面向農村微能網的評價指標構建及應用

張 新，楊建華，王維洲，井天軍，張 漫

（1.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京100083；2.內蒙古科技大學信息工程學院，包頭014010；3.國家電網甘肅省電力公司，蘭州730050）

0 引 言

隨著煤炭、石油等化石能源的日益枯竭和環境污染的不斷加重，如何實現可再生能源的穩定應用，提高能源的綜合利用率，減少環境污染，保障能源的安全供應，成為世界各國的重要研究課題[1-3]。因此，綜合能源網絡的概念應運而生[4]，它由供能網絡（電力網、天然氣網絡和冷熱力網絡）、能量交換環節（冷熱電三聯供機組，空氣源熱泵等）、能量存儲環節（蓄電池，冷熱蓄能裝置等）和大量的終端綜合能源單元構成，實現冷-熱-電-氣能流的多向互動和可再生能源在多網絡間的共享和穩定應用，滿足人民日益增長的優質能源服務需求[5]。在農村地區配置的綜合能源網絡簡稱為農村微能網，是一種用戶側能量綜合利用單元。中國農村地區廣闊，生物質資源和可再生能源豐富，通過農村微能網的研究可以實現上述各類資源的就地綜合利用，對新農村的建設具有重要意義[6]。

目前，國內外對于綜合能源網絡的建模、規劃和優化運行方面進行了大量研究[7-20]。例如，文獻[9]針對中小型區域能源網絡的運行優化問題，提出雙層優化調度模型，采用自適應遺傳算法進行求解，取得較好的優化結果。文獻[12]運用多場景理念對北方某綜合能源網絡進行規劃并分析了綜合能源網絡具有的經濟效益和社會效益。文獻[19]針對綜合能源網絡的建模問題，提出多時序仿真模型，運用MATLAB-EXCEL VBA工具進行仿真模擬，實現電力、熱力和燃氣網絡的綜合分析。文獻[20]以伊朗德黑蘭東部某住宅小區為例，規劃用戶側綜合能源網絡，建立混合整數線性規劃模型，并對規劃結果的優越性進行了闡述。

但是，在綜合能源網絡的評價方面國內外的研究成果較少[21-25]。例如，文獻[21-22]建立適用于單體建筑的多種分布式能源網絡優化配置模型并對配置結果進行評價，但指標設置較少，未能全面的評價分布式能源網絡的配置結果。文獻[23]構建了從規劃到運行具有普適性的區域綜合能源網絡評價指標體系并采用實際算例驗證其指標和方法的有效性，但指標適用面過于寬泛，對沼氣、冷熱能方面的指標考慮較少。文獻[24]提出了綜合能源網絡的典型物理架構并綜述了當前綜合能源網絡的效益評價體系和評價方法。文獻[25]運用能量樞紐的方法針對意大利卡利亞里地區Brotzu醫院的綜合能源網絡的經濟性進行了評估。綜上所述，在農村微能網的規劃評價研究方面存在以下問題：1）現階段針對綜合能源網絡建模、規劃和運行方面的研究成果較多，涉及評價方面的文章較少，

尤其是本文研究農村微能網的規劃評價。2）已有文獻評價指標設置簡單或指標設置繁雜，計算困難，無法有效實現對微能網規劃方案的評價。3）已有文獻評價指標適用面過于寬泛，未根據農村微能網規劃建設的特點，建立科學合理的規劃評價指標體系和評價方法，無法客觀評價各規劃方案的優缺點。針對上述研究問題，

本文提出了包含可靠性、經濟性、環保性效益性4個一級指標、7個二級指標和14個三級指標的農村微能網規劃評價體系，并運用熵權法和專家經驗相結合的綜合評價方法，以期實現對農村微能網規劃方案的客觀、全面評價。

