周鵬程，程怡心，曾 鳴

（1.南方電網物資有限公司，廣東 廣州 510620；2.華北電力大學，北京 102206）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷推進，交通擁堵、能源消耗、環(huán)境污染、資源分配不均等問題日益顯著，給城市的社會治理帶來巨大挑戰(zhàn)。智慧城市建設將有助于有效解決城市化進程帶來的一系列問題，實現(xiàn)社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展。

智慧能源是智慧城市建設的重要基石，隨著智慧城市建設的推進，通過“智慧能源”實現(xiàn)的節(jié)能減排經濟效益將占據(jù)越來越重要的地位。目前，智慧城市是開展多能源系統(tǒng)綜合利用最好的實驗載體，智慧城市具有高滲透率分布式可再生能源、分布式儲能、大規(guī)模電動汽車接入等特征，同時還存在多種典型終端用戶。因此，開展面向智慧城市的多能源系統(tǒng)綜合利用將成為未來構建智慧城市能源融合生態(tài)體系的重要手段，對于建設能源優(yōu)化配置網絡和智慧公共服務網絡，實現(xiàn)能源互聯(lián)與服務互動，成功打造城市能源互聯(lián)網示范樣本具有重要的意義［1-3］。

智慧城市多能源系統(tǒng)利用模式復雜，應用場景多樣，在研究面向智慧城市的多能源系統(tǒng)綜合利用和協(xié)同規(guī)劃時，應根據(jù)不同類型的能源利用調控的經濟性、環(huán)保性和可靠性等目標效益，分析區(qū)域多能源系統(tǒng)中不同能源供需特性，構建能夠涵蓋各個環(huán)節(jié)的智慧城市多能源利用綜合效益評估指標體系，為提出智慧城市場景下的多能源綜合系統(tǒng)優(yōu)化方案奠定理論和實踐基礎［4-6］。

鑒于此，在充分挖掘實現(xiàn)智慧城市多能源綜合利用價值的基礎上，分析智慧城市中不同類型的多能源供給和需求特性；提出考慮不同供需特性的多能源系統(tǒng)利用綜合效益評估指標體系；建立基于組合賦權模型和模糊綜合評價法的面向智慧城市能源互聯(lián)下的多能源系統(tǒng)綜合效益評估模型；最后，選取某生態(tài)工業(yè)園區(qū)2015—2018 年多能源系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)進行算例分析，驗證了所提模型的有效性和實用性，為未來面向智慧城市的多能源系統(tǒng)的綜合利用和協(xié)調發(fā)展提供借鑒。

1 智慧城市不同類型的多能源供需特性

1.1 不同類型多能源的供給特性

傳統(tǒng)城市的能源供給類型主要以傳統(tǒng)化石能源（煤炭、石油）以及冷能、熱能、電能、氣能為主。通常，各類型的能源供給特性可表述為冷能、熱能、電能、氣能等多種能量的產生及相互轉換。然而，隨著智慧城市的不斷發(fā)展，多能源系統(tǒng)耦合設備和利用技術在智慧城市建設中的重要性越來越突出［7-9］。多能源系統(tǒng)聯(lián)合供給區(qū)別于單一能源系統(tǒng)以及普通的冷-熱-電三聯(lián)供系統(tǒng)，存在多種能量耦合，相同的負荷可以由不同或者多種設備聯(lián)合供給，增強了各個能源設備之間的耦合性和協(xié)同性，相關聯(lián)供設備為響應間歇性能源的快速波動而變工況運行，也加大了問題的研究難度。

多能源系統(tǒng)能源供給架構。面向智慧城市的多能源系統(tǒng)能源供給架構及設備單元如圖1 所示。多能源系統(tǒng)中的各類設備可以分為獨立型設備和耦合型設備，獨立型設備中電能、熱能、氣能、冷能維持自身特有的能質屬性，不存在異質能流之間的耦合轉化和互補利用，耦合型設備則可以實現(xiàn)電能、熱能、氣能、冷能相互間的轉化利用。

多能源系統(tǒng)供給應用場景。智慧城市多能源聯(lián)合供給應用場景中主要存在冷能、熱能、電能和天然氣4 種形式的能源進行傳輸、轉換、儲存和消耗。圖2 為某生態(tài)城的智慧城市多能源聯(lián)合供給典型應用場景。

