高鐵站綜合能源能效評價方法構建*

劉 虎，鄭紅娟，孫季澤

（1.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106；2.國電南瑞南京控制系統有限公司，南京 211106）

0 引言

高鐵站作為高速鐵路綜合客運的樞紐的大型交通樓宇，內部供能系統涵蓋冷、熱、電多種能量耦合，用能系統包括兩類充電樁，已成為應用綜合能源系統的代表性場景之一。通過綜合能源需求響應調度，打破高鐵站內各個能源子系統的壁壘，實現多種類能源的優勢互補、階梯利用，滿足站內用戶側的多種負荷需求，提高整體能源利用效率，增強站內供能網絡的經濟性與可靠性，也是當前研究的熱點。

高鐵站綜合能源能效評價是實現高鐵站運營節能的關鍵步驟，當前高鐵站綜合能源運行仍存在浪費現象［1-2］，需要科學合理的優化控制算法。文獻［3］提出一種通過價格機制促進分布式可再生能源消費的方案，可促進可再生能源的消納與共享；文獻［4］采用熵權法定量計算各項指標的權重，建立機器學習的模型，將大數據按照得分進行聚類分析，得到相應特征；文獻［5］從經濟、能源、環境、社會和工程5 個角度建立了智能電網創新示范區能源互聯網評價指標體系；文獻［6］從不同維度對綜合能源系統進行指標體系構建，并在AHP-熵權法基礎上給出組合權重計算方法，提出區域級綜合能源系統能效評估方法。

隨著國家對能源結構優化力度的加強，有效評估綜合能源系統的能效水平十分重要。文獻［7］為了辨識不同運行場景下城市綜合能源系統能源利用效率的薄弱環節，提出了一種基于數據包絡分析法的城市綜合能源系統分環節能效評價方法，該評價方法能夠有效比較不同用能需求、不同運行方式的城市綜合能源系統相對能效情況，確定不同運行場景下的系統重點提升能效環節。雖然對綜合能源的能效評估研究不少，但對高鐵站綜合能源能效評價模型的構建方法并不深入，在優化算法基礎上建立高鐵站綜合能源能效評估方法值得研究。

針對上述問題，本文結合基于綜合模糊理論的能源評價方法［8］，從綜合能源評價系統內影響能效水平的關鍵因素入手，建立了高鐵站綜合能源優化運行能效評價模型；通過在高鐵站中設置3 個場景并進行分析計算，驗證所提模型評價指標和方法的合理性，為實現高鐵站經濟性、清潔化運行發揮作用。

1 高鐵站綜合能源系統概述

從綜合能源協調優化入手［9］，建立高鐵站綜合模糊評價模型，能有效提高高鐵站能源利用效率，加強能源安全使用。

高鐵站內部空間結構與自身負荷特性不同于一般工業園區。在國家大力發展綠色環保低碳經濟的時代背景下，將冷熱電聯供型微電網引入高鐵站，不僅可以為站內用戶提供冷熱電多種負荷需求［10］，使得高鐵站供電、制冷、制熱的問題得到有效解決，還能夠提高站內供電可靠性，保障高速鐵路的安全穩定運行。高鐵站冷熱電聯供型微電網主要供電裝置有：風電、光伏能源以及天然氣等一次能源，由能量樞紐整合，然后通過能量樞紐中的熱電聯產機組、燃氣鍋爐、電轉氣設備以及電鍋爐等能源轉化設備對能量形式進行轉化，最后以電、熱、氣等能量形式通過輸出側輸出滿足用戶負荷需求，能量樞紐一般由能源傳輸、轉化和存儲3 個基本環節組成。綜上所述，高鐵站綜合能源系統整體架構如圖1 所示。

