考慮負荷不確定性與運行可靠性的綜合能源系統資產利用效率分析

郇嘉嘉，張小輝，黃學勁，李家淇，陳喆，劉宗揚

(1. 廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣州510080；2.廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東東莞523008)

0 引言

隨著傳統化石能源的日漸枯竭以及環境壓力的日趨嚴重，如何改變傳統的供能模式、提高能源的綜合利用效率，已經成為了當前世界范圍亟待解決的重要研究問題，也是解決能源需求增長與能源短缺及環保壓力之間矛盾的重要手段[1 - 2]。在此背景下，能源互聯網[3]的概念應運而生，而作為能源互聯網的重要物理載體，綜合能源系統[4]是通過將電力與燃氣、熱力系統進行緊密耦合，在規劃、運行的過程中，對不同的能源環節實施有機協調與優化，進而形成以電為核心的能源產供消一體化系統。對綜合能源系統的運行狀態進行有效分析，進而提出合理的運行策略，是系統能夠充分發揮多能互補與梯級利用優勢的重要前提，也是未來建設能源互聯網以及吸引綜合能源系統建設投資的有力保障。作為衡量系統運行狀態的重要依據，資產利用效率以及可靠性能夠分別對系統的正常以及故障運行狀態進行有效分析，研究資產利用效率有利于綜合能源系統的投資與規劃方案比選，而研究運行可靠性評估對規避綜合能源系統的短期風險、保障其安全穩定運行具有重要價值。目前電力系統中對于資產利用效率以及可靠性已有一定的研究與應用，而對于綜合能源系統而言，有效分析系統的資產利用效率以及可靠性進而總體評估系統的運行狀態同樣重要。

在運行可靠性的研究方面，文獻[5]對運行可靠性評估建模、模型驅動以及評估方法3個方面的研究現狀進行了梳理與總結，并提出了模型-數據混合驅動綜合能源系統運行可靠性研究的技術路線，為綜合能源系統運行可靠性的研究奠定了堅實的理論基礎。文獻[6]通過對比系統及設備層面的可靠性指標，分析了儲能設備不同運行策略對綜合能源微網供能可靠性的影響。文獻[7]通過建立電力系統的運行可靠性模型，模擬了系統內發生故障后的連鎖反應，并提出了系統薄弱環節挖掘的方法。文獻[8]研究了風機-光伏-儲能協調運行策略對電力系統可靠性的影響。

在資產利用效率的研究方面，文獻[9]從設備建設投資與運行成本降低的角度定義了區域綜合能源系統的資產利用效率，并分析了終端負荷不確定性對系統資產利用效率的影響。文獻[10]綜合考慮了“N-x”準則、網絡拓撲、負荷特性及其發展裕度等因素的影響，提出了配電網設備利用率的計算方法，并提出了相應的提升措施。文獻[11]通過分析配電網負荷率、設備預期壽命等影響因素，提出了不同負載率場景下配電網設備在生命周期內利用率的合理范圍。文獻[12]從設備負載特性、設備運行時間及設備參數3個維度出發，分析了有源配電網設備利用率的影響因素，并基于Pignistic概率距離最優證據合成法，提出了影響因素的組合賦權方法。

上述文獻為本文的研究奠定了一定的理論與模型基礎，然而目前的研究仍存在以下問題：第一，目前對于綜合能源系統運行方面的研究大多集中在以“年”為量級的長時間尺度內，而未考慮運行過程中可能存在的風險性問題；第二，如何在系統資產利用效率的評估中進一步考慮可靠性因素，進而從正常運行與故障運行2個方面對綜合能源系統的運行狀態進行分析，相關的研究仍有待進一步開展。

針對上述問題，本文提出了考慮負荷不確定性與運行可靠性的綜合能源系統資產利用效率評估方法，并從正常運行與故障運行2個層面對系統的運行狀態進行分析。首先，采用不確定度集合對綜合能源系統終端負荷的不確定性進行建模；其次，分別以綜合能源系統運行可靠性及資產利用效率作為評估系統故障以及正常運行狀態的指標，對其評估方法進行研究，并采用隸屬度函數的方法將不同量綱的指標進行結合；最后，通過實際算例仿真，具體分析了綜合能源系統全年及典型日的運行狀態，并分析了負荷不確定性對系統資產利用效率及運行可靠性產生的影響。

