計及多主體與不確定性的農村虛擬能源系統兩階段模式設計

李鵬，吳加新，王世謙，劉湘蒞，余曉鵬，祖文靜，張藝涵

(1. 國網河南省電力公司經濟技術研究院，鄭州市 450052； 2. 國網河南省電力公司，鄭州市 450000)

0 引 言

一方面，隨著鄉村振興戰略的推進與發展，農村對于新型能源利用方式的需求更加強烈[1]；另一方面，現階段下，農村能源主要由煤炭、秸稈燃燒等提供，造成了能源利用率低、環境污染嚴重等問題，但是在碳達峰、碳中和戰略目標下，為了減少環境污染，對于新能源的需求日益增加[2-3]。虛擬能源系統聚合新能源，對于農村能源利用方式的改進以及環境改善有著重要作用[4]。但是目前虛擬能源系統的發展尚不成熟，缺乏完善的投資建設與運營模式，如何找到適應于農村發展的虛擬能源系統投資建設運營模式成為研究重點[5]。

針對農村虛擬能源系統的投資模式研究較少，但是有部分研究針對城市綜合能源系統的投資建設。文獻[6]在能源互聯網發展背景下，提出了適用于綜合能源系統的投資建設模式包括合同能源管理(energy management contracting，EMC)模式、建設-經營-轉讓(build-operate-transfer，BOT)模式、建設-轉讓(build-transfer，BT)模式、政府和社會資本合作(public-private partnership，PPP)模式與設計-建設-融資-運營(design-build-finance-operate，DBFO)模式，并對各種投資建設模式進行了比較分析；文獻[7]初步探索了城市與園區為主體構建綜合能源系統的投資建設模式；文獻[8]系統性地分析了國內外綜合能源系統的服務模式；文獻[9-10]在傳統能源利用轉變為新能源利用背景下，設計了綜合能源系統的發展路徑，提出了綜合能源系統的服務模式；文獻[11]就綜合能源系統的投資收益模式、商業模式進行了研究。目前的研究僅限于綜合能源系統，但是對于虛擬能源系統的投資建設模式鮮有研究。

針對虛擬能源系統的運營模式，由于虛擬能源系統聚合新能源，存在不確定性，所以大部分文獻針對虛擬能源系統的運營模式集中于不確定性研究。文獻[12-13]以多能互補系統為研究主體，考慮電負荷與熱負荷的不確定性對多能互補系統進行優化；文獻[14]利用Copula理論與核密度估計方法生成風電、光伏的典型出力場景，平抑風、光出力的不確定性；文獻[15]采用條件風險價值表征虛擬能源系統運行的不確定性導致的利潤變動風險；文獻[16]采用傳統魯棒優化方法刻畫綜合能源系統的不確定性；文獻[17]為了降低光伏接入與負荷的不確定性，構建了考慮魯棒優化的綜合能源系統優化模型；文獻[18]將虛擬能源系統參與的市場分為日前市場與實時市場，在日前市場中采用多場景技術處理不確定性，在實時市場中調節可控設備減少誤差。綜上，目前關于不確定分析方面，主要集中于源側單側與負荷側單側的不確定性分析與研究。同時不確定性處理方法主要多為條件風險價值與傳統魯棒優化方法。但是傳統魯棒優化方法存在決策保守等問題，因此亟待新的不確定處理方法刻畫虛擬能源系統的不確定性。

在現有文獻研究的基礎上，本文對計及多主體與不確定性的農村虛擬能源系統兩階段模式設計進行研究，主要創新點如下：

1)研究對象上。傳統研究對象多為城市能源系統，而農村能源供需特性與城市存在差異，城市能源系統的研究無法在農村完全應用，本文創新性地以農村能源系統為研究對象，通過農村能源系統的高效利用，為城市能源的進一步利用提供借鑒。