圖1 多能源系統(tǒng)能源供給架構和設備單元

圖2 多能源系統(tǒng)能源供給典型應用場景

在智慧城市多能源聯(lián)合供給應用場景中，有3個多能源微網系統(tǒng)接入同一個區(qū)域配電網，分別為冷-電聯(lián)供型系統(tǒng)（Combined Cold and Power，CCP）、冷-熱-電聯(lián)供型系統(tǒng)（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）、熱-電聯(lián)供型系統(tǒng)（Combined Heat and Power，CHP）。假設各個微網系統(tǒng)之間通過電纜線彼此相連，可以進行電能的交易，也可以與電網進行大規(guī)模的電能交易，但各個微網系統(tǒng)間沒有冷能和熱能的傳輸通道，各個微網系統(tǒng)的冷能和熱能傳輸相互獨立。

1.2 不同類型多能源的需求特性

智慧城市中不同類型的能源需求特性可表現(xiàn)為各類用戶根據(jù)其生產生活需要，對冷能、熱能、電能、氣能等多種能源的消耗特性。以3 種典型的多能源用戶（工業(yè)企業(yè)、公共機構、居民用戶）為例，深入分析面向智慧城市的多能源消費特性，并研究其負荷需求的波動特點。

工業(yè)企業(yè)。工業(yè)企業(yè)用電量占全社會用電總量的60%左右。對于連續(xù)性生產企業(yè)，全年負荷處于較高水平，具有一定的波動性，但總體而言負荷較為平穩(wěn)，沒有明顯的峰谷。對于非連續(xù)性生產企業(yè)，負荷集中于日間工作時間，負荷峰值出現(xiàn)在09∶00—11∶00 和14∶00—17∶00，且在13∶00 左右呈現(xiàn)波谷；夜間負荷主要用于必要的用電設施，基本為常數(shù)。工業(yè)企業(yè)夏季典型日負荷需求曲線如圖3 所示。

圖3 工業(yè)企業(yè)夏季典型日負荷需求曲線

公共機構。政府、事業(yè)單位等辦公機構每天固定的使用時段為工作日時段。負荷運行時長一般為8 h。公共機構的冷、熱、電負荷變化和辦公人員的上班活動規(guī)律呈正相關性。與大型商業(yè)用戶類似，公共機構的能耗組成主要為空調能耗、照明能耗和其他動力設備能耗。這些設備單元不受室外環(huán)境的影響，電負荷的需求全年穩(wěn)定，而空調系統(tǒng)能耗受季節(jié)變化、室外環(huán)境變化的影響會產生波動。公共機構冬夏兩季典型日負荷需求曲線如圖4 所示。

圖4 公共機構冬、夏兩季典型日負荷需求曲線

居民用戶。居民用戶的用電量分為高峰時段和低谷時段。用電低谷一般在09∶00—17∶00，居民由于出外工作和學習等原因，家庭用電量較??；用電高峰時段出現(xiàn)在18∶00—23∶00，家庭用電量較高。居民用戶冬季典型日負荷需求曲線如圖5 所示。

圖5 居民用戶冬季典型日負荷需求曲線

2 考慮供需特性的多能源系統(tǒng)綜合效益指標體系

充分考慮智慧城市中能源供需特性，結合多能源系統(tǒng)能量價值的分類體系，將反映經濟效益、社會效益、環(huán)境效益等的指標融入各到能源能效、能源設備、終端用戶等環(huán)節(jié)中，構建多層次維度的智慧城市多能源利用綜合效益評估指標體系，為建立多能源系統(tǒng)綜合效益評估模型奠定基礎。

2.1 能源能效環(huán)節(jié)

多能源轉換效率。能源轉換效率（Energy Efficiency Ratio，EER）是反映能源在加工和轉換過程中能源利用效果的重要指標，它建立在能質系數(shù)概念和能源品位的基礎上。在滿足區(qū)域內相同的電能、熱能、氣能供應的前提下，EER 的數(shù)值越大，則多能源綜合利用的能耗越低，間接反映了智慧城市內整個能源系統(tǒng)的能源利用轉換效率。

污染物排放水平。多能源系統(tǒng)根據(jù)冷能、熱能、電能來源可分為燃燒型和新能源型，由于生產技術及自然條件的限制，多能源設備裝置多以傳統(tǒng)的CHP 和CCHP 等混合系統(tǒng)為主。為此，將CO2減排率（CO2Reduction Ratio，CRR）、SO2減 排 率（SO2Reduction Ratio，SRR）及NOx減排率（NOxReduction Ratio，NRR）等指標作為衡量多能源系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保水平的評價指標。

