特性。

天然氣系統(tǒng)碳排放流與潮流的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 天然氣系統(tǒng)碳排放流與天然氣流的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Relationship between carbon emission flow and gas flow in natural gas system

以天然氣系統(tǒng)為例，節(jié)點2 在時段t的NCI 可表示為:

式 中:f2，t，NCIg為 天 然 氣 系 統(tǒng) 節(jié) 點2 在 時 段t的NCI；f12，t，gas為 天 然 氣 系 統(tǒng) 管 道1-2 在 時 段t流 過 的 天 然 氣流 量；f1，t，NCIg為 天 然 氣 系 統(tǒng) 節(jié) 點1 在 時 段t的NCI；G12，t，gas為 天 然 氣 系 統(tǒng) 管 道1-2 間 虛 擬 儲 氣 罐 的 天 然氣 流 量；f12，t，GCIg為 天 然 氣 系 統(tǒng) 管 道1-2 間 的 虛 擬 儲 氣罐在時段t的GCI。

式（7）為天然氣系統(tǒng)能量流-碳排放流映射關(guān)系，可實現(xiàn)對天然氣系統(tǒng)各節(jié)點、各管道、各負(fù)荷的碳排放流特性的準(zhǔn)確刻畫。

1.2.4 能量耦合設(shè)備能量流-碳排放流映射關(guān)系

IES 中各能源子系統(tǒng)經(jīng)由能量耦合設(shè)備實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。在能量流的轉(zhuǎn)化過程中，依附于能量流的碳排放流在不同的能源子系統(tǒng)中傳輸，通過構(gòu)建能量耦合設(shè)備的碳排放流模型，分析能源轉(zhuǎn)移過程中的碳排放轉(zhuǎn)移特性，可建立各能源子系統(tǒng)碳排放流模型間的耦合關(guān)系，實現(xiàn)IES 一體化碳排放流模型的構(gòu)建。本文將能量耦合設(shè)備分為單輸入-單輸出（single-input single-output，SISO）設(shè)備和單輸入-多輸出（single-input multi-output，SIMO）設(shè)備［28］，分別分析其能量流-碳排放流映射關(guān)系，構(gòu)建能量耦合設(shè)備的碳排放流模型。具體建模過程見附錄B。

1.2.5 儲能設(shè)備能量流-碳排放流映射關(guān)系

在基于虛擬儲能等效替換思想的IES 精細(xì)化碳排放流模型中，電儲能設(shè)備及虛擬儲能設(shè)備的碳排放特性能否精準(zhǔn)刻畫，對最終碳排放流模型的準(zhǔn)確度有著顯著影響。IES 中的設(shè)備可歸類為源側(cè)設(shè)備和荷側(cè)設(shè)備。當(dāng)儲能設(shè)備蓄能時，其相當(dāng)于特殊的荷側(cè)設(shè)備，在已知其接入節(jié)點的NCI 時，可直接計算得到注入儲能設(shè)備的碳排放量。在整個調(diào)度周期中，源側(cè)供給能源種類占比隨調(diào)度時段不同而改變，使儲能設(shè)備接入節(jié)點的NCI 呈時變態(tài)勢。因此，當(dāng)儲能設(shè)備充當(dāng)特殊源側(cè)設(shè)備放能時，其GCI 由儲能設(shè)備中存有的碳排放量決定，即先前調(diào)度時段的蓄放動作會影響當(dāng)前時段的GCI，這種碳排放時間耦合性為儲能設(shè)備的碳排放流模型構(gòu)建帶來困難。

基于儲能設(shè)備的運行特性，本文提出基于GCI動態(tài)量化思想的儲能設(shè)備碳排放流模型構(gòu)建方法，以調(diào)度時段節(jié)點的NCI、儲能設(shè)備蓄/放動作為依據(jù)，動態(tài)更新儲能設(shè)備的GCI，明晰儲能設(shè)備能量流-碳排放流映射關(guān)系，進(jìn)一步提高IES 碳排放流模型的準(zhǔn)確度。以電儲能設(shè)備為例，在時段t電儲能設(shè)備e的GCI，即fe，t，GCIe為:

式中:Ee，t為電儲能設(shè)備e在時段t的可用電量；fe，t，NCIe為 電 儲 能 設(shè) 備e在 時 段t的NCI；Pe，t，cha和Pe，t，dis分別為電儲能設(shè)備e在時段t的蓄電功率和放電功率；Δt為調(diào)度步長。

類似的，可將GCI 動態(tài)量化思想擴(kuò)展至熱力系統(tǒng)的虛擬儲熱罐和天然氣系統(tǒng)的虛擬儲氣罐，如式（9）和式（10）所示。

式 中:fk′l，t，GCIh和fab，t，GCIg分 別 為 時 段t熱 力 系 統(tǒng) 管 道k′l間的虛擬儲熱罐和天然氣系統(tǒng)管道ab間的虛擬儲 氣 罐 在 時 段t的GCI；Eh，t和Eg，t分 別 為 虛 擬 儲 熱罐h和 虛 擬 儲 氣 罐g在 時 段t的 可 用 容 量；Ph，t，cha和Pg，t，cha分 別 為 虛 擬 儲 熱 罐h和 虛 擬 儲 氣 罐g在 時 段t的 蓄 能 功 率；Ph，t，dis和Pg，t，dis分 別 為 虛 擬 儲 熱 罐h和虛擬儲氣罐g在時段t的放能功率。

