基于電能替代的綜合能源系統效益評價方法研究

張興偉，尹紹陽，梁俊宇，程志，許琦

（1.云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000； 2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

考慮電能替代效果的綜合能源系統評價指標體系可通過多種維度構建。文獻[1]根據電網、投資運營商、用戶等群體利益關系建立區域綜合能源系統在能源、環境、經濟、安全、可靠等方面的綜合效益評價指標體系；

文獻[2]以前期工作、工程建設、生產運行、經濟效益等方面進行評估,進而分析電力建設項目存在的不足；文獻[3]研究了綜合能源系統技術性、經濟性和環保性等指標的量化計算模型。評價方法可分為賦權和綜合評價兩個方面。賦權法包括層次分析法[4]、熵權法[5]等。綜合評價法包括TOPSIS[6]、物元可拓法[7]等。文獻[8]通過線性與非線性結合的直接關聯因素及系統性主成分分析等綜合方法量化分析了供給側改革因素對云南省電量發展的影響。文獻[9]在傳統逼近理想解排序法的基礎上引入灰色關聯度，利用熵權法確定指標權重，通過計算得出樣本之間的關聯度及相對貼近程度；

本文選擇以云南省某工業園區為例，構建地區電能替代綜合潛力評價體系，研究節能減排環境下電能替代的評價方法，利用層次分析法（AHP）和熵權法進行組合權重的計算，提出基于主客觀組合權重的物元可拓評價方法，證明電能替代在綠色能源占比高的地區的可替代性，為后期電能替代的發展奠定良好的基礎。

1 電能替代指標選擇與體系構建

1.1 電能替代指標

1）清潔能源功能占比

清潔能源功能占比是體現綜合能源系統環保水平的一個重要指標，表示綜合能源系統對清潔能源的消納能力。表達式為：

式中：Nc為系統內能源種類數；Qc,i為第i種清潔能源總供能量；NQ為系統內清潔能源種類數；Qi為綜合能源系統內第i種能源的供能總量；

2）低碳系數

基于碳平衡原理計算碳排放。計算表達式如下：

式中：Cin、Cout為是電能替代技術替代前的碳排放量和替代后的碳排放量；EF是排放因子，取值范圍為1.9～2.5。

1.2 可靠性指標

1）系統失負荷概率

失負荷概率指標表示系統受到某些故障而無法滿足負荷需求的概率，且能夠反映系統供能不足的風險[10]。

式中：NSAM為抽樣次數；XSAM為系統抽樣狀態集合；FL(Xi)為系統狀態Xi的失負荷情況，為0-1變量。

1.3 經濟性指標

1）單位供能成本

單位供能成本間接反映能源系統的盈利能力。

式中：Ylife為項目建設方案投產年限；COP、CMA、CEN為系統運行、維護、排放成本，其表達式如公式(5)～(7)所示。

式中：PSYSy,l,t為園區在年份y場景l下t時刻與電網交互的電功率；GSYSy,l,t、QSYSy,l,t分別為園區與外界交互的天然氣和蒸汽功率；cEt、cGt、cSt分別為t時刻的電、氣和蒸汽單價；cMABAT、cMAHS、cMACS分別為電、熱、冷儲能設備的單位維護成本；PBATy,l,t、SHSy,l,t、CCSy,l,t分別為電、熱、冷儲能設備的運行功率；PMAeq,m、Peq,my,l,t分別為能源轉換裝置m的單位維護成本和運行功率；CE、CG、CS分別為火電、天然氣、蒸汽的單位排放成本。

2 用戶側電能替代綜合效益評估方法

2.1 組合賦權法

1）運用AHP[4]、熵權法[5]對所有評價指標進行賦權，形成指標權重矩陣，如公式(8)所示：

式中：Hz、Hk分別為主、客觀賦權法的數量。ωhj為賦權方法h下指標j的權重，其值滿足下式：

2）確定各指標期望組合權重公式

定義期望組合權重向量E(ω)為H組權重向量的線性組合。

式中：ωh=(ωh1,ωh2,...,ωhj)T為賦權方法h的權重向量結果；ωJ為指標j的期望組合權重；ηh為賦權方法h的加權系數，其值滿足公式(11)：

3）求解主、客觀權重的相對重要程度系數；指標主、客觀權重的平均值可由公式(12)和(13)計算：

指標j的主、客觀權重的相對重要程度系數γz,j和γk,j;如公式(14)和(15)所示：

4）建立組合賦權優化模型

“基于權重向量偏差最小”的組合賦權法將求解期望組合權重的問題轉化為求解線性組合加權系數向量叮，按照期望組合權重向量與H個權重向量的偏差和最小的思想建立組合賦權優化模型，如公式(16)所示：

5）組合賦權優化模型的求解

求解組合賦權法的二次優化模型，解出加權系數向量后代入上式即可求解指標體系的期望組合權重向量。

2.2 物元可拓分析法

1）計算不同規劃方案下指標的實際數值；

2）建立規劃方案的物元和經典域以及節域模型（本文定義4個經典域等級i為：差、中等、良好、優秀，對應標準分別為(0,70],(70,80],(8 0,90],(90,100])；