1 農村微能網系統架構

農村微能網主要由能量生產、傳送、轉換、儲存和利用等單元構成。冷-熱-電-氣各類能量通過能量轉換裝置、電力網絡和冷熱力管網實現能量流的多向互動和相互支撐，最終實現多種能源綜合高效利用的目標，系統結構如圖1所示。

1）能量生產單元，是指將風能、光能和天然氣等能源轉換為系統所需冷-熱-電能量的裝置。主要包含風機、光伏、光熱、微型燃氣輪機和燃氣鍋爐等。

2）能量傳送單元，是指各類能量與負荷點之間的傳送通道，主要包含電能網絡、冷熱能網絡、沼氣網等。

3）能量轉換單元，是指實現冷-熱-電-氣各能量互相轉換的裝置，主要包含電-熱轉換裝置（空氣源熱泵）、電-冷轉換裝置（空氣源熱泵）、熱-冷轉換裝置（溴化鋰吸收式制冷機）和熱-熱轉換裝置（余熱鍋爐）。

4）能量儲存單元，是指實現冷-熱-電能儲存的裝置，包括各類蓄電池（鋰電池）、冷熱儲能罐。其主要作用為平抑風電、光伏等可再生能源的出力波動性，在系統內部實現削峰填谷的作用。

5）能量利用單元，是指系統內部冷-熱-電負荷點。

圖1 農村微能網系統架構Fig.1 System frame of rural micro-energy-grid

2 農村微能網規劃評價指標

本研究以客觀和全面為評價指標建立準則，以創新、協調、綠色、開放和共享發展理念為指導，以為人民提供優質能源服務為目標，建立包含可靠性、經濟性、環保性和效益性4個一級指標、7個二級指標和14個三級指標的農村微能網評價體系，評價體系如表1所示。

表1 農村微能網規劃評價體系Table 1 Evaluation system of rural micro-energy-grid

2.1 可靠性指標

農村微能網可靠性指標集主要包含供電可靠性和供冷熱可靠性2個二級指標和電能缺供率、冷能缺供率、熱能缺供率3個三級指標。

1）系統電能缺供率

式中s為系統電能缺供率；T為系統運行周期，h；ΔPeload(t)為系統電能在t時刻的缺供功率，Peload(t)為系統電能負荷在t時刻的需求功率，kW。

2）系統冷能缺供率

式中ν為系統冷熱能缺供率；ΔPcload(t)為系統冷能在t時刻的缺供功率，kW；Pcload(t)為系統冷能負荷在t時刻的需求功率，kW。

3）系統熱能缺供率

式中h為系統熱能缺供率；ΔPhload(t)為系統熱能在t時刻的缺供功率，kW；Phload(t)為系統熱能負荷在t時刻的需求功率，kW。

2.2 經濟性指標

農村微能網經濟性指標集包含系統經濟性1個二級指標和系統投資費用、系統維護費用、系統設備價格和使用年限之比3個三級指標。

1）系統投資費用

式中Cin為微能網投資費用，元；N為微源的類型數目；Cmd為第d種微源的初始投資成本，元/kW；l為折現率；nd為第d種微源的使用年限，a；Pd為第d種微源的額定功率，kW。

2）系統運行維護費用

式中Cmaintain為微能網運行維護費用，元；Cmad為微能網各供能設備單位維護費用，元；Pd(t)為第d種微源在t時刻的運行功率，kW。

3）系統設備的價格和使用年限之比

式中H為微能網各設備的使用年限與價格之比的和；ad為微能網第d種設備的使用年限，a。

2.3 環保性指標

農村微能網環保性指標集包含供能設備環保性和儲能設備環保性2個二級指標，污染物排放量、可再生能源裝機比例、冷熱電聯供機組的裝機比例、儲電設備更換周期率、儲熱設備更換周期率、儲冷設備更換周期率6個三級指標。

