綜合能源系統(tǒng)配置方案綜合評價研究

徐 兵，趙 號，曹艷楠，李學斌

（中國能源建設集團天津電力設計院有限公司，天津 河東 300180）

0 引言

電力行業(yè)是能源消耗的主要行業(yè)，同時也是溫室氣體二氧化碳排放的主要來源，電力行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排對緩解污染問題，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用[1]。因此，逐步調整能源系統(tǒng)結構，實施多種低碳措施，是實現(xiàn)電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

目前電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)以及供熱系統(tǒng)彼此是獨立的個體，彼此之間不能協(xié)調運行，嚴重制約了可再生能源的接入空間。要想實現(xiàn)社會能源可靠、高效的綜合利用以及節(jié)能減排這一目標，必須要將各個供能系統(tǒng)融合到一起，統(tǒng)一優(yōu)化，形成社會能源一體化供應的綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）。

目前綜合能源系統(tǒng)領域相關評價的研究較少，且大多數(shù)為綜合能源系統(tǒng)運行的評價，鮮有考慮綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案的評價。文獻[2]對綜合能源系統(tǒng)可靠性研究現(xiàn)狀進行了梳理，分別從模型、算法、指標體系3方面提出了未來研究方向。文獻[3]針對天然氣-電力聯(lián)合系統(tǒng)，建立了可靠性評價方法，分析了聯(lián)合系統(tǒng)的最大供電能力。文獻[4-5]對樓宇冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，分別從供能可靠性和環(huán)保性進行對比分析，證明聯(lián)供系統(tǒng)在這兩方面的優(yōu)越性。文獻[6]提出了考慮建筑分布式能源系統(tǒng)的能源利用效率和經(jīng)濟指標的方案評價方法。文獻[7-8]構建了經(jīng)濟、能耗、環(huán)境因素的分布式能源評價體系及決策模型，并對若干典型能源系統(tǒng)進行綜合評價。文獻[9]針對三聯(lián)供系統(tǒng)，考慮技術、經(jīng)濟、環(huán)境、社會因素等多項評價準則，建立了基于層次分析和熵權的指標賦權法。文獻[10]運用層次分析法，選取投資費用、運行費用、碳排放量和一次能源耗量，對日本不同的居民供能系統(tǒng)方案進行評價。文獻[11]考慮系統(tǒng)靈活性指標，建立綜合能源系統(tǒng)多評價指標體系，并采用模糊綜合評價法求解。

本文對綜合能源系統(tǒng)配置方案綜合評價開展研究，首先，考慮安全性、經(jīng)濟性、能效性、環(huán)保性，建立了綜合能源系統(tǒng)配置方案多層級多維度綜合評價指標體系；其次，提出了層次分析法-熵值法主客觀結合的權重系數(shù)法獲取綜合權重，并采用模糊綜合評價法評價；最后，采用某綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置作為算例對所提方法進行驗證，仿真結果證明了本文所提方法的有效性。

1 綜合能源系統(tǒng)配置方案評價指標體系

1.1 評價體系

在綜合能源系統(tǒng)配置方案評價過程中，為了提升各指標與實際的貼近程度，各指標首先要明確與評價目的的一致性，然后系統(tǒng)要盡可能反映綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置的實際特征。綜合考慮電網(wǎng)、熱（冷）網(wǎng)、天然氣網(wǎng)以及各能源系統(tǒng)的耦合特性，從安全性、經(jīng)濟性、能效性、環(huán)保性4個方面出發(fā)，建立綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置綜合效益評價指標體系，包括4個一級指標和9個二級指標。綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方案綜合評價指標體系如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)配置方案綜合評價指標體系

