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💥第一部分——内容介绍

基于 NSGA-II 计及电 - 热 - 气综合需求响应的区域综合能源系统多目标优化调度研究

摘要

面向双碳目标下区域综合能源系统多能耦合协同运行与多元负荷柔性调控需求，针对传统综合能源系统调度仅单一优化经济指标、忽视碳排放与能源利用效率协同均衡，且未充分挖掘电、热、气多元负荷柔性调节潜力的问题，本文以电 - 热 - 气耦合区域综合能源系统为研究对象，引入综合需求响应机制刻画三类负荷可调特性，搭建包含冷热电联供机组、电锅炉、燃气锅炉、电转气装置及多类型储能设备的系统调度模型。选取运行成本、碳排放量、综合能源利用率三项优化目标，构建多目标调度优化框架，采用 NSGA-II 非支配排序遗传算法求解模型获取帕累托最优解集。通过设置四类差异化对比场景，量化分析电转气、储能设备、综合需求响应三类单元对系统多维度运行性能的改善效果；同时开展 NSGA 与 NSGA-II 算法收敛性、解集分布均匀度对比测试，验证 NSGA-II 在多目标优化求解中的优势。仿真结果表明，电转气与储能设备可实现跨时段、跨能源品类能量转移，综合需求响应能够平抑系统供能峰谷差，三者协同配置可同步降低系统运行成本与碳排放，显著提升综合能源利用效率；相较于基础 NSGA 算法，NSGA-II 优化所得帕累托前沿分布更均匀、收敛速度更快，可为综合能源系统多目标调度决策提供均衡可行的最优方案。研究成果可为区域综合能源系统柔性资源协同配置、低碳经济调度及多元需求响应工程落地提供理论参考与技术支撑。

关键词：综合能源系统；综合需求响应；电 - 热 - 气耦合；NSGA-II；多目标优化调度；帕累托前沿；低碳运行

1 引言

1.1 研究背景与意义

能源转型进程中，电、热、气多能源网络深度耦合成为区域供能系统发展主流方向，综合能源系统通过整合多元供能、转换、存储设备，实现不同品类能源梯级利用，有效缓解传统分供模式能源浪费、碳排放偏高的短板。但现阶段多数区域综合能源系统调度策略存在明显局限性：其一，调度目标单一化，仅以经济成本最小为核心，难以兼顾国家低碳减排政策要求与能源高效利用发展导向；其二，负荷侧资源挖掘不足，将电、热、气负荷视作刚性不可调节负荷，忽视用户侧用能行为可调控潜力，系统峰谷供需失衡问题突出，迫使设备冗余配置，抬高整体运行开销；其三，多能转换与储能设备协同调度逻辑简单，未充分发挥电转气、冷热电气储能跨时空能量互补优势，系统多能耦合效益未充分释放。

综合需求响应区别于传统单一电力需求响应，同步覆盖电、热、气三类终端负荷，通过价格激励、补贴补偿等方式引导用户调整用能时段、改变用能规模，将负荷侧柔性资源纳入系统统一调度，是平衡供需、降低系统运行压力的低成本手段。而综合能源系统调度属于典型多目标优化问题，成本、碳排放、能源利用率三类目标相互制约，不存在单一全局最优解，传统加权单目标简化求解方式易丢失可行最优解集，无法满足多维度均衡决策需求。NSGA-II 算法依托非支配排序、拥挤度计算、精英保留策略，能够高效生成分布均匀、收敛性优良的帕累托前沿，适配综合能源系统多目标调度求解需求。

在此背景下，本文复现现有经典文献核心建模思路并进行拓展优化，搭建融合综合需求响应、电转气、多类型储能的电 - 热 - 气耦合综合能源系统调度模型，依托 NSGA-II 实现多目标协同优化，分场景量化各类柔性单元的运行增益，对比算法求解性能，对推动综合能源系统低碳经济高效运行、完善多元综合需求响应调度理论具备重要理论与工程价值。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 综合能源系统优化调度研究

