综合能源系统配置方案综合评价研究

徐 兵，赵 号，曹艳楠，李学斌

（中国能源建设集团天津电力设计院有限公司，天津 河东 300180）

0 引言

电力行业是能源消耗的主要行业，同时也是温室气体二氧化碳排放的主要来源，电力行业实现节能减排对缓解污染问题，对实现可持续发展具有重要的作用[1]。因此，逐步调整能源系统结构，实施多种低碳措施，是实现电力系统可持续发展的必经之路。

目前电力系统、天然气系统以及供热系统彼此是独立的个体，彼此之间不能协调运行，严重制约了可再生能源的接入空间。要想实现社会能源可靠、高效的综合利用以及节能减排这一目标，必须要将各个供能系统融合到一起，统一优化，形成社会能源一体化供应的综合能源系统（integrated energy system，IES）。

目前综合能源系统领域相关评价的研究较少，且大多数为综合能源系统运行的评价，鲜有考虑综合能源系统规划方案的评价。文献[2]对综合能源系统可靠性研究现状进行了梳理，分别从模型、算法、指标体系3方面提出了未来研究方向。文献[3]针对天然气-电力联合系统，建立了可靠性评价方法，分析了联合系统的最大供电能力。文献[4-5]对楼宇冷热电联供系统，分别从供能可靠性和环保性进行对比分析，证明联供系统在这两方面的优越性。文献[6]提出了考虑建筑分布式能源系统的能源利用效率和经济指标的方案评价方法。文献[7-8]构建了经济、能耗、环境因素的分布式能源评价体系及决策模型，并对若干典型能源系统进行综合评价。文献[9]针对三联供系统，考虑技术、经济、环境、社会因素等多项评价准则，建立了基于层次分析和熵权的指标赋权法。文献[10]运用层次分析法，选取投资费用、运行费用、碳排放量和一次能源耗量，对日本不同的居民供能系统方案进行评价。文献[11]考虑系统灵活性指标，建立综合能源系统多评价指标体系，并采用模糊综合评价法求解。

本文对综合能源系统配置方案综合评价开展研究，首先，考虑安全性、经济性、能效性、环保性，建立了综合能源系统配置方案多层级多维度综合评价指标体系；其次，提出了层次分析法-熵值法主客观结合的权重系数法获取综合权重，并采用模糊综合评价法评价；最后，采用某综合能源系统优化配置作为算例对所提方法进行验证，仿真结果证明了本文所提方法的有效性。

1 综合能源系统配置方案评价指标体系

1.1 评价体系

在综合能源系统配置方案评价过程中，为了提升各指标与实际的贴近程度，各指标首先要明确与评价目的的一致性，然后系统要尽可能反映综合能源系统优化配置的实际特征。综合考虑电网、热（冷）网、天然气网以及各能源系统的耦合特性，从安全性、经济性、能效性、环保性4个方面出发，建立综合能源系统优化配置综合效益评价指标体系，包括4个一级指标和9个二级指标。综合能源系统优化配置方案综合评价指标体系如图1所示。

图1 综合能源系统配置方案综合评价指标体系

1.1.1 安全性指标

安全性指标包括电网安全指标、热（冷）网安全指标和天然气网安全指标[1]。

（1）电网安全指标

综合能源系统中电网安全性指标采用主变N-1校验表征，主变N-1校验通过率为：

式中：fpr为主变N-1校验通过率；Nt为通过N-1校验的主变个数；Nz为主变总数。

（2）热（冷）网安全指标

通常情况下，综合能源系统供热和供冷分为3种情况，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，前两种情况存在管网，第3种情况不需安装统一管网，并且集中供热和集中供冷设计时，供热系统和供冷系统共用一组管网。因此热（冷）网安全性指标主要指系统运行过程中管网是否超过设计流量或满足设计规范。CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计规划》中，对管道比摩阻、流速和压力工况规定如下：支干线比摩阻不应大于300 Pa/m；水流速不应大于3.5 m/s；供水管道压力不得低于热水汽化压力，并留有30～50 kPa的富裕压力。因此，热（冷）网安全性指标主要考虑管道比摩阻、流速和管道压力的校验，满足三者校验为合格，指标值取1，不满足为不合格，指标值取0。