2)研究體系上。本文對農村能源系統提出一套從能源系統的投資模式-運營模式-利益分配的體系。

3)研究內容上。在投資模式上，本文考慮多主體的效益進行投資模式的優選；在運營模式上，本文考慮多元不確定性，完善僅考慮單一不確定性帶來的不足。

基于此，本文首先基于農村能源特性設計虛擬能源系統的框架；然后，分析農村虛擬能源系統的參與主體，并提出針對農村虛擬能源系統的投資建設模式；其次，提出兩階段魯棒優化模型刻畫虛擬能源系統運行中的不確定性，用以計及農村虛擬能源系統的不確定性；最后以中國北方某一農村為例進行算例分析。

1 考慮農村能源特性的虛擬能源系統

1.1 農村能源特性分析

傳統的農村能源依靠傳統電網滿足電負荷需求，燃燒秸稈、煤炭等一次能源滿足熱負荷需求，其利用模式如圖1所示。

圖1 傳統農村能源供給模式Fig.1 Traditional rural energy supply mode

由圖1可知，我國農村能源大部分使用秸稈、煤炭等一次能源，可再生能源使用較少。但是秸稈煤炭的燃燒會給環境造成污染，能源利用率低、安全可靠性差、用能分散，不像城市用能具有集聚效應。我國農村資源豐富，可供開發的可再生能源有太陽能、風能、生物質能、地熱能。其中，生物質能約有7億t標準煤，理論上水能資源10 MW，太陽能輻射儲量17 000億t標準煤。可再生能源的開發利用對環境友好及能源利用效率的提高具有重要意義。因此，亟需探索具有高利用效率的系統，促進清潔可再生能源的利用。

1.2 農村虛擬能源系統框架設計及建模

在農村能源特性的基礎上，為了提高能源利用效率，構建農村虛擬能源系統，實現源源互補、荷荷互補、源荷互補，得到農村虛擬能源系統框架如圖2所示。

由圖2可知，基于虛擬能源系統的農村能源供給模式，在供給端以太陽能、風能、生物質能等清潔可再生能源為原料，通過冷熱電聯產(combined cooling heating and power，CCHP)系統以及電轉熱、電轉冷、熱轉冷等轉換設備，滿足負荷端炊事、取暖、照明等能源需求。

圖2 虛擬能源系統農村能源供給模式Fig.2 Rural energy supply mode of virtual energy system

基于農村虛擬能源系統的框架，從能源供給、能源存儲角度進一步分析農村虛擬能源系統能源供給模式特性。

1.2.1 能源供給

1)生物質能。

農村生物質能的利用方式為將畜糞、薪柴、秸稈直接進行燃燒或者作為沼氣的原材料。但是直接燃燒會產生大量的污染，而沼氣利用通過氣化、存儲以及燃氣發電則能夠減少環境污染，用于取暖、照明，沼渣和沼液可以作為有機肥料進行利用。生物質能沼氣發電公式為：

(1)

2)太陽能。

我國太陽能分布廣泛，農村利用太陽能的設備包括光電轉換設備與光熱轉換設備，光電轉換設備是指小型光伏發電；光熱轉換設備是指太陽能暖房、太陽能熱水器與太陽灶。其中光熱轉換如式(2)所示，光電轉換如式(3)所示。

(2)

(3)

3)風能。

農村的風力發電設備能夠獨立運行，其出力為：

(4)

4)水能。

水力發電量與水流大小緊密相關，水力發電為：

(5)

(6)

5)地熱能。

在冬季，熱泵將地球的熱量提取出來，提供給用戶使用；在夏季，將熱量從建筑中提取出來，存儲在地球中，其出力為：

(7)

(8)

1.2.2 能源存儲

能源存儲裝置是指在能量剩余時儲能，能量不足時放能，燃料電池、儲熱、儲冷裝置的通用模型為：

(9)

1.3 農村虛擬能源系統兩階段模式設計思路

基于農村虛擬能源系統的框架，構建其投資階段與運營階段的設計思路，如圖3所示。

圖3 虛擬能源系統兩階段模式設計思路Fig.3 Design idea of two-stage mode of virtual energy system

為了實現虛擬能源系統穩定長久運行，從投資階段與運營階段兩階段出發，其中投資階段解決誰投資與怎么投資2個問題，誰投資也即投資主體分析，怎么投資則是通過分析可以選擇的投資模式并選擇其中最優的投資模式；運營階段解決如何收益以及收益面臨的風險問題，如何收益即運營模式的確定。

