煤炭作为我国重要的一次能源，2020年度其消费量在能源总消费量中占比56.8%，仍是我国目前消费量最多的能源主体。

　　而在煤矿的能源系统中，粗放的能源利用、管理方式导致大量冗余的二氧化碳排放至大气中，严重阻碍了“碳达峰、碳中和”目标的实现。因此，如何建设智慧化的煤矿能源系统，对能源设备进行合理的优化配置，推动新能源与传统化石能源的综合利用，是助力实现“30·60”双碳目标的有效途径。

　　近日，中国矿业大学梁睿教授团队联合国网常州供电公司科研人员，联合在《电网技术》发表《计及碳约束下的煤矿综合能源系统多目标配置双层优化》研究成果，黄宏旭博士为第一作者。研究提出了煤矿综合能源系统配置-运行多目标双层优化模型及多种群协作的NSGA-Ⅱ算法，在双层优化框架下进行规划-日内调度的两阶段滚动优化，生成煤矿综合能源系统的多目标配置方案Pareto 解集，通过在山西太原某真实煤矿实际应用，验证了模型和方法的有效性。

　　在煤炭资源的开采过程中，往往伴随着乏风、矿井涌水、低浓度瓦斯等衍生的废弃资源产生。这些衍生能源蕴含着大量可以回收利用的能量，具有巨大的脱碳潜力。煤矿衍生能源的利用涉及电/热/冷三种不同能源类型，且矿区的生产、生活需要多种大量能源。

　　因此，建设煤矿综合能源系统(coal mine integratedenergy system, CMIES)能够最大限度满足用户多类能源需求，在有效保护化石能源和自然环境的同时，提升综合能源利用效能。然而，衍生能源设备配置需要在年度时间尺度下，根据矿区资源禀赋特征、日内调度策略、对系统的设备选型、容量配置、运行策略等进行优化计算，从而获得系统经济、环保等多个目标最优解集。

　　考虑衍生能源利用的矿区综合能源系统架构

　　煤矿综合能源系统由外部供能系统、可再生能源系统、不同类型能源的负荷及衍生能源综合利用设备构成，其中包括水源热泵、煤矸石发电单元、燃气轮机、乏风氧化发电单元、电制冷机、余热锅炉、储热罐、吸收式制冷机和燃气锅炉；多余的热量可以通过储热装置存储，进行灵活调度；煤矿负荷主要包括了煤矿生产负荷以及生活办公负荷；外部供能模块主要考虑需要向外部购买的能源，其中电能来源于电网，热能则通过购买天然气通过燃气锅炉供能。

　　煤矿综合能源系统的设备配置规划决定运行调度策略中的决策变量，而系统运行的碳排放与经济成本也会影响设备配置规划决策。二者互相耦合，需要建立双层优化模型求解。梁睿研究团队在计及煤矿衍生能源利用的基础上，考虑系统碳排放与运行成本，将煤矿综合能源系统设备配置与运行调度构建为多目标双层优化模型。

　　研究提出了一种改进的多种群协作NSGA-II 算法，用以改善单一种群NSGA-II 算法易于陷入局部最优的问题。根据迭代次数、种群规模、种群变异遗传因子产生多个种群，在每一个种群的迭代过程中共享群体最优解集，最后，当满足迭代条件时输出群体最优解集。

　　在山西太原某煤矿的实际应用中，研究考虑四种衍生能源能源与可再生能源参与配置的场景，将不考虑衍生能源能源和可再生能源利用的煤矿用能场景设为对照场景。

　　场景一：只考虑煤矸石的综合利用；

　　场景二：考虑煤矸石与瓦斯的综合利用；

　　场景三：考虑煤矸石、瓦斯、乏风的综合利用；

　　场景四：考虑光伏、煤矸石、瓦斯与乏风的综合利用。

　　四种场景下配置方案对照图

　　山西太原某煤矿的实际算例表明：

　　(1)煤矿衍生能源的综合利用能很大程度地提升矿区用能的经济性和环境效益。随着煤矿衍生能源利用程度的不断提升，优化配置后的煤矿综合能源系统的碳排放当量显著降低，经济成本有较大幅度的下降；

　　(2)多种群协作NSGA-Ⅱ算法能够更好地获取煤矿综合能源系统多目标优化Pareto 前沿。可行解的多样性较改进前平均提升110.2%；不同场景下，算法改进后的Pareto 解集平均支配了原有解98.3%。对于解决复杂约束的煤矿综合能源系统的优化提供一定的理论参考价值。

　　最后，研究人员提出，在后续研究中，将考虑煤矿综合能源系统中乏风、涌水热能在矿井中的动态传递与时滞特性与5-10 年时间尺度下衍生能源禀赋的不确定性，对全生命周期的煤矿综合能源配置优化进行研究。

这项研究得到了国家自然科学基金、江苏省“六大人才高峰”项目、江苏省科研与实践创新计划项目的资金支持。

多目标配置双层优化框架

改进的多种群协作NSGA-Ⅱ算法流程图