（3）天然气网安全指标

天然气网安全主要是指安全供应和安全生产。在综合能源系统中，天然气是一次能源输入，主要考虑天然气在传输过程中的一系列安全问题，分为两个方面，天然气技术指标和运行参数。天然气技术指标需满足规范GB 17820—2018 《天然气》相关规定，运行参数需满足规范GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》相关规定。天然气网安全指标主要考虑天然气技术指标和运行参数的校验，满足二者校验为合格，指标值取1，不满足为不合格，指标值取0。

1.1.2 经济性指标

综合能源系统中供电、供热（冷）、供气系统相互交叉耦合，与传统独立的供能系统有本质区别，考虑经济性指标时，也需要考虑综合能源系统的整体经济性。经济性指标涵盖投资建设费用、运行维护费用以及收益，综合考虑三者之间的关系，建立四项二级指标，分别为初始投资成本、运行维护成本、投资回收期和系统使用寿命。

（1）初始投资成本

初始投资成本指综合能源系统优化配置设备的投资成本，可以配置容量和单位容量投资成本计算求得，如下所示。

式中：i为能源供应生产设备编号； Ω1为能源供应生产设备集合； Ω2为储能设备集合；为第i个能源供应生产设备的单位容量投资成本；为第i个能源供应生产设备配置容量；j为储能设备编号；为第j个储能设备的单位容量投资成本；为第j个储能设备的配置容量。

（2）运行维护成本

运行维护成本指的是综合能源系统的年运行维护成本，包括运行费用和设备维护费用，运行费用即能源购置费用，设备维护费用可以由配置容量和单位容量运行维护成本计算求得，如下所示。

式中：Cot为综合能源系统年运行维护成本；Com为综合能源系统年设备维护费用；Cop为综合能源系统年运行费用；为第i个能源供应生产设备的单位容量年运行维护成本；为第j个储能设备的单位容量年运行维护成本；S为第s个典型场景日；Ns为一年中典型日场景s的持续天数；H为一天的总时段数，Ce,s,h、Cg,s,h分别为第s典型日场景h时段的电力购买单价和天然气购买单价；Pe,s,h、Gg,s,h分别为第s典型日场景h时段的电力和天然气购买量。

（3）投资回收期

投资回收期是项目经济可行性的重要指标，回收期愈短，风险愈小，盈利愈多。投资回收期计算如下。

式中：Ths为投资回收期；Ts为收益大于总投资的年份；H为一天的总时段数；T为规划周期；r为资金折现率；SRt为第t年的供能收益，Ce,t,s,h,J、Ce,t,s,h,SY、Ce,t,s,h,GY分别为第t年S典型日场景h时段的居民、商业、工业电力出售单价，元/kW·h；Pe,t,s,h,J、Pe,t,s,h,SY、Pe,t,s,h,GY分别为第t年S典型日场景h时段的居民、商业、工业售电量，kW·h；HPRJ、HPRFJ分别为居民和非居民的单位面积供热价格，元/m2；CPRJ、CPRFJ分别为居民和非居民的单位面积供冷价格，元/m2；Ar,J、Ar,FJ分别为居民和非居民面积，m2。

（4）系统使用寿命

系统使用寿命指综合能源系统中配置的设备，从全新状态开始使用至核心设备无法稳定运行，不再具有正常功能而停止使用的全部时间，与设备维修保养优劣程度密切相关，单位为年。该指标主要参考设备厂商资料和实际项目经验值。

1.1.3 能效性指标

能效性指标反映综合能源系统中能量被有效利用的程度，可以衡量能源利用的技术水平。综合能源系统中，通过各种能源生产、转换设备和能源存储设备，满足各类用户的多元负荷需求，因此选择综合能源利用效率作为能效性指标的二级指标。

综合能源利用率的定义是纯电负荷需求、冷负荷需求、热负荷需求、气负荷需求的总量与能源输入量的比值。能源输入包括可再生能源和非可再生能源，区域综合能源系统能效分析的目的是寻找提高非可再生能源的利用率和充分消纳可再生能源的方法，而评估可再生能源的利用程度并无实际意义，可再生能源属于自然资源，不需要付出经济成本，也不会产生污染气体排放，因此，能源输入量可以只考虑非可再生能源，即外购电与外购气的能源和。