2 基于能源供需布局的農村虛擬能源系統投資建設模式

從整體性原則、經濟性原則及風險性原則出發分析農村虛擬能源系統的投資建設模式。其中整體性原則是指將虛擬能源系統作為整體進行投資建設，降低成本，優化資源配置；經濟性原則是指通過推動能源的循環梯級利用，提高經濟效益；風險性原則是指規避內部風險，控制外部風險。

2.1 農村虛擬能源系統的參與主體分析

農村虛擬能源系統從源端供給、荷端負荷來看，農村虛擬能源系統的參與主體主要包括政府、企業及用戶。

1)政府。

政府一方面能夠對虛擬能源系統其余主體的投資建設進行監督管理，營造有利于投資的市場環境，制定相應的法律法規，促進虛擬能源系統合理合法合規的投資建設；另一方面政府根據市場與外部環境的需要也可參與虛擬能源系統的投資建設。

2)企業。

在農村虛擬能源系統中，企業主要是指燃氣公司、電網公司、儲能公司及其他企業。農村虛擬能源系統中的氣負荷除了生物質能通過沼氣池發酵供給外，缺少的部分還需要通過燃氣公司供給；電負荷的缺額部分則需要農村電網進行供給，因此，燃氣公司與農村電網對于維持農村虛擬能源系統的供需平衡、安全穩定的負荷供應至關重要。儲能公司能夠為虛擬能源系統提供儲能裝置，提高虛擬能源系統運行靈活性。

3)農村用戶。

農村用戶作為虛擬能源系統的終端用戶，是各類能源的使用者，為了提高虛擬能源系統的市場化程度，吸引各類資本，農村用戶也可參與虛擬能源系統的投資建設。一方面，通過投資提高自身收益，另一方面，能夠提高農村用戶在虛擬能源系統中的主動權。

2.2 計及多主體的農村虛擬能源系統投資模式

當政府、企業、用戶參與虛擬能源系統時，虛擬能源系統的投資建設模式有5種：建設-經營-轉讓(build-operate-transfer，BOT)模式、建設-擁有-經營(building-owning-operation，BOO)模式、租賃模式、企業投資建設(enterprise investment and construction，EIC)模式、用戶投資建設(user investment construction，UIC)模式。

1)BOT模式。

BOT模式為政府處于主導地位，燃氣公司、電網企業以及其余企業組建形成能源建設公司，能源建設公司向政府提出對虛擬能源系統項目進行經營和管理的許可，政府進行分析決策通過后，政府與能源建設公司簽訂經營特許權協議并規定經營特許權期限。獲得特許權后，能源建設公司開展虛擬能源系統項目的資金籌集、投資建設與運營管理，運營管理所獲得的現金流與收益歸能源建設公司所有。經營特許權期滿后，能源建設公司將所有權免費移交給政府。

2)BOO模式。

BOO模式中前期的流程與BOT一致，在特許權期限內，由能源建設公司進行投資建設與運營。但是特許權期滿后，BOO模式的虛擬能源系統項目所有權并不移交至政府，而是能源建設公司自己擁有所有權。

3)租賃模式。

租賃模式是指由政府負責虛擬能源系統項目的投資建設，投資建設完成后政府租賃給能源建設公司，同時約定租賃費用與租賃期限。租賃期滿后，項目所有權歸政府所有。

4)EIC模式。

EIC模式是指政府進行組織，由能源建設公司進行虛擬能源系統項目的投資、建設、融資與運營，能源建設公司在虛擬能源系統項目中既充當投資者又充當經營者，在虛擬能源系統項目的全過程都進行了參與。

5)UIC模式。

UIC模式以農村用戶為主導，進行虛擬能源系統項目的投資、建設、融資、運營，項目所有權歸用戶所有。

2.3 考慮多主體效益的虛擬能源系統投資模式優選

為了實現政府、企業、農村用戶三主體的效益最優，以政府、企業、農村用戶為利益主體，構建投資模式評估指標體系，建立物元可拓評價模型，優選農村虛擬能源系統的投資模式。

1)投資模式評估指標體系。

從全面性、典型性、客觀性角度出發，構建虛擬能源系統投資模式的評估指標體系如表1所示。

表1 虛擬能源系統投資模式評估指標Table 1 Evaluation index of virtual energy system investment mode

