面向农村微能网的评价指标构建及应用

张 新，杨建华，王维洲，井天军，张 漫

（1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083；2.内蒙古科技大学信息工程学院，包头014010；3.国家电网甘肃省电力公司，兰州730050）

0 引 言

随着煤炭、石油等化石能源的日益枯竭和环境污染的不断加重，如何实现可再生能源的稳定应用，提高能源的综合利用率，减少环境污染，保障能源的安全供应，成为世界各国的重要研究课题[1-3]。因此，综合能源网络的概念应运而生[4]，它由供能网络（电力网、天然气网络和冷热力网络）、能量交换环节（冷热电三联供机组，空气源热泵等）、能量存储环节（蓄电池，冷热蓄能装置等）和大量的终端综合能源单元构成，实现冷-热-电-气能流的多向互动和可再生能源在多网络间的共享和稳定应用，满足人民日益增长的优质能源服务需求[5]。在农村地区配置的综合能源网络简称为农村微能网，是一种用户侧能量综合利用单元。中国农村地区广阔，生物质资源和可再生能源丰富，通过农村微能网的研究可以实现上述各类资源的就地综合利用，对新农村的建设具有重要意义[6]。

目前，国内外对于综合能源网络的建模、规划和优化运行方面进行了大量研究[7-20]。例如，文献[9]针对中小型区域能源网络的运行优化问题，提出双层优化调度模型，采用自适应遗传算法进行求解，取得较好的优化结果。文献[12]运用多场景理念对北方某综合能源网络进行规划并分析了综合能源网络具有的经济效益和社会效益。文献[19]针对综合能源网络的建模问题，提出多时序仿真模型，运用MATLAB-EXCEL VBA工具进行仿真模拟，实现电力、热力和燃气网络的综合分析。文献[20]以伊朗德黑兰东部某住宅小区为例，规划用户侧综合能源网络，建立混合整数线性规划模型，并对规划结果的优越性进行了阐述。

但是，在综合能源网络的评价方面国内外的研究成果较少[21-25]。例如，文献[21-22]建立适用于单体建筑的多种分布式能源网络优化配置模型并对配置结果进行评价，但指标设置较少，未能全面的评价分布式能源网络的配置结果。文献[23]构建了从规划到运行具有普适性的区域综合能源网络评价指标体系并采用实际算例验证其指标和方法的有效性，但指标适用面过于宽泛，对沼气、冷热能方面的指标考虑较少。文献[24]提出了综合能源网络的典型物理架构并综述了当前综合能源网络的效益评价体系和评价方法。文献[25]运用能量枢纽的方法针对意大利卡利亚里地区Brotzu医院的综合能源网络的经济性进行了评估。综上所述，在农村微能网的规划评价研究方面存在以下问题：1）现阶段针对综合能源网络建模、规划和运行方面的研究成果较多，涉及评价方面的文章较少，

尤其是本文研究农村微能网的规划评价。2）已有文献评价指标设置简单或指标设置繁杂，计算困难，无法有效实现对微能网规划方案的评价。3）已有文献评价指标适用面过于宽泛，未根据农村微能网规划建设的特点，建立科学合理的规划评价指标体系和评价方法，无法客观评价各规划方案的优缺点。针对上述研究问题，

本文提出了包含可靠性、经济性、环保性效益性4个一级指标、7个二级指标和14个三级指标的农村微能网规划评价体系，并运用熵权法和专家经验相结合的综合评价方法，以期实现对农村微能网规划方案的客观、全面评价。

1 农村微能网系统架构

农村微能网主要由能量生产、传送、转换、储存和利用等单元构成。冷-热-电-气各类能量通过能量转换装置、电力网络和冷热力管网实现能量流的多向互动和相互支撑，最终实现多种能源综合高效利用的目标，系统结构如图1所示。

1）能量生产单元，是指将风能、光能和天然气等能源转换为系统所需冷-热-电能量的装置。主要包含风机、光伏、光热、微型燃气轮机和燃气锅炉等。

2）能量传送单元，是指各类能量与负荷点之间的传送通道，主要包含电能网络、冷热能网络、沼气网等。

3）能量转换单元，是指实现冷-热-电-气各能量互相转换的装置，主要包含电-热转换装置（空气源热泵）、电-冷转换装置（空气源热泵）、热-冷转换装置（溴化锂吸收式制冷机）和热-热转换装置（余热锅炉）。

4）能量储存单元，是指实现冷-热-电能储存的装置，包括各类蓄电池（锂电池）、冷热储能罐。其主要作用为平抑风电、光伏等可再生能源的出力波动性，在系统内部实现削峰填谷的作用。