该指标不仅可以反映传统化石能源的利用水平，并且在一定条件下体现了可再生能源的消纳水平。其值越高，在负荷不变的条件下，化石能源利用效率越高；可再生能源消纳的越多，其值也越高。

综合能源利用率计算如下。

式中： ηPIES为综合能源系统的综合能源利用率；PeL、QqL、CcL、GgL分别为综合能源系统内的一年的电负荷、热负荷、冷负荷和气负荷；ECq,e、ECc,e、ECg,e分别为热负荷、冷负荷和天然气转换为电能的能质系数；Pe、Gg分别为综合能源系统的年外购电量和年外购气量。

1.1.4 环保性指标

消耗化石能源能够产生污染物，从而造成环境污染，综合能源系统的发展是为了促进能源的可持续发展，达到节能减排的目的，因此系统的污染排放是衡量综合能源系统环保性的重要指标。因此，污染物排放作为环保型指标的二级指标。

污染物主要是综合能源系统消耗天然气和电力产生的污染气体排放，电能生产及天然气消耗过程中产生的主要污染气体有CO、CO2、SO2和NOx，考虑4种污染气体排放，污染物排放量计算如下。

式中：Cpoll为综合能源系统规划期内的污染物排放总量；ECO为第t年的CO排放量；ECO2为第t年的CO2排放量；ESO2为第t年的SO2排放量；ENOx为第t年的NOx排放量；S为每年典型日场景数量；Ω3为消耗天然气的能源供应生产设备集合；Gg,i,s,h为第s典型日场景h时段第i个消耗天然气的能源供应生产设备的天然气购买量； αe,CO、 αe,CO2、αe,SO2和 αe,NOx分别为消耗电能所产生的污染气体CO、CO2、SO2和NOx的排放系数； αg,i,CO、 αg,i,CO2、αg,i,SO2、 αg,i,NOx分别为第i个消耗天然气的能源供应生产设备产生的污染气体CO、CO2、SO2和NOx的排放系数；GgL,o,s,h为第s典型日场景h时段其他天然气负荷功率； αg,o,CO、 αg,o,CO2、 αg,o,SO2和αg,o,NOx分别为除消耗天然气的能源供应生产设备以外其他消耗天然气所产生的污染气体CO、CO2、SO2和NOx的排放系数。

1.2 指标分类

在评价过程中决策者对评价对象的结果准确性与指标属性有很紧密的联系，同时指标属性不同的数据的处理过程也不可能完全相同，因此，合理的对指标属性进行分类是评价过程中的重要环节，对评价结果影响很大。一般情况下，利用指标自身属性将其概括为3类，正指标、逆指标和适度指标。正指标数值越大评价越好；逆指标数值越小评价越好；适度指标位于一定范围内为宜。根据构建的综合能源配置方案评价体系中各指标的内涵及性质，所有指标分类如表1所示。

表1 综合能源系统配置方案评价体系指标分类

2 评价方法

综合能源系统评价方法可以分为指标赋权重和方案综合评价两个方面，评价指标体系建立完成后，首先，需要确定每层、每个指标的权重大小，其次，采用评价方法对每个指标进行评价，最后利用权重大小和每个指标的评分情况，计算得到方案的总评分。

2.1 权重确定方法

权重确定方法包括主观赋权法和客观赋权法，主观赋权法能够有效反映专家经验和决策者偏好，但是不可避免的能够忽略一些客观因素，客观赋权法能够有效分析各指标之间存在的客观联系，但是无法结合实际需求，在评价过程中，指标权重过于主观或客观，均不利于评价结果，须研究主观和客观赋权法结合，既能发挥不同方法自身优势，又能够弥足各方法的不足。本文兼顾主观和客观权重系数，综合考虑专家经验和客观因素的影响，提出层次分析法[12-13]-熵权法[14]主客观结合的权重系数法。本文提出的层次分析法-熵值法主客观结合的权重系数，通过可调的权重系数，将两种权重方法组合得到最优权重，计算公式如下。