2)虛擬能源系統的物元可拓評估模型。

由于虛擬能源系統參與主體利益需求不一致，導致各主體的下層指標存在矛盾，而物元可拓模型作為多目標的決策方法，能夠最大限度地滿足整體需求，實現全局決策最優。因此本文采用物元可拓評價模型進行虛擬能源系統投資模式的評估，物元可拓評價模型的評價分為確定經典域與節域、計算指標與經典域和節域之間的距、確定指標權重與關聯度、計算綜合評價等級。

(1)確定經典域與節域。

針對評價對象O=[O1,O2,…,On]，假設其評價指標與評價指標值分別為D=[d1,d2,…,dm]、V=[v1,v2,…,vm]，則待評價對象的物元Ri、經典域Rck、節域Re分別為：

(10)

(11)

(12)

(2)指標值與經典域、節域之間的距。

指標值與經典域、節域之間的距分別為：

(13)

(14)

(3)確定指標權重與關聯度。

(15)

基于賦權結果，計算評價屬性x對應的指標j的評價等級為s時的關聯度為：

(16)

式中：Gijs為評價對象i指標j的第s個評價等級。

評價屬性x的評價等級為s時的關聯度矩陣zixs為：

(17)

式中：Wx為評價屬性x的權重矩陣。

參與主體評價等級為s時的關聯度矩陣zies為：

(18)

式中：We為評價指標的權重矩陣。

評價對象評價等級為s的綜合關聯度zs(Oi)為：

zs(Oi)=Wo·[zs(Oi)]T

(19)

式中：Wo為綜合權重矩陣。

(4)計算綜合評價等級。

將待評對象與各評價等級的關聯度進行比較，若該評價等級的關聯度越大，說明待評對象越接近該等級。據此計算得到待評對象的評價等級為：

(20)

(21)

3 計及不確定性的農村虛擬能源系統運營模式

3.1 農村虛擬能源系統的不確定性分析

由于受到氣候、環境及其他因素的影響，農村虛擬能源系統中的新能源出力、負荷以及市場中的電價均存在不確定性。關于不確定隨機問題，大多學者采用魯棒優化與隨機規劃，但是傳統的魯棒優化決策過于保守，隨機規劃計算復雜，因此本節對傳統的魯棒優化進行改進，提出兩階段的魯棒優化。第一階段的決策基于確定性場景進行，第二階段的決策基于隨機性場景進行，通過迭代尋優，降低保守性。

1)兩階段魯棒優化模型。

隨機變量的集合確定是魯棒優化的基礎，本文的隨機變量集合采用考慮期望與協方差的矩不確定集合M表示，如式(22)所示：

(22)

式中：ζ為隨機變量；Pr、Sr、ur、Ccov分別為隨機變量概率、分布空間、期望列向量、協方差向量；k1、k2分別為期望、協方差的不確定范圍參數。

兩階段魯棒優化的第一階段目標函數如式(23)所示，第二階段目標函數如式(24)所示。

(23)

(24)

式中：c1、c2分別為第一階段與第二階段的系數向量；x、y分別為第一階段與第二階段的決策變量；A、B、C為約束條件矩陣；b、h為第一階段與第二階段的常數向量。

為了便于求解，采用拉格朗日對偶法進行變換，具體如式(25)所示：

(25)

式中：l、τ、γi、ui為對偶變量；g、ψi(ζi)為隨機變量測度函數的個數與測度函數；N為隨機變量的個數。

2)基于魯棒優化模型的農村虛擬能源系統不確定性刻畫。農村虛擬能源系統中風電、光伏、負荷、市場價格的不確定性結構分別為：

(26)

(27)

(28)

(29)