当前综合能源系统调度研究多围绕冷热电联供机组、各类能源转换设备协同运行展开，早期研究聚焦单经济目标优化，仅追求系统日运行成本最低，未引入低碳约束。随着双碳战略推进，部分学者将碳排放纳入优化目标，构建经济 - 低碳双目标调度模型，但普遍忽略能源利用效率指标，无法兼顾能源节约需求。在设备建模层面，现有研究逐步引入电锅炉、燃气锅炉实现热功率互补，引入电转气打通电 - 气双向耦合通道，搭建电 - 热 - 气全耦合系统架构，但多数文献未同步配置电、热、气三类储能设备，跨时段能量调节能力受限。

1.2.2 综合需求响应研究

传统需求响应研究局限于电力负荷调节，仅通过分时电价引导用户调整用电行为。近年来综合需求响应概念逐步兴起，同步考虑热负荷、气负荷柔性调节特性，针对居民、工商业多元用户建立可转移、可削减、可替代负荷模型。但现有多数调度模型仅单独验证综合需求响应作用，未将其与电转气、储能设备联合分析，三者协同运行下系统多目标性能变化规律有待深入挖掘。

1.2.3 多目标优化算法在能源调度中的应用

多目标优化算法是求解综合能源系统多目标调度的核心工具，基础 NSGA 算法存在计算复杂度高、解集拥挤度缺失、精英个体易丢失等缺陷。NSGA-II 对原有算法框架优化改进，大幅提升求解效率与解集质量，现已广泛应用于能源系统优化领域。但现有文献较少同步对比 NSGA 与 NSGA-II 求解性能，缺少两类算法在综合能源系统调度场景下收敛性、均匀度的量化对比分析。

1.3 现有研究不足与本文创新点

1.3.1 现有研究存在不足

1. 调度目标维度单一，多仅考虑经济与低碳双目标，缺少综合能源利用率指标，无法全面评价系统运行综合性能；
2. 系统设备配置不完整，多数模型未同时配备电转气装置与电、热、气三类储能，多能耦合与跨时段调节能力不足；
3. 需求响应建模局限，仅单独分析综合需求响应效果，未设置多场景对比，难以区分电转气、储能、综合需求响应各自与协同作用；
4. 算法分析较为单薄，仅采用 NSGA-II 求解，未与基础 NSGA 算法开展性能对比，缺少算法优劣量化论证。

1.3.2 本文主要创新点

1. 构建三维多目标优化框架，同步将运行成本、碳排放总量、综合能源利用率作为优化目标，实现经济、低碳、高效三重运行需求协同均衡；
2. 搭建完整电 - 热 - 气耦合综合能源系统架构，涵盖 CCHP 机组、电锅炉、燃气锅炉、P2G 电转气装置，配套电、热、气三类储能设备，完善多能转换与存储单元建模；
3. 完整引入电、热、气三类负荷综合需求响应机制，划分四类差异化对比场景，分别验证无柔性资源、单一柔性资源、多柔性资源协同下系统运行指标变化规律；
4. 采用 NSGA-II 算法求解多目标模型获取帕累托最优解集，同步开展 NSGA 与 NSGA-II 算法性能对比，从收敛速度、帕累托前沿分布均匀度两方面验证 NSGA-II 求解优势；
5. 基于经典区域综合能源系统调度文献核心模型进行拓展复现，完善多元柔性资源耦合约束逻辑，模型通用性强，可拓展应用于不同规模综合能源系统调度研究。

1.4 论文整体结构安排

本文章节布局如下：第一章为引言，阐述研究背景、国内外研究现状、现存不足与本文创新内容；第二章搭建电 - 热 - 气耦合综合能源系统整体架构，分别对系统内供能、转换、储能设备及电 - 热 - 气综合需求响应机制进行机理分析；第三章确立多目标优化调度框架，明确三项优化目标的评价逻辑，梳理系统运行各类约束条件；第四章设计四类对比仿真场景，说明 NSGA-II 算法求解流程，设置算法对比评价指标；第五章开展仿真结果分析，分场景对比系统运行成本、碳排放、能源利用率变化，分析综合需求响应、P2G、储能的协同增益，对比两类算法求解性能差异；第六章总结全文研究结论，指出当前研究局限并规划后续研究拓展方向。