1 綜合能源系統運行狀態分析框架

綜合能源系統主要由供能網絡(如供電、供氣、供冷/熱等網絡)、能源轉換環節(如冷熱電三聯供系統(combined cold heat and power system, CCHP)、發電機組、鍋爐、空調、熱泵等)、能源存儲環節(儲電、儲氣、儲熱、儲冷等)、終端綜合能源供用單元和大量終端用戶共同構成[13 - 14]，在能源互聯網的建設中能夠起到“承上啟下”的功能。對綜合能源系統的運行狀態進行合理分析，并提出有效的改進與提升措施，能夠有效促進綜合能源系統發揮多能源互補與梯級利用優勢，提高綜合能源系統的資產利用效率，同時也是未來進一步吸引綜合能源系統投資建設的重要保障。

本文對綜合能源系統運行狀態分析的主體思路框架如圖1所示，在通過資產利用效率指標對系統正常運行狀態進行分析的基礎上，本文進一步通過運行可靠性指標對系統的故障運行狀態進行分析，以保證運行場景的完整性；同時，考慮到資產利用效率指標與運行可靠性指標的量綱差異問題，通過隸屬度函數將不同指標進行結合，從而有效分析系統的綜合運行狀態，為系統的運行調度提供有力支持；除此之外，在對綜合能源系統運行狀態進行分析的過程中，本文也充分考慮了終端負荷的不確定性問題。

圖1 綜合能源系統運行狀態分析框架Fig.1 Integrated energy system operating state analysis framework

2 負荷不確定性建模

受到天氣、能源價格、用戶調度計劃和用能模式等外部因素的影響，在綜合能源系統運行的過程中，終端需求側的電/熱/冷等負荷會具有較強的不確定性，針對上述問題，本文具體采用不確定度集Ω來描述電/熱/冷負荷功率的不確定度，具體表示如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

基于對電/熱/冷等負荷不確定性的建模，綜合能源系統運行過程中的供需平衡應滿足以下條件：

(5)

式中PG,s,h為電/熱/冷等能源供給側的輸出功率。

3 運行可靠性及資產利用效率分析

3.1 系統運行可靠性分析

綜合能源系統的運行可靠性分析是綜合考慮系統負荷水平、運行環境等因素的影響，對系統在當前狀態下未來短期內的可靠性與風險性水平進行分析，屬于對系統故障運行狀態的分析。本文主要從兩個方面度量系統的運行可靠性RIES，即事件發生的概率以及事件造成的后果。

RIES(S)=∑jP(Ej)I(Ej)

(6)

式中：S為綜合能源系統當前的運行狀態；Ej為第j個事件場景，本文主要考慮綜合能源系統內設備的故障失效；P(Ej)為第j個事件場景發生的概率，與設備的故障概率有關；I(Ej)為第j個事件場景造成的影響。

本文具體采用缺供能量期望(loss of energy expectation，LOEE，其值用L來表示)來衡量設備故障失效產生的影響，具體計算方式參見文獻[15]。從能量損失的角度，設備故障失效產生的影響可表示為：

IP(Ej)=Le,j+Lh,j+Lc,j

(7)

式中：Le,j為第j個事件場景發生造成電能的缺供能量期望；下標e，h，c分別代表綜合能源系統內電/熱/冷3種終端能源。

從經濟性損失的角度，基于文獻[16]的分析理念，通過計算不同類型能源缺供能量期望結合相應能源損失價格，計算設備故障失效產生的影響，具體表示為：

IE(Ej)=ωeLe,j+ωhLh,j+ωcLc,j

(8)

式中：ωe、ωh、ωc分別為電能/熱能/冷能的能源損失價格。

3.2 系統資產利用效率分析

綜合能源系統的資產利用效率分析能夠對設備的投資建設以及由此帶來的運行效率提升進行評價，屬于對系統正常運行狀態的分析。考慮到在綜合能源系統內同一種設備可能涉及到多種能源負荷的供給，并且不同能源負荷之間也存在品位差異，故本文基于文獻[9]提出的概念，將資產利用效率AIES定義為綜合能源系統在給定年限內所節約的運行成本與設備投資成本的比值，即：

(9)

式中：ΔEOP為對綜合能源系統實施投資建設前后在統計時間段內節約的運行成本；Ein,i為設備i的投資建設成本；NT為調度時段總數；NM為設備總數。

對于變量EOP的求解，投資后綜合能源系統運行成本的計算方式如式(10)所示。

(10)

作為投資后綜合能源系統運行成本的對比對象，可以用式(10)計算投資前的運行成本EOP,0；而對于新建的綜合能源系統，可以與所有的能源需求(電/熱/冷等)由外部能源網絡直接提供情況下的購能成本進行比較，即進行綜合能源供能模式與獨立供能模式的比較，獨立供能模式下購能成本的計算方式如式(11)所示。

