多能互補能源系統多維度綜合評價方法

趙鳳展，李 奇，張啟承，吳 鳴，屈小云，蘇 娟

（1. 中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083； 2. 國網上海能源互聯網研究院有限公司，北京 100192）

0 引 言

近年來，在多能互補綜合能源問題的科研建設領域，我國進行了深入的研究。2016年國家發改委和國家能源局制定了《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》。文件指出，建設多能互補集成優化示范工程有利于推動能源清潔生產和就近消納，對建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系具有重要現實意義和戰略意義[1]。

如今，多能互補能源系統在國內外受到極大重視，為了探究其經濟社會效益并為系統最優規劃與運行提供理論指導，綜合評價成為多能互補能源系統項目實施的一個關鍵環節。目前的評價指標體系多考慮經濟、能效、環保、可靠性角度[2-3]。文獻[4]從經濟、環境和負荷需求等幾個角度構建綜合能源系統的評價指標模型。文獻[5]考慮技術、經濟和可靠性等幾個因素構建區域多能源系統的評價指標，建立基于全能流模型的評估指標體系。文獻[6]從區域綜合能源系統（Regional Integrated Enegy System，RIES）的能源、裝置、配電網和用戶4個環節中總結出普遍性指標，用于評估中國當前區域綜合能源系統的發展水平。文獻[7]考慮能源系統內設備狀態的時序特性，采用通用字母函數法對多能源互補園區能源供應系統進行評價。文獻[8]運用AHP-熵權法評價分布式冷熱電系統的經濟性、節能性、環境保護等方面。文獻[9]借助加權有向圖模型，表述綜合能源系統內的能量流的關系和屬性，進而對整個系統進行能效評估。文獻[10-11]建立了考慮?效率的能源系統評價指標體系。文獻[12]針對節能率的不同計算方法，討論熱互補能源系統的節能性評價。

目前已有的評價指標體系已初見雛形，但仍有以下兩方面問題：一是對能源系統多能互補特性的評價指標多是從“源”角度出發，鮮有從“荷”或“儲”的角度進行定義的，缺少對多能互補效果的評價；二是體現能源系統社會服務性、智能操作性的指標較少，有待進一步完善。

本文對多能互補能源系統進行綜合評價分析，從清潔低碳水平、安全可靠水平、能源利用水平、高效經濟水平、社會服務水平等維度，建立評價指標體系，基于主客觀結合的G1-CV離差最大化主客觀綜合賦權法對權重賦值，建立多層次物元可拓評價模型，對系統進行建設與運行成果的綜合評價，并通過算例驗證該方法的科學有效性。

1 多能互補能源系統

1.1 系統架構

本文研究的多能互補能源系統按照“源-網-荷-儲”結構設計。“源”包括分布式風電、光電和天然氣。“網”主要指各能源轉換設備，包括燃氣輪機、電熱鍋爐、電制冷機等，與供電、供熱、供冷、供氣管道一起構成的系統“供電網”、“供熱/冷網”、“供氣網”。“荷”是指系統的電負荷、熱負荷、冷負荷和氣負荷。“儲”包括蓄電池、儲熱罐、儲氣罐。系統架構如圖1所示。

1.2 利益需求分析

多能互補能源系統按不同利益需求，可分為能源供應商、能源運營商、當地政府、開發商、用能用戶五種利益主體，他們的利益需求關系如圖2所示。

能源供應商希望通過優質的能源供給來獲得豐厚的經濟收入。能源運營商希望得到政府的政策支持，降低運營成本，獲得可觀經濟收入。當地政府的主要訴求首先是需要能源項目的規劃建設順利進行，投產后能給經濟社會帶來良好的經濟回報和社會效益；同時充分使用能源，提高整體利用效率、減少廢料污染，并提升用戶生產、生活品質和用戶體驗。開發商希望得到政府的資金支持，更快更好地開發建設能源系統。作為能源服務消費者，用能用戶希望用能方便快捷、價格便宜、能源服務周到便利等。

