基于主客观赋权法的综合能源系统效益评估方法

胡竞秋，张轩，严心然，侯庆峰，曾婧瑶，邹庄磊

(1.中国南方电网有限责任公司北京分公司，北京 100000；2.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641)

经济与社会的快速发展推动着能源生产消费革命，构建安全、高效、清洁、低碳的能源体系，开展多能互补集成优化工程，建立并开展多能互补综合能源系统和综合能源服务是我国《能源发展“十三五”规划》的主要任务之一[1-2]，也是新型电力系统建设中的重要内容。

本研究面向多能互补综合能源系统的综合经济效益评估，建立以经济性、环境与低碳性、社会与技术性为基础的综合评价指标体系，应用层级分析法和反熵法确定主客观相结合的指标权重占比，既符合多目标多层次的系统评价，又具备降低权重分配时可能出现的极端情况概率的能力。并通过指标实际值与评估分数的对应关系，采用最小二乘拟合得到评分函数，结合各项指标的评分函数与其权重，由此建立完整的量化评估方法，实现多层次评价多能互补综合能源系统的综合效益。最后以2个多能互补综合能源系统评估为例，证明本文所提方法的有效性。

1 综合能源系统利益主体经济效益计算

本文所分析的多能互补综合能源系统可分为储能、可再生能源、热电联产机组、用户收益4种利益主体。通过计算综合能源系统与传统系统的经济收益，量化综合能源系统的经济优势，为后续建立综合能源系统的综合经济评估体系奠定基础。

1.1 储能

传统储能：储能在传统的电力系统中并不具备规模的经济性，由于其在日内未进行充放电操作，不存在直接的经济收益CI,S，即

CI，S=0.

(1)

综合能源系统内储能：收益为赚取峰谷价差，其计算式为

pPV(t)WPV,S(t)).

(2)

式中：CC,S为储能主体的经济收益；pS(t)、pG(t)和pPV(t)分别为t时刻储能、电网及光伏处售电电价；WS(t)为储能处售电量；WG,S(t)、WPV,S(t)分别为储能向电网、光伏购电量；T为时刻集合。

1.2 可再生能源

考虑到低压侧分布式可再生能源特点，本研究以光伏主体收益为例。新能源平价上网政策发布后，在传统供能模式下，光伏主体的收益来源于光伏全额上网的收益CI，PV，即

(3)

式中：pPV,G(t)为光伏上网电价；WPV,G(t)为光伏上网售电量。

综合能源系统内光伏收益：相比传统供能模式，增加出售给储能及用户的经济收益部分，即

(4)

式中：CC,PV为综合能源系统内光伏的经济收益；pPV,U(t)、WPV,U(t)分别为用户购光伏发电的电价与购电量。

1.3 热电联产机组

传统联产机组收益来源为发电全额上网，即

(5)

式中：CI,CHP为传统热电联产机组的经济收益；pCHP,G(t)为上网电价；WCHP,G(t)为机组的上网电量；pNG为天然气价格；VNG为天然气一日的使用量。

综合能源系统内热电联产机组收益：出售主体改变为系统内用户，即

pCHP,U(t)WCHP,U(t))-pNGVNG.

(6)

式中：CC,CHP为综合能源系统内热电联产机组的经济收益；pCHP,U(t)、WCHP,U(t)分别为出售给系统用户的电价及电量；pH,U(t)为用户购热价格；QH,U(t)为用户的用热量。

1.4 用户支出

传统的用户主体支出主要与热、电的价格和负荷直接相关，即

(7)

式中：CI,U为传统模式用户的经济支出；pG,U(t)、WG,U(t)分别为用户购电价格、用电量。

综合能源系统内用户支出则为从热电联产的购电支出和从综合能源系统的购电支出，即

pPV,U(t)WPV,U(t)+pS(t)WS(t)).