2 高鐵站綜合能源能效評價體系

高鐵站綜合能源能效評價體系應本著反映高鐵站里電網公司、用電區域以及用戶間的能源運行水平，選擇科學的、規范的、實用的、有導向型以及穩定的指標來建立。本文高鐵站綜合能源能效評價體系分別從能源物理效率、能效經濟效率、能源生態效率和供用能可靠性4 個方面的一級指標展開，包括單位建筑面積能耗、人均能耗、用戶用能成本變化、人均污染物排減量、系統供電充裕度等16 個指標［11］，具體指標如下。

2.1 能源物理效率

（1）綜合能效［12］

綜合能耗按式（1）計算：

式中：U為綜合能耗；n 為消耗的能源品種數；ei為系統中第i種子系統的能源消耗量；βi為第i 種能源的折算系數，按能量的當量值或能源等價值折算。

（2）單位建筑面積能耗

單位建筑面積能耗按式（2）計算：

式中：UB為單位建筑面積能耗，kgce／ m2；SB為建筑面積，m2。

（3）人均能耗

人均能耗按式（3）計算：

式中：UN為人均能耗，kgce／人；N為用能人數。

（4）單位產品能耗

單位產品能耗按式（4）計算：

2.2 能效經濟效率

（1）單位產值能耗

單位產值能耗計算公式如（5）所示：

式中：U 為綜合能耗，kgce；UG為單位產值綜合能耗，kgce／萬元；G為統計報告期內產出的總產值或增加值，萬元。

（2）用戶用能成本變化

用戶在參與綜合能源系統時，在初期改建和后期運行過程中都會產生不同的成本，導致整體用能成本變化，為體現綜合能源系統在成本投入上的變化，便于用戶直觀看出綜合能源系統的成本形勢，本節引入用能成本變化指標，綜合反映成本的變化。具體如式（6）所示：

式中：CE，uc為用能成本變化，元；CE，now為現有用能成本，元；CE，original為原有用能成本，元。

現有用能成本是指綜合能源系統改造后用戶正常環境和工況下的用能成本；原有用能成本是指用戶在沒有進行綜合能源改造的情況下的正常運行成本，在此不考慮用戶的前期沉沒成本的影響。可在項目設計階段對比多方案的用能成本變化，選出最經濟適用的綜合能源系統改造方案［13］。

用能成本變化指標能直觀地反映出用戶在系統改造前后的投入成本變化，輔助用戶做出正確的投資決策。

（3）用戶用能收益變化

用戶在參與綜合能源系統時，在后期運行過程中會產生不同的收益。為體現綜合能源系統在收益上的變化，便于用戶直觀看出綜合能源系統的收益形勢，引入用能收益變化指標，綜合反映收益的變化。具體如式（7）所示：

式中：FE，uc為用能收益變化，元；FE，now為現有用能收益，元；FE，original為原有用能收益，元。

現有用能收益是指綜合能源系統改造后用戶正常環境和工況下的用能收益；原有用能收益是指用戶在沒有進行綜合能源改造的情況下的正常收益。可在項目設計階段對比多方案的用能收益變化，選出最經濟適用的綜合能源系統改造方案。

用能收益變化指標能直觀的反映出用戶在系統改造前后的收益變化，輔助用戶做出正確的投資決策。

（4）可挖掘潛能效益

可挖掘潛能效益指標表征在統計周期內，用戶未利用的能源所具有的潛在價值，如式（8）所示：

式中：CQ為可挖掘潛能效益，元；CQ，RG為可再生能源棄能損失，元；CQ，g為可挖掘余氣效益，元；CQ，h為可挖掘余熱效益，元；CQ，c為可挖掘余冷效益，元；CQ，pa為可挖掘余壓效益，元。

