智能電網創新示范區能源互聯網評估指標及評價方法

蔣 菱，袁 月，王 崢，王守相（.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 30007）

智能電網創新示范區能源互聯網評估指標及評價方法

蔣 菱1，2，袁 月2，王 崢1，王守相2
（1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072）

化石能源的日趨枯竭和環境危機的日趨嚴重使能源利用模式變革迫在眉睫，能源互聯網為解決這一問題提供了新思路。從能源環境現狀出發，首先介紹了能源互聯網的概念、特征，分析了其利益相關者；然后從經濟、能源、環境、社會和工程5個角度建立了智能電網創新示范區能源互聯網評價指標體系；其次，借鑒解釋結構模型和層次分析法的思路給出了能源互聯網綜合評估方法；最后，通過算例驗證了該指標體系的完善性和評價方法的有效性，對能源互聯網的規劃建設提供評估方案和指導。

能源互聯網；智能電網創新示范區；利益相關方；評價指標體系；綜合評估方法

近年來，化石能源的廣泛應用雖然給發展中國家帶來經濟的急速增長，也導致了氣候變化、環境惡化等危機，隨著可再生能源與信息技術的快速發展，傳統的依賴不可再生能源的經濟發展模式已不能滿足經濟發展的要求。以建立更加高效、安全以及可持續的能源利用模式為目標的能源變革已拉開帷幕。能源互聯網概念的提出為解決能源環境矛盾、促進經濟社會持續發展提供了新的思路。

美國著名學者杰里米·里夫金在《第三次工業革命》［1］中首先提出了能源互聯網的愿景，書中總結了能源互聯網的4大特征，引發國內外廣泛關注：①以可再生能源為主要一次能源；②支持超大規模分布式發電系統與分布式儲能系統接入；③基于互聯網技術實現廣域能源共享；④支持交通系統的電氣化。

基于里夫金關于能源互聯網的愿景和特征，國內學者給出了能源互聯網的初步定義。能源互聯網是以電力系統為核心，以互聯網及其他前沿信息技術為基礎，以分布式可再生能源為主要一次能源，與天然氣網絡、交通網絡等其他系統緊密耦合而形成的復雜多網流系統［2］。

電力行業作為化石能源消耗量最大的行業在能源變革中負有重要責任，也率先依托科技項目展開能源互聯網相關研究［3-5］。2008年，美國國家科學基金t項目未來可再生電力能源傳輸與管理系統提出了能源互聯網這一概念，指出能源互聯網是一種構建在可再生能源發電和分布式儲能裝置基礎上的新型電網結構，是智能電網的發展方向。2012年5月9日，歐盟在布魯塞爾召開了題為“成長任務：歐洲領導第三次工業革命”的會議，在會上明確提出第三次工業革命將圍繞能源互聯網展開。德國對于能源互聯網的發展尤其積極，率先提出了“E-energy”計劃，致力于打造新型能源網絡，在整個能源供應體系中實現數字化互聯以及計算機控制和監測。我國對能源互聯網的研究起步較晚，目前還停留在理論階段［6-7］。2013年12月國家電網公司在科技日報發文明確指出，未來的智能電網就是“能源互聯網”。2014年開始關于能源互聯網的項目才相繼展開，主要集中在發展戰略、技術架構以及相關分布式可再生能源發電和儲能技術等，智能電網創新示范區［8］的建設為能源互聯網的研究提供了很好的依托和展示平臺。

本文以智能電網創新示范區為依托，介紹和分析了能源互聯網的利益相關者，從經濟、能源、環境、社會和工程5個角度建立智能電網創新示范區能源互聯網評價指標體系，并基于各指標間的相互影響關系，借鑒解釋結構模型和層次分析法的思路給出能源互聯網綜合評估方法，最后通過算例驗證指標體系的完善性和評價方法的有效性，以期對能源互聯網的規劃和建設提供評估方案和指導策略。

1 智能電網創新示范區能源互聯網利益相關者分析

能源互聯網作為電力系統、交通系統、天然氣網絡和信息網絡緊密耦合而構成的復雜系統，其參與者涵蓋各個階段，包括多個系統［9，10］。從各系統的生產方、服務方、消費方以及國家和社會4個角度具體分析，能源互聯網利益相關者如圖1所示。