3.2 農村虛擬能源系統運營模式設計

農村虛擬能源系統的運營模式為各種可再生能源的出力先滿足農村用戶的負荷需求，當出力大于需求時，運營商聚合各類可再生能源出力，一方面與外部農村電網交易出售多余電力，另一方面當虛擬能源系統的投標容量大于調峰市場的投標閾值時，可參與調峰輔助服務市場提供調峰服務；當出力小于需求時，運營商與外部農村電網交易購買缺額量，具體運營模式如圖4所示。

圖4 農村虛擬能源系統運營模式Fig.4 Operation mode of rural virtual energy system

針對農村能源系統的可調負荷，將其從農業與居民兩方面出發，分為農業可調負荷與居民可調負荷，其中農業可調負荷主要包括運輸機器、種植機器、收割機器、農作物加工及處理機器、雜項農業機器五方面；居民可調負荷包括照明可調負荷與家用電器可調負荷兩方面，總體的可調負荷能力為：

(30)

可調負荷的約束條件為：

(31)

1)內部運行成本最小。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

虛擬能源系統內部運行約束為常規約束，具體參考文獻[20]，在此不再贅述。

2)外部運行成本最小。

虛擬能源系統的外部運行成本為：

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

虛擬能源系統參與市場交易時受到柔性負荷約束、調峰投標約束，具體參考文獻[21]，在此不再贅述。

4 算例分析

4.1 基礎數據

以中國北方某農村地區為例進行算例分析，農村虛擬能源系統中風力發電機組、光伏發電機組、水力發電機組、熱泵、CCHP等機組參數參考文獻[22]。該地區冷、熱、電負荷預測曲線如圖5所示。風電、光伏、水電預測曲線如圖6所示。

圖5 冷、熱、電負荷預測曲線Fig.5 Forecasting curves of cold, heat and electric load

圖6 風 、光、水預測曲線Fig.6 Forecasting curves of wind, photovoltaic, and hydraulic power

風電、光伏、負荷的期望與協方差不確定參數如表2所示[23]。各類成本系數如表3所示[24]。

表2 期望與協方差不確定參數Table 2 Uncertain parameters of expectation and covariance

表3 各類成本系數Table 3 Various cost factors 元/(kW·h)

4.2 結果分析

1)投資模式優選結果。

基于指標的計算方式得到5種投資建設模式下指標的計算結果，如表4所示。各指標權重如表5所示。

表4 各個指標的計算結果Table 4 Calculation results of each index

表5 指標權重結果Table 5 Index weights

根據各指標權重，得到5種投資建設模式的綜合評價結果，如表6所示。

由表6可知，EIC模式的綜合評價結果最高，在5種投資建設模式中排序第一，UIC模式的綜合評價結果最低。這是因為EIC由能源建設公司進行投資建設，一方面能夠較好地管控項目的建設成本與運行成本，對于各項目參與主體的責任與風險界定十分明確；另一方面，由能源建設公司投資運營能充分發揮各公司的技術優勢。若由用戶進行投資建設，雖然整體來看投資比較靈活，但由于用戶投資建設的規模小，能源利用率有限，因此整體的綜合評價結果較低。

表6 綜合評價結果Table 6 Comprehensive evaluation results

2)投資模式優選有效性分析。

為了驗證投資模式優選結果的有效性，采用可拓云評價方法、綜合評價方法以及本文提出的可拓物元評價方法分別進行投資模式評價，并采用置信度因子τ進行有效性檢驗，τ越大，計算結果越分散，評價效果越差。置信度因子τ計算公式為：

(34)

式中：N為重復評價次數；N(n)為落入等級n的次數。

3種評價方法的置信度因子分別如表7所示。由表7可知，可拓物元的置信度因子為0，評價效果最好，由此驗證了本文所提投資模式優選方法的有效性。

表7 置信度因子Table 7 Confidence factor

3)系統優化調度結果。

根據虛擬能源系統投資建設模式的優選結果，選取綜合評價值最高的EIC模式進行投資建設，同時CCHP機組采取以電定熱模式，得虛擬能源系統中各機組的出力結果，如圖7—9所示。