本文通過對虛擬儲熱罐和虛擬儲氣罐碳排放特性的精準(zhǔn)刻畫，實現(xiàn)了對熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)動態(tài)特性的碳排放流模型的構(gòu)建。至此，IES 中各設(shè)備有了統(tǒng)一的動態(tài)碳排放特性刻畫方法，碳排放流模型中的動態(tài)特性得以精準(zhǔn)表達(dá)，完成了對IES 精細(xì)化碳排放流模型的構(gòu)建。

1.3 節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)機(jī)制

本文從碳視角出發(fā)，模擬依附于動態(tài)能量潮流的碳排放在IES 中的流動過程，推演動態(tài)能量流向動態(tài)碳排放流的精準(zhǔn)映射機(jī)制，建立精細(xì)化動態(tài)碳排放流模型，實現(xiàn)碳排放責(zé)任由源側(cè)向荷側(cè)的轉(zhuǎn)化，最終構(gòu)建負(fù)荷節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 源-荷協(xié)同低碳DR 機(jī)制如附錄C 圖C1 所示。節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)機(jī)制由雙層求解框架實現(xiàn)。其中，上層以IES 運行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，下層以荷側(cè)碳減排量最大為目標(biāo)。通過對多元負(fù)荷曲線的不斷迭代修正，實現(xiàn)IES 運行的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。具體過程如下:

1）基于能量流的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。以IES 中多能耦合能量流為調(diào)度對象，將分時能源價格引導(dǎo)的能源價格型DR 融入IES 經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，為IES 源側(cè)各設(shè)備、荷側(cè)各能源用戶制定經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的調(diào)度計劃。

2）動態(tài)碳排放流計算。以最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度后的多能耦合能量流為基礎(chǔ)，考慮熱力系統(tǒng)的傳輸延時、熱損失及天然氣系統(tǒng)的管存動態(tài)特性，建立精細(xì)化碳排放流模型，并推導(dǎo)基于虛擬儲能等價替換思想的能量流向碳排放流映射機(jī)制，最終計算負(fù)荷節(jié)點的NCI。

3）NCI 引導(dǎo)下的低碳DR。以荷側(cè)碳減排量最大為目標(biāo)，以用戶進(jìn)行碳減排后在碳市場中節(jié)約的碳排放成本為激勵，利用IES 負(fù)荷節(jié)點的NCI 引導(dǎo)用戶對用能行為進(jìn)行調(diào)整，并將低碳需求響應(yīng)后的多元負(fù)荷曲線向上層模型傳遞。

2 IES 源-荷協(xié)同低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

本文構(gòu)建基于節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 源-荷協(xié)同低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。上層經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型以IES 運行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，利用能源價格引導(dǎo)多元用戶改變用能行為，將調(diào)整后的負(fù)荷節(jié)點的NCI 以及多元負(fù)荷曲線向下層傳遞；下層模型基于多元負(fù)荷曲線，以碳減排量最大為目標(biāo)，引導(dǎo)多元用戶改變用能行為，并將調(diào)整后的多元負(fù)荷曲線上報回上層模型。上下雙層模型不斷迭代，最終達(dá)到平衡。

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

上層經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型以IES 運行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為:

式中:F1為上層經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)；T為調(diào)度周 期；ft，ele、ft，heat和ft，gas分 別 為 電 力 系 統(tǒng)、熱 力 系 統(tǒng) 和天然氣系統(tǒng)在時段t的運行成本；K為燃煤機(jī)組的集合；Ck和Cr分別為燃煤機(jī)組k和燃?xì)廨啓C(jī)r的運行成本系數(shù)；R為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的集合；O為外電網(wǎng)的集合；pt為時段t的電價；I為電網(wǎng)節(jié)點的集合；Cnp和Cnw分別為切電負(fù)荷懲罰系數(shù)和棄風(fēng)懲罰系數(shù)；Pi，t，np為 時 段t節(jié) 點i的 切 負(fù) 荷 功 率；E為 電 儲 能 設(shè) 備的 集 合；Ce，cha和Ce，dis分 別 為 電 儲 能 設(shè) 備e的 充 電 成本系數(shù)和放電成本系數(shù)；W為風(fēng)電機(jī)組的集合；Pw，t，nw為 時 段t的 棄 風(fēng) 功 率；Z為 熱 網(wǎng) 節(jié) 點 的 集 合；Cnsh為 切 熱 負(fù) 荷 懲 罰 系 數(shù)；Hz，t，nsh為 時 段t熱 網(wǎng) 節(jié) 點z的切熱負(fù)荷；S為天然氣源的集合；Cs為天然氣源s的 成 本；Gs，t為 時 段t天 然 氣 源s輸 出 天 然 氣 的 量；A為天然氣網(wǎng)節(jié)點的集合；Cnsg為切天然氣負(fù)荷的懲罰 系 數(shù)；Ga，t，nsg為 時 段t氣 網(wǎng) 節(jié) 點a的 失 氣 負(fù) 荷 量。

下層低碳DR 模型以碳排放成本最小為目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為:

式中:F2為下層低碳DR 模型的目標(biāo)函數(shù)；CCO2為碳交易成本；Mele、Mheat和Mgas分別為電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng) 和 天 然 氣 系 統(tǒng) 的 碳 排 放 量；Li，t，ele、Lz，t，heat和La，t，gas分別為未參與低碳DR 時電網(wǎng)節(jié)點i、熱網(wǎng)節(jié)點z和天 然 氣 網(wǎng) 節(jié) 點a在 時 段t的 原 始 負(fù) 荷；ΔLi，t，carbe、ΔLz，t，carbh和ΔLa，t，carbg分別為經(jīng)過低碳DR 后電網(wǎng)節(jié)點i、熱網(wǎng)節(jié)點z和天然氣網(wǎng)節(jié)點a在時段t的負(fù)荷改變量。

2.1.2 約束條件

在前期的工作中已對上層經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的約束條件進(jìn)行了研究［6］，本文將不在正文部分贅述。

多元負(fù)荷依據(jù)負(fù)荷節(jié)點碳勢在時間分布上的不同，將高碳勢時段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低碳勢時段。在轉(zhuǎn)移過程中，只改變負(fù)荷在時間上的分布，而整個調(diào)度周期負(fù)荷總量保持不變，表達(dá)式為:

式 中:ΔLi，t，carbe，in、ΔLz，t，carbh，in和ΔLa，t，carbg，in分 別 為 電 網(wǎng)節(jié)點i、熱網(wǎng)節(jié)點z和天然氣網(wǎng)節(jié)點a在時段t轉(zhuǎn)入的負(fù) 荷 量；ΔLi，t，carbe，out、ΔLz，t，carbh，out和ΔLa，t，carbg，out分 別 為電網(wǎng)節(jié)點i、熱網(wǎng)節(jié)點z和天然氣網(wǎng)節(jié)點a在時段t轉(zhuǎn)出的負(fù)荷量。

為保證低碳DR 后，供能質(zhì)量及系統(tǒng)安全性不受影響，還需滿足如下約束:

式中:τele、τheat和τgas分別為電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和天然 氣 系 統(tǒng) 中 可 參 與 低 碳DR 的 負(fù) 荷 比 例；μi，t，carbe，in、μz，t，carbh，in和μa，t，carbg，in分別為表征電網(wǎng)節(jié)點i、熱網(wǎng)節(jié)點z和天然氣網(wǎng)節(jié)點a在時段t負(fù)荷轉(zhuǎn)入狀態(tài)的0-1 變量；μi，t，carbe，out、μz，t，carbh，out和μa，t，carbg，out分 別 為 表 征 電 網(wǎng)節(jié)點i、熱網(wǎng)節(jié)點z和天然氣網(wǎng)節(jié)點a在時段t負(fù)荷轉(zhuǎn)出狀態(tài)的0-1 變量。

2.2 模型求解

本文所提數(shù)學(xué)模型經(jīng)過線性化處理后［30］，可轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed-integer linear program，MILP）問題，可以使用商業(yè)求解器直接求解。此外，本文借鑒文獻(xiàn)［9］中的二分法，避免雙層模型求解過程中出現(xiàn)振蕩情況，具體思路見附錄D，其中，圖D1 展示了電負(fù)荷上下界更新過程，圖D2 展示了電負(fù)荷收斂過程。

3 算例分析

采用由IEEE 14 節(jié)點電力系統(tǒng)、6 節(jié)點熱力系統(tǒng)和6 節(jié)點天然氣系統(tǒng)組成的E14-H6-G6 測試系統(tǒng)和由IEEE 57 節(jié)點電力系統(tǒng)、12 節(jié)點熱力系統(tǒng)和12 節(jié)點天然氣系統(tǒng)組成的E57-H12-G12 測試系統(tǒng)為例，驗證本文所提模型和方法的有效性。 采用MATLAB 調(diào)用Gurobi 求解器進(jìn)行模型求解。計算機(jī)配置為Windows 11 系統(tǒng)、Intel i5-12500H CPU，主頻為3.9 GHz，內(nèi)存為16 GB。調(diào)度周期為24 h，每時段長度為1 h。

3.1 E14-H6-G6 測試系統(tǒng)

E14-H6-G6 測試系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)含4 臺燃煤發(fā)電機(jī)組、1 臺風(fēng)電機(jī)組、1 個電儲能設(shè)備以及1 個外電網(wǎng)；熱力系統(tǒng)含3 個熱負(fù)荷；天然氣系統(tǒng)含2 個氣源和6 個天然氣負(fù)荷，詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)［1］。

3.1.1 考慮IES 動態(tài)特性的碳排放流模型有效性分析

為驗證所提計及IES 動態(tài)特性的碳排放流模型的有效性，選取3 個典型調(diào)度時段，分別分析IES 中碳排放的流動情況，結(jié)果如附錄E 圖E1 所示。