1.1.1 安全性指標

安全性指標包括電網(wǎng)安全指標、熱（冷）網(wǎng)安全指標和天然氣網(wǎng)安全指標[1]。

（1）電網(wǎng)安全指標

綜合能源系統(tǒng)中電網(wǎng)安全性指標采用主變N-1校驗表征，主變N-1校驗通過率為：

式中：fpr為主變N-1校驗通過率；Nt為通過N-1校驗的主變個數(shù)；Nz為主變總數(shù)。

（2）熱（冷）網(wǎng)安全指標

通常情況下，綜合能源系統(tǒng)供熱和供冷分為3種情況，集中供暖和集中供冷、集中供暖和分散供冷、分散供暖和分散供冷，前兩種情況存在管網(wǎng)，第3種情況不需安裝統(tǒng)一管網(wǎng)，并且集中供熱和集中供冷設計時，供熱系統(tǒng)和供冷系統(tǒng)共用一組管網(wǎng)。因此熱（冷）網(wǎng)安全性指標主要指系統(tǒng)運行過程中管網(wǎng)是否超過設計流量或滿足設計規(guī)范。CJJ/T 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)劃》中，對管道比摩阻、流速和壓力工況規(guī)定如下：支干線比摩阻不應大于300 Pa/m；水流速不應大于3.5 m/s；供水管道壓力不得低于熱水汽化壓力，并留有30～50 kPa的富裕壓力。因此，熱（冷）網(wǎng)安全性指標主要考慮管道比摩阻、流速和管道壓力的校驗，滿足三者校驗為合格，指標值取1，不滿足為不合格，指標值取0。

（3）天然氣網(wǎng)安全指標

天然氣網(wǎng)安全主要是指安全供應和安全生產(chǎn)。在綜合能源系統(tǒng)中，天然氣是一次能源輸入，主要考慮天然氣在傳輸過程中的一系列安全問題，分為兩個方面，天然氣技術指標和運行參數(shù)。天然氣技術指標需滿足規(guī)范GB 17820—2018 《天然氣》相關規(guī)定，運行參數(shù)需滿足規(guī)范GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》相關規(guī)定。天然氣網(wǎng)安全指標主要考慮天然氣技術指標和運行參數(shù)的校驗，滿足二者校驗為合格，指標值取1，不滿足為不合格，指標值取0。

1.1.2 經(jīng)濟性指標

綜合能源系統(tǒng)中供電、供熱（冷）、供氣系統(tǒng)相互交叉耦合，與傳統(tǒng)獨立的供能系統(tǒng)有本質區(qū)別，考慮經(jīng)濟性指標時，也需要考慮綜合能源系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性。經(jīng)濟性指標涵蓋投資建設費用、運行維護費用以及收益，綜合考慮三者之間的關系，建立四項二級指標，分別為初始投資成本、運行維護成本、投資回收期和系統(tǒng)使用壽命。

（1）初始投資成本

初始投資成本指綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置設備的投資成本，可以配置容量和單位容量投資成本計算求得，如下所示。

式中：i為能源供應生產(chǎn)設備編號； Ω1為能源供應生產(chǎn)設備集合； Ω2為儲能設備集合；為第i個能源供應生產(chǎn)設備的單位容量投資成本；為第i個能源供應生產(chǎn)設備配置容量；j為儲能設備編號；為第j個儲能設備的單位容量投資成本；為第j個儲能設備的配置容量。

（2）運行維護成本

運行維護成本指的是綜合能源系統(tǒng)的年運行維護成本，包括運行費用和設備維護費用，運行費用即能源購置費用，設備維護費用可以由配置容量和單位容量運行維護成本計算求得，如下所示。

式中：Cot為綜合能源系統(tǒng)年運行維護成本；Com為綜合能源系統(tǒng)年設備維護費用；Cop為綜合能源系統(tǒng)年運行費用；為第i個能源供應生產(chǎn)設備的單位容量年運行維護成本；為第j個儲能設備的單位容量年運行維護成本；S為第s個典型場景日；Ns為一年中典型日場景s的持續(xù)天數(shù)；H為一天的總時段數(shù)，Ce,s,h、Cg,s,h分別為第s典型日場景h時段的電力購買單價和天然氣購買單價；Pe,s,h、Gg,s,h分別為第s典型日場景h時段的電力和天然氣購買量。