1）污染物排放量

在微型燃氣輪機和燃氣鍋爐工作的時候會釋放NOx和CO2等對環境有害的氣體，公式如下：

式中Cpo為微能網各污染物的總排放量，kg；sk為微能網第k種污染物的排放系數，kg/（kW·h）；U為污染物的類型數目。

2）儲電-冷-熱設備更換周期率

式中μ為微能網儲電-冷-熱設備更換周期率；Gstore為微能網儲電-冷-熱設備更換周期，a；Genergy為微能網設計運行期限，a。

3）可再生能源的裝機比例

本研究所指可再生能源為光伏和風電，其裝機比例定義為光伏和風電的裝機容量與系統總裝機容量的百分比，公式如下：

式中β為可再生能源的裝機比例；x為可再生能源機組的種類；c為微能網其余發電設備的種類；PDE,i為光伏/風電機組的額定容量，kW；PGE,j為微能網其余發電設備的額定容量，kW。

4）冷熱電聯供機組裝機比例

式中α為冷熱電聯供機組滲透率；PCCHP為冷熱電聯供機組的功率，kW。

2.4 效益性指標

農村微能網效益性指標集包含穩定效益和環境效益2個二級指標，與配電網功率交換費用和環境污染懲罰費用2個三級指標。

1）環境污染懲罰費用

式中為第k種污染物的環境價值，元/kg；wk為第k種污染物的罰款，元/kg。

2）微能網與配電網功率交換費用

微能網在自身電能供應量大于內部電負荷需求時，可以向上級配電網售電獲得收益，微能網在自身電能供應量小于內部電負荷需求時，需要向上級配電網購電補充滿足系統內部電負荷需求。但是，目前中國農村地區配電網相對薄弱，微能網與配電網的頻繁交換勢必會影響配電網的安全穩定運行，因此設計微能網與配電網功率交換費用這一指標來反映微能網對配電網運行造成的影響，如式（12）所示：

式中Cgrid為微能網與配電網之間購電費用和售電費用的差值，元；Csell(t)為微能網向上級配電網售電價格，Cbuy(t)為微能網向上級配電網購電價格，元/(kW·h)；Pgrid(t)為微能網與配電網之間的功率交換值，kW。

3 綜合評價方法

熵權法[26-28]是一種客觀賦權重的方法。微能網評價體系中某個指標的熵值越大，則表明該指標包含較少的信息，進而推得該指標所占評價體系的權重值較小；反之，當某個指標的熵值越小，表明該指標包含較多的信息，推得該指標所占評價體系的權重值較大。熵權法不受主觀因素影響，計算過程簡單，是一種方便、實用的評價方法，因此，本研究采用熵權法進行農村微能網的評價。

熵權法的計算步驟如下：

1）建立農村微能網評價矩陣。假設參評的系統方案數為m，評價指標數為n，則評價矩陣如下所示：

式中 為農村微能網評價矩陣；yij為農村微能網評價第i個方案中的第j個指標。

2）歸一化農村微能網評價指標。將農村微能網評價指標yij進行歸一化，得到歸一化后的農村微能網評價矩陣如下所示：

式中F為歸一化后的農村微能網評價矩陣；fij為歸一化計算后的農村微能網評價指標值；zij為歸一化計算過程中的中間值；maxyi和minyi為歸一化前農村微能網同一評價指標的最大值和最小值。