能源經濟性水平。能源系統(tǒng)的投入成本和能源收益決定了其經濟性水平。能源經濟性水平（Energy Economy Level，EEL）是指一段時間內各類型能源的總經濟收益與總能源投入成本之比。與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，多能源綜合利用在降低成本費用的同時，也帶來了可觀的經濟效益。

2.2 能源設備環(huán)節(jié)

能源設備利用率。能源設備利用率（Energy Equipment Utilization，EEU）是指一段時間內設備的實際工作時間與計劃工作時間的比值，該指標體現(xiàn)了多能源系統(tǒng)內該設備的工作狀態(tài)和生產效率的指標，其值大小與投資效益直接相關。

能源設備故障率。由于智慧城市多能源系統(tǒng)中涉及多個能源環(huán)節(jié)的多種設備，在數(shù)據(jù)獲取和計算方面，采用在單位工作時間內能源設備故障率（Energy Equipment Failure Rate，EEFR）能夠簡化評估流程并同時滿足評估精度。

管網負載率水平。管網負載率水平（Energy Network Load Rate Level，ENLRL）是指平均負載容量和額定負載容量之比，既反映了多能源系統(tǒng)承受大負荷運行的能力，又能夠體現(xiàn)智慧城市中能源設備是否得到最大利用。此外，由于技術水平限制和能源特性，在能源傳輸環(huán)節(jié)會存在一定程度的損耗。

2.3 終端用戶環(huán)節(jié)

用戶端能源質量。終端用戶用能質量（End User Energy Quality，EUEQ）主要包括了電能、熱能及燃氣等能源質量，用戶端能源質量的高低直接決定了該能源是否能夠被用戶消費及用戶的用能體驗。

終端用戶滿意度。終端用戶滿意度（End User Satisfaction，EUS）是指用戶能源消費過程中參與能源互動的直接感受，是一項重要的評估指標。該評價指標可通過在固定周期內，發(fā)放線下調查問卷或線上意見反饋等方式進行信息采集，并終端用戶在此段時間內消費能源的滿意程度及合理建議。

智能表計普及程度。智能表計（熱表、電表、水表、燃氣表等）是終端用戶能源消費計費的智能終端，具有用戶信息數(shù)據(jù)采集多費率雙向計量以及用戶終端控制等智能化功能，能夠優(yōu)化終端用戶的用能途徑和體驗，更好地適應智慧城市的多能源綜合利用與發(fā)展。因此，智能表計普及程度可以反映終端用戶環(huán)節(jié)需求響應的完善度，代表智慧城市中多能源綜合利用智能化、綜合化的發(fā)展進程。

綜上所述，考慮供需特性的多能源系統(tǒng)綜合效益指標體系如表1 所示。

表1 多能源系統(tǒng)綜合效益指標體系

3 智慧城市多能源系統(tǒng)綜合效益評估模型

3.1 組合賦權優(yōu)化模型

3.1.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次權重決策分析方法，既包含專家對指標重要性的主觀判斷，又遵循指標間的客觀關系。

步驟1）：在考慮上、下層邏輯關系的基礎上，將每一個上層元素與下層元素之間進行兩兩判斷，并構造出判斷矩陣C=（cij）n×n。

步驟2）：通過對矩陣中各元素進行歸一化處理，計算判斷矩陣的最大特征值λmax與特征向量

步驟3）：檢驗判斷矩陣的隨機一致性比率CR是否滿足CR＜0.1，若滿足則通過一致性檢驗。其中，CI為一致性檢驗指標，RI為平均隨機一致性指標，n 為判斷矩陣的階數(shù)。

步驟4）：利用同一層次單排序的結果，從上到下逐層進行總層次排序。

3.1.2 反熵權法

熵權法是一種根據(jù)各項指標觀測值所提供的信息量大小來確定指標權重的方法。類似，反熵權法（Anti-entropy Weight，AEW）與熵權法原理類似，但其求得的反熵值和指標包含的信息量、權重值均成正比，便于理解和運算。