(8)

式中Wgrid(t)为系统用户从网上购电量。

2 构建综合评估指标体系

对多能互补综合能源系统进行综合经济效益评估，按照指标类型区分，主要包括直观经济性、能效性、低碳性、技术性和社会性。本研究直接将经济性设置为2级指标，另外设置能效与低碳性、社会与技术性2个2级指标，分别代表系统利用能源的效率、系统的可靠性和社会服务能力，建立了包含3个2级指标、9个3级指标、18个4级指标的评估指标体系，如图1所示。

图1 综合经济效益的多层次评估指标Fig.1 Multi-level evaluation indicators of comprehensive economic benefit

2.1 经济性指标

2.1.1 全生命周期成本

全生命周期成本指系统从初建到报废全生命周期内的所有费用，包括投资费用、运行维护费用、购能费用等[12]。综合能源系统包含多种分布式发电系统及结构，其投资费用与设计系统的容量有关，计算式为

(9)

式中：Ccap为综合能源系统投资支出；pinv，e为设备e单位容量的支出；Sequ，e为设备e最优容量。

运行维护费用Cop包括人员管理和维护设备费用，

(10)

式中：Cre,e为设备e固定费用；pva,e为设备e单位功率的维护费用；Pd,e(t)为设备e运行功率。

购能费用Cfuel包括从电网购买电力和天然气费用，

(11)

式中Vg(t)为燃气消耗量。

2.1.2 投资回收期

投资回收期表征项目的经济收入可覆盖投资的年份，分为动态、静态投资回收期2项指标，计算式分别为：

(12)

(13)

式中：TDPP、TAPP分别为动态、静态投资回收期；Acin(a)为第a年综合系统经济收入；Acout(a)为第a年总投资；r为年利率。

2.1.3 缓建效益能力

缓建效益能力是指通过多能互补综合能源系统提高能源利用率，以延缓电网公司对系统线路升级的能力，用单位功率成本表示[18]，即：

pb,P=Cb,P/ΔPb，

(14)

pb,Q=Cb,Q/ΔQb.

(15)

式中：pb,P、pb,Q分别为节点b有功、无功功率单位成本；Cb,P、Cb,Q分别为节点b有功、无功波动导致的费用；ΔPb、ΔQb分别为节点b有功、无功波动值。

2.1.4 污染物排放环保税

发电方产生污染物，就需要缴纳相应的环保税。综合能源系统内各设备的污染物排放系数和环境评价标准见表1、表2。结合表内各污染物的排放系数、环境价值与罚款金额，即为污染物排放环保税

表1 各分布式能源设备的污染物排放系数Tab.1 Pollutant emission coefficient of distributed energy equipment

表2 电力行业污染物环境评价标准Tab.2 Environmental assessment standard for pollutants in power industry

(16)

式中：Pe为设备e的耗电功率；γc为第c类污染物的排放系数；vc、φc分别为第c类污染物的环境价值、罚款金额。

2.2 环境与低碳性指标

2.2.1 综合能源利用率

综合能源利用率ηC表示多能源系统对多种能源的利用效率，

(17)

式中：EH、EC、EG分别为系统用热、冷、电需求能量，E1为一次能源消耗的能量，这些能量单位统一为焦耳；τ为能量换算因数，τ=3.6 MJ/kWh。

(18)

式中：Wnew为新能源发电量；Vgas为总购气量；ε0、ε1、ε2分别为天然气、供热量及供冷量能质系数，电能的能质系数为1；tOH、tOC分别为供热和供冷时的环境温度；tH、tC分别为供热、供冷温度。

2.2.3 新能源消纳

本研究选取弃电率α、削减率ζ、渗透率δ这3个4级指标来评估新能源消纳状况，计算式分别为：

(19)

ζ=(WRF-WR)/WRF,

(20)

δ=SRES/PL,m.

(21)

式中：Ptot(t)为可再生能源年度发电功率；Puse(t)为年度用户使用的可再生能源功率；WRF、WR分别为理想、实际发电量；SRES为装机容量；PL,m为负荷峰值功率。

2.2.4 碳排放

本研究将系统碳排放分为天然气燃烧排放、小型发电机组发电排放和外购电排放3个部分，即

ECO2=∑(wgVg(t)+wfWf(t)+wgridWgrid(t)).

(22)

式中：ECO2为系统碳排放量；wg、wf分别为燃气、化石能源发电的碳排放系数；wgrid为区域电网平均供电的碳排放因子；Wf为小型发电机组发电量。

2.2.5 年二氧化碳排放减少量

年二氧化碳排放减少量

FCO2=FEsc.