能源生產方主要有天然氣井、傳統火電廠、水電廠、核電廠以及新能源電廠，包括風電場、光伏電站、沼氣發電系統、儲能電站等，隨著電網新能源消納能力的提高，可再生能源利用的種類和比例也將逐漸增加；電力系統的能源服務方主要包括輸電網、配電網、微網以及電力公司的智能營業廳、可視化交易平臺等，天然氣系統的能源服務方包括輸氣網絡、加氣站、網上繳費系統等，供冷供熱系統的能源服務方包括冷熱管網、冷熱電聯供系統、營業廳等，能源互聯網所屬區域的管理部門也是重要的能源服務方，主要包括投資開發商、管理委員會和能源協調控制中心等，除此之外，為示范區提供相關服務的通信供應商、智能家居供應商、云計算平臺等也是能源服務方的重要組成部分；能源消費方面除了傳統用戶外，還有可控負荷，包括電動汽車和其他主動響應用戶；與此同時，國家政策和社會輿論很大程度上影響能源互聯網的建設運營，反之能源互聯網的發展程度也會從環境、資源、就業等多個角度對社會造成影響。

圖1 能源互聯網利益相關者Fig.1 Stakeholders of energy internet

能源互聯網內各方并非相互獨立，作為能源生產方的光伏電站、沼氣發電站等多由服務方負責建設和運營，而儲能電站和電動汽車充電站等既可以在用電高峰期充當電能生產方，又可以在用電低谷期作為能源消費方，通過合理的協調控制可減少對電網的沖擊，并起到平抑用電峰谷波動，提高電網供電可靠性的作用。

2 智能電網創新示范區能源互聯網評價指標體系

2.1 建立智能電網創新示范區能源互聯網評價

指標體系的必要性

隨著能源互聯網建設進程的推進，評估能源互聯網發展水平已成為一項必需的工作。建立能源互聯網評價指標體系是開展評估的重要基礎和依據。

1）衡量能源互聯網發展水平的重要依據

目前國內尚無能源互聯網建設相關標準可供參考，國外相關標準也因各國的電網基礎、資源環境現狀不同而少有借鑒意義。因此，結合我國電網發展的實際情況、能源互聯網發展目標和重點，建立能源互聯網評估指標體系，為評估我國能源互聯網發展水平提供評價基準是必要的。

2）電網發展社會效益的重要評價依據

當前能源環境壓力下，建立指標體系有利于電網公司通過能源互聯網建設，促進太陽能、風能等可再生能源的有效接入和充分利用，緩解傳統能源壓力，減少污染物排放，為電網公司承擔相應的社會責任，增加企業社會效益提供評價依據。

3）能源互聯網發展規劃的重要指導依據

從多角度構建能源互聯網評價指標體系，可以為能源互聯網規劃建設提供目標函數群，通過建設目標和重點的選擇，發揮導向性作用，發掘優勢環節和缺點，為能源互聯網的規劃和發展提供指導信息和相關建議。

2.2 智能電網創新示范區能源互聯網評價指標體系

本文結合能源互聯網概念和典型特征，以智能電網創新示范區為依托，依據能源互聯網評價指標體系的建立原則，綜合考慮能源生產方、服務方、消費方以及國家社會多方利益，從能源互聯網規劃［11］、建設、運營等多個環節，從經濟［12］、能源、環境、社會和工程5個角度，建立了一個多因子綜合指標體系，如圖2所示。

2.2.1 定量分析指標

（1）冷熱電協調成本。冷熱電協調成本是指在滿足冷熱負荷需求的條件下，合理解決負荷不匹配性，使整個系統總煤耗量最小所需成本，結合分時電價可表示為

式中：Cbt和Cst分別為第t個時段從主網買電和賣電的價格，＄/（kW·h）；k和kt分別為冷熱電聯供機組的額定熱電比和用戶在t時刻的熱電負荷比；Pi（t）和Pj（t））為僅供電的功率輸出；Hh（t）和Hk（t）為僅供熱（冷）的功率輸出；Np、Nc、Nh分別為僅發電、冷熱電聯供和僅供熱（冷）發電電源的數量。

（2）電動汽車綜合收益。從能源服務方的角度分析，電動汽車綜合收益主要是電費收入、低儲高發收益和為分布式能源提供備用儲能服務的收益，具體表示為

圖2 能源互聯網評價指標體系Fig.2 Evaluation index system of energy internet

（3）廢物綜合利用率。其表達式為

智能電網創新示范區內可利用的廢物主要包括污水、污泥、工業垃圾和廚余垃圾和其他廢棄物等，通過生物質能源綜合利用系統可將其燃氣化并重復利用。

（4）二氧化碳減排量。能源互聯網冷熱電聯供和分供系統的二氧化碳排放量分別表示為

式中：Qheat-lead為熱負荷；Ebuy為聯供系統從外部公共電網的購電量；Echiller為分供系統冷負荷需要電量；Epower-load為分供系統電負荷需要電量；η為聯供系統額定發電效率；η為聯供系統額定余熱回收效率；η為分供系統額定發電效率；η為分供系統額定余熱回收效率；CEu為單位電網供電電力二氧化碳排放量；CEf為燃料的單位二氧化碳排放量。