時段1:風(fēng)電出力高峰時段（01:00—02:00）；

時段2:電負(fù)荷低谷及風(fēng)電出力低谷時段（14:00—15:00）；

時段3:電負(fù)荷高峰及風(fēng)電出力低谷時段（18:00—19:00）。

1）電力系統(tǒng)碳排放流動特性分析

由附錄E 圖E1（a）可知，在風(fēng)電出力高峰時段，電力系統(tǒng)碳排放流動呈現(xiàn)由風(fēng)電機(jī)組接入的節(jié)點14 向全網(wǎng)擴(kuò)散的態(tài)勢。高比例風(fēng)電為IES 帶來低碳能源的同時，其零碳排特性將節(jié)點14 的NCI 降至0，由本文所提基于GCI 動態(tài)量化思想的儲能設(shè)備碳排放流模型可知，此時，不含碳排放量的電能被注入電儲能設(shè)備中，意味著電儲能設(shè)備完成了對低碳風(fēng)電的儲存，實現(xiàn)了低碳資源的靈活利用。結(jié)合圖3（a）電儲能設(shè)備GCI 動態(tài)量化結(jié)果分析可知，在風(fēng)電出力高峰時段，低碳風(fēng)電的注入使電儲能設(shè)備內(nèi)部的可用能量增加，總碳排放量保持不變，即降低了電儲能設(shè)備內(nèi)部單位能量所對應(yīng)的碳排放量，使電儲能設(shè)備在蓄電的同時，降低了GCI。在后續(xù)調(diào)度過程中，當(dāng)電儲能設(shè)備為滿足調(diào)度需求而放電時（如時段18:00—19:00），儲存的低碳能源將被釋放，在滿足供需平衡的同時降低全網(wǎng)碳勢，從而提高IES 運行低碳性。

圖3 電儲能設(shè)備GCI 動態(tài)量化結(jié)果及節(jié)點14 的NCIFig.3 Dynamic quantification results of GCI for electric energy storage equipment and NCI of bus 14

由附錄E 圖E1（b）可知，在電負(fù)荷低谷及風(fēng)電出力低谷時段，時段1 中由風(fēng)電機(jī)組接入的節(jié)點14 向全網(wǎng)擴(kuò)散的碳排放流動態(tài)勢不再明顯，反而以燃?xì)廨啓C(jī)接入的節(jié)點13 為起點向全網(wǎng)擴(kuò)散。由于風(fēng)電出力的降低，高GCI 的燃煤機(jī)組的出力占比增加，使全網(wǎng)的NCI 升高，由圖3（b）可知，節(jié)點14 的NCI 由 時 段01:00—02:00 的0 上 升 至193.34 tCO2/（MW·h）。 電 儲 能 設(shè) 備 在 時 段14:00—15:00 進(jìn)行蓄能，以滿足后續(xù)用能需求。因此，附有碳排放量的能量被注入電儲能設(shè)備中，結(jié)合圖3（a）電儲能設(shè)備GCI 動態(tài)量化結(jié)果分析可知，相較于前一調(diào)度時段，在15:00 時，電儲能設(shè)備內(nèi)部單位能量所對應(yīng)的碳排放量增加，GCI 升高。

由附錄E 圖E1（c）可知，在電負(fù)荷高峰及風(fēng)電出力低谷時段，由于風(fēng)電出力進(jìn)一步降低，電儲能設(shè)備放電以滿足能量的供需平衡，形成基于GCI 動態(tài)量化思想的儲能設(shè)備碳排放流模型，結(jié)合圖3（a）分析可知，電儲能設(shè)備相當(dāng)于GCI 為0.173 tCO2/（MW·h）的特殊源側(cè)設(shè)備，相較于燃煤機(jī)組的0.85 tCO2/（MW·h）GCI 降低了76.65%。在本文所提精細(xì)化碳排放流模型框架下，電儲能設(shè)備通過對風(fēng)電出力高峰時段的低碳能量的靈活利用，有效提高了系統(tǒng)運行的低碳性。

2）熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)碳排放流動特性分析

基于本文所提碳排放流模型，在熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)中，多類能源、多元負(fù)荷、能量耦合設(shè)備及動態(tài)管網(wǎng)的碳排放特性得以精準(zhǔn)刻畫。以附錄E 圖E1（a）為例，分析熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的碳排放流動特性。

由附錄E 圖E1（a）可知，在熱力系統(tǒng)中，原有的由供熱管道和回流管道進(jìn)行熱能量流傳輸?shù)哪Ｊ奖坏刃鎿Q為由雙端口虛擬儲熱罐直接向熱網(wǎng)節(jié)點供能的新模式。在此過程中，碳排放流亦跟隨熱能量流直接注入熱網(wǎng)節(jié)點。由于熱網(wǎng)管道中液體流動的不間斷性，虛擬儲熱罐在一個調(diào)度時段內(nèi)將同時處于蓄熱和放熱狀態(tài)，熱能量流由虛擬儲熱罐的一個端口注入，另一個端口流出。虛擬儲熱罐兩端口之間的熱能量差值即為熱力系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)值化表達(dá)。

在天然氣系統(tǒng)中，天然氣在節(jié)點間的轉(zhuǎn)移過程被分為經(jīng)由天然氣管道傳輸?shù)姆€(wěn)態(tài)部分和經(jīng)由虛擬儲氣罐傳輸?shù)膭討B(tài)部分。單端口虛擬儲氣罐根據(jù)所處的蓄氣和放氣狀態(tài)不同，動態(tài)調(diào)整端口所接入的天然氣系統(tǒng)節(jié)點，將管存特性疊加于天然氣系統(tǒng)節(jié)點，實現(xiàn)對天然氣系統(tǒng)動態(tài)特性的等效替代。在天然氣能量流注入或流出虛擬儲氣罐的過程中，碳排放流也隨之在虛擬儲氣罐和天然氣管網(wǎng)間交換和流動，實現(xiàn)了對計及動態(tài)特性條件下的天然氣系統(tǒng)碳排放特性的準(zhǔn)確刻畫。