步驟1）：計算指標的反熵值Ek，如式（3）—式（4）所示。

式中：K 為評價方案的個數(shù)；vtk為評價指標值，t=1，2，…，T，且k=1，2，…，K；qtk為歸一化的接近度值；n 為評價指標的個數(shù)。

步驟2）：計算各指標權重值ηt，即

3.1.3 基于最小二乘法的組合賦權優(yōu)化

主觀賦權體現(xiàn)了評價指標的價值量，客觀賦權體現(xiàn)了評價指標的信息量，而組合賦權綜合了2 種賦權方法的特點。最小二乘法（Least Squares Method，LSM）以誤差絕對值之和為最小優(yōu)化目標，能夠真實反映主客觀權重值與真值的偏離程度，因此，采用LSM 進行組合賦權優(yōu)化。

式中：L（ω）為主客觀權重偏差；ω 為LSM 組合賦權優(yōu)化后的權重值；λj1為AHP 法確定的客觀權重值；λj2為AEW 法確定的主觀權重值；dij為平衡系數(shù)，通常取0.5。

對構建的組合賦權優(yōu)化評價模型作Langrange函數(shù)變換，即

3.2 基于FCE 法的綜合效益評估模型

模糊綜合評價（Fuzzy Comprehensive Evaluation，F(xiàn)CE）能夠從定性、定量角度去解決評價對象模糊性和多樣性。為此，采用多級FCE 法建立多能源系統(tǒng)綜合能效評估模型。

1）確定因素集。將所有評價指標分成n 個因素集，建立因素集U=｛U1，U2，…，Un｝，滿足Ui∩Uj=?，（i≠j）。再將Ui劃分為子因素集Ui=｛Ui1，Ui2，…，Uij，…，Uin｝。

2）確定評價集。根據(jù)指標的性質和程度，建立評價集V＝｛V1，V2，…，Vm｝，各元素Vi代表各種可能的總的評價結果。

3）構建評價表和隸屬度矩陣。

假設邀請專家對單個因素進行評價，并形成隸屬度評價表，如表2 所示。表中，xij表示第k 個專家對第i 個因素Ui得到的第j 個評語Vj的隸屬度。

構建隸屬度矩陣R，即

表2 隸屬度評價表

4）給出Ui中各評價指標的權重向量Ai=（ai1，ai2，…，ain）。

5）若對Ui的n 個因素進行單因素評價后得到單因素評價矩陣Ri，采用相同的模糊算子將Ri和權重向量Ai模糊合成，計算出該層次因素集Ui的評價結果為

6）將Ui視為一個單獨元素，Bi表示Ui的單指標評價向量，可構成U 到V 的模糊評價矩陣，即

因此U 的綜合評價為B=AoR＝（b1，b2，…，bm）。將模糊綜合評價結果B 與評價集V 進行模糊運算，確定智慧城市多能源系統(tǒng)利用綜合效益評估的最優(yōu)值。

4 智慧城市多能源系統(tǒng)綜合效益評估算例

4.1 算例描述

選取某生態(tài)工業(yè)園區(qū)為研究對象，該園區(qū)擁有若干家多能源密集需求型的大用戶，園區(qū)內以電力能源為基礎，充分應用太陽能發(fā)電、太陽能空調、太陽能熱水、地源熱泵、蓄熱、蓄冷等技術，能夠滿足工業(yè)大用戶冷、熱、電多種需求的柔性調控，滿足分布式能源、儲能系統(tǒng)參與智慧城市多能源聯(lián)合供給的典型應用場景。以生態(tài)工業(yè)園區(qū)2015—2018 年多能源綜合利用的相關數(shù)據(jù)為基礎，開展多能源系統(tǒng)綜合效益評估研究。

4.2 算例分析

4.2.1 指標規(guī)范化處理

構建的智慧城市多能源系統(tǒng)綜合效益評估指標體系是一個多層次維度的評價指標體系，因此需要對指標矩陣進行規(guī)范化處理，消除各指標之間的單位和量級差異理。具體來說：

1）針對極大型指標和極小型指標選取極值處理方法，分別如式（10）和式（11）所示，且變換后，指標的極大值為1，極小值為0。

2）針對中間型指標采用隸屬函數(shù)法，a、d 為函數(shù)的下、上限，b、c 為適度區(qū)間［b，c］的兩端值。

根據(jù)式（9）—式（11），對生態(tài)工業(yè)園區(qū)多能源系統(tǒng)利用情況的基礎數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，具體結果如表3 所示。