定義待評價對象（即規劃方案）為N0，其特征（即評價指標體系）為c，量值（即指標計算數值）為V，以R=(N0,c,V)作為描述N0的基本元，即物元，如公式(17)所示：

將評價方案在不同評價等級下的指標量值以區間形式表示，即為物元的經典域模型，如公式(18)所示：

式中：Gi為第i個評價等級；Vi為指標集關于評價等級i的量值區間集合；μij、Vij分別為指標j關于等級i的量值下限和上限。

將經典域模型拓展成包括規劃方案、評價指標以及指標對應所有量值范圍即為節域模型，反映的是評價指標的全體范圍，如公式(19)所示：

式中：G為全體評價等級；滿足G=[G1,G2,...,Gp]；Vp為指標集關于全體評價等級的量值區間集合；μjp、vjp分別為指標j在全部評價等級的量值下限和上限。

3）分別計算指標計算數值與經典域和節域的距離；

式中：vj為指標j的計算數值；Vji為指標j關于評價等級i的量值區間。

4）計算指標與等級之間的關聯度函數；

式中：Ki(vj)為評價指標vj對于評價等級i的關聯度。

5）引入指標期望組合權重計算方案與評價等級的綜合關聯度

系統中全部評價指標隸屬于各個評價等級的程度稱為綜合關聯度，如公式(23)所示：

方案關于評價等級的關聯度值越大，則評價方案對該等級的隸屬度就越高，則評價方案的等級可以確定為i。

6）計算方案綜合評分

根據公式(24)和(25)計算所有方案的評價結果，用于方案的比較和排序。評價結果數值越大，說明方案效益表現越佳。

3 算例分析

本次研究的輕工業園區主要企業共有8戶，均已生產農業飼料為主。根據園區最近一年的用電量和用煤量的數據，通過逐時系數法進行模擬，整體電力需求約為2774517 kWh，熱力需求折合為電量后為7800527 kWh。年平均電負荷為216.73 kW。該園區熱力和電力需求比為2.8:1。該園區現有的8戶企業中，為了滿足生產線的熱力需求，都配備了1～2噸/h不等的燃煤蒸汽鍋爐。由于不能滿足環保的要求，這些小型燃煤鍋爐面臨關停的風險。

為此，本文采用所提出的綜合能源系統效益評價方法，針對本園區的電能替代需求，對其綜合效益進行評估，并對評價模型和方法的有效性和通用性進行驗證。

3.1 工業園區方案評價結果分析

輕工業園區能源系統以每2年為一個規劃階段，共設兩個階段，各階段負荷按高增長率預測，增幅為現階段負荷的40%。各階段分設夏季、冬季和過渡季3種典型負荷場景，僅夏季有冷負荷需求，僅冬季有熱負荷需求，全年無天然氣負荷需求。基于以上介紹的實例，采用指標計算方法[3]求取2個階段規劃方案的評價指標數值，如表1所示。

表1 園區能源系統的評價指標計算結果

確認指標體系和數值后，根據前面介紹的賦權方法進行賦權。組織專家填寫判斷矩陣并采用層次分析法求取主觀權重，結合客觀權重代入組合賦權模型，計算對比結果如圖1所示。

圖1 指標權重計算結果對比

3.2 電能替代設備投入分析

本項目基于相同算例情況下設置如下對比方案：

方案一：僅配置熱泵（HP），未配置電鍋爐（EB）；

方案二：僅配置電鍋爐（EB），未配置熱泵（HP）；

方案三：配置電鍋爐（EB）、熱泵（HP）。

由于3種方案的負荷水平相同，指標數值相同，不影響綜合評估結果。重新通過仿真計算求得指標組合權重，如表2所示。

表2 指標組合權重計算結果

將計算出的指標權重代入2.2的物元可拓模型得到不同方案的綜合評價結果，如圖2所示。

圖2 各階段方案綜合評分數值結果

由圖2可知，方案三的綜合評分結果明顯高于對比方案，說明隨著電能替代設備的投入，系統建設綜合效益呈明顯上升趨勢，由此證明其對綜合能源系統建設效益起到積極的影響。由于對比方案沒有同時配備EB和HP，在電能替代效益方面的表現顯然與方案三存在明顯差距，電能替代設備的配置使得園區清潔能源供能比重提升14.4%，圖3可反映這一情況。方案三的失負荷概率這項指標數值與其他兩個方案相差不大，3項方案的可靠性均處于較高水準，如圖4所示。

圖3 方案電能替代指標對比

圖4 方案可靠性指標對比

由于3項方案都以同一輕工業園區為例即負荷數據相同，用單位供能成本指標對方案經濟性進行分析；方案三由于同時投入EB和HP一定會增加系統的運行成本，但促進了園區能源結構的優化，提升了園區的節能減排效果；總體提升了系統的整體經濟型[11]。

4 結束語

本文在所建立的指標體系的基礎上，提出了一種利用組合賦權法對物元可拓模型進行優化的綜合評價方法，并在云南某個具備電能替代實施需求的輕工業院區進行了驗證計算。計算結果顯示電能替代工作的實施有利于優化地區能源結構、改善環境現狀、極大程度地提高傳統能源利用效率，減少用戶運維費用。對于清潔電力占比高的地區，有利于消納清潔電力，為節能減排、構建節約型社會提供了決策依據。