含分布式供能設備的綜合能源系統規劃評價*

聞旻，劉育權，胡梟，程浩忠

(1. 上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2. 廣州供電局有限公司，廣州 510620)

0 引 言

隨著人類社會生產以及生活水平的提高，能源需求急劇上升，考慮到傳統化石能源儲備有限，能源緊缺將成為發展道路上無法避免的難題。綜合能源系統(Integrated Energy System, IES)被認為是未來可有效解決能源危機的供能形式，近年來成為了研究熱點。它一改傳統電、熱、氣、冷系統分供的模式，通過各類能源在生產、傳輸、分配、消費等多環節的協調優化，大大提高了能源綜合利用效率，并且隨著大規模可再生能源發電并網，可進一步優化能源結構，助力可持續發展[1-2]。

IES中包含了多種形式的供能設備，集中式設備如CHP機組、大型燃氣鍋爐，分布式設備如用戶側的分布式電源、電熱水器等，能源間轉換情況復雜，系統間耦合性較高，加之分布式電源帶來的不確定性，使得IES規劃評價成為難點。當前研究處于起步階段，多從IES某特性入手進行分析，少有對于IES整體的把握。文獻[3]對目前IES可靠性研究現狀進行了梳理，從模型、算法、指標體系三方面提出了未來研究方向。文獻[4]分析了IES經濟性的影響因素及其機理，針對不同運營模式進行了系統動力學建模。文獻[5]從經濟性出發建立了冷熱電聯供型微電網的優化運行模型，通過改進粒子群算法對微網運行策略進行求解。文獻[6]考慮了包含蓄能裝置的冷熱電聯供微網，以經濟、環保綜合成本最小為目標，實現環保經濟協調調度。文獻[7]綜合了經濟和環保因素，建立了綜合能源站雙層設備容量規劃模型，提出了優化設計方法。

文中選取熱電聯供IES為研究對象，研究不同用戶供能設備配置對于IES整體性能的影響。首先在已有研究基礎上，綜合考慮電網、熱網的相同性及差異性，從多角度建立更為全面的IES規劃評價體系；其次，通過模糊綜合評價法制定多方案決策方法，針對實際方案進行指標集約簡，采用改進梯形隸屬度函數去除指標量綱并歸一化，通過反熵確定指標權重，進行方案綜合評分；最后，通過算例驗證評價體系的可行性，并給出用戶供能設備配置的推薦方案。

1 IES規劃評價體系

IES的本質是能源的轉換和分配，根據區域內可獲得的各種能源形式，通過優化協調各類供能設備的配置，來滿足用戶多種形式的用能需求。要對IES規劃開展評價，首先應考慮IES可靠供應的能力即可靠性因素，其次為系統建設、運營成本的經濟性因素。在此基礎上，還應考察IES靈活應對未來負荷變化的能力即靈活性因素。因此，文章分別從可靠性、經濟性、靈活性三方面出發，選取IES規劃評價指標。

1.1 可靠性評價指標

與傳統配電網絡類似，供能可靠性用于描述綜合能源系統在研究時間內完成規定供能任務的能力。此處的供能任務包含兩層含義：一方面，供能系統應時刻保持供能的安全性，即對于設備運行參數穩定、不越限的要求；另一方面，考慮到可能出現的設備故障，在故障排除或修復的時間內，系統應通過切換運行狀態，保證所帶用戶不受影響。因此，文章分別從正常和故障工況出發，以熱電聯供系統為例，選取合適的可靠性評價指標。

1.1.1 正常工況可靠性指標

正常工況下，可靠性指標反映了系統供能安全與否。對于所研究的熱電聯供系統，相應的可靠性指標可由各自的供能安全準則給出。

《城市電網供電安全標準》中[8]，供電安全采用N-1校驗準則。從校驗設備類型，可分為主變N-1和饋線N-1校驗。在元件發生N-1故障斷線或檢修時，由于配電網閉環設計、開環運行的特點，通常需要閉合一個開關以保證負荷正常供電，因此配電網的安全校驗又稱為N-1+1準則。在此準則下，系統需保證所有負荷的正常供電，并且所有元件均不過載、不越限，僅在發生嚴重故障時，可允許變壓器短時過載。

