城镇综合能源系统是指城镇区域内利用先进信息物理技术,协同整合异质多能源子系统,在满足城镇系统内用能侧多能需求的同时,有效提升能源利用效率的新型一体化能源系统。城镇区域内的供能方式除了常见的电能网络和天然气管网外,还会存在光伏和风电等出力随机波动性较大的分布式新能源,且城镇用能需求也因地因时存在较大差异,因此,城镇供用能方式的梳理和供用能典型场景的构建是顺利开展城镇综合能源系统的协同规划和优化运行的基础。鉴于此,本文调研分析我国城镇供用能方式,研究城镇综合能源系统典型运行场景的构建方法,并研究基于典型场景构建的城镇综合能源系统的优化运行方法。本文的主要工作如下:首先,从电能、热能和燃气的角度研究了我国城镇的供能方式,通过调研的产能数据、典型供能设备、新能源出力特性等角度进行了深入分析。对于不同类型能源的使用情况,调研分析了用能数据以及用能结构,并分别从工业、商业、居民消费角度研究了用能特性。引入了典型能量枢纽的物理架构,并建立了其数学模型。同时,构建了燃气机组、热泵、电转气（power to gas,P2G）以及储气罐的数学模型,为后续系统的优化运行奠定了模型基础。其次,为了最大程度保留原始场景的时序性且规避传统聚类方法的缺陷,研究考虑面板数据特征提取的场景构建方法。具体主要步骤包括:利用主成分分析压缩某一时刻的多指标数据,从而形成综合能源系统场景划分的综合评价指标;针对综合能源系统的综合指标场景集,利用考虑权重的改进Canopy聚类方法先进行粗聚类,并根据得到的聚类数和簇中心,进行K-medoids聚类,实现综合能源系统典型场景的构建。利用此方法对亚琛市某处的风电/光伏出力/电负荷/热负荷/气负荷全年历史数据进行算例仿真,得到构建的典型场景,通过兰德系数及轮廓系数这两个聚类评价指标验证所提方法的优越性。最后,为了验证上述典型场景构建方法的应用价值,将该方法应用于含单个能量枢纽的综合能源系统多目标优化运行,通过与全年时序场景构建法的仿真结果对比进行分析,说明本文方法的准确性和优越性。为了进一步验证基于面板数据特征提取的典型场景构建方法的实际应用价值,将该方法应用在含多个能量枢纽的综合能源系统中,分析不同场景下设备的出力及系统运行情况;通过对比配置了P2G设备和未配置P2G设备的系统,分析系统运行成本及各设备出力的变化;针对该系统中的碳排放权价格进行灵敏度分析,验证了P2G设备应用的清洁能力及经济价值。本文可以为构建城镇综合能源系统的典型场景、综合能源系统的优化运行的问题提供一定的理论参考。