此外，在附錄E 圖E1（a）所示的熱力系統(tǒng)中，以節(jié)點3 為例，節(jié)點2、3 間的虛擬儲熱罐向節(jié)點3 注入的CEFR 為13.63 tCO2/h，節(jié) 點3 向 節(jié) 點3、4 和節(jié)點3、6 間的虛擬儲熱罐注入的CEFR 分別為8.11 tCO2/h 和5.52 tCO2/h。對于節(jié)點3 而言，總注入CEFR 與總流出CEFR 恰好達(dá)到平衡。在天然氣系統(tǒng)中，以節(jié)點3 為例，由節(jié)點4 經(jīng)由天然氣管道向節(jié)點3 注入的CEFR 為628.99 tCO2/h；節(jié)點3 經(jīng)由天然氣管道向節(jié)點2 和節(jié)點5 注入的CEFR 分別為151.56 tCO2/h 和109.34 tCO2/h；節(jié)點3 向節(jié)點3、2間的虛擬儲氣罐注入的CEFR 為36.49 tCO2/h，向節(jié)點3、5 間的虛擬儲氣罐注入的CEFR 為40.03 tCO2/h；節(jié)點3 向氣負(fù)荷注入的CEFR 為291.57 tCO2/h。對于節(jié)點3 而言，總注入的CEFR與總流出的CEFR 均為628.99 tCO2/h，CEFR 也恰好達(dá)到平衡。可見，在本文所提考慮氣、熱系統(tǒng)動態(tài)特性的IES 精細(xì)化碳排放流模型框架下，基于廣義基爾霍夫電流定律（Kirchhoff′s current law，KCL）［28］的熱網(wǎng)節(jié)點和天然氣網(wǎng)節(jié)點均滿足碳排放流守恒定律，在一個調(diào)度時段內(nèi)，注入節(jié)點的碳排放流之和與流出節(jié)點碳排放流之和相等。因此，本文所提計及動態(tài)特性的精細(xì)化碳排放流模型構(gòu)建方法在不改變熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)原運行方式的基礎(chǔ)上，通過對動態(tài)特性的等效表達(dá)，實現(xiàn)了對熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)動態(tài)碳排放特性的準(zhǔn)確表達(dá)和精準(zhǔn)量化。

3）能量耦合設(shè)備及儲能設(shè)備碳排放特性分析

能量耦合設(shè)備通過在電、氣、熱各類能源間的相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)異質(zhì)能流間的耦合互補(bǔ)。通過分析附錄E 圖E1（d）至圖E1（f）各典型調(diào)度時段能源耦合設(shè)備的碳排放特性可知，燃?xì)廨啓C(jī)在實現(xiàn)天然氣能向電能轉(zhuǎn)化的過程中，依附于能量流的碳排放流也由天然氣系統(tǒng)傳輸至電力系統(tǒng)，輸入端口與輸出端口間的CEFR 滿足SISO 設(shè)備碳排放流轉(zhuǎn)化關(guān)系。同理，熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）機(jī)組在實現(xiàn)天然氣能向電能和熱能轉(zhuǎn)化的過程中，依附于能量流的碳排放流亦隨之轉(zhuǎn)化，輸入端口與輸出端口間的CEFR 滿足SIMO 設(shè)備碳排放流轉(zhuǎn)化關(guān)系。因此，在本文所提精細(xì)化碳排放流模型中，能量耦合設(shè)備可在遵循碳排放量守恒原則的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)碳排放流在不同能源系統(tǒng)間的傳輸與轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對原分立的電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)碳排放流模型的一體化構(gòu)建。

此外，為了驗證電儲能、虛擬儲熱罐和虛擬儲氣罐動態(tài)碳排放特性刻畫的準(zhǔn)確性，附錄E 圖E2（a）至圖E2（c）分別展示了不同能源系統(tǒng)在儲能設(shè)備接入條件下源、荷、儲三者CEFR 間的關(guān)系。

由附錄E 圖E2（a）可知，在電負(fù)荷低谷時段（14:00—17:00），電力系統(tǒng)源側(cè)釋放碳排放量大于荷側(cè)吸收碳排放量，多余的碳排放量依附于電能被充入電儲能設(shè)備中；在電負(fù)荷高峰時段（10:00—13:00 和18:00—21:00），負(fù)荷端吸收碳排放量大于發(fā)電機(jī)端釋放碳排放量，缺額由電儲能設(shè)備釋放含碳電能彌補(bǔ)。類似地，由圖E2（b）和圖E2（c）可知，虛擬儲熱罐和虛擬儲氣罐均可實現(xiàn)在源側(cè)釋放碳排放量大于荷側(cè)吸收碳排放量時，將多余的碳排放量進(jìn)行儲存；在源側(cè)釋放碳排放量小于荷側(cè)吸收碳排放量時，將缺額的碳排放量進(jìn)行補(bǔ)充。

由此可見，在本文所提精細(xì)化碳排放流模型中，電儲能設(shè)備、虛擬儲熱罐和虛擬儲氣罐的接入使IES 源、荷雙側(cè)的碳供給和碳需求的實時平衡被打破，繼而轉(zhuǎn)向整個調(diào)度周期的碳排放平衡。