3）計算農村微能網各評價指標的熵。

式中aj為農村微能網各評價指標的熵值。

4）計算農村微能網各評價指標的權重值。

式中xj為農村微能網各評價指標的權重值。5）計算各方案的評價值

式中bv,i為農村微能網第i種規劃方案的評價值。

運用熵權法對農村微能網規劃方案進行評價的流程圖如圖2所示。

圖2 熵權法評價流程圖Fig.2 Evaluation flow chart of entropy method

4 算 例

4.1 算例相關參數

本文選取中國西部某村莊為例驗證所提規劃指標的合理性。該地區四季分明，冬季進行熱能和電能的供應，夏季進行冷能和電能的供應，春秋兩季只供應電能。冷熱電負荷數據采用蒙特卡洛模擬的方法求得，具體參考文獻[29-30]。冬季典型日光伏、風電和熱電負荷曲線如圖3a所示，夏季典型日光伏、風電和冷電負荷曲線如圖3b所示，春秋季典型日光伏、風電和電負荷曲線如圖3c所示。該村莊擬采用的供能和儲能裝置包括微型燃氣輪機、溴化鋰吸收式制冷機、余熱鍋爐、燃氣鍋爐、蓄電池、冷熱儲能罐、空氣源熱泵、光伏和風電等。現有3種不同的農村微能網規劃方案，如表2所示。微能網各裝置參數[31-33]如表3所示，微能網規劃方案所在地分時電價[6]如表4所示。污染物排放系數和評價標準[34]如表5所示。

圖3 不同季節典型日光伏、風電和冷-熱-電負荷曲線Fig.3 Photovoltaic,wind power and electricity-heating-cooling loads curves of typical day in different season

表2 農村微能網規劃方案中各裝置的功率和能量值Table 2 Power and energy value of each device in planning scheme of rural micro-energy-grid

表3 農村微能網各裝置參數[31-33]Table 3 Device parameters of rural micro-energy-grid

表4 農村微能網分時電價[6]Table 4 Time-of-use electrical price of rural micro-energy-grid元·（kW·h）-1

表5 農村微能網污染物排放系數和評價標準[34]Table 5 Pollutant emission coefficient and evaluation standard of rural micro-energy-grid

4.2 農村微能網評價指標仿真結果

經濟性和環保性中的部分三級指標，如系統設備的價格與使用年限之比、可再生能源的裝機比例和冷熱電聯供機組的裝機比例等，采用算例所給參數進行直接計算，其余指標基于MATLAB平臺運用粒子群算法編寫農村微能網優化調度程序進行求解。模擬間隔時間Δt為1 h，總模擬時間為1 a。本研究設定冬季（供暖季）為11月至次年3月，夏季（供冷季）為6月至8月，春秋季（不供應冷暖）為4月至5月和9月至10月。可靠性指標采用序貫蒙特卡洛法進行模擬計算。為了簡化計算，本研究假設每個季節中每日的負荷需求相同。

農村微能網各指標的計算結果如表6所示。通過表6可得，從污染物排放量方面看，由于方案3規劃的微型燃氣輪機和燃氣鍋爐容量最小，所以污染物排放量最低，方案3是最優選擇；從可再生能源和冷熱電聯供機組的裝機比例方面看，方案1為最優選擇。為了充分評估各指標對農村微能網系統的影響程度，需要采用合理的評估方法對農村微能網各指標進行綜合評估。

表6 農村微能網評價指標計算結果Table 6 Calculation results of evaluation indexes of rural micro-energy-grid

4.3 基于熵權法得到農村微能網規劃方案評價結果

本研究采用熵權法對農村微能網各規劃方案指標進行評估，得到各指標的熵權如圖4所示。通過圖4可知，指標C12、C13、C21、C22和C23的權重值最大，對農村微能網各規劃評價方案的最終評估結果影響最大；A22的權重值最小，對農村微能網各規劃評價方案的最終評估結果影響最小；其余指標的權重值處于中間位置，對農村微能網各規劃評價方案的最終評估結果有較大影響。

圖4 農村微能網各指標熵權值Fig.4 Entropy weight of each index of rural micro-energy-grid

本研究采用熵權法得到農村微能網各規劃方案的最終評價結果如下：方案1的評價值為1.32，方案2的評價值為1.14，方案3的評價值為2.47。在可再生能源的裝機比例和冷熱電聯供機組的裝機比例方面，方案2為最優結果，但是，綜合考慮可靠性、經濟性、環保性和效益性方面的14個三級指標對農村微能網規劃方案的影響程度，最終得到方案3是農村微能網最優規劃方案。