（3）投資回收期

投資回收期是項目經(jīng)濟可行性的重要指標，回收期愈短，風險愈小，盈利愈多。投資回收期計算如下。

式中：Ths為投資回收期；Ts為收益大于總投資的年份；H為一天的總時段數(shù)；T為規(guī)劃周期；r為資金折現(xiàn)率；SRt為第t年的供能收益，Ce,t,s,h,J、Ce,t,s,h,SY、Ce,t,s,h,GY分別為第t年S典型日場景h時段的居民、商業(yè)、工業(yè)電力出售單價，元/kW·h；Pe,t,s,h,J、Pe,t,s,h,SY、Pe,t,s,h,GY分別為第t年S典型日場景h時段的居民、商業(yè)、工業(yè)售電量，kW·h；HPRJ、HPRFJ分別為居民和非居民的單位面積供熱價格，元/m2；CPRJ、CPRFJ分別為居民和非居民的單位面積供冷價格，元/m2；Ar,J、Ar,FJ分別為居民和非居民面積，m2。

（4）系統(tǒng)使用壽命

系統(tǒng)使用壽命指綜合能源系統(tǒng)中配置的設備，從全新狀態(tài)開始使用至核心設備無法穩(wěn)定運行，不再具有正常功能而停止使用的全部時間，與設備維修保養(yǎng)優(yōu)劣程度密切相關，單位為年。該指標主要參考設備廠商資料和實際項目經(jīng)驗值。

1.1.3 能效性指標

能效性指標反映綜合能源系統(tǒng)中能量被有效利用的程度，可以衡量能源利用的技術水平。綜合能源系統(tǒng)中，通過各種能源生產(chǎn)、轉換設備和能源存儲設備，滿足各類用戶的多元負荷需求，因此選擇綜合能源利用效率作為能效性指標的二級指標。

綜合能源利用率的定義是純電負荷需求、冷負荷需求、熱負荷需求、氣負荷需求的總量與能源輸入量的比值。能源輸入包括可再生能源和非可再生能源，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能效分析的目的是尋找提高非可再生能源的利用率和充分消納可再生能源的方法，而評估可再生能源的利用程度并無實際意義，可再生能源屬于自然資源，不需要付出經(jīng)濟成本，也不會產(chǎn)生污染氣體排放，因此，能源輸入量可以只考慮非可再生能源，即外購電與外購氣的能源和。

該指標不僅可以反映傳統(tǒng)化石能源的利用水平，并且在一定條件下體現(xiàn)了可再生能源的消納水平。其值越高，在負荷不變的條件下，化石能源利用效率越高；可再生能源消納的越多，其值也越高。

綜合能源利用率計算如下。

式中： ηPIES為綜合能源系統(tǒng)的綜合能源利用率；PeL、QqL、CcL、GgL分別為綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的一年的電負荷、熱負荷、冷負荷和氣負荷；ECq,e、ECc,e、ECg,e分別為熱負荷、冷負荷和天然氣轉換為電能的能質系數(shù)；Pe、Gg分別為綜合能源系統(tǒng)的年外購電量和年外購氣量。

1.1.4 環(huán)保性指標

消耗化石能源能夠產(chǎn)生污染物，從而造成環(huán)境污染，綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展是為了促進能源的可持續(xù)發(fā)展，達到節(jié)能減排的目的，因此系統(tǒng)的污染排放是衡量綜合能源系統(tǒng)環(huán)保性的重要指標。因此，污染物排放作為環(huán)保型指標的二級指標。

污染物主要是綜合能源系統(tǒng)消耗天然氣和電力產(chǎn)生的污染氣體排放，電能生產(chǎn)及天然氣消耗過程中產(chǎn)生的主要污染氣體有CO、CO2、SO2和NOx，考慮4種污染氣體排放，污染物排放量計算如下。