2 多能互補能源系統評價指標體系

多能互補能源系統評價指標的設定應盡量做到全方面、多角度、不冗余。在遵循科學性、可行性、差異性、代表性等原則的基礎上，本文從清潔低碳水平、安全可靠水平、能源利用水平、高效經濟水平、社會服務水平等維度，構建多維度多能互補能源系統評價指標體系。該體系共有5個一級指標和43個二級指標，如圖3所示。

本文的多能互補能源系統綜合評價體系中，安全可靠水平評價維度中的電負荷峰谷差率、電熱替補時間占比和電氣替補時間占比三個指標，從“荷”的角度考慮了多能源互補作用對系統安全可靠供能水平的影響。能源利用水平評價維度中，可再生能源發電量占比、蓄電池出力占比、蓄電池調峰能力、儲熱罐調峰能力、儲氣罐調峰能力，這五個指標從“源-儲”角度考慮了系統多能源互補作用。用戶智慧能源參與度和能源業務線上操作率兩個指標重點反映了能源系統智能社會服務效果和泛在互聯程度。

由于篇幅限制，本文僅對綜合評價體系中的部分指標進行詳述。

1）電熱替補時間占比、電氣替補時間占比

在實際生產生活中，為滿足某種需要或達到某種目的，往往可以通過消耗不同能源的方式來實現。以熱水需求為例，可以直接打開熱水管道閥門使用熱水，也可以利用電熱水器通電加熱獲得熱水；同樣的，人們加熱食物時，既可以通過電磁爐通電實現，也可以通過燃氣灶燃燒天然氣實現。由此生活經驗得到啟發，本文設置電熱替補時間占比和電氣替補時間占比指標，用來描述電能和熱能、電能和天然氣在“荷”側的替代補充情況。指標定義為，在統計時間內系統中所有用戶的供電開關與供熱/氣開關不同時斷開的總時間占統計時間的比例的平均值，如式（1）和（2）所示。

式中tEHloss,d為第d個系統用戶入戶前的供電開關與供熱開關同時斷開總時間，h；tEGloss,e為第e個系統用戶的供電開關與供氣開關同時斷開總時間，h；tEHstat,d、tEGstat,e為對應統計時間，h；nuser為系統用戶總數，個。

2）蓄電池調峰能力、儲熱罐調峰能力、儲氣罐調峰能力

儲能設備容量較小，可承擔少部分負荷。在多能互補能源系統運行過程中，儲能設備主要起到平移負荷的作用，使負荷曲線變平緩。指標定義為，儲能設備額定功率與最大負荷功率之比，指標值越大，說明儲能設備“削峰”作用越強，同類型能源不同設備間的互補能力越強。以蓄電池調峰能力指標為例，計算式如式（3）所示。

3）用戶智慧能源參與度

在統計時間內，線上智慧能源服務平臺（如門戶網站、掌上電力、95598等）累計注冊用戶數與系統消費者總數之比，如式（4）所示。

式中nsign為線上智慧能源服務平臺累計注冊用戶數，個；nall為系統消費者總數，個。

4）能源業務線上操作率

在統計時間內，當地居民通過線上智能服務平臺（如APP、公眾號等）辦理能源業務（如交費、預約、報修等）的次數與線上線下辦理能源業務總次數之比，如式（5）所示。

式中nonline為居民線上操作辦理能源業務次數，次；ndeal為線上線下辦理能源業務總次數，次。

指標體系中，指標A1～A3、D1～D4均由相應統計值與系統總負荷（電、熱/冷、氣負荷之和）之比得到指標值，避免了因規模差異，導致不同能源系統間指標數值差異過大，不能比較的情況。以二氧化碳單位年排放量（A1）為例，其定義是多能互補能源系統二氧化碳年排放量與系統總負荷（電、熱/冷、氣之和）的比值，其中能源系統排放的二氧化碳主要來源于天然氣的燃燒。