式中：wj为综合权重；wj1为层次分析法所得权重；wj2为熵权法所得权重； β 为权重系数，当 β=0 时，为纯客观指标权重，当 β=1 时，为纯主观指标权重，通过调整 β 的大小，可以实现主观和客观指标权重结合的灵活调整。

2.2 评价方法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，通过隶属函数对模糊问题进行量化，从而可以通过数学方法对其进行分析与处理，能较好地解决评价对象和评价过程中存在的模糊性，在各种科学领域都得到了广泛应用。因此采用模糊综合评价法进行综合能源系统配置方案的综合评价。

本章提出的基于层次分析法-熵权法的综合能源系统配置方案模糊综合评价流程如图2所示。

图2 综合能源系统配置方案综合评价流程图

3 案例分析

选取我国内蒙古地区某个综合能源系统作为对象，该商业中心地块占地面积17.24万m2，建筑面积49.37万m2，夏季典型日110天，过渡季典型日73天，冬季典型日182天。该地块均为商业负荷，工业负荷和居民负荷为0。工商业用电价格为0.563 7元/(kW·h)。天然气价格为3.02元/m3。供暖价格为每月5.03元/m2。规划周期为20年。采用多目标优化方法得到20组综合能源系统配置方案，计算各配置方案对应的指标值，如表2所示。

表2 综合能源系统配置方案指标值

3.1 权重系数确定

本节首先采用层析分析法确定各准则和指标的主观权重，其次采用熵权法确定各准则和指标的客观权重，最后利用权重系数将主观权重和客观权重加权获得主客观综合权重。

3.1.1 判断矩阵

确定准则判断矩阵和准则下所有下属指标的相对重要程度的判断矩阵。

综合能源系统配置方案评价体系包含4个准则，准则层判断矩阵A为4 × 4矩阵，判断矩阵主对角线为1，关于主对角线对称的位置互为倒数。准则层判断矩阵如下所示。

安全性准则下属指标的判断矩阵Ase为3 × 3矩阵。

经济性准则下属指标的判断矩阵Aec为4 × 4矩阵。

能效性准则下属指标的判断矩阵Aef为1 × 1矩阵，即[1]。

环保性准则下属指标的判断矩阵Aen为1 × 1矩阵，即[1]。

3.1.2 权重系数

根据计算得到的主观权重和客观权重，计算得到各指标的主客观权重值，如表3所示。

表3 各指标权重值

3.2 综合评价结果分析

各配置方案总得分值如图3所示，各配置方案所有准则和指标层得分如表4所示。

表4 不同综合能源系统配置方案评分结果

图3 综合能源系统配置方案评价得分结果

从评分结果来看，20个方案中最高得分为81.945，最低得分为65.141，总体都能够达到良好水平，也能够说明本项目所提综合能源系统联合优化配置方案的有效性。

配置方案1的得分最高，与其他的配置方案相比，配置方案1在经济性和能效性方面表现较好，经济性准则评分和能效性评分均在80分以上，说明运行策略1综合能源利用效率较高。但是配置方案1的环保性评分较低，污染气体排放量较高，说明经济性和环保性是相互矛盾的。

环保性准则评分最高的是配置方案10，得分为94.966分，配置方案10为环保性最优方案，其污染物排放量最低，但是其经济性和能效性评分均较差，经济性指标评分仅为49.144分，导致配置方案10的总得分最低。

经济性准则评分最高的为配置方案3，得分为92.831分，配置方案3为经济性最优方案，其投资回收期为16年，并且设备投资成本和运行维护费用均较低。

4 结束语

本文首先综合协同考虑电网、热（冷）网、天然气网，兼顾安全性、经济性、能效性、环保性，建立了综合能源系统配置方案综合评价指标体系，包括个一级指标和二级指标；其次，计及主观权重和客观权重，提出了层次分析法-熵值法主客观结合的权重系数确定最优权重；进一步，采用模糊综合评价法进行评价，给出了综合能源系统配置方案评价流程。文章采用我国内蒙古地区某个综合能源系统作为对象进行案例分析，采用本文所提方法可以快速有效地对多个配置方案进行总体评分和分项评分，为综合能源系统配置方案评价提供一定的参考价值。