EOP,1=ωePL,e+ωhPL,h+ωcPL,c

(11)

式中PL,e、PL,h、PL,c分別為電、熱、冷能源的負荷需求。

考慮到綜合能源系統運行可靠性與資產利用效率的分析結果的量綱不同，因此，本文參照模糊集理論，采用隸屬度函數[17]F將綜合能源系統運行可靠性與資產利用效率的分析指標進行結合，進而綜合評價綜合能源系統的運行狀態，指標k隸屬度函數的表達式為：

(12)

式中：Fk(X)為綜合能源系統運行可靠性與資產利用效率分析指標的綜合隸屬度函數，表征綜合能源系統的運行狀態；fk(X*)為不同分析指標的最佳狀態，其中，在分析運行可靠性時，fk(X*)為系統的正常運行狀態，即系統的可靠性損失為0，在分析資產利用效率時，fk(X*)為最佳運行策略下系統的運行成本；fk,w(X)為不同分析指標的最差狀態，其中，在分析運行可靠性時，fk,w(X)為系統內負荷全部斷供時系統的可靠性損失；在分析資產利用效率時，fk,w(X)為系統不同運行策略下，所需承擔的最多的運行成本。隸屬度函數的取值范圍在0～1之間，其中，取值越接近于1表征系統的運行狀態越好。

基于不同指標的隸屬度函數，利用線性加權求和法將隸屬度函數值進行結合，即可得到綜合能源系統運行狀態的綜合評價值。

(13)

式中：wk為調度部分針對系統故障運行狀態下運行可靠性指標以及系統正常運行狀態下資產利用效率指標設置的計算權重，且∑kwk=1， 本文將運行可靠性指標以及資產利用效率指標的權重均設置為0.5。

4 算例分析與對比

4.1 算例概況

本文以中國南方某綜合能源系統為例，系統的物理結構與設備構成如圖2所示，綜合考慮可用面積、環境氣候等因素，光伏的裝機容量為4.6 MW。系統內其他機組設備的運行參數如表1所示，其中，儲電設備的初始容量為額定容量的30%，最大充放電功率為額定容量的7.5%[18]，資金年折現率δ為5%，參考文獻[19]中給出的設備一次性投資建設成本，綜合能源系統的一次性投資建設成本總計為1 852萬元。系統內機組設備的可靠性參數如表2所示[20 - 21]。

圖2 綜合能源系統架構Fig.2 Architecture of the integrated energy system

表1 設備運行參數Tab.1 Equipment operating parameters

表2 機組設備可靠性參數Tab.2 Reliability parameters

綜合能源系統的運行策略參考文獻[11]所提出的策略，即燃氣冷熱電三聯供系統將為吸收式冷機、換熱器等自身設備以及系統內的電/熱/冷負荷供能，運行方式為以熱(冷)定電，當冷熱電負荷差異較大時，為保證其運行效率，燃氣機三聯供系統的出力按照熱負荷和冷負荷中較小的值進行設置，綜合能源系統內的電制冷機、燃氣熱泵、電熱泵等設備通過互補互濟實現調峰以及其他負荷供給的任務。設備的運行成本參數參考文獻[21]。

綜合能源系統的典型年負荷曲線如圖3所示。結合當地實際的階梯電價政策，11:00—15:00、19:00—21:00時段為峰值電價，00:00—07:00時段為谷值電價，剩余時段為平值電價[22]，其他能源為固定能源價格形式，具體能源價格如表3所示。綜合能源系統內終端電/熱/冷失負荷價值分別為200元/kWh，120元/kWh，120元/kWh[23]。

圖3 負荷需求曲線Fig.3 Load demand curve

4.2 典型場景運行狀態分析

基于仿真算例場景，在不考慮負荷不確定性影響的情況下，系統的典型年運行成本為873.79萬元，而采用獨立供能模式的情況下，基于式(11)的測算方法，系統在典型年的購能成本為1 246.76萬元，故系統的典型年資產利用效率AIES= 0.21，轉換為隸屬度函數即為FA= 0.18；同理，在不考慮負荷不確定性影響的情況下，系統的典型年可靠性期望為IP(E)= 35.4 MWh，可靠性損失期望為IE(E)= 436.6萬元，轉換為隸屬度函數即為FR= 0.22；則綜合能源系統綜合運行狀態的隸屬度函數FOP= 0.2，采用綜合供能模式后的運行狀態較好。