3 綜合評價方法

本文采用G1-CV離差最大化對指標體系綜合賦權，并建立多層次物元可拓模型，對多能互補能源系統的建設和運行成果進行綜合評價。

3.1 G1-CV離差最大化綜合賦權

序關系法（G1）是郭亞軍教授團隊提出的一種主觀賦權方法[13]，該方法按照指標重要程度，對其進行排序，設置相鄰指標間重要性程度比值，先得到最不重要指標的權重，再依次得到其余各指標權重。

變異系數法（CV）是一種客觀賦權方法，能夠完整運用指標數據信息。指標值差異性越大，信息量越多，賦權越大[14]。在賦權計算前，應用向量規范法[15]對指標進行無量綱化處理。根據各項指標的標準差和平均數之比求得變異系數，進而得到各項指標的客觀權重。上述兩種賦權方法的具體步驟本文不再贅述，參見文獻[13-14]。

G1法依賴于專家的個人經驗和專業判斷，但得到的賦權結果難免會受到專家主觀意愿隨機性的影響；CV法完全根據指標值的數學規律，如出現極端數據，必將影響最后賦權結果。本文將兩個賦權方法通過離差最大化思想[16]相結合，既能充分吸收專家的經驗，又能完整利用客觀的數據信息。G1-CV離差最大化主客觀綜合賦權步驟如下：

第二步：建立的優化模型，如式（6）所示。

式中n為指標個數；m為評價方案個數；Ω為評價方案間的總離差；a、b為主客觀權重系數。

第三步：構造拉格朗日函數，求解比例系數a、b，結果如式（7）～（8）所示。

第四步：按照式=α′+β′

w w w計算并進行歸一化處

3.2 G1-CV離差最大化綜合賦權-多層次物元可拓評價

物元可拓法[17]是學者蔡文等提出的一種利用形式化模型解決全局性最佳決策問題的方法。該方法適用于計算指標數據量大且存在較大不確定性的情況。針對多能互補能源系統建設和運行數據獲取較困難，采集周期不一致等問題，物元可拓法表現出良好的適用性。傳統的單層次物元可拓評價法不適用于本文的三層次評價指標體系，因此采用改進后的多層次物元可拓法進行綜合評價。具體綜合評價過程如下：

第一步：根據系統數據，計算各個指標值，形成待評價系統方案物元矩陣。

式中Rj為待評價系統第j個評價方案的物元，j取1,2,...,m；Nj為待評價系統第j個評價方案；C為待評價系統指標體系；Vj為對應的指標值。

第二步：確定評價等級、經典域和節域物元矩陣。

經典域物元矩陣為

式中Rg為第g個評價等級Ng的經典域，g取1,2,…,G；Ng為第g個評價等級；ci此為第i個評價指標，i取1,2,…,n；為此時ci的取值范圍；agi、bgi分別為ci取值的下限值和上限值。

節域物元矩陣為

式中Rp為所有評價等級（N1～NG）的節域；為包括所有評價等級在內的ci的取值范圍，即節域；api、bpi分別為包括所有評價等級在內的ci取值的下限值和上限值，且有

第三步：確定綜合評價指標關聯函數，基于G1-CV離差最大化綜合賦權的綜合權重計算評價等級綜合關聯度，得到待評價系統綜合評價等級。

綜合評價指標關聯函數K(X)為

式中X、Xg、Xp分別指標值、經典域區間、節域區間；ρ（X，Xg），ρ（X，Xp）分別為X與經典域區間和節域區間的距離。

第j個待評價系統方案關于評價等級Ng的綜合關聯度Kg(Nj)為

式中Kg(xi)為第j個待評價系統方案第i個指標關于綜合評價等級Ng的關聯度，數值越大說明越滿足該評價等級的要求。

本文綜合評價流程圖如圖4所示。

4 算例分析

為了驗證本文提出的分布式多能互補能源系統多維度評價指標體系及基于G1-CV離差最大化主客觀綜合賦權的多能互補能源系統綜合評價方法的實用性，本文結合相關研究文獻[18-21]，以3個多能互補能源系統項目（即系統X、Y、Z）為例完成綜合評價算例分析，各系統具體信息及設備參數詳見表1。