(1)

供熱安全則主要對管道中熱媒流速、壓力等指標進行校驗，判斷其是否能在現有環境、管道材質下安全運行。以熱水管網為例，對供熱安全指標進行說明。給定熱負荷、管道直徑的大小，通過水力計算，可求得管道熱水流量以及壓力損失。《城鎮供熱管網設計規范》[9]中規定：(1)支干線比摩阻不應大于300 Pa/m；(2)熱水流速不應大于3.5 m/s；(3)供水管道任何一點壓力不應低于水的汽化壓力，并留有30 kPa～50 kPa的富裕壓力。

(2)

1.1.2 故障工況可靠性指標

故障工況指標，即考慮系統故障時對各負荷點的供能情況。不同元件發生故障會導致不同程度的供能量不足，因此在進行故障工況分析時，首先要明確所考慮的故障元件種類，即形成故障元件集{fi}。可通過蒙特卡洛模擬法對{fi}中的元件運行狀態采樣，從而模擬系統的故障工況。

聯供系統的故障工況可靠性指標可分為負荷點指標和系統級指標，其中負荷點指標通過對故障工況下的用戶供能情況統計得到，系統級指標則在負荷點指標基礎上計算得到。

(1)負荷點指標。

(3)

式中χ為建筑的熱儲備系數；tn為室內設計溫度；tw為室外空氣計算溫度；q0為建筑的供暖體積熱指標；V為建筑的外圍體積；Q為故障工況下系統向建筑的供熱量，對于故障時與熱網斷開的負荷，Q=0。

(2)系統級指標。

系統級指標包括：系統停供頻率SIF(System Interruption Frequency)、系統停供持續時間SID(System Interruption Duration)、系統供能不足量SENS(System Energy not Supplied)、系統供能可靠性SSA(System Service Availability)。系統級指標的計算公式由式(4)～式(7)給出：

(4)

(5)

(6)

(7)

1.2 經濟性評價指標

IES由綜合能源運營商負責系統的建設、維護和運行。分布式電源的接入以及用戶側電熱轉換設備的配置，不僅改變了系統中能流的分布，減小了網損，而且清潔能源發電也有效降低了污染物排放。因此，IES經濟性評價方面，可選取IES總成本、網損減少收益、環境減排效益作為評價指標。

1.2.1 IES總成本

對綜合能源運營商而言，在IES的建設和運營過程中，總成本主要有以下三部分組成：建設成本Ccon，即設備、網架初投資；維護成本Com，如線路保護、設備檢修等；運行成本Cop，主要指設備運行過程中產生的燃料費用。所有費用均為等年值，單位億元。

C=Ccon+Com+Cop

(8)

1.2.2 網損減少收益

在長距離能量傳輸中，網損不可避免。合理的網架規劃，以及在靠近負荷的地方接入分布式電源，都可減少系統網損。系統網損的減少量可轉換為相應的經濟效益，即因網損降低而減少的網絡損耗費用，用網損減少收益Bnl表示，單位萬元。

Bnl=celeΔPnl

(9)

式中cele為售電公司單位電價；ΔPnl為系統網損減少量。

1.2.3 環境減排效益

聯供系統與電、熱分供系統相比，不僅提高了能源使用效率，而且由于采用清潔能源，大幅減少了污染排放。IES的環保特性可以通過經濟效益指標加以體現。定義環境減排效益為Benv，與常規燃煤發電相比，產生同等電量情況下IES減排污染物的環境價值，單位億元。

1.3 靈活性評價指標

靈活性主要用于描述系統響應負荷變化的能力，對于IES而言，分布式供能設備增強了IES滿足短時供能缺口的能力，聯供系統則能通過優化調節內部能流，保證充足的電力、熱力供應。因此，可選取線路最大負載率、系統最大供能能力，作為能源轉換設備配置的靈活性指標。