3.1.2 節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)機(jī)制有效性分析

構(gòu)建以下4 種場景驗證本文所提基于節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 源-荷協(xié)同低碳調(diào)度策略的有效性。附錄F 圖F1 至圖F3 分別為分時的電價、熱價和天然氣價。

場景1:不考慮DR；

場景2:僅考慮能源價格型多元DR；

場景3:僅考慮節(jié)點碳勢型多元DR；

場景4:考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)。

為了分析不同類型DR 對多元負(fù)荷的影響，圖4分別對比了電、氣、熱在不同場景中的變化情況。表1 展示了場景4 中多元負(fù)荷相較于場景2 和場景3 的平均變化率，用以表征場景4 中負(fù)荷向場景2 和場景3 的趨近程度。表2 展示了電、氣、熱系統(tǒng)中碳勢峰谷差，計算過程見附錄G。

表1 場景4 中多元負(fù)荷平均變化率Table 1 Average change rate of multiple loads in scenario 4

表2 NCI 峰谷波動比例Table 2 Peak-to-valley fluctuation ratio of NCI

圖4 不同場景中多元負(fù)荷變化情況Fig 4 Multiple load changes in different scenarios

1）電力系統(tǒng)

通過分析圖4（a）中不同場景的電負(fù)荷變化情況可知，僅考慮能源價格型多元DR 的場景2 中的電負(fù)荷在負(fù)荷低谷時段（01:00—06:00、14:00—17:00和22:00—24:00）相較于場景1 顯著增加；在負(fù)荷高峰時段（11:00—13:00 和18:00—21:00）相較于場景1 顯著降低。這是由于分時電價與電負(fù)荷大小呈正相關(guān)，在電負(fù)荷高峰時段，電價處于高峰，在電負(fù)荷低谷時段，電價處于低谷。因此，在電價引導(dǎo)下，電負(fù)荷高峰時段的用能需求將轉(zhuǎn)移至電負(fù)荷低谷時段以避免產(chǎn)生高昂的購電成本，繼而呈現(xiàn)出“削峰填谷”的變化趨勢。

僅考慮節(jié)點碳勢型多元DR 的場景3 中的電負(fù)荷在碳勢低谷時段（01:00—05:00 和23:00—24:00）相較于場景1 顯著增加；在碳勢高峰時段（08:00—21:00）則顯著降低。這是由于碳勢的高低主要受源側(cè)能源組成的影響，與電負(fù)荷間無明顯的相關(guān)性。在低碳風(fēng)電“反調(diào)峰”特性的影響下，電力系統(tǒng)的碳勢與電負(fù)荷的峰谷分布不一致。因此，在節(jié)點碳勢的引導(dǎo)下，場景2 中電負(fù)荷“削峰填谷”的變化趨勢不再存在，用能需求由高碳勢時段向低碳勢時段轉(zhuǎn)移以避免產(chǎn)生高昂的碳排放成本。結(jié)合表1 和表2 分析場景4 中的電負(fù)荷變化趨勢可知，電力系統(tǒng)的NCI 峰谷波動比例達(dá)52.91%。因此，在同時考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的情況下，電負(fù)荷相較于場景2 的平均變化率為5.540%；相較于場景3 的平均變化率為0.744%，即場景4 中的電負(fù)荷變化趨勢與場景3 中的基本一致，表明在節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的電力系統(tǒng)DR 中，用戶表現(xiàn)出較強(qiáng)的減碳趨勢。

2）天然氣系統(tǒng)

通過分析圖4（b）中不同場景的氣負(fù)荷變化情況可知，與電負(fù)荷變化趨勢類似，為避免產(chǎn)生高昂的購氣成本，在天然氣價的引導(dǎo)下，氣負(fù)荷高峰時段的用能需求被轉(zhuǎn)移至氣負(fù)荷低谷時段，呈現(xiàn)出顯著的“削峰填谷”趨勢。因此，場景2 中的氣負(fù)荷在負(fù)荷低谷時段（01:00—04:00 和20:00—24:00）相較于場景1 顯著增加；在負(fù)荷高峰時段（08:00—13:00）相較于場景1 顯著降低。

場景3 中的氣負(fù)荷在碳勢低谷時段（01:00—06:00 和10:00—13:00）相較于場景1 顯著增加；在碳勢高峰時段（09:00—10:00、14:00—16:00 和22:00—24:00）顯著降低。與電力系統(tǒng)不同，天然氣系統(tǒng)僅由氣源滿足天然氣供給無零碳排的源側(cè)設(shè)備，全天然氣系統(tǒng)的碳勢由不同氣源的出力占比決定。因此，場景2 中氣負(fù)荷的“削峰填谷”趨勢被打破，用能需求由高碳勢時段向低碳勢時段轉(zhuǎn)移以避免產(chǎn)生高昂的碳排放成本。結(jié)合表1 和表2 分析場景4 中的氣負(fù)荷變化趨勢可知，在同時考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的情況下，氣負(fù)荷相較于場景2的平均變化率為6.18%；相較于場景3 的平均變化率為5.21%。場景4 中氣負(fù)荷變化趨勢與場景3 中氣負(fù)荷變化趨勢的契合度低于電負(fù)荷，這是由于在調(diào)度周期內(nèi)部天然氣系統(tǒng)總NCI 峰谷波動比例僅為2.16%，遠(yuǎn)小于電力系統(tǒng)的52.91%，天然氣系統(tǒng)中以節(jié)點碳勢引導(dǎo)氣負(fù)荷的用能改變所獲得的收益少于電力系統(tǒng)。在節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的天然氣系統(tǒng)中，用戶表現(xiàn)出較弱的減碳趨勢。