式中：Cpoll為綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃期內(nèi)的污染物排放總量；ECO為第t年的CO排放量；ECO2為第t年的CO2排放量；ESO2為第t年的SO2排放量；ENOx為第t年的NOx排放量；S為每年典型日場景數(shù)量；Ω3為消耗天然氣的能源供應生產(chǎn)設備集合；Gg,i,s,h為第s典型日場景h時段第i個消耗天然氣的能源供應生產(chǎn)設備的天然氣購買量； αe,CO、 αe,CO2、αe,SO2和 αe,NOx分別為消耗電能所產(chǎn)生的污染氣體CO、CO2、SO2和NOx的排放系數(shù)； αg,i,CO、 αg,i,CO2、αg,i,SO2、 αg,i,NOx分別為第i個消耗天然氣的能源供應生產(chǎn)設備產(chǎn)生的污染氣體CO、CO2、SO2和NOx的排放系數(shù)；GgL,o,s,h為第s典型日場景h時段其他天然氣負荷功率； αg,o,CO、 αg,o,CO2、 αg,o,SO2和αg,o,NOx分別為除消耗天然氣的能源供應生產(chǎn)設備以外其他消耗天然氣所產(chǎn)生的污染氣體CO、CO2、SO2和NOx的排放系數(shù)。

1.2 指標分類

在評價過程中決策者對評價對象的結果準確性與指標屬性有很緊密的聯(lián)系，同時指標屬性不同的數(shù)據(jù)的處理過程也不可能完全相同，因此，合理的對指標屬性進行分類是評價過程中的重要環(huán)節(jié)，對評價結果影響很大。一般情況下，利用指標自身屬性將其概括為3類，正指標、逆指標和適度指標。正指標數(shù)值越大評價越好；逆指標數(shù)值越小評價越好；適度指標位于一定范圍內(nèi)為宜。根據(jù)構建的綜合能源配置方案評價體系中各指標的內(nèi)涵及性質，所有指標分類如表1所示。

表1 綜合能源系統(tǒng)配置方案評價體系指標分類

2 評價方法

綜合能源系統(tǒng)評價方法可以分為指標賦權重和方案綜合評價兩個方面，評價指標體系建立完成后，首先，需要確定每層、每個指標的權重大小，其次，采用評價方法對每個指標進行評價，最后利用權重大小和每個指標的評分情況，計算得到方案的總評分。

2.1 權重確定方法

權重確定方法包括主觀賦權法和客觀賦權法，主觀賦權法能夠有效反映專家經(jīng)驗和決策者偏好，但是不可避免的能夠忽略一些客觀因素，客觀賦權法能夠有效分析各指標之間存在的客觀聯(lián)系，但是無法結合實際需求，在評價過程中，指標權重過于主觀或客觀，均不利于評價結果，須研究主觀和客觀賦權法結合，既能發(fā)揮不同方法自身優(yōu)勢，又能夠彌足各方法的不足。本文兼顧主觀和客觀權重系數(shù)，綜合考慮專家經(jīng)驗和客觀因素的影響，提出層次分析法[12-13]-熵權法[14]主客觀結合的權重系數(shù)法。本文提出的層次分析法-熵值法主客觀結合的權重系數(shù)，通過可調的權重系數(shù)，將兩種權重方法組合得到最優(yōu)權重，計算公式如下。

式中：wj為綜合權重；wj1為層次分析法所得權重；wj2為熵權法所得權重； β 為權重系數(shù)，當 β=0 時，為純客觀指標權重，當 β=1 時，為純主觀指標權重，通過調整 β 的大小，可以實現(xiàn)主觀和客觀指標權重結合的靈活調整。

2.2 評價方法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法，通過隸屬函數(shù)對模糊問題進行量化，從而可以通過數(shù)學方法對其進行分析與處理，能較好地解決評價對象和評價過程中存在的模糊性，在各種科學領域都得到了廣泛應用。因此采用模糊綜合評價法進行綜合能源系統(tǒng)配置方案的綜合評價。

本章提出的基于層次分析法-熵權法的綜合能源系統(tǒng)配置方案模糊綜合評價流程如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)配置方案綜合評價流程圖