1.3.1 線路最大負載率

線路最大負載率ηmax用于反映線路的利用率，計算公式如下。

(11)

式中Imax為線路最大工作電流；I0為線路長期允許載流量。

1.3.2 系統最大供能能力

在系統中的線路和設備均不過載的情況下，IES所能供應的最大負荷稱為系統最大供能能力MLSC(Maximum Load Supply Capacity)。采用重復能流法，不斷模擬增大負荷，并進行電網潮流、熱網能流計算，直至系統安全準則無法滿足，記錄此時的系統總負荷Lmax即為最大供能能力MLSC。可以用式(12)的優化模型表示，以系統總負荷最大為目標，考慮IES安全準則作為約束條件。

maxLmax

s.t.N-1通過率=1

供熱安全指標=1

(12)

2 IES規劃的綜合評價方法

綜合前文提出的各項可靠性以及經濟性評價指標，可以得出IES的綜合評價指標體系，共包含3個一級指標，12個二級指標，如圖1所示。對于形成的指標集，由于各指標量綱不同無法直接比較，并且指標優劣也存在模糊性，因此采用模糊綜合評價法對IES規劃方案進行評估。

2.1 指標集約簡

IES評價體系包含多項指標，部分指標間可能存在一定相關性。若直接進行綜合評價，會放大彼此間具有強相關性的指標對于最終方案選擇的傾向性。為避免此類情況，首先需要對指標集進行約簡，刪去強相關指標。假設共有N個規劃方案，對于含有M個一級指標的指標集，每一次指標約簡都在第i個一級指標下屬的所有二級指標Ai,t間進行，其中1≤i≤M，指標間的關聯度用相關系數表示，并通過閾值r0判斷是否強相關，約簡步驟如下：

(1)令最終的評價指標集A={ }，設置約簡閾值r0，通常為0.8；

(2)選取一級指標Ai，假設其下屬二級指標為{Aik}，1≤k≤K，計算{Aik}間的相關度。指標Ai,x和Ai,y間的相關系數ri,xy可通過式(13)計算：

(13)

(4)將{Aik}剩余指標添加到A中，返回步驟(2)；

(5)若所有一級指標均已通過約簡，則約簡結束，輸出最終評價指標集A。

2.2 指標無量綱化

提出的IES規劃評價指標體系中，各指標量綱和表現形式不盡相同，只有消除指標量綱的影響后，才能進行指標綜合。另外，指標間的優劣并無明確的量化界限，要進行綜合評價就必須量化指標的優劣評價。因此，通常通過模糊隸屬度函數對指標實際值進行模糊變換，將不同量綱的數值轉化為[0,1]區間內的實數加以表示，“0”表示完全不隸屬，“1”表示完全隸屬。進行模糊變換時，需對指標進行區分，可分為以下三類：正向指標(數值越大越好)、逆向指標(數值越小越好)、適度指標(數值處于某范圍內最好)。

模糊變換時，部分重要指標在不同方案間評分相近，如供能可靠性通常十分接近1，綜合評估時易被認為無效指標而忽略。為保證評價結果合理性，文中從隸屬度函數入手，引入合理值區間取代變量上下限，采用改進梯形隸屬度函數進行模糊變換，相應的模糊隸屬度函數可通過式(14)～式(16)表示。

(14)

(15)

(16)

2.3 指標賦權

熵值概念源于系統熱力學，后被用于度量信息量的大小，指標變異程度越大，熵值越大，包含信息量越小。熵權法被普遍用于多指標評價的指標賦權，但其生成的權重值波動較大，易忽略部分指標。與熵權法相比，反熵權法對于指標差異度的敏感性較弱[10]，可有效避免各指標權重差異過大而造成部分指標無效的情況。反熵權法賦權步驟如下：

(1)指標預處理，依次進行指標約簡、去量綱化，形成評價指標矩陣V：

(17)

(2)對V中每項指標求其反熵。

(18)

(3)確定指標權重。

(19)

最終，各方案綜合評分值s由式(20)計算得到：

s=Vw

(20)