表3 不同類型能源價格Tab.3 Different energy prices

在對綜合能源系統典型年運行狀態進行分析的基礎上，進一步選取典型日，對系統的運行進行分析。本文選取供冷季以及供熱季內的典型日進行分析，這樣所選取的典型日既具有季節特性又能夠體現用能差異特性。供冷季與供熱季典型日負荷曲線分別如圖4和圖5所示，供冷季與供熱季典型日的設備出力分布分別如圖6和圖7所示，其中，圖中燃氣三聯供系統的出力為電力生產出力。

圖4 供熱季典型日負荷曲線Fig.4 Typical daily load curve in heating season

圖5 供冷季典型日負荷曲線Fig.5 Typical daily load curve during cooling season

圖6 供熱季設備出力分析Fig.6 Analysis of equipment output during heating season

圖7 供冷季設備出力分析Fig.7 Analysis of equipment output during cooling season

通過對正常運行狀態下設備出力分布的分析可知，由于分布式光伏的清潔性以及較低的運行成本，因此，綜合能源系統會最大程度地利用系統內的光伏資源以滿足電力負荷需求；相比較于電力價格，系統所在地區的燃氣價格較高，因此，燃氣三聯供系統主要運行在基荷狀態，并通過電制冷機、電熱泵、燃氣熱泵等設備進行負荷的調峰；儲能設備會參考電力價格信號以及分布式電源出力的大小來進行充放電調整。綜上所述，在正常運行狀態下，系統會盡量投入運行成本低、能效較高的設備，在保證系統運行經濟性的同時，也提高了系統的資產利用效率。

4.3 負荷不確定性影響分析

本節進一步分析負荷不確定性對綜合能源系統資產利用效率以及系統運行狀態產生的影響。假定綜合能源系統主要包括如圖4—5所示的供熱季以及供冷季負荷，兩種負荷場景分別占總天數的50%，負荷不確定性的上下限設置為10%。在設定不同的不確定性波動總閾值情況下，以供熱季為例，綜合能源系統內設備出力的變化情況如圖8所示，在此基礎上，進一步對不同不確定性波動總閾值情況下設備的平均出力進行分析，結果如圖9所示。在不同不確定性波動總閾值情況下綜合能源系統的資產利用效率、供能可靠性以及綜合運行狀態分析結果如表4所示。

圖8 綜合能源系統內設備出力對比Fig.8 Comparison of equipment output in integrated energy system

圖9 不同不確定性閾值下典型設備的平均出力Fig.9 Average output of typical equipment under different uncertainty thresholds

通過對數據結果的分析可知，當不確定性閾值Γ從0增加到1時，電制冷機、燃氣熱泵等設備的功率會不斷提升；當不確定性閾值Γ從1增加到2時，外購電的功率有顯著的增加，說明負荷的不確定性對系統的備用容量配置提出了更大的需求。通過對設備的平均出力的進一步分析可知，隨著不確定性閾值的增加，設備的平均出力也會提升。然而，通過對不同不確定性閾值下系統運行狀態分析，雖然負荷的不確定性會對綜合能源系統的資產利用效率以及可靠性產生一定的影響，但相比較于傳統的獨立供能模式，系統依然能夠保持較為良好的運行狀態。

表4 不同不確定性閾值下系統運行狀態分析Tab.4 Analysis of system operation status under different uncertainty thresholds

5 結論

在當前大力倡導提高能源利用效率，構建綜合能源系統的背景下，本文提出了考慮負荷不確定性與運行可靠性的綜合能源系統資產利用效率分析方法，從系統正常運行與故障運行兩個維度對系統的運行狀態進行了分析，通過理論及實際仿真驗證，得到的主要結論如下。

1)相比較于傳統的多能源負荷獨立供能模式，采用多能互補的綜合供能模式能夠減少系統的購能成本，進而提高系統的資產利用效率；

2)終端負荷的不確定性會對系統的資產利用效率以及運行可靠性產生影響，因此，綜合能源系統在進行規劃與運行策略制定的過程中應充分考慮負荷不確定性產生的影響；

3)采用隸屬度函數方法能夠有效將系統資產利用效率以及運行可靠性兩項量綱不同的指標進行結合，進而有效評估系統的綜合運行狀態。

在未來的研究中，會在已有模型的基礎上進一步研究系統不同調度運行策略以及故障后不同負荷削減策略以及終端負荷的需求響應策略對資產利用效率以及運行可靠性的影響。