可挖掘潛能效益指標越大，說明用戶在統計周期內浪費的能源越多，但優化、發展的空間也越大。

2.3 能源生態效率

（1）單位建筑面積污染物排減量

單位建筑面積污染物減排量／排放量按式（9）計算：

式中：i為污染物種類，主要是二氧化硫、氮氧化物、煙塵、二氧化碳；為第i種污染物單位建筑面積減排量，kg／m2；Vi為第i種污染物減排量或者排放量，kg。

統計周期內，單位建筑面積污染物排放量同上。

（2）人均污染物排減量

人均污染物減排量／排放量按式（10）計算：

統計周期內，人均污染物排放量同上。

（3）單位產值污染物排減量

單位產值污染物減排量／排放量按式（11）計算：

統計周期內，單位產值污染物排放量同上。

（4）節約標煤量

統計周期內，系統中節約的電量所對應的標煤量按式（12）計算：

式中：Bsave為節約的標煤量，t；βcoal為煤等效電法換算系數，309 g／kW·h；Qjsave為用戶節約電量分量，kW·h。

2.4 供用能可靠性

（1）供能可靠率

系統在統計期內有效提供能源時間小時數與統計期內小時數的比值，按式（13）計算：

式中：Tjstop為統計期內第j種能量的停能時間，h；Tj為統計期內第j種能量的統計供應時間，h；j 為供應能量種類，上限為2，按順序分別為電、氣。

（2）系統脆弱率

綜合能源系統中重要度最大的設備重要度值，按式（14）計算：

式中：V為系統脆弱性；Ii為設備i的重要度。

（3）系統停能頻率

統計期內系統平均停能的次數按式（15）計算：

式中：nstop為系統停能次數；nall為統計期內統計次數。

（4）系統供電充裕度

系統供電充裕度按式（16）計算：

3 高鐵站綜合能源能效評價方法

綜合模糊分析法原理即為將模糊理論運用到層次分析法中，集模糊數學、層次架構、權重比較于一體，其常用于領域相關等級評價當中［14-16］。對高鐵站綜合能源運行進行研究，綜合考慮多個方面來進行對能效評價進行分析，將其劃分為n 個評價論域，結合綜合模糊評價方法，對高鐵站綜合能源能效進行評估，圖2 所示為綜合能源能效評價體系。

圖2 高鐵站綜合能源能效評價體系

該評估模型一次因素分為4 個評價論域，集合如（17）所示：

式中：U1為能源物理效率；U2為能源經濟效率；U3為能源生態效率；U4為供用能可靠性。

每一個評價論語可進一步劃分為子集，圖2 中綜合評價集中各評價因素的二級子因素集合如式（18）所示：

建立評價對象的評價等級，每一個因素對應一個評價等級集合，評價集合如式（19）所示：

共有k個評價等級，vk表示第k個評價等級。文中，v1，v2，v3，v4，v5五個等級分別為優秀、良好、中等、及格和差。

每個評價因素的影響程度不同，因此對應不同的權重系數，對各評價因素的權重進行分配，其中各因素權重參考圖2 評價系統中二級子因素分布情形選取，并建立系數矩陣，如式（20）所示：