4.4 基于熵權法與專家評價法得到農村微能網規劃方案的評價結果

熵權法是一種客觀的指標評價方法，它主要根據各指標的數值差異計算求得各指標的熵權值，進而求得各方案的綜合評價值。但是，在項目的實際規劃過程中，根據項目所在地的環境條件、項目資金情況和項目投資方需求等不同，需要側重考慮環保性、經濟性和可靠性等某一方面的指標，無法完全按照客觀的評價結果選擇規劃方案。因此，根據專家對農村微能網各規劃指標的側重點不同，本研究假設4種專家主觀指標權重，專家1側重關注可靠性指標，專家2側重關注經濟性指標，專家3側重關注環保性指標，專家4側重關注效益性指標，通過調查問卷打分的形式得到專家評價指標權重如表7所示。

表7 專家評價指標權重Table 7 Expert evaluation index weight

將主客觀評價方法即熵權法與專家評價法相結合，得到農村微能網規劃方案各指標新的權重值，權重和農村微能網規劃方案評價值計算公式[22]如下所示：

式中θj為第j個指標的專家評價權重；φj為第j個指標的熵權法與專家評價法結合計算求得的新權重值；fij為農村微能網評價指標值。

運用專家評價法與熵權法相結合的方法對農村微能網規劃方案進行重新評價，評價結果如圖5所示。由圖5可知，由于專家3側重關注環保性指標，所以方案2的綜合評價值最高。對于專家1、2和4而言，方案3綜合評價值最高，所以項目投資方如果更關注可靠性、效益性和經濟性方面，方案3是最優選擇。需要說明的是，上述算例負荷的變化，對評價結果沒有影響。因為微能網規劃方案的優劣由微能網規劃評價指標決定，而微能網規劃評價指標由文中“2農村微能網規劃評價指標”中的公式求得。在文中“2.1可靠性指標”部分，系統冷-熱-電能缺供功率3個指標雖然表面上與負荷情況變化有直接關系，但實際上系統冷-熱-電能缺供功率由微能網規劃方案中各供能設備的功率決定。在文中2.2-2.4部分，經濟性、環保性和效益性指標的大小與微能網規劃方案中各供能設備的出力大小決定。因此，負荷情況的變化對微能網評價結果沒有影響。

圖5 專家評價法與熵權法結合評價結果Fig.5 Evaluation results combining expert evaluation and entropy method

5 結 論

本研究建立包含可靠性、經濟性、環保性和效益性4個一級指標、7個二級指標和14個三級指標的農村微能網規劃評價體系，運用熵權法和專家評價相結合的方法對各微能網規劃方案進行評價，得到如下結論：

1）所提農村微能網規劃評價指標均具有明確的物理含義和計算方法。算例結果表明，各指標可以為農村微能網規劃方案的優劣評價提供數據支撐。

2）熵權法是一種客觀評價法，可以通過紙面數據客觀得到農村微能網各規劃方案的評價值分別為1.32、1.14和2.47，則具有供能裝置、能量轉換裝置和冷-熱-電多形式儲能裝置的方案3為農村微能網最優規劃方案，實現了對農村微能網各規劃方案優劣性的客觀評價。根據項目所在地的環境條件和項目投資方需求等不同，建立專家評價指標權重表，將專家評價法（主觀評價法）作為一種輔助評價方法，來配合熵權法（客觀評價法）對農村微能網各規劃方案進行綜合評價，在環保性方面，未規劃儲能裝置的方案2綜合評價值最高，為農村微能網最優規劃方案，在可靠性、效益性和經濟性方面，具有供能裝置、能量轉換裝置和冷-熱-電多形式儲能裝置的方案3綜合評價值最高，為農村微能網最優規劃方案。上述結果可以為項目的實際運作提供個性化的解決方案，實現了項目投資方利益的最大化。