5）能量利用单元，是指系统内部冷-热-电负荷点。

图1 农村微能网系统架构Fig.1 System frame of rural micro-energy-grid

2 农村微能网规划评价指标

本研究以客观和全面为评价指标建立准则，以创新、协调、绿色、开放和共享发展理念为指导，以为人民提供优质能源服务为目标，建立包含可靠性、经济性、环保性和效益性4个一级指标、7个二级指标和14个三级指标的农村微能网评价体系，评价体系如表1所示。

表1 农村微能网规划评价体系Table 1 Evaluation system of rural micro-energy-grid

2.1 可靠性指标

农村微能网可靠性指标集主要包含供电可靠性和供冷热可靠性2个二级指标和电能缺供率、冷能缺供率、热能缺供率3个三级指标。

1）系统电能缺供率

式中s为系统电能缺供率；T为系统运行周期，h；ΔPeload(t)为系统电能在t时刻的缺供功率，Peload(t)为系统电能负荷在t时刻的需求功率，kW。

2）系统冷能缺供率

式中ν为系统冷热能缺供率；ΔPcload(t)为系统冷能在t时刻的缺供功率，kW；Pcload(t)为系统冷能负荷在t时刻的需求功率，kW。

3）系统热能缺供率

式中h为系统热能缺供率；ΔPhload(t)为系统热能在t时刻的缺供功率，kW；Phload(t)为系统热能负荷在t时刻的需求功率，kW。

2.2 经济性指标

农村微能网经济性指标集包含系统经济性1个二级指标和系统投资费用、系统维护费用、系统设备价格和使用年限之比3个三级指标。

1）系统投资费用

式中Cin为微能网投资费用，元；N为微源的类型数目；Cmd为第d种微源的初始投资成本，元/kW；l为折现率；nd为第d种微源的使用年限，a；Pd为第d种微源的额定功率，kW。

2）系统运行维护费用

式中Cmaintain为微能网运行维护费用，元；Cmad为微能网各供能设备单位维护费用，元；Pd(t)为第d种微源在t时刻的运行功率，kW。

3）系统设备的价格和使用年限之比

式中H为微能网各设备的使用年限与价格之比的和；ad为微能网第d种设备的使用年限，a。

2.3 环保性指标

农村微能网环保性指标集包含供能设备环保性和储能设备环保性2个二级指标，污染物排放量、可再生能源装机比例、冷热电联供机组的装机比例、储电设备更换周期率、储热设备更换周期率、储冷设备更换周期率6个三级指标。

1）污染物排放量

在微型燃气轮机和燃气锅炉工作的时候会释放NOx和CO2等对环境有害的气体，公式如下：

式中Cpo为微能网各污染物的总排放量，kg；sk为微能网第k种污染物的排放系数，kg/（kW·h）；U为污染物的类型数目。

2）储电-冷-热设备更换周期率

式中μ为微能网储电-冷-热设备更换周期率；Gstore为微能网储电-冷-热设备更换周期，a；Genergy为微能网设计运行期限，a。

3）可再生能源的装机比例

本研究所指可再生能源为光伏和风电，其装机比例定义为光伏和风电的装机容量与系统总装机容量的百分比，公式如下：

式中β为可再生能源的装机比例；x为可再生能源机组的种类；c为微能网其余发电设备的种类；PDE,i为光伏/风电机组的额定容量，kW；PGE,j为微能网其余发电设备的额定容量，kW。

4）冷热电联供机组装机比例

式中α为冷热电联供机组渗透率；PCCHP为冷热电联供机组的功率，kW。

2.4 效益性指标

农村微能网效益性指标集包含稳定效益和环境效益2个二级指标，与配电网功率交换费用和环境污染惩罚费用2个三级指标。

1）环境污染惩罚费用

式中为第k种污染物的环境价值，元/kg；wk为第k种污染物的罚款，元/kg。

2）微能网与配电网功率交换费用

微能网在自身电能供应量大于内部电负荷需求时，可以向上级配电网售电获得收益，微能网在自身电能供应量小于内部电负荷需求时，需要向上级配电网购电补充满足系统内部电负荷需求。但是，目前中国农村地区配电网相对薄弱，微能网与配电网的频繁交换势必会影响配电网的安全稳定运行，因此设计微能网与配电网功率交换费用这一指标来反映微能网对配电网运行造成的影响，如式（12）所示：

式中Cgrid为微能网与配电网之间购电费用和售电费用的差值，元；Csell(t)为微能网向上级配电网售电价格，Cbuy(t)为微能网向上级配电网购电价格，元/(kW·h)；Pgrid(t)为微能网与配电网之间的功率交换值，kW。