因此冷熱電聯供的二氧化碳減排量可表示為

式中：2.49為節約1 t標準煤所減少的二氧化碳排放量；a為天然氣與標準煤的折算系數；PRng為天然氣價格。

（5）就業效益。就業效益是指項目總投資所帶來的新增就業人數，即

2.2.2 定性分析指標

能源互聯網工程不只是簡單的項目投資與開發，而是一個以多領域前沿技術為支撐，多網絡互相協調復雜耦合的廣域共享系統，因此經濟、能源、環境各角度的定量分析指標不足以體現能源互聯網的性能需求，還需從工程角度定性分析，根據項目約束滿足情況在0～1之間評分從而對能源互聯網進行全方位評價。

（1）技術可行性。能源互聯網技術涵蓋互聯網技術、能源協調控制技術、新能源消納技術等多個領域，其中互聯網技術主要包括信息采集與處理技術、信息分析與集成技術、通信安全技術、新型人工智能技術等；能源協調控制技術包括負荷預測技術、決策控制技術、潮流分析技術和快速仿真技術等；新能源消納技術主要包括清潔能源技術、儲能技術、電力電子技術、虛擬電廠技術等［13］。

借鑒國外9級技術成熟度標準按照技術發展過程對技術成熟度的劃分，給出能源互聯網相關技術成熟度等級劃分，具體描述如表1所示。

表1 技術成熟度等級描述Tab.1 Level description for technology maturity

（2）項目可擴展性。能源互聯網項目應具有可擴展性，包括垂直擴展和水平擴展。垂直擴展是指對同一個邏輯單位增加其功能或優化其性能，比如擴大分布式發電規模和電動汽車充電站規模等；而水平擴展是指增加多個邏輯單位并使其與原有整體相協調，比如新加入的負荷、分布式發電或分布式儲能等。

（3）廣域共享性。能源互聯網應基于互聯網技術實現廣域能源共享，即將智能電網創新示范園區內的分布式發電系統、分布式儲能電站以及各類負荷進行廣域互聯。因此能源互聯網共享域的范圍是衡量能源互聯網發展程度的重要約束。

3 能源互聯網視角下的智能電網創新示范區評估方法

通過對上述指標體系的分析可知，各指標之間并非相互獨立，通過傳統方法難以確定其在能源互聯網評價模型中所占權重。本文采用解釋結構模型化方法［14］對能源互聯網評價指標體系進行解釋分析，得出不同指標之間的影響關系，進而借鑒層次分析法［15］的思維得出不同指標所占權重，最后通過歸一化處理對不同能源互聯網進行綜合評價。具體步驟如下。

步驟1 依據智能電網創新示范區能源互聯網評價指標體系構造系統要素集，并將其記為

步驟2 確定每個指標直接影響的其他指標，然后在各指標之間建立有向關系并建立意識模型，建立鄰接矩陣A，具體元素為

步驟3 根據推移律特性，若k≤n-1時，滿足條件

則可達矩陣M為

式中，I為單位矩陣。

步驟4 以可達矩陣為基礎，運用規范方法或實用方法劃分確定指標層次，形成遞階結構模型，用多級遞階有向圖表示。

步驟5 根據相關理論和經驗等對多級遞階有向圖進行解釋，得到解釋結構模型。將解釋結構模型與現有的經驗、實踐進行比較，如果不相符合，返回步驟1對有關要素及其二元關系和解釋結構模型進行修正，若相符合則進行步驟6。

步驟6 專家根據每一層級各個指標之間的相對重要性按照1～9標度進行打分，相對于同一要素，1表示其下層的2個因素具有相同的重要性，隨著標度值的增大，前者比后者的重要度也增大，9表示2個因素相比，前者比后者極為重要，根據評分構造多個判斷矩陣。