2 电 - 热 - 气耦合综合能源系统及综合需求响应机理分析

2.1 综合能源系统整体架构

本文研究区域级电 - 热 - 气耦合综合能源系统，外部能源网络包含上级电网、天然气管网，系统内部集成能源生产、能源转换、能源存储、终端负荷四大模块。能源生产单元以冷热电联供机组 CCHP 为核心，消耗天然气同步产出电能与热能；能源转换单元包含电锅炉、燃气锅炉、电转气 P2G 装置，实现电能、热能、天然气之间双向转化；能源存储单元配套独立电储能、热储能、气储能，分别实现电能、热能、天然气的跨时段存储与释放；终端负荷分为刚性基础负荷与柔性可调负荷，覆盖电、热、气三类用户用能需求。

系统能量流动逻辑为：外部电网向系统购入电力，外部气网供应天然气；CCHP 机组燃烧天然气实现热电联产，富余电能可存储至电储能，富余热能存入热储能；电锅炉消耗电能补充热功率缺口，燃气锅炉直接燃烧天然气供热；P2G 装置将富余电能转化为天然气存入气储能，实现电能向天然气的逆向耦合；终端柔性负荷依托综合需求响应机制调整用能曲线，平抑系统供能波动。各类设备相互配合，形成完整电 - 热 - 气多能互补耦合体系。

2.2 核心设备运行机理分析

1. 冷热电联供机组 CCHP：系统核心联产设备，依托天然气燃烧产生高温烟气，通过余热回收装置同步输出电能与热能，热电产出比例固定，是兼顾供电与供热的核心单元，具备较高一次能源利用率，也是系统碳排放主要来源。
2. 电锅炉与燃气锅炉：两类辅助供热设备，电锅炉以电能为输入，无直接碳排放；燃气锅炉消耗天然气产热，碳排放水平更高。二者可根据电价、气价、碳约束灵活切换出力，弥补 CCHP 机组供热不足。
3. 电转气 P2G 装置：实现电 - 气双向耦合的关键设备，在电价低谷时段消耗富余电能制取天然气，存入气储能；在电价高峰时段，存储天然气可供给 CCHP 机组发电，消纳过剩电能的同时降低高峰购电成本，提升能源跨品类调配能力。
4. 多类型储能设备：电储能平抑电能供需时差，热储能储存富余热能降低锅炉出力，气储能存储 P2G 制取天然气与外购天然气，三类储能协同实现全时段能量削峰填谷，减少外部能源采购量，降低设备峰值出力。

2.3 电 - 热 - 气综合需求响应机制

综合需求响应突破传统仅电力负荷可调的局限，同时覆盖电、热、气三类终端负荷，依靠激励补偿引导用户改变原有刚性用能计划，柔性调节方式分为负荷可转移、负荷可削减两类。

电力综合需求响应：工商业与居民用户可将高峰用电设备转移至电价低谷时段，或直接削减非必要用电负荷，降低系统高峰购电压力； 热力综合需求响应：热负荷具备热惯性，用户可提前储热、延后用热，小幅调整室内温度区间，实现热负荷时段平移； 天然气综合需求响应：燃气炊事、燃气采暖负荷可在气价高峰时段降低用气规模，切换电能替代用气，削减高峰天然气采购量。

综合需求响应执行过程中，调度中心根据系统实时供需状态发布激励信号，用户调整用能曲线并获得经济补偿，负荷侧柔性资源参与系统统一优化调度，从需求侧降低系统供能峰值，减少设备扩容需求与能源采购成本，同时平抑 CCHP、P2G 等设备出力波动，改善系统整体运行稳定性。