3 综合评价方法

熵权法[26-28]是一种客观赋权重的方法。微能网评价体系中某个指标的熵值越大，则表明该指标包含较少的信息，进而推得该指标所占评价体系的权重值较小；反之，当某个指标的熵值越小，表明该指标包含较多的信息，推得该指标所占评价体系的权重值较大。熵权法不受主观因素影响，计算过程简单，是一种方便、实用的评价方法，因此，本研究采用熵权法进行农村微能网的评价。

熵权法的计算步骤如下：

1）建立农村微能网评价矩阵。假设参评的系统方案数为m，评价指标数为n，则评价矩阵如下所示：

式中 为农村微能网评价矩阵；yij为农村微能网评价第i个方案中的第j个指标。

2）归一化农村微能网评价指标。将农村微能网评价指标yij进行归一化，得到归一化后的农村微能网评价矩阵如下所示：

式中F为归一化后的农村微能网评价矩阵；fij为归一化计算后的农村微能网评价指标值；zij为归一化计算过程中的中间值；maxyi和minyi为归一化前农村微能网同一评价指标的最大值和最小值。

3）计算农村微能网各评价指标的熵。

式中aj为农村微能网各评价指标的熵值。

4）计算农村微能网各评价指标的权重值。

式中xj为农村微能网各评价指标的权重值。5）计算各方案的评价值

式中bv,i为农村微能网第i种规划方案的评价值。

运用熵权法对农村微能网规划方案进行评价的流程图如图2所示。

图2 熵权法评价流程图Fig.2 Evaluation flow chart of entropy method

4 算 例

4.1 算例相关参数

本文选取中国西部某村庄为例验证所提规划指标的合理性。该地区四季分明，冬季进行热能和电能的供应，夏季进行冷能和电能的供应，春秋两季只供应电能。冷热电负荷数据采用蒙特卡洛模拟的方法求得，具体参考文献[29-30]。冬季典型日光伏、风电和热电负荷曲线如图3a所示，夏季典型日光伏、风电和冷电负荷曲线如图3b所示，春秋季典型日光伏、风电和电负荷曲线如图3c所示。该村庄拟采用的供能和储能装置包括微型燃气轮机、溴化锂吸收式制冷机、余热锅炉、燃气锅炉、蓄电池、冷热储能罐、空气源热泵、光伏和风电等。现有3种不同的农村微能网规划方案，如表2所示。微能网各装置参数[31-33]如表3所示，微能网规划方案所在地分时电价[6]如表4所示。污染物排放系数和评价标准[34]如表5所示。

图3 不同季节典型日光伏、风电和冷-热-电负荷曲线Fig.3 Photovoltaic,wind power and electricity-heating-cooling loads curves of typical day in different season

表2 农村微能网规划方案中各装置的功率和能量值Table 2 Power and energy value of each device in planning scheme of rural micro-energy-grid

表3 农村微能网各装置参数[31-33]Table 3 Device parameters of rural micro-energy-grid

表4 农村微能网分时电价[6]Table 4 Time-of-use electrical price of rural micro-energy-grid元·（kW·h）-1

表5 农村微能网污染物排放系数和评价标准[34]Table 5 Pollutant emission coefficient and evaluation standard of rural micro-energy-grid

4.2 农村微能网评价指标仿真结果

经济性和环保性中的部分三级指标，如系统设备的价格与使用年限之比、可再生能源的装机比例和冷热电联供机组的装机比例等，采用算例所给参数进行直接计算，其余指标基于MATLAB平台运用粒子群算法编写农村微能网优化调度程序进行求解。模拟间隔时间Δt为1 h，总模拟时间为1 a。本研究设定冬季（供暖季）为11月至次年3月，夏季（供冷季）为6月至8月，春秋季（不供应冷暖）为4月至5月和9月至10月。可靠性指标采用序贯蒙特卡洛法进行模拟计算。为了简化计算，本研究假设每个季节中每日的负荷需求相同。

农村微能网各指标的计算结果如表6所示。通过表6可得，从污染物排放量方面看，由于方案3规划的微型燃气轮机和燃气锅炉容量最小，所以污染物排放量最低，方案3是最优选择；从可再生能源和冷热电联供机组的装机比例方面看，方案1为最优选择。为了充分评估各指标对农村微能网系统的影响程度，需要采用合理的评估方法对农村微能网各指标进行综合评估。

表6 农村微能网评价指标计算结果Table 6 Calculation results of evaluation indexes of rural micro-energy-grid