圖7 電力供給與負荷需求Fig.7 Power supply and load demand

圖8 熱力供給與負荷需求Fig.8 Heat supply and load demand

由各機組的出力結果可知，本文的農村多能互補系統中的電負荷主要由風力發電出力與光伏發電出力滿足，促進了風電、光伏的消納，而熱負荷主要是由地熱能通過熱泵供應，冷負荷主要通過熱轉冷設備以及電轉冷設備進行供應，燃料電池、儲熱、儲冷裝置的配備具有平抑風電、光伏出力隨機性與波動性的作用。

為了進一步分析本文同時考慮源側與負荷側的不確定性，設置如下4種情景，分別計算不同情景下的內部運行成本。

情景1：源側和負荷側均不考慮不確定性；

情景2：源側考慮不確定性，負荷側不考慮；

情景3：源側不考慮不確定性，負荷側考慮；

情景4：源側和負荷側均考慮不確定性。

4種情景下的內部運行成本如表8所示。

表8 不同情景下的運行成本Table 8 Operating costs under different scenarios

由表8可知，情景4的總運成本為3 338.6元，高于其他3種情景的運行成本，其中情景1的總成本最低，為3 016.5元。這是因為確定性場景下，無須考慮負荷、風電及光伏出力的隨機性，從而無須考慮過多的發電成本、轉換及儲能成本，使得總成本相對較低。

4)不確定分析方法的效用分析。

為了進一步驗證本文所提不確定分析方法的效用，采用文獻[3]提出的條件風險價值與文獻[4]提出的單魯棒優化方法進行比較分析，比較分析結果如表9所示。

表9 不同處理方法的比較分析結果Table 9 Comparative analysis results of different processing methods

由表9可知，運用條件風險價值進行不確定性處理成本最低，單目標魯棒最高，本文提出的雙魯棒目標優化介于兩者之間。這是因為條件風險價值風電、光伏及負荷是確定的，導致魯棒性考慮不足，而單魯棒優化則過于保守，導致總成本過高。采用本文所提的雙魯棒目標優化不僅能夠克服魯棒性不足的問題，還能減少魯棒過于保守的問題。

5)不確定范圍的敏感性分析。

農村虛擬能源系統的運行成本隨著期望、協方差的不確定范圍參數變化而變化，因此為了分析不確定范圍對虛擬能源系統成本的影響程度，讓風電、光伏、負荷、市場價格的期望與協方差參數分別在[1.10, 1.40]之間變化，得到期望與方差變化下的虛擬能源系統內外部總成本，分別如圖10、11所示。

圖10 期望不確定集對成本影響Fig.10 Impact of expectation uncertainty set on cost

圖11 協方差不確定集對成本影響Fig.11 Impact of covariance uncertain set on cost

由圖10、11可知，一方面，農村虛擬能源系統的運行總成本隨著期望、協方差的不確定范圍參數增加而增加。這是因為不確定范圍參數越大，風電、光伏、負荷、價格的隨機性越強，為了保障虛擬能源系統的安全穩定運行，調度方式更保守，導致運行成本更高。另一方面，與負荷、風電、光伏等隨機性相比，市場價格的不確定范圍參數對于虛擬能源系統成本的影響更大，這是因為市場價格為24 h各機組競價，容易導致更高的不確定性，從而對于虛擬能源系統成本影響更高。

5 結 論

為了解決農村能源利用率不高、環境污染嚴重的問題，本文設計了考慮農村能源特性的虛擬能源系統框架。一方面構建了基于能源供需布局的農村虛擬能源系統投資建設模式；另一方面構建了計及不確定性的農村虛擬能源系統運營模式。并以中國北方為例進行算例分析，算例結果表明：

1)由能源建設公司進行投資建設的EIC模式對農村虛擬能源系統來說具有更高的綜合評價值，能帶來最高的效益。

2)采用兩階段魯棒優化方法刻畫農村虛擬能源系統的不確定性，一方面能夠克服魯棒性不足的問題，另一方面能夠解決單階段魯棒優化方法優化結果過于保守的問題。

3)期望、協方差的不確定范圍越大，隨機性越強，虛擬能源系統的總成本越高。