3 综合能源系统多目标优化调度框架构建

3.1 多目标优化目标体系

本文建立包含经济、低碳、高效三类维度的多目标优化体系，三项目标相互制衡，不存在单一最优解，需通过多目标算法求解帕累托最优解集供调度决策选择。

1. 系统日运行成本最小化：作为经济维度评价指标，覆盖外购电力成本、外购天然气成本、综合需求响应用户补偿成本、各类储能设备运维成本、CCHP、P2G、锅炉等转换设备运维损耗成本，全面衡量系统单日运行经济开销。
2. 系统总碳排放量最小化：作为低碳维度评价指标，碳排放来源包含外购火电对应碳排放、CCHP 机组天然气燃烧碳排放、燃气锅炉天然气消耗碳排放，量化系统全供能链条温室气体排放水平，贴合双碳减排政策要求。
3. 综合能源利用率最大化：作为能源效率评价指标，基于系统输入一次能源总量与终端有效供能总量比值构建，指标数值越高代表一次能源梯级利用程度越高，能源浪费越少，反映系统多能耦合利用水平。

3.2 系统调度约束体系

综合能源系统调度需满足能量平衡约束、设备运行特性约束、储能充放能约束、综合需求响应可调容量约束、外部能源网络交互功率约束五大类约束条件，保障调度方案物理可行性。

1. 电、热、气功率平衡约束：任意调度时段内，系统各类能源总供给功率与总负荷功率、储能充放功率保持平衡，不存在能量供需失衡；
2. 能源转换设备出力约束：CCHP、电锅炉、燃气锅炉、P2G 装置出力存在上下限，设备启停、功率调节速率受限，避免设备超额定工况运行；
3. 储能设备运行约束：电、热、气储能充放功率、储能容量存在限值，同一时段不可同时充能与放能，调度周期始末储能容量保持一致；
4. 综合需求响应柔性约束：电、热、气可调负荷的转移、削减规模存在上限，用户可调负荷总量受自身用能设备限制，不可无限制调整用能；
5. 外部网络交互约束：系统向上级电网购电、向天然气管网购气功率设置上限，避免区域综合能源系统对外网造成冲击。

4 多目标优化求解方案与仿真场景设计

4.1 NSGA-II 多目标优化算法求解逻辑

综合能源系统调度属于带复杂约束的非线性多目标优化问题，传统单目标加权法人为权重赋值主观性强，易丢失均衡可行方案。NSGA-II 算法在基础 NSGA 框架上完成三项核心改进，适配本文模型求解需求：一是引入快速非支配排序策略，降低算法计算复杂度；二是增加拥挤度计算机制，保障帕累托前沿解集分布均匀；三是采用精英保留策略，留存每一代优质个体，避免最优解丢失。

算法整体求解流程分为种群初始化、非支配排序、拥挤度计算、选择交叉变异、精英种群合并迭代五个阶段，迭代终止后输出完整帕累托最优解集，解集内每个方案对应一组系统调度出力计划，分别对应成本、碳排放、能源利用率的均衡组合，调度人员可根据实际运行侧重选取最优调度方案。

4.2 NSGA 与 NSGA-II 算法性能评价指标

为量化对比两类算法求解效果，选取两项核心评价指标开展对比测试：

1. 收敛性指标：衡量算法解集与理论最优前沿的贴近程度，指标数值越小代表算法收敛效果越好，寻优能力更强；
2. 分布均匀度指标：评价帕累托前沿上各最优解分布疏密程度，数值越小代表解集分布越均匀，可供选择的均衡调度方案更丰富。

通过相同种群规模、迭代次数、仿真参数下分别运行 NSGA 与 NSGA-II 算法，对比两项指标数值，论证 NSGA-II 在综合能源系统调度场景下的求解优越性。