表1 各系統具體信息及設備參數Table 1 Specific information and equipment parameters of each system

其中，系統X所在地區風光條件較好，棄風棄光少，能源梯級利用效率高；系統Y近期建成并投入使用，設備較新；系統Z所在地區負荷重要程度較高，供能質量要求高。

設置評價等級矩陣為N=[N1,N2,N3,N4]，其中N1～N4分別表示優、良、中、差4個綜合評價等級。

基于G1-CV離差最大化綜合賦權-多層次物元可拓評價方法對三個多能互補能源系統項目進行綜合評價，得到各系統的多維度綜合評價結果如圖5和表2所示。

綜合圖5和表2，可得到以下結論：

表2 各系統多維度綜合評價結果Table 2 Multidimensional comprehensive evaluation results of each system

1）系統Z綜合評價排名最高。該地區負荷重要程度高，考慮到風光發電的波動性和不確定性，對燃氣輪機發電依賴程度相對較高，因此清潔低碳水平評價等級最低。但是其安全可靠性領先于其他兩個系統，這也體現了系統Z具有較高的供能質量。在高效經濟、社會服務水平等評價維度上，系統Z的排名居中。最后結合評價體系的綜合權重，系統Z的綜合評價等級認定為N1（優）。

2）系統X綜合評價排名居中。雖然系統X安全可靠性較差，但其余各方面評價結果均最優。系統X所在地區風光資源較好，可再生能源發電量較大，對燃氣輪機通過燃燒天然氣發電依賴程度較小，氣體污染物排放量少，清潔低碳水平評價等級高。結合評價體系的綜合權重，系統X的綜合評價等級認定為N2（良）。

3）系統Y是綜合評價排名最低的。系統Y與系統X綜合評價等級均為N2（良），但系統X的等級關聯度更接近于標準上界1，因此系統X綜合評價略優于系統Y。從安全可靠水平和能源利用水平看，系統X、Y評價結果相差不大，系統Y在高效經濟水平和社會服務水平上有較大的改進空間。

針對各系統的薄弱環節，給出相應的改進建議：

系統X的安全可靠水平較差，建議定期檢查系統內各種設備的運行情況，以便及時發現問題和隱患；加強工作人員技能培訓和安全知識普及，最大限度避免因操作失誤造成的系統故障和人員傷害。

系統Y在高效經濟水平、社會服務水平兩個方面較薄弱，建議當地政府加強社會能源服務基礎設施建設，提升居民用戶智慧用能體驗。開展對能源系統的經濟優化運行研究，通過合理規劃調度來提升系統整體的經濟性。

系統Z清潔低碳水平和能源利用水平兩個方面較薄弱，建議當地政府制定可再生能源開發利用的激勵政策，優先調度綠色能源，采用新技術或能效高的設備，在保證重要負荷正常工作的同時，注意環境保護，減少對天然氣等不可再生能源的依賴度。

5 結 論

本文從清潔低碳水平、安全可靠水平、能源利用水平、高效經濟水平、社會服務水平五個維度構建多能互補能源系統評價指標體系，從“源網荷儲”的角度設定了評價系統多能互補效果的指標；提出了基于G1-CV-離差最大化綜合賦權的多層次物元可拓綜合評價方法，實現了對不同多能互補能源系統建設及運行成果的精細化評價；最后通過算例驗證了指標體系和評價方法的實用性和有效性。

本文提出的多維度評價指標體系適用于含有風光發電、儲能（電熱氣）設備的能源系統，通過各系統多維度評級及綜合評價結果分析，找出系統薄弱環節，為后期運行和未來規劃提供數據支撐和指導。對于設備條件不滿足或不完全滿足的系統間的綜合評價比較、能源系統全生命周期過程性評價等問題有待下一步研究。