3 案例分析

選取我國內(nèi)蒙古地區(qū)某個綜合能源系統(tǒng)作為對象，該商業(yè)中心地塊占地面積17.24萬m2，建筑面積49.37萬m2，夏季典型日110天，過渡季典型日73天，冬季典型日182天。該地塊均為商業(yè)負荷，工業(yè)負荷和居民負荷為0。工商業(yè)用電價格為0.563 7元/(kW·h)。天然氣價格為3.02元/m3。供暖價格為每月5.03元/m2。規(guī)劃周期為20年。采用多目標優(yōu)化方法得到20組綜合能源系統(tǒng)配置方案，計算各配置方案對應的指標值，如表2所示。

表2 綜合能源系統(tǒng)配置方案指標值

3.1 權重系數(shù)確定

本節(jié)首先采用層析分析法確定各準則和指標的主觀權重，其次采用熵權法確定各準則和指標的客觀權重，最后利用權重系數(shù)將主觀權重和客觀權重加權獲得主客觀綜合權重。

3.1.1 判斷矩陣

確定準則判斷矩陣和準則下所有下屬指標的相對重要程度的判斷矩陣。

綜合能源系統(tǒng)配置方案評價體系包含4個準則，準則層判斷矩陣A為4 × 4矩陣，判斷矩陣主對角線為1，關于主對角線對稱的位置互為倒數(shù)。準則層判斷矩陣如下所示。

安全性準則下屬指標的判斷矩陣Ase為3 × 3矩陣。

經(jīng)濟性準則下屬指標的判斷矩陣Aec為4 × 4矩陣。

能效性準則下屬指標的判斷矩陣Aef為1 × 1矩陣，即[1]。

環(huán)保性準則下屬指標的判斷矩陣Aen為1 × 1矩陣，即[1]。

3.1.2 權重系數(shù)

根據(jù)計算得到的主觀權重和客觀權重，計算得到各指標的主客觀權重值，如表3所示。

表3 各指標權重值

3.2 綜合評價結果分析

各配置方案總得分值如圖3所示，各配置方案所有準則和指標層得分如表4所示。

表4 不同綜合能源系統(tǒng)配置方案評分結果

圖3 綜合能源系統(tǒng)配置方案評價得分結果

從評分結果來看，20個方案中最高得分為81.945，最低得分為65.141，總體都能夠達到良好水平，也能夠說明本項目所提綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化配置方案的有效性。

配置方案1的得分最高，與其他的配置方案相比，配置方案1在經(jīng)濟性和能效性方面表現(xiàn)較好，經(jīng)濟性準則評分和能效性評分均在80分以上，說明運行策略1綜合能源利用效率較高。但是配置方案1的環(huán)保性評分較低，污染氣體排放量較高，說明經(jīng)濟性和環(huán)保性是相互矛盾的。

環(huán)保性準則評分最高的是配置方案10，得分為94.966分，配置方案10為環(huán)保性最優(yōu)方案，其污染物排放量最低，但是其經(jīng)濟性和能效性評分均較差，經(jīng)濟性指標評分僅為49.144分，導致配置方案10的總得分最低。

經(jīng)濟性準則評分最高的為配置方案3，得分為92.831分，配置方案3為經(jīng)濟性最優(yōu)方案，其投資回收期為16年，并且設備投資成本和運行維護費用均較低。

4 結束語

本文首先綜合協(xié)同考慮電網(wǎng)、熱（冷）網(wǎng)、天然氣網(wǎng)，兼顧安全性、經(jīng)濟性、能效性、環(huán)保性，建立了綜合能源系統(tǒng)配置方案綜合評價指標體系，包括個一級指標和二級指標；其次，計及主觀權重和客觀權重，提出了層次分析法-熵值法主客觀結合的權重系數(shù)確定最優(yōu)權重；進一步，采用模糊綜合評價法進行評價，給出了綜合能源系統(tǒng)配置方案評價流程。文章采用我國內(nèi)蒙古地區(qū)某個綜合能源系統(tǒng)作為對象進行案例分析，采用本文所提方法可以快速有效地對多個配置方案進行總體評分和分項評分，為綜合能源系統(tǒng)配置方案評價提供一定的參考價值。