3）熱力系統(tǒng)

分析圖4（c）中不同場景中熱負(fù)荷變化情況可知，由于熱力系統(tǒng)僅由CHP 機(jī)組供能，而CHP 機(jī)組運行成本被納入天然氣系統(tǒng)中計算，故熱負(fù)荷未表現(xiàn)出對熱價的響應(yīng)積極性，在場景2 中，熱負(fù)荷變化趨勢與場景1 基本一致。此外，為避免高碳排放量帶來的高昂的碳排放成本，場景3 中熱負(fù)荷在碳勢低谷時段（02:00—10:00）相較于場景1 顯著增加；在碳勢高峰時段（15:00—24:00）顯著降低。結(jié)合表1 和表2 分析場景4 中的熱負(fù)荷變化趨勢可知，由于熱力系統(tǒng)中的碳勢峰谷波動比例為13.19%，低于電力系統(tǒng)的52.91%，高于天然氣系統(tǒng)的2.16%，在同時考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的情況下，熱負(fù)荷相較于場景2 的平均變化率為9.55%，相較于場景3 的平均變化率為2.76%，即場景4 中熱負(fù)荷向場景3 熱負(fù)荷的趨近程度介于電負(fù)荷和氣負(fù)荷之間，表明在節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的熱力系統(tǒng)DR中，用戶表現(xiàn)出較一般的減碳趨勢。

為了分析本文所提模型和方法對IES 運行經(jīng)濟(jì)性和低碳性的影響，表3 列出了4 種場景中運行成本、碳排放成本以及總成本的對比情況。

表3 不同場景的成本對比Table 3 Cost comparison of different scenarios

由表3 可知，由于場景1 不考慮DR，多元負(fù)荷無法與源側(cè)建立互動關(guān)系，限制了IES 運行的經(jīng)濟(jì)性與低碳性。因此，具有最高的運行成本、最高的碳排放成本和最高的總成本。場景2 考慮能源價格型多元DR，在價格的引導(dǎo)下，荷側(cè)用戶積極改變用能行為，將能源價格高峰時段的用能需求轉(zhuǎn)移至能源價格低谷時段，提高了IES 的運行經(jīng)濟(jì)性，使IES 運行成本相較于場景1 降低了5.58%；在荷側(cè)用能行為調(diào)整過程中，碳排放量會隨之改變，表現(xiàn)為場景2中碳排放成本相較于場景1 降低了161 855.81 元。場景2 的總成本相較于場景1 降低了726 533.75 元。場景3 考慮節(jié)點碳勢型DR，在碳勢的引導(dǎo)下，將碳勢高峰時段的用能需求轉(zhuǎn)移至碳勢低谷時段，提高IES 運行的低碳性，使IES 的碳排放成本相較于場景1 降低了486 998.23 元，相較于場景2 降低了325 142.42 元。與場景2 類似，在荷側(cè)用能行為調(diào)整過程中，IES 的運行狀態(tài)隨之改變，表現(xiàn)為場景3 中IES 的運行成本相較于場景1 降低了198 010.87 元，相較于場景2 升高了366 667.07 元。場景3 的總成本相較于場景1 降低了685 009.10 元。

通過上述對場景2 和場景3 運行成本和碳排放成本的分析可知，場景2 僅考慮能源價格型多元DR，將能源價格高峰時段的用能需求轉(zhuǎn)移至能源價格低谷時段，但忽略了碳排放成本，調(diào)度結(jié)果更具經(jīng)濟(jì)性，但低碳性欠佳。場景3 僅考慮節(jié)點碳勢型多元DR，將碳勢高峰時段的用能需求轉(zhuǎn)移至碳勢低谷時段，調(diào)度結(jié)果更具低碳性，但經(jīng)濟(jì)性欠佳。場景4 應(yīng)用本文所提考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，使調(diào)度結(jié)果兼顧經(jīng)濟(jì)性和低碳性，運行成本較場景2 升高了103 582.23 元，較場景3 降低了263 084.84 元；碳排放成本較場景2 降低了146 023.41 元，較場景3 升高了179 119.01 元。場景4 獲得了最低的總成本，為109 288 693.01 元，較場景1、場景2 和場景3 分別降低了768 974.93 元、42 441.18 元和83 965.83 元。因此，從整體最優(yōu)的角度，本文所提模型與方法可以使IES 的調(diào)度結(jié)果兼顧經(jīng)濟(jì)性和低碳性，具有較好的實用價值。

3.2 E57-H12-G12 測試系統(tǒng)

為了進(jìn)一步驗證本文所提模型和方法在大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)中的適用性，以E57-H12-G12 系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，該系統(tǒng)電網(wǎng)參數(shù)參照IEEE 57 標(biāo)準(zhǔn)模型，熱網(wǎng)和氣網(wǎng)參數(shù)見文獻(xiàn)［1］。