4.3 四类差异化仿真对比场景设计

为分别量化 P2G 电转气装置、电 / 热 / 气储能设备、电 - 热 - 气综合需求响应三类柔性资源对系统多目标运行指标的改善效果，设置四类递进对比场景，控制变量开展仿真分析： 场景 1：无 P2G 装置、无储能设备、不启用综合需求响应。系统仅依靠 CCHP、电锅炉、燃气锅炉刚性供能，负荷不可调节，作为基础参照场景； 场景 2：配置 P2G 装置、配套三类储能设备、不启用综合需求响应。验证电转气与多类型储能联合运行对系统成本、碳排放、能源利用率的单独改善作用； 场景 3：无 P2G 装置、无储能设备、启用电 - 热 - 气综合需求响应。仅挖掘负荷侧柔性资源，分析综合需求响应单独调度增益； 场景 4：配置 P2G 装置、配套三类储能设备、全面启用综合需求响应。三类柔性资源协同运行，验证多单元联合优化下系统综合运行性能提升幅度。

四类场景系统负荷、外部能源价格、设备参数、碳排因子等基础参数完全统一，仅改变柔性资源配置与需求响应启用状态，对比结果具备可比性。

5 仿真结果与分析

5.1 基础场景运行指标对比分析

对比四类场景下系统日运行总成本、总碳排放量、综合能源利用率三项核心指标均值，可得到分层规律： 场景 1 无任何柔性资源支撑，系统只能依靠外购能源与基础供能设备匹配刚性负荷，高峰时段大量高价电力、天然气购入，CCHP 机组出力波动大，碳排放总量最高，一次能源浪费严重，综合能源利用率为四类场景最低，是经济性与低碳性最差的运行方案。

场景 2 引入 P2G 与储能设备，实现能源跨时段、跨品类转移，低谷时段储存富余电能、天然气，高峰减少外网能源采购，系统运行成本与碳排放较场景 1 明显下降，储能平抑设备出力波动提升能源梯级利用水平，综合能源利用率小幅上升，但负荷侧刚性负荷未调节，供能峰谷差仍存在，优化提升幅度有限。

场景 3 仅启用综合需求响应，通过负荷平移、削减抹平负荷峰谷，降低系统峰值设备出力需求，减少高峰高价能源采购，运行成本与碳排放优于场景 1，但缺少电转气与储能跨时段能量调配能力，能源利用率提升幅度低于场景 2。

场景 4 三类柔性资源协同配置，P2G 与储能实现能量时空转移，综合需求响应从需求侧削减供需峰值，供需两侧柔性资源互补，系统无需在高峰大量采购高价高碳能源，CCHP 机组稳定运行提升联产效率，三项指标同步达到最优，充分证明电转气、多类型储能、综合需求响应具备显著协同优化效应。

5.2 综合需求响应调度效果分析

对比场景 1 与场景 3 负荷曲线变化可发现，启用综合需求响应后，电、热、气高峰负荷明显降低，低谷负荷小幅抬升，负荷曲线平滑度显著提升。从经济角度，负荷峰值下降减少锅炉、CCHP 峰值出力，降低设备运维损耗与高峰能源采购费用；从低碳角度，高峰高碳排放设备出力缩减，系统整体碳排放下降；从能源效率角度，平稳负荷让 CCHP 机组长期处于高效联产区间，减少设备低效率启停带来的能源损耗。同时综合需求响应仅需向用户支付少量激励补偿，投入成本低，是提升系统运行性能的低成本柔性调控手段。

5.3 P2G 与多类型储能协同作用分析

对比场景 1 与场景 2 运行结果可知，P2G 打通电 - 气耦合通道，富余电能转化天然气存储，避免低谷弃能；电、热、气三类储能分别对应各类能源时序调节，三者配合实现全品类能量削峰填谷。在电价低谷时段，系统外购低价电能通过 P2G 转化天然气存入气储能，高峰时段释放天然气供给 CCHP 发电，替代高价外购火电，同步降低碳排放；热储能储存 CCHP 联产余热，减少燃气锅炉高碳出力。但仅依靠供给侧柔性设备，负荷刚性波动仍会造成设备频繁增减出力，优化效果存在上限，必须搭配需求侧综合需求响应实现供需双侧协同调控。