4.3 基于熵权法得到农村微能网规划方案评价结果

本研究采用熵权法对农村微能网各规划方案指标进行评估，得到各指标的熵权如图4所示。通过图4可知，指标C12、C13、C21、C22和C23的权重值最大，对农村微能网各规划评价方案的最终评估结果影响最大；A22的权重值最小，对农村微能网各规划评价方案的最终评估结果影响最小；其余指标的权重值处于中间位置，对农村微能网各规划评价方案的最终评估结果有较大影响。

图4 农村微能网各指标熵权值Fig.4 Entropy weight of each index of rural micro-energy-grid

本研究采用熵权法得到农村微能网各规划方案的最终评价结果如下：方案1的评价值为1.32，方案2的评价值为1.14，方案3的评价值为2.47。在可再生能源的装机比例和冷热电联供机组的装机比例方面，方案2为最优结果，但是，综合考虑可靠性、经济性、环保性和效益性方面的14个三级指标对农村微能网规划方案的影响程度，最终得到方案3是农村微能网最优规划方案。

4.4 基于熵权法与专家评价法得到农村微能网规划方案的评价结果

熵权法是一种客观的指标评价方法，它主要根据各指标的数值差异计算求得各指标的熵权值，进而求得各方案的综合评价值。但是，在项目的实际规划过程中，根据项目所在地的环境条件、项目资金情况和项目投资方需求等不同，需要侧重考虑环保性、经济性和可靠性等某一方面的指标，无法完全按照客观的评价结果选择规划方案。因此，根据专家对农村微能网各规划指标的侧重点不同，本研究假设4种专家主观指标权重，专家1侧重关注可靠性指标，专家2侧重关注经济性指标，专家3侧重关注环保性指标，专家4侧重关注效益性指标，通过调查问卷打分的形式得到专家评价指标权重如表7所示。

表7 专家评价指标权重Table 7 Expert evaluation index weight

将主客观评价方法即熵权法与专家评价法相结合，得到农村微能网规划方案各指标新的权重值，权重和农村微能网规划方案评价值计算公式[22]如下所示：

式中θj为第j个指标的专家评价权重；φj为第j个指标的熵权法与专家评价法结合计算求得的新权重值；fij为农村微能网评价指标值。

运用专家评价法与熵权法相结合的方法对农村微能网规划方案进行重新评价，评价结果如图5所示。由图5可知，由于专家3侧重关注环保性指标，所以方案2的综合评价值最高。对于专家1、2和4而言，方案3综合评价值最高，所以项目投资方如果更关注可靠性、效益性和经济性方面，方案3是最优选择。需要说明的是，上述算例负荷的变化，对评价结果没有影响。因为微能网规划方案的优劣由微能网规划评价指标决定，而微能网规划评价指标由文中“2农村微能网规划评价指标”中的公式求得。在文中“2.1可靠性指标”部分，系统冷-热-电能缺供功率3个指标虽然表面上与负荷情况变化有直接关系，但实际上系统冷-热-电能缺供功率由微能网规划方案中各供能设备的功率决定。在文中2.2-2.4部分，经济性、环保性和效益性指标的大小与微能网规划方案中各供能设备的出力大小决定。因此，负荷情况的变化对微能网评价结果没有影响。

图5 专家评价法与熵权法结合评价结果Fig.5 Evaluation results combining expert evaluation and entropy method

5 结 论

本研究建立包含可靠性、经济性、环保性和效益性4个一级指标、7个二级指标和14个三级指标的农村微能网规划评价体系，运用熵权法和专家评价相结合的方法对各微能网规划方案进行评价，得到如下结论：

1）所提农村微能网规划评价指标均具有明确的物理含义和计算方法。算例结果表明，各指标可以为农村微能网规划方案的优劣评价提供数据支撑。

2）熵权法是一种客观评价法，可以通过纸面数据客观得到农村微能网各规划方案的评价值分别为1.32、1.14和2.47，则具有供能装置、能量转换装置和冷-热-电多形式储能装置的方案3为农村微能网最优规划方案，实现了对农村微能网各规划方案优劣性的客观评价。根据项目所在地的环境条件和项目投资方需求等不同，建立专家评价指标权重表，将专家评价法（主观评价法）作为一种辅助评价方法，来配合熵权法（客观评价法）对农村微能网各规划方案进行综合评价，在环保性方面，未规划储能装置的方案2综合评价值最高，为农村微能网最优规划方案，在可靠性、效益性和经济性方面，具有供能装置、能量转换装置和冷-热-电多形式储能装置的方案3综合评价值最高，为农村微能网最优规划方案。上述结果可以为项目的实际运作提供个性化的解决方案，实现了项目投资方利益的最大化。