式（20）中，Wi是Ui上的一個模糊子集，滿足條件式（21）：

第i個指標Ui的評價矩陣為Ri，如式（22）所示：

采用專家打分法進行評估，共有4 個評價矩陣R1、R2、R3、R4，計算綜合評價矩陣如式（23）所示：

n個因素的綜合評價決策矩陣如（24）所示：

專家打分法給出的指標評價矩陣以及綜合目標評價決策矩陣如式（25）所示：

上式為U到V的綜合模糊評價關系。如果U中的各因數子集的權數分配為W，則可得綜合評價結果為式（26）：

最終得到高鐵站綜合能源運行能效模糊評分集合S，如式（27）所示：

其中S為綜合模糊評分結果，同時也是所有評價指標的綜合評價結果。該評價方法為兩層評價模型，更加全面地對運維服務總體情況進行評價，也避免了各個因素相互交叉的影響。

具體能力評分表如表1 所示。

表1 能力評分表

根據以上提出的綜合模糊評價方法能夠對高鐵站綜合能源運行能效進行有效評估，可根據評估結果針對性的修改完善。

4 算例分析

場景1：電、熱負荷需求響應下多能優化控制場景。在該場景下，高鐵站考慮風電、光伏出力，同時考慮電、熱負荷需求響應。

場景2：高鐵站系統中不包含風電、光伏出力，考慮電、熱負荷需求響應。

場景3：高鐵站系統中不包含風電、光伏出力，不考慮電、熱負荷需求響應。

現以某高鐵站為例進行分析，在綜合能源運行一段時間后給出各子因素專家打分表，如表2 所示。根據表2 專家打分表中各因素評價分數以及上節中的公式。制定并建立各場景權重矩陣和綜合目標評價決策矩陣，如表3 所示。通過綜合模糊評價模型進行評估，得出高鐵站綜合能源運行在各個場景下效果。

表2 各子因素專家經驗打分表

表3 場景1 綜合模糊評價評價表

由表3 中的數據可以得到場景1 的評價矩陣R1、R2、R3、R4，具體如式（28）～（31）所示：

由表3 及式（23）～（25）以及（28）～（31）計算綜合目標評價決策矩陣，如式（32）所示：

由表3 及式（26）、（32）求解場景1 風險因素綜合評估結果C1，如式（33）所示：

圖3 通過餅狀圖更加直觀地展示場景1 風險因素綜合評估結果C1各個比例的分布。

圖3 場景1風險因素綜合評估結果

圖4 場景2風險因素綜合評估結果

圖5 場景3風險因素綜合評估結果

由表3 及式（27）計算場景1 綜合能源運行能效模糊得分S1為：

同樣地，根據以上相同的步驟分別對場景2 和場景3 進行評價計算，得到風險因素綜合評估結果C 和相對應的風險因素綜合評估結果圖，以及綜合能源運行能效模糊評分集合S。

式（35）和（36）為場景2 風險綜合評估結果C2與風險評估總得分S2：

圖4 所示為場景2 風險因素綜合評估結果。

式（37）和（38）為場景3 風險綜合評估結果C3與風險評估總得分S3：

圖5 所示為場景3 風險因素綜合評估結果。

圖6 所示為不同場景風險因素評估結果對比，通過觀察，場景1 優秀占比最高，場景2 次之，場景3 最低；總體來說，場景1 的優秀與良好占比最高，場景3 占比最低；而在場景3 在及格和差的占比最高，場景1 占比最低。

上文中根據式（27）計算得到了各場景下高鐵站綜合能源運行能效模糊評分集合S，其得分及評價如表4所示。為了更好地進行對比，圖7 所示為不同場景綜合能源運行評分。由圖可知，超過90 分的只有場景1 的能源生態效率指標以及供能可靠性指標，超過85 分的指標場景1 和場景2 都有3 個，場景3 有2 個；場景1 得分較高，場景2 得分分布較為均勻，場景3 得分偏低；但總體來說，得分都在80 分以上，即評分都為良好以上。

圖7 不同場景綜合能源運行能效評分

表4 各場景下高鐵站綜合能源運行能效評分表

5 結束語

本文面向高鐵站綜合能源能效評價展開研究，從綜合能源系統內影響能效水平的關鍵因素入手，建立了綜合能源評價體系。本文提出了一種高鐵站綜合能源能效評價模型，將模糊理論運用到層次分析法中，綜合考慮了能源物理效率、能源經濟效率、能源生態效率以及供能可靠性多個方面來進行對能效評價進行分析，對綜合能源優化運行能效全面的進行評估；在高鐵站中設置3個不同場景進行對比分析。結果表明，電、熱負荷需求響應下多能優化控制場景下，高鐵站兼顧考慮風光出力和綜合需求響應的優化結果較優，該評價結果可以為后續進一步改善高鐵站綜合能源能效體系提供參考，對促進高鐵站綜合能源運行起到重要作用。