5.4 NSGA 与 NSGA-II 算法求解性能对比

相同仿真参数下分别运行两种算法，收敛性与解集均匀度指标结果显示：基础 NSGA 算法收敛速度慢，迭代后期仍存在解集偏离最优前沿的情况，且帕累托前沿上最优解分布疏密差距大，大量方案集中于单一目标最优区间，兼顾三项指标均衡的调度方案数量稀少；NSGA-II 依托快速非支配排序与精英保留策略，迭代收敛速度大幅提升，相同迭代次数下收敛指标远优于 NSGA；拥挤度机制让帕累托前沿均匀分布，包含多组成本、碳排放、能源利用率均衡兼顾的调度方案，能够满足不同调度偏好下的决策需求，更适配综合能源系统三维多目标优化调度求解。

5.5 帕累托前沿解集决策分析

NSGA-II 求解得到的帕累托前沿中，不存在同时实现成本最低、碳排放最少、能源利用率最高的单一方案，三项目标存在天然制衡关系。若系统运行侧重经济收益，可选取运行成本偏低的调度方案，对应碳排放小幅上升、能源利用率略有下降；若政策侧重低碳减排，优先选取低碳排放解集，系统运行成本会有所增加；若追求能源高效利用，需平衡成本与碳排放指标。工程实际调度中，运营方可根据电价气价、碳减排考核指标、能源利用考核要求，在帕累托最优解集中选取适配自身运营需求的调度方案。

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

1. 电 - 热 - 气综合需求响应、P2G 电转气装置、电 / 热 / 气储能设备均可独立改善综合能源系统经济、低碳、高效运行性能，三类柔性资源协同配置时优化增益显著高于单一资源投入，供需双侧柔性调控是实现综合能源系统多目标协同最优的核心路径；
2. 仅依靠供给侧 P2G 与储能设备无法完全消除负荷刚性波动带来的系统损耗，仅启用综合需求响应缺少跨时段能量调配能力，二者存在明显互补特性，联合调度可最大化挖掘系统节能降碳潜力；
3. NSGA-II 算法相较于基础 NSGA 算法，收敛速度更快，帕累托最优解集分布均匀度更高，能够生成大量兼顾运行成本、碳排放、综合能源利用率的均衡调度方案，更适合求解电 - 热 - 气耦合综合能源系统三维多目标优化调度问题；
4. 综合需求响应可有效平抑电、热、气负荷峰谷差，降低系统峰值设备出力需求，以较低补偿成本实现降本、减碳、提效三重收益，具备较高工程应用价值；
5. 电转气与多类型储能配合能够打通电 - 热 - 气跨能源品类能量流动通道，消纳低谷富余能源，替代高峰高价高碳外购能源，是提升多能耦合系统能源利用率的关键硬件支撑。

6.2 研究局限

本文研究仍存在部分拓展空间：其一，负荷侧综合需求响应仅考虑可转移、可削减两类基础调节方式，未引入可替代负荷、储能型用户等复杂柔性模型；其二，外部电网、天然气管网价格采用固定分时价格，未考虑实时动态能源价格波动场景；其三，未引入风电、光伏等分布式新能源出力不确定性，仅基于确定性负荷开展调度优化。

6.3 后续研究展望

1. 引入风光分布式新能源不确定性，结合鲁棒优化、随机优化方法，构建计及新能源波动的综合需求响应多目标调度模型；
2. 拓展综合需求响应模型，加入电采暖、燃气热泵、户用储能等用户侧分布式柔性资源，完善多元可调负荷建模；
3. 引入阶梯碳价、碳交易市场机制，将碳交易成本纳入优化目标，分析碳市场政策对综合能源系统调度方案的影响；
4. 对比 MOEA/D、SPEA2 等多种多目标优化算法，开展多算法性能横向对比，进一步筛选适配综合能源系统调度的最优求解算法；
5. 将区域综合能源系统拓展为多园区互联综合能源网络，研究多主体协同综合需求响应与跨园区能量互济调度策略。

📚第二部分——运行结果

【NSGA-2】综合能源系统+综合需求响应IDR

🎉第三部分——参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。(文章内容仅供参考，具体效果以运行结果为准)

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