3.2.1 碳排放流模型有效性分析

利用本文所提精細(xì)化碳排放流模型刻畫風(fēng)電出力高峰及負(fù)荷低谷時段（01:00—02:00）的碳排放流動方向及數(shù)值，結(jié)果如附錄H 圖H1 所示。

由附錄H 圖H1 可知，從電力系統(tǒng)的角度，在風(fēng)電出力高峰及負(fù)荷低谷時段（01:00—02:00），低碳風(fēng)電由電力系統(tǒng)的節(jié)點33 和57 注入并向全網(wǎng)擴(kuò)散，在將鄰近節(jié)點的NCI 降低至0 的同時，不含碳排放的電能被儲存到電儲能設(shè)備，實現(xiàn)了對清潔電能的跨時間協(xié)調(diào)利用，提高了系統(tǒng)運行的低碳性。從熱力系統(tǒng)的角度，雙端口的虛擬儲熱罐仍然承擔(dān)熱能量流傳輸?shù)呢?zé)任，在一個調(diào)度時段內(nèi)，能量流由虛擬儲熱罐的一個端口流入，在經(jīng)歷過等效延時及熱損失后，由另一個端口流出。在此過程中，基于廣義KCL 的碳排放流守恒定律仍滿足，即對于熱力系統(tǒng)中任意節(jié)點，注入的CEFR 與流出的CEFR 相等。從天然氣系統(tǒng)的角度，單端口的虛擬儲氣罐仍然承擔(dān)等效替代氣網(wǎng)動態(tài)特性的責(zé)任，在一個調(diào)度時段內(nèi)，反映穩(wěn)態(tài)特性的天然氣能量流經(jīng)由天然氣管道在節(jié)點間傳輸，而反映動態(tài)特性的天然氣能量流經(jīng)由虛擬儲氣罐直接作用于節(jié)點。在此過程中，基于廣義KCL 的碳排放流守恒定律仍滿足，即對于天然氣系統(tǒng)中任意節(jié)點，注入的CEFR 與流出的CEFR相等。從能量耦合設(shè)備的角度，SISO 設(shè)備及SIMO設(shè)備碳排放流模型中的CEFR 關(guān)系式仍滿足，各能源耦合設(shè)備在實現(xiàn)能量流轉(zhuǎn)化的同時，依附于能量流的碳排放流亦隨之在能源系統(tǒng)間傳輸與轉(zhuǎn)化，為各能源系統(tǒng)的碳排放流模型建立耦合關(guān)系，實現(xiàn)了碳排放流模型的一體化構(gòu)建。

3.2.2 節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)機(jī)制適用性分析仍利用E14-H6-G6 系統(tǒng)算例中設(shè)定的4 種場景，驗證本文所提基于節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法在大規(guī)模系統(tǒng)中的適用性，各場景下的成本對比如表4 所示。

表4 E57-H12-G12 系統(tǒng)中不同場景的成本對比Table 4 Cost comparison of different scenarios in E57-H12-G12 system

由表4 可知，由于場景1 未考慮源-荷間資源互動所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和碳減排效益，其總成本最高。場景2 和場景3 分別僅考慮能源價格型DR 和節(jié)點碳勢型DR，故場景2 和場景3 分別具有最低的運行成本和最低的碳排放成本，但場景2 的低碳性及場景3 的經(jīng)濟(jì)性欠佳。場景4 應(yīng)用本文所提考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，使調(diào)度結(jié)果兼顧經(jīng)濟(jì)性與低碳性，具有最低的總成 本，分 別 較 場 景1、2 和3 降 低 了1 445 980.45 元、65 461.91 元和336 320.70 元。因此，本文所提考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法在大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)中仍具有良好的適用性。

4 結(jié)語

本文提出了考慮節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，通過算例分析，得到以下結(jié)論。

1）針對電-氣-熱IES 中的動態(tài)特性，將其納入精細(xì)化碳排放流模型，使IES 的碳排放特性得到精準(zhǔn)刻畫，實現(xiàn)了對IES 全調(diào)度周期的碳排放過程的有效追蹤，拓寬了碳排放流模型應(yīng)用的深度與廣度。

2）提出的立足于碳視角的IES 多元負(fù)荷低碳DR 機(jī)制，明確了荷側(cè)的碳排放責(zé)任，使碳排放成本得到有效降低，充分挖掘了多元負(fù)荷的碳減排潛力，使IES 調(diào)度結(jié)果更具低碳性。

3）提出的多元負(fù)荷節(jié)點碳勢-能源價格雙響應(yīng)的IES 源-荷低碳調(diào)度方法，可有效降低IES 運行總成本，調(diào)度結(jié)果更具整體最優(yōu)性。受NCI 峰谷差影響，本文所提雙響應(yīng)機(jī)制在不同能源系統(tǒng)中對用戶用能行為的改變呈現(xiàn)出不同的傾向性，在NCI 峰谷差較大的電力系統(tǒng)中，用戶減碳趨勢更明顯。此外，在大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)中本文所提模型和方法仍具有較好的適用性。

未來工作將深入研究節(jié)點邊際電價與NCI 間的互動關(guān)系，進(jìn)一步提高IES 運行的經(jīng)濟(jì)性與低碳性。

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