表3 園區(qū)多能源系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)規(guī)范化處理結果

4.2.2 組合賦權優(yōu)化求解

由于篇幅限制，AHP、AEW、LSM 組合賦權優(yōu)化的計算過程在不再詳細展開敘述。面向智慧城市的多能源系統(tǒng)利用綜合效益評估指標權重值如表4所示。

4.2.3 綜合評價模型求解

1）建立評價集。按評標指標的性質和程度將其劃分為5 個等級，評價集為V=｛V1，V2，…，V5｝。Vj＝｛高水平［80，100），較高水平［60，80），中等水平［40，60），較低水平［20，40），低水平［0，20）｝。取等級分數(shù)區(qū)間的上限值構成評價集，即V=｛V1，V2，…，V5｝＝｛100，80，60，40，20｝。

2）建立隸屬度評價表。以生態(tài)工業(yè)園區(qū)2018 年的數(shù)據(jù)為例，給出模糊隸屬度矩陣，如表5 所示。

表4 多能源系統(tǒng)綜合效益指標體系權重集

表5 隸屬度評價表

當權重集A（即得到的組合賦權值）和單因素隸屬度矩陣R 為已知時，可作模糊變換來進行綜合評價，即由Bi=AioRi可求得第一層次因素集的隸屬度矩陣R：

3）進行模糊綜合評判。

對R2018進行模糊運算可得，B2018=AoR2018=（0.555，0.293，0.091，0.068，0）。

同理可得，2015—2017 年生態(tài)工業(yè)園區(qū)多能源系統(tǒng)綜合效益評估的模糊綜合評判分別為：

4）綜合評判結果。根據(jù)最大隸屬度原則，2018 年生態(tài)工業(yè)園區(qū)多能源系統(tǒng)綜合效益評估的綜合隸屬度值為0.555，評語為“高水平”。

同理可知，2015—2017 年生態(tài)工業(yè)園區(qū)多能源系統(tǒng)綜合效益評估的綜合隸屬度值分別為0.410、0.437、0.405，評語分別為“中等水平”“較高水平”“較高水平”。

5）評價結果分值分析?；诰C合評判結果，將各年度生態(tài)園區(qū)多能源系統(tǒng)綜合效益評估結果分別轉化為分值，2015—2018 年評價分值分別為66.98、76.22、82.46、87.14。

基于算例結果可知，生態(tài)工業(yè)園區(qū)的多能源系統(tǒng)利用綜合效益逐年遞增，從2015 年“中等水平”上升至2016—2017 年“較高水平”和2018 年“高水平”，從側面反映了園區(qū)在多能源供需平衡、電網削峰填谷、新能源消納等方面實現(xiàn)了能源利用和協(xié)調發(fā)展，成功實現(xiàn)智慧城市能源互聯(lián)網建設成果“落地”。

5 結語

智慧城市是開展多能源系統(tǒng)綜合利用最好的實驗載體。科學的多能源系統(tǒng)效益評估是挖掘綜合能源利用價值、構建智慧城市能源融合生態(tài)體系的關鍵問題之一。針對智慧城市多能源系統(tǒng)綜合效益評估問題展開研究，研究成果如下：

在充分挖掘實現(xiàn)智慧城市多能源綜合利用價值的基礎上，研究分析了智慧城市中不同類型的多能源供給和需求特性：在不同能源供給特性分析方面，重點研究了多能源系統(tǒng)能源供給架構和典型應用場景；在需求特性分析方面，以工業(yè)企業(yè)、公共機構、居民用戶為例，深入研究面向智慧城市的多能源消費特性。

在充分考慮智慧城市中能源供需特性的基礎上，結合多能源系統(tǒng)能量價值的分類體系，將反映經濟效益、社會效益、環(huán)境效益等指標融入各到能源能效、能源設備、終端用戶等環(huán)節(jié)中，構建多層次維度的智慧城市多能源利用綜合效益評估指標體系，為建立多能源系統(tǒng)綜合效益評估模型奠定基礎。

考慮到主客觀賦權下的評價指標權值偏差越小越好，建立了基于AHP-AEW-LSM 的組合賦權模型。結合模糊隸屬度理論，構建了基于FCE 法的智慧城市多能源系統(tǒng)綜合效益評估模型。為所提模型的有效性和實用性，選取某生態(tài)工業(yè)園區(qū)2015—2018 年多能源系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)進行算例分析，為未來面向智慧城市的多能源系統(tǒng)的綜合利用和協(xié)調發(fā)展提供借鑒。