步驟7 利用權重系數計算出各個因素的權重。權重系數為

根據權重，對所得結果進行一致性檢驗。檢驗公式為

式中：B為n階判斷矩陣；bij為判斷矩陣中的對應元素；λ為判斷矩陣的特征根；λmax為最大特征根。若CI＜0.10，則通過一致性檢驗。

步驟8 對每一層評價指標分別計算其當次權重和疊加權重，最終給出各評價指標的權重和歸一化評分wi。

步驟9 將指標體系中的量化指標xi進行規范化處理得到規范值yi，并將成本等需最小化的指標取補，得到指標i的標準值ci，即

步驟10 根據式（16）對能源互聯網進行綜合評分，得到綜合分值G，判斷是否達到項目最低要求，并做相應調整。綜合分值G為

4 算例分析

以中新天津生態城智能電網創新示范區為例，按照上述步驟對其能源互聯網建設情況進行分析評價。

將智能電網創新示范區能源互聯網作為評價對象記為S0；經濟、能源、環境、社會、工程作為評價角度分別記為S1～S5，能源互聯網評價指標體系中的指標依次記為S6～S37，從而形成分析評價的系統要素集。

對各要素二元關系進行分析確定并通過可達矩陣進行分層后得到多級遞階有向圖如圖3所示，為保證層次圖的清晰，4～7層各要素與L2要素之間的關系未在圖中進行標記，可根據指標體系進行對應。

圖3 層次分析多級遞階有向圖Fig.3 Multi-stage hierarchical directed graph for analytic hierarchy

通過專家打分、判斷矩陣處理和權重系數計算，得到各評價指標的權重以及基于標準化處理后各指標的標準值，如表2所示。

由表2所得數據進行計算，將各指標歸一化評分與指標標準值相乘相加，得該能源互聯網綜合評分為0.631 1，從經濟、能源、環境、社會和工程角度分別進行評分，得0.593 7、0.380 0、0.847 2、0.642 8、0.739 6。對評分進行分析可得如下結論：①中新天津生態城能源互聯網建設整體已基本達到示范區建設的最低標準，但仍需進一步優化；②由于中新天津生態城污染型企業較少，采用統一建設、集中運營的管理模式，且以多項科技項目為依托進行了多角度的技術研究，因而在環境、社會和工程角度的規劃建設已較為成熟；③由于示范區的資金籌措模式和盈利模式仍受體制限制而有待改進，且受當地氣候條件限制，可再生能源發電比例較低，達不到能源互聯網的要求，因而經濟和能源角度的建設仍有待提高。

表2 各指標權重、評分及標準值Tab.2 Weight，grade and standard of each index

由上述分析可知，中新天津生態城應加強建設投資和運營盈利模式的研究，并從各方面提高可再生能源接入率，使能源互聯網能夠充分發揮其綜合效用。

5 結語

能源互聯網作為智能電網未來的發展趨勢，在提高電網經濟性和可靠性，促進節能環保，增加電網企業綜合收益等方面具有巨大潛力。本文從經濟、能源、環境、社會和工程角度建立了能源互聯網評價指標體系，并借鑒解釋結構模型和層次分析法的思路給出了綜合評價方法，為能源互聯網的規劃和建設提供了評價和指導依據，以此為基礎能源互聯網的規劃模型、建設模式，以及與之相配套的運營模式和管控模式等都有待后續研究。

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Evaluation Index System and Comprehensive Evaluation Method of Energy Internet in Innovative Demonstration Area of Smart Grid

JIANG Ling1，2，YUAN Yue2，WANG Zheng1，WANG Shouxiang2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The gradual depletion of fossil energy and increasingly serious environmental crisis lead to the energy utilization mode involution and the energy internet provides a new way to solve this problem.Firstly，from the present conditions of energy and environment，the concept，characteristics and stakeholders of the energy internet are analyzed，and the evaluation index system of smart grid innovation demonstration area energy internet is established from the aspects of economy，energy，environment，society and engineering.Secondly，it proposes the comprehensive evaluation method of energy internet reference to the interpretative structural modeling and the analytic hierarchy process.At last，the rationality of index system and the effectiveness of method are verified by the numerical examples.The model proposed in this paper will provide assessment scheme and guide strategy for the planning and construction of the energy internet．

energy internet；smart grid innovation demonstration area；stakeholders；evaluation index system；comprehensive evaluation method

TE09

A

1003-8930（2016）01-0039-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.01.007

2015-07-04；

2015-08-06

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2014AA052003）；國家自然科學基金面上資助項目（51361135704,51377115）；國家電網公司科學技術項目：基于互聯網思維的智能電網創新示范區建設模式研究

蔣 菱（1971—），女，本科，高級工程師，研究方向為電網規劃和新能源接入。13702156400@163.com

袁 月（1991—），女，碩士研究生，研究方向為配電系統優化。Email：yuanyue_91@163.com

王 崢（1983—），女，碩士，工程師，研究方向為電力系統分析及其自動化。wangzhengncepu@163.com