3 算例分析

3.1 基礎數據

以某園區熱電聯供系統為算例，取其采暖期(每年118天)為研究時段，對所提IES規劃評價體系進行驗證。園區共計9家企業，圖2給出了各企業采暖期內平均電、熱負荷。IES結構如圖3所示，圖中黑線代表配電網線路，紅線代表熱水管道，變電站位于節點6，熱源為CHP機組。進行可靠性分析時，考慮的故障元件包括：配電線路、用戶變壓器、斷路器、熱水管道、閥門，相應的可靠性參數見文獻[11-12]。配置的分布式供能設備包括：光伏、燃氣鍋爐和電熱水鍋爐，相應的設備參數如表1所示[13]。

經前期研究，初步規劃了八組設備配置方案，其中方案七、方案八表示在每個給出節點都配置了2 MW供能設備。表2給出了相應的方案結果。

圖2 各企業平均電、熱負荷情況

圖3 園區聯供系統結構圖

設備類型投資成本/(元·kW-1)運維成本占比(%)光伏11 0005小型燃氣鍋爐2001電熱水鍋爐5 0003.7

表2 分布式供能設備配置方案

3.2 評價結果及分析

對表2中八組方案依次進行可靠性、經濟性、靈活性評價，得到初始評價矩陣如表3所示。在初始評價矩陣基礎上進行指標集約簡，形成新的評價指標集A={A1,A2,A5,A6,A7,A9,A11,A12}。其中，A1和A2雖存在強相關性，但其指標原理完全不同、互不影響，因此均作保留。對指標集A進行指標去量綱化，并通過反熵權法計算A中指標的權重w=[0,0,0.1582,0.1807,0.1721,0.1722,0.1519,0.1650]，圖4給出了八個方案綜合評價結果。

表3 各方案初始評價矩陣

圖4 綜合評價結果

比較所有方案，方案八綜合評分最高，方案七其次，因此在進行多方案決策時，應優先選擇方案八，并且各方案優先度應按照綜合評分值進行排序。下面進一步分析用戶側分布式供能設備配置方案。

分析方案一、二、四可發現，當用戶配置光伏或電熱水鍋爐時，系統綜合指標得到提升，主要因為兩者都有助于改善系統供能的可靠性、環境減排效益以及最大供能能力。此外，光伏的接入改變了配電網潮流分布，使得線損降低、最大負載率下降。因此在用戶側，鼓勵光伏和電熱水鍋爐作為供能設備進行規劃。

對比方案一、三和二、五可發現，當在用戶側配置小型燃氣鍋爐時，綜合評分有惡化的趨勢。這是因為采用CHP進行聯供效率較高，用戶側分布式的燃氣鍋爐熱效率往往較低，且極易發生不完全燃燒，造成環境污染，由以上因素綜合考慮，在由CHP機組承擔熱源的聯供系統中，不推薦用戶配置小型燃氣鍋爐。

分析方案六、七、八可發現，隨著分布式供能設備(光伏、電熱水鍋爐)配置總容量的增加，IES綜合評分值也相應增加，呈現正相關。同時隨著配置容量進一步上升，系統綜合評分的提升速度減緩，這表明分布式供能設備可顯著改善系統綜合指標，但指標的提升存在邊界效應，應在合理的容量范圍內鼓勵接入。

4 結束語

基于分布式供能設備配置，從可靠性、經濟性、靈活性三個角度提出了評價指標，形成了IES規劃評價體系。在指標基礎上，采用基于改進梯形隸屬度函數和反熵權法的模糊綜合評價法對待選方案進行綜合評估，得出最優方案。通過某園區熱電聯供系統進行驗證，得到結論如下：(1)分布式光伏的接入可顯著提升IES整體評價，應鼓勵在用戶側接入；(2)分布式供熱設備方面，燃氣鍋爐會惡化系統整體指標，相比之下電熱鍋爐的配置方案明顯更優，規劃時更推薦后者；(3)分布式供能設備對于系統整體性能的提升存在邊界效應，配置容量宜位于合理范圍內。