(23)

式中：Esc为每吨标准煤发电所产生的碳排放量；F为折算成标准煤的年化石能源节约量。

2.3 社会与技术性指标

2.3.1 系统供能可靠性

系统供能可靠性从系统停供频率fSIF、系统停供持续时间SSID、系统供能可靠性ASSA这3个维度考虑，分别为：

(24)

(25)

(26)

式中：E为电网负荷点的集合；H为热网负荷点的集合；Nd，e、Nd，h分别为电网、热网中第d个负荷点的用户数，用下标d表示第d个负荷点，下标e表示电网负荷点，下标h表示热网负荷点，下同；λ为负荷点故障率；M为负荷点年停供时间;Y为1年的时长，Y=8 766 h。

2.3.2 年化石能源节约量

年化石能源节约量

F=Wnewbsc.

(27)

式中bsc为化石能源机组的供电煤耗。

2.3.3 网络损耗

本研究将配电网网损率φ作为损耗指标，

φ=(Ws-Wr)/Ws.

(28)

式中：Wr为目标系统实际使用的总电量；Ws为目标系统外部供电量。

2.3.4 系统运行灵活性

本研究将含储能的系统运行灵活性定义为电源容量、储能容量和联络线最大可调节容量与全网最大负荷的比值。含储能的系统运行灵活性

K=(SP+SS+SW)/PL,max.

(29)

式中：SP为灵活调节电源容量；SS为储能容量；SW为联络线最大可调节容量；PL,max为全网最大负荷。

3 综合评估指标求解方法

3.1 基于归类量化和模糊算法的指标归一化

本研究将所选指标分为具体数值区间限制类指标、固定下限无上限类指标、有下限无上限最大寻优饱和类指标3种类型，并根据模糊集理论，将指标分为成本型、收益型指标2种类型。

有具体数值区间限制类指标的取值在[0,1]之间，或存在具体的数值区间，在分类后无需做具体数值变化的处理。

固定下限无上限类指标的取值无上限，下限固定为0。通过下列变换对其进行标准化处理：

(30)

有下限无上限最大寻优饱和类指标的取值无理论上限，但大于1时应饱和量化至1附近。采用分段函数对其进行量化处理：

(31)

将所有4级指标分为以上3种不同的类型并处理后，采用隶属函数μ(x)来模糊化各指标，且μ(x)∈[0,1]。由于指标包括成本型和收益型指标，当指标k为收益型指标时，隶属函数

(32)

当指标为成本型指标时，隶属函数

(33)

式(32)、(33)中fk为指标k的取值，用下标max、min分别表示其最大、最小值。

在求取各指标的隶属函数后，对各隶属函数进行加权求和，得到综合效益指标优化函数

(34)

3.2 基于层次分析法和反熵法的指标权重确定

本研究所考虑的综合经济效益的多层次评价模型如图2所示，通过选取指标、标准化指标值后，采用主客观结合算法确定指标权重，以全面评价多能互补的综合能源系统。

图2 综合经济效益的多层次评价模型Fig.2 Multi-level evaluation model of comprehensive economic benefit

层次分析法是系统性的分析方法，通过全面分析系统内的综合状态，将复杂的多目标决策类型问题分解为多层次因素，属于一种主观赋值的赋权方法[20]。反熵法则通过对指标进行客观的合理评价，降低出现极端情况的权重分配值，差异性越大时熵值越小，权重系数越大，属于客观赋值的赋权方法。

本研究将层次分析法与反熵法相结合，提出主客观赋权法，既可以人为判定指标的重要程度，也可实现客观减小权值的极端性、波动性和不确定性，不易受主观随意性影响，也不刻意偏向主观或客观权重，能同时关联主观、客观权重之间蕴含的联系，保证判定的合理性。计算步骤如下：

a)确定用于多能互补综合能源系统的综合效益评估的指标集U={u1,u2,…,un}，并确定评语集V={v1,v2,…,vm}。

b)基于层次分析法的权重向量可由如下3个基本步骤确定：①构造判断矩阵P。由指标集U中评估指标ui与uj(i,j=1,2,…,n)的相对重要性关系uij，且uji=1/uij，可以得到判断矩阵

(35)

②通过判断矩阵P计算指标集的权重向量。将判断矩阵P的每一列归一化，即

(36)

则指标集的各个指标的主观权重

(37)

③进行一致性检验。

c)反熵权法计算权重

采用计算指标间熵值的方式计算权重值，计算式为:

(38)

式中：di、ωoi分别为反熵值和客观权重。

d)计算权重关系系数

根据矩阵论的基本理论，本研究通过计算主客观权见重值重要程度，得出最终的权重值。主客观权重值重要程度计算式为:

(39)

式中εi、δi分别为最终第i个指标的主、客观权重关系系数。

e)计算最终权重值

结合计算得到的权重关系系数，可得最终的组合权重

(40)

3.3 评分函数与指标综合

采用本文所提出的综合经济效益的多层次评价模型进行评分函数计算，结果见表3。

表3 采用主客观赋权得出的指标权重Tab.3 Subjective and objective index weighs

4 算例分析

本研究选取一家大型能源企业计划在中国沿海某省2个园区建设的多能互补新能源项目。2个项目包含了光伏、风电以及天然气，地区年平均辐射强度均为1 200 W/m2，平均风速均为4.7 m/s，园区面积分别约为6 400 m2、7 600 m2。设计用电负荷分别约为2.0 MW、2.2 MW，热负荷分别约为1.2 MW、1.4 MW，冷负荷分别约为1.0 MW、0.9 MW，年用电量分别约为2 120 MWh、2 250 MWh，每年供暖、制冷的时间均为120 d。根据本文所提出的指标归一化计算后，数据见表4。

表4 归一化后项目指标值Tab.4 Normalized project index values

由表4计算出的各个方面的指标值与权重乘积，计算出各个2级指标(经济性、环境与低碳性、社会与技术性)和1级指标的取值(见表5)，项目2的各项2级指标值均略优于项目1。计算2个项目的2级指标值差值与项目1指标值的比值，结果如图3所示，反映出项目2在3个指标方面的优异程度。

表5 项目总指标值Tab.5 Total index values of the project

图3 项目指标值对比Fig.3 Comparisons of two project index values

由图3可知，项目2的经济性较为突出，虽然项目2由于投资分布式发电设备及储能设备支出较大，但是后期发电成本较低且储能利用率较高，盈利水平较高，因此经济型优势凸显。在环境与低碳性方面，由于项目2分布式发电设备较多，节省的化石能源及降低的碳排放较多，因此项目略有优势。由于项目地理位置相同，新能源发电指标值相差较小，响应国家政策能力相似，所以环境与低碳性、社会与技术性指标值优势均较经济性指标值优势略低。通过综合分析，项目1现阶段盈利能力较差，在不进行重新规划的前提下，应该增加新能源分布式发电设备及储能的建立与支出，并扩大系统运行的灵活性，为国家达成“双碳”长远目标以及环境与社会做出应有的贡献。

因此，无论从单独的数据比较，或者是总体项目性能的对比，本文所提出的多能互补综合能源系统的综合效益评价方法都可以反映2个项目的优劣程度，客观分析多能互补综合能源系统经济性、环境与低碳性、社会与技术性3个方面，计算共18个4级指标的权重，提供基于归类量化和模糊算法的指标归一化方法，归纳技术、经济与政策3个方面影响因素，从微观与宏观、短期与长期效益、直接与间接经济效益3种不同的角度进行分析，最终实现多能互补综合能源系统的综合经济效益评估。

5 结束语

针对多能互补综合能源系统存在的综合经济效益问题，在考虑机会成本的基础上，开展了对多能互补综合能源系统创造价值和效益评估的研究。分析多能互补综合能源系统和传统单能源系统的经济收益，明确多能互补综合能源系统在经济收益上的优势与具体收益主体，为后续分析效益评估提供理论支持；建立适用于多能互补综合能源系统的效益评估模型和选取原则，针对经济、能效与低碳性、社会与技术性3个方面提出了层次分析法-反熵权法(主客观赋权法)确定指标的权重；针对多能互补综合能源系统效益综合评价中评价分量类型众多、值域开放等特点，根据不同特性的评价分量设计相应的标准化策略(尤其是对于一些取值无上限的指标，引入反正切、分段函数等映射函数)，实现综合经济效益评估算法。最后通过算例表明，本文所提的算法和模型可以有效、全面、多层次地评估多能互补综合能源系统的优劣性，针对算例能够提出合理的优化建议。所研究内容对综合能源系统整体评估、投资决策